WO2018108545A1 - Mixing device and fuel cell comprising such a mixing device - Google Patents

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WO2018108545A1
WO2018108545A1 PCT/EP2017/080952 EP2017080952W WO2018108545A1 WO 2018108545 A1 WO2018108545 A1 WO 2018108545A1 EP 2017080952 W EP2017080952 W EP 2017080952W WO 2018108545 A1 WO2018108545 A1 WO 2018108545A1
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fuel cell
exhaust pipe
mixing device
mixing
purge
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PCT/EP2017/080952
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Inventor
Stefan Loesch
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H01M8/04119Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying
    • H01M8/04156Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying with product water removal
    • H01M8/04179Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying with product water removal by purging or increasing flow or pressure of reactants
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/06Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues
    • H01M8/0662Treatment of gaseous reactants or gaseous residues, e.g. cleaning
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M2008/1095Fuel cells with polymeric electrolytes
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    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

Definitions

  • the invention relates to a mixing device for a fuel cell system according to the preamble of claim 1 for merging a purge gas at least one anode compartment with an exhaust gas at least one cathode compartment of a fuel cell, and a fuel cell system.
  • the electrical energy required for this purpose is usually obtained from an electrochemical storage.
  • the electrical energy may be generated by a fuel cell system according to the prior art.
  • Fuel cell system mainly consists of a variety of
  • Fuel cells a hydrogen supply, an air supply and a control unit.
  • hydrogen is supplied to an anode side or an anode space, and air to a cathode side or to a cathode space. Both parts of the fuel cell are separated by a membrane which is permeable to protons.
  • a membrane which is permeable to protons.
  • undesirable processes also occur. For example, water also diffuses into the anode compartment and thereby reduces the efficiency of the fuel cell.
  • rinsing operations of the anode compartment and the cathode compartment are necessary to ensure the performance of the fuel cell.
  • corresponding valves can be opened and the respective spaces of the fuel cell can be flushed with hydrogen or oxygen.
  • DE 1 1 2006 003 069 T5 a fuel cell system with a fuel cell for generating electrical energy is known. After each operation of the fuel cell, rinsing with hydrogen and oxygen occurs to reduce the moisture content within the fuel cell. The purge gas is treated prior to feeding into the exhaust pipe and then introduced via a T-piece in an exhaust stream. Nevertheless, a small amount of hydrogen can be added to each flushing process
  • the object of the invention is to propose a mixing device for a fuel cell system, which eliminates the disadvantages mentioned and prevents the formation of an ignitable hydrogen-air mixture in an exhaust pipe of a fuel cell system. Furthermore, it is an object of the invention to provide a fuel cell system with such a mixing device.
  • a mixing device for a fuel cell system for merging a purge gas of an anode compartment with an exhaust gas of a cathode compartment of at least one fuel cell has an exhaust pipe for discharging an exhaust gas from the cathode compartment of the at least one fuel cell and a purge line closable by a valve, which includes the anode compartment of the at least one fuel cell the exhaust pipe fluidly connects.
  • a mixing element for distributing the purge gas within the exhaust gas line can be coupled to the purge line.
  • the purge gas is preferably hydrogen.
  • the purge gas is passed in a controlled manner into the exhaust gas line, so that the purge gas and the exhaust gas can slowly mix with one another. In particular, this results in an effective dilution of the hydrogen contained in the purge gas, so that the hydrogen concentration in the exhaust pipe is always below the
  • the exhaust pipe can be designed here as a pipe and be connected directly to the cathode space of at least one fuel cell. In particular, it carries the water or the water vapor as the reaction product of the fuel cell.
  • the exhaust pipe basically carries air and thus
  • the cathode compartment can also be subjected to a rinsing process, for example by one
  • the exhaust gas of the cathode compartment may also be a purge gas of the cathode compartment, which consists largely of purge air or oxygen.
  • the exhaust pipe is multi-part and includes an orifice area, which the protruding purge line and a arranged on the purge line
  • Exhaust pipe can be positively inserted into one another, welded, glued or connected to each other via screw or flange connections.
  • the components may for example consist of a metal, a plastic, a technical ceramic or the like.
  • the purge line may be integral with the exhaust pipe and project through a wall of the exhaust pipe and open into the exhaust pipe. It is advantageous if the flushing line is connected by gluing, welding or soldering to the exhaust pipe.
  • the purge line can also be passed through an opening in the exhaust pipe and connected there non-positively or positively with the exhaust pipe.
  • the purge line be elastic and have a slight oversize relative to the opening in the wall of the exhaust pipe, so that the purge line can be force-fit and gas-tight pressed into the opening.
  • the purge line may be preferably angled so that it is aligned parallel to the course of the exhaust pipe.
  • Mixing device has the mixing element at least two openings for distributing the purge gas.
  • the merging or the distribution or mixing of the purge gas with the exhaust gas is throttled or slowed down by the at least two openings and there is a distribution of the volume flows to the openings attached to different areas of the mixing element.
  • the mixing element can
  • the mixing element has a portion or a region with openings, which can be designed as bores, perforations, slots and the like, as well as a section for fastening the mixing element to the flushing line.
  • the mixing element has a portion or a region with openings, which can be designed as bores, perforations, slots and the like, as well as a section for fastening the mixing element to the flushing line.
  • Mixing element have a portion which is porous.
  • the walls of the mixing element may consist of a coarsely sintered material or an open-pored foam.
  • the openings can also be made microporous or macroporous.
  • the mixing element may comprise holding elements which slippage within the
  • the mixing element has an elongated extent along the
  • the mixing element is tubular and closed at the ends.
  • the perforations or holes can be radially out
  • the mixing element protrude into the exhaust pipe and be directed so that the purge gas when leaving or when crossing a mixing element wall, a direction or a twist is experienced.
  • the purge gas is passed in the form of a plurality of turbulent flows in the exhaust pipe. This can increase the mixing efficiency.
  • the at least two openings for distributing the flushing gas are arranged along a wall of the mixing element.
  • the mixing element can be produced particularly easily.
  • Perforation can be carried out uniformly or non-uniformly along an example, tubular wall of the mixing element.
  • Mixing device is a distribution element connected to the purge line in such a way that the distribution element connects the purge line with the exhaust pipe with at least two spaced Verteilarmen.
  • the distribution element can be connected to the purge line within the exhaust pipe.
  • Volume flows are shared. This can be especially the mixing of the
  • Purify purge gas with the exhaust gas of the cathode compartment Purify purge gas with the exhaust gas of the cathode compartment.
  • the at least two distribution arms of the distribution element within the exhaust pipe can each be connected to a mixing element.
  • Mixing device is in the mouth region of the purge line in the
  • Exhaust pipe arranged a sensor for measuring a hydrogen concentration.
  • a corresponding sensor may be, for example, a hydrogen microsensor, which can be monitored and read by a measuring electronics. As a result, for example, a warning signal for the operator of
  • Fuel cell system to be generated.
  • the valve can be regulated as a function of the measured hydrogen concentration. If the concentration of hydrogen reaches or exceeds a defined limit, the valve can automatically be triggered based on an output of the measuring electronics and the flushing line can be closed so that the flushing process is interrupted. As a result, any inflow of the purge gas is prevented in the exhaust pipe.
  • the volume flow of the purge gas to the exhaust gas can be controlled by the valve.
  • the volume flow of the purge gas can be controlled by a controllable valve.
  • the volume flow through the purge line can be additionally reduced if necessary.
  • the mixing element is at least partially elastic.
  • the mixing element consists of a plastic, elastomer,
  • the mixing element is positively or cohesively with the
  • the mixing element can be glued, soldered or welded to the flushing line.
  • the elastic mixing element are placed on the end of the flushing line.
  • a clamp can be attached, which presses the mixing element radially against a wall of the purge line.
  • the mixing element may also be an integral end-side component of the flushing line.
  • a fuel cell system according to the invention has at least one
  • a fuel cell having an anode space which is separated by a membrane from a cathode space, a fuel supply of the at least one fuel cell, an oxygen supply of the at least one fuel cell and a mixing device, which controls merging a purge gas of an anode compartment with an exhaust gas of a cathode compartment.
  • a purge gas of an anode chamber is spatially distributed in an oxygen-containing exhaust stream of a cathode chamber is initiated.
  • This goal can be achieved both by a slow introduction of the hydrogen-containing gas with a low volume flow into an exhaust pipe and by introducing the hydrogen-containing gas through distributed openings.
  • By introducing the purge gas through the area distributed openings local hydrogen concentrations can be prevented because the hydrogen-containing gas is not supplied from a single opening of the purge line in the exhaust pipe.
  • Explosion protection is laid, such as when used underground.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of the invention
  • FIG. 2 shows a further simplified section of the fuel cell system according to the invention from FIG. 1 with a fuel cell.
  • FIG. 3 shows a schematic representation of the invention
  • FIG. 4 shows a schematic representation of the invention
  • the fuel cell system 1 shows a schematic representation of a fuel cell system 1 according to the invention.
  • the fuel cell system 1 according to the exemplary embodiment has a large number of fuel cells 2, which are designed in the form of a so-called fuel cell stack 2.
  • the fuel cell stack 2 generates in a chemical reaction of hydrogen and oxygen electrical energy and water as a reaction product.
  • components for the generation and the conduction of the electrical energy such as anodes, cathodes or electrical conductors are not shown.
  • the fuel cells 2 are connected via fuel lines 4 with a fuel supply 6.
  • the fuel supply 6 leads gaseous hydrogen to each individual fuel cell 8 in the fuel cell stack 2.
  • the fuel supply 6 here is a cryogenic hydrogen tank with a not shown
  • Heating device the cryogenic hydrogen into a gaseous
  • Oxygen supply 12 connected, which supplies the fuel cell 2 with gaseous oxygen.
  • the oxygen supply 12 is according to the
  • Embodiment of a cryogenic oxygen tank The cryogenic oxygen is converted into a gaseous state via a heater, not shown
  • the oxygen supply 12 also in the form of an air compressor or
  • Compressor designed to filter the air and pressurized the
  • Fuel cell 2 supplies.
  • the reaction product water is passed, depending on the nature of the fuel cell 2 in liquid or gaseous form through an exhaust pipe 14 from the fuel cell system 1.
  • a purge line 18 which can be regulated via a valve 16 connects the fuel cells 2 to the exhaust gas line 14.
  • the exhaust gas line 14, the valve 16 and the purge line 18 are parts of a mixing device 20 according to the invention, which is described in more detail in the further figures is described.
  • FIG. 2 shows a further simplified section of the fuel cell system 1 from FIG. For the sake of clarity, only one fuel cell 8 of the fuel cell stack 2 from FIG. 1 with an exhaust gas line 14 and a purge line 18 is shown.
  • the individual fuel cell 8 consists of an anode chamber 22 and a cathode chamber 24 which are separated from each other by a partially permeable membrane 26.
  • the membrane 26 is for protons such as
  • the cathode chamber 24 has a cathode, not shown, which is supplied via an oxygen line 10 with gaseous oxygen.
  • Cathode space 24 may alternatively be supplied to ambient air.
  • the anode chamber 22 has an anode, not shown, which is supplied via a fuel line 4 and hydrogen line 4 with gaseous hydrogen.
  • the exhaust pipe 14 is here tubular and directly fluidly connected to each cathode compartment 24.
  • the exhaust pipe 14 is open towards an environment.
  • the purge line 18 connects the anode chamber 22 with the exhaust pipe 14 of the cathode chamber 24.
  • the valve 16 is connected to the purge line 18 and can be operated manually or electrically, whereby the purge line 18 can be closed or opened. In a rinsing process, the valve 16 is opened and the anode chamber 22 is acted upon by hydrogen via the line 4, so that hydrogen together with undesirable substances or gases are passed through the purge line 18 into the exhaust pipe.
  • the purge line 18 in this case opens into the exhaust pipe 14 and there passes into a mixing element 28, through which the purge gas can mix slowly and in a controlled manner with the exhaust gas in the exhaust pipe 14.
  • Figure 3 apparently a schematic representation of the mixing device 20 according to the invention according to a first embodiment.
  • Mixing device 20 has an exhaust pipe 14, which may also be a portion of the exhaust pipe 14.
  • the section can thus also be used in the exhaust pipe 14.
  • the purge line 18 is executed rohrformig according to the embodiment and is cohesively connected to the wall 15 of the exhaust pipe 14.
  • the purge line 18 is bent within the exhaust pipe 14 at an angle of 90 ° and points away from the fuel cell 8 in the direction of
  • Exhaust pipe port 30 which is connected to the ambient air. ends the purge line 18 is open.
  • the mixing element 28 is non-positively connected to the purge line 18. According to the embodiment, this is
  • Mixing element 28 designed as a resilient end cap, which can be pulled on the end of the purge line 18.
  • the mixing element 28 has a cylindrical shape which is open on one side. The opposite end of the
  • Mixing element 28 is provided with a plurality of openings 32. In a flushing thus purge gas passes through the purge line 18 in the
  • the openings 32 distribute the purge gas in the exhaust gas line 14 when flowing through, and on the other hand reduce an outlet cross section of the purge gas, so that mixing or distribution of the purge gas with the exhaust stream does not occur abruptly, but is delayed.
  • the mixing element 28 which is designed to be elastic in this case, can buckle convexly in the direction of the exhaust gas line orifice 30 by means of a pressure of the purge gas and thus mechanically dissolve ice formation. Due to the loosened ice layer, the purge gas can enter the exhaust pipe 14 again.
  • FIG. 4 discloses a schematic representation of the mixing device 20 according to the invention in accordance with a second exemplary embodiment.
  • the purge line 18 extends into the exhaust pipe 14 and has a curvature. Following the curve towards the
  • Exhaust line opening 30, a mixing element 28 is arranged at the end of the purge line 18.
  • the mixing element 28 is cylindrical and made of a stainless steel.
  • the mixing element 28 extends in the direction of the exhaust pipe mouth 30 and is configured at the end as integral with the flushing pipe, also made of stainless steel.
  • a lateral surface of the exhaust pipe mouth 30 is configured at the end as integral with the flushing pipe, also made of stainless steel.
  • Mixing element 28 is made of an open-pore stainless steel foam 32, so that the purge gas can be fed into the exhaust pipe 14 through a plurality of pores 32 which serve as openings 32.
  • the mixing device 20 has a hydrogen sensor 34, which can measure a hydrogen concentration in the region of the mixing element 28.
  • a measuring electronics 36 can read out and evaluate the hydrogen sensor. Depending on defined limits, the measuring electronics 36 can close or open the electric valve 16 automatically.

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Abstract

The invention relates to a mixing device for a fuel cell system for combining a flush gas of an anode space with an exhaust gas of a cathode space of at least one fuel cell, comprising an exhaust line for removing an exhaust gas from the cathode space of the at least one fuel cell and a flush line that can be closed by a valve and connects the anode space of the at least one fuel cell to the exhaust line in a fluid-guiding manner, a mixing element being couplable to the flush line in order to distribute the flush gas into the exhaust line. The invention also relates to a fuel cell system comprising such a mixing device.

Description

Beschreibung Titel  Description title
Mischvorrichtung und eine Brennstoffzelle mit einer derartigen Mischvorrichtung  Mixing device and a fuel cell with such a mixing device
Die Erfindung betrifft eine Mischvorrichtung für ein Brennstoffzellensystem gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 zum Zusammenführen eines Spülgases mindestens eines Anodenraumes mit einem Abgas mindestens eines Kathodenraumes einer Brennstoffzelle, sowie ein Brennstoffzellensystem. The invention relates to a mixing device for a fuel cell system according to the preamble of claim 1 for merging a purge gas at least one anode compartment with an exhaust gas at least one cathode compartment of a fuel cell, and a fuel cell system.
Stand der Technik State of the art
Zur Reduzierung von Kohlendioxidemission werden Fahrzeuge zunehmend mit elektrisch betriebenen Antriebssystemen ausgestattet. Die dazu benötigte elektrische Energie wird hierfür in der Regel aus einem elektrochemischen Speicher bezogen. Alternativ kann die elektrische Energie von einem Brennstoffzellensystem gemäß dem Stand der Technik generiert werden. Ein To reduce carbon dioxide emissions, vehicles are increasingly being equipped with electrically powered drive systems. The electrical energy required for this purpose is usually obtained from an electrochemical storage. Alternatively, the electrical energy may be generated by a fuel cell system according to the prior art. One
Brennstoffzellensystem besteht hauptsächlich aus einer Vielzahl von Fuel cell system mainly consists of a variety of
Brennstoffzellen, einer Wasserstoffversorgung, eine Luftversorgung und eine Steuereinheit. In einer Brennstoffzelle wird Wasserstoff einer Anodenseite bzw. einem Anodenraum und Luft einer Kathodenseite bzw. einem Kathodenraum zugeführt. Beide Teile der Brennstoffzelle werden von einer Membran getrennt, die durchlässig für Protonen ist. Somit kann bei einer Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff zu Wasser elektrische Energie erzeugt werden. Während des Betriebes eines solchen Brennstoffzellensystems entstehen auch unerwünschte Abläufe. Beispielsweise diffundiert Wasser ebenfalls in den Anodenraum und mindert dadurch die Effizienz der Brennstoffzelle. Somit sind zur Sicherstellung der Leistungsfähigkeit der Brennstoffzelle Spülvorgänge des Anodenraumes und des Kathodenraumes notwendig. Hierfür können entsprechende Ventile geöffnet und die jeweiligen Räume der Brennstoffzelle mit Wasserstoff bzw. Sauerstoff gespült werden. Aus der DE 1 1 2006 003 069 T5 ist ein Brennstoffzellensystem mit einer Brennstoffzelle zur Erzeugung elektrischer Energie bekannt. Nach jedem Arbeitsvorgang der Brennstoffzelle erfolgt eine Spülung mit Wasserstoff und Sauerstoff, um den Feuchtigkeitsgehalt innerhalb der Brennstoffzelle zu reduzieren. Das Spülgas wird vor dem Zuführen in die Abgasleitung aufbereitet und anschließend über ein T-Stück in einen Abgasstrom eingeleitet. Bei jedem Spülvorgang kann dennoch eine kleine Menge an Wasserstoff in den Fuel cells, a hydrogen supply, an air supply and a control unit. In a fuel cell, hydrogen is supplied to an anode side or an anode space, and air to a cathode side or to a cathode space. Both parts of the fuel cell are separated by a membrane which is permeable to protons. Thus, in a reaction of hydrogen and oxygen to water electrical energy can be generated. During the operation of such a fuel cell system, undesirable processes also occur. For example, water also diffuses into the anode compartment and thereby reduces the efficiency of the fuel cell. Thus, rinsing operations of the anode compartment and the cathode compartment are necessary to ensure the performance of the fuel cell. For this purpose, corresponding valves can be opened and the respective spaces of the fuel cell can be flushed with hydrogen or oxygen. From DE 1 1 2006 003 069 T5 a fuel cell system with a fuel cell for generating electrical energy is known. After each operation of the fuel cell, rinsing with hydrogen and oxygen occurs to reduce the moisture content within the fuel cell. The purge gas is treated prior to feeding into the exhaust pipe and then introduced via a T-piece in an exhaust stream. Nevertheless, a small amount of hydrogen can be added to each flushing process
Abgasbereich des Brennstoffzellensystems gelangen. Hierdurch kann lokal die Wasserstoffkonzentration derart ansteigen, dass sich ein detonationsfähiges Gasgemisch bildet. Exhaust gas reach the fuel cell system. As a result, locally the hydrogen concentration can rise in such a way that a gas mixture capable of detonating forms.
Offenbarung der Erfindung Disclosure of the invention
Aufgabe der Erfindung ist es eine Mischvorrichtung für ein Brennstoffzellensystem vorzuschlagen, welche die genannten Nachteile beseitigt und die Bildung eines zündfähigen Wasserstoff-Luft-Gemisches in einer Abgasleitung eines Brennstoffzellensystems verhindert. Des Weiteren ist es Aufgabe der Erfindung ein Brennstoffzellensystem mit einer derartigen Mischvorrichtung zu schaffen. The object of the invention is to propose a mixing device for a fuel cell system, which eliminates the disadvantages mentioned and prevents the formation of an ignitable hydrogen-air mixture in an exhaust pipe of a fuel cell system. Furthermore, it is an object of the invention to provide a fuel cell system with such a mixing device.
Diese Aufgabe wird durch eine Mischvorrichtung für ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 und durch ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Patentanspruches 12 gelöst. This object is achieved by a mixing device for a fuel cell system having the features of claim 1 and by a fuel cell system having the features of claim 12.
Eine Mischvorrichtung für ein Brennstoffzellensystem zum Zusammenführen eines Spülgases eines Anodenraumes mit einem Abgas eines Kathodenraumes mindestens einer Brennstoffzelle weist eine Abgasleitung zum Ableiten eines Abgases aus dem Kathodenraum der mindestens einen Brennstoffzelle und eine durch ein Ventil verschließbare Spülleitung auf, die den Anodenraum der mindestens einen Brennstoffzelle mit der Abgasleitung fluidleitend verbindet. Erfindungsgemäß ist ein Mischelement zum Verteilen des Spülgases innerhalb der Abgasleitung mit der Spülleitung koppelbar. A mixing device for a fuel cell system for merging a purge gas of an anode compartment with an exhaust gas of a cathode compartment of at least one fuel cell has an exhaust pipe for discharging an exhaust gas from the cathode compartment of the at least one fuel cell and a purge line closable by a valve, which includes the anode compartment of the at least one fuel cell the exhaust pipe fluidly connects. According to the invention, a mixing element for distributing the purge gas within the exhaust gas line can be coupled to the purge line.
Hierdurch wird während eines Spülvorgangs das Spülgas aus dem Anodenraum nicht direkt in die Abgasleitung geführt. Bei dem Spülgas handelt es sich vorzugsweise um Wasserstoff. Durch das erfindungsgemäße Mischelement wird das Spülgas kontrolliert in die Abgasleitung geleitet, so dass sich das Spülgas und das Abgas langsam miteinander vermischen können. Insbesondere entsteht hierdurch eine effektive Verdünnung des im Spülgas enthaltenen Wasserstoffes, so dass die Wasserstoffkonzentration in der Abgasleitung stets unterhalb derAs a result, the purge gas from the anode compartment is not guided directly into the exhaust pipe during a purge operation. The purge gas is preferably hydrogen. By means of the mixing element according to the invention, the purge gas is passed in a controlled manner into the exhaust gas line, so that the purge gas and the exhaust gas can slowly mix with one another. In particular, this results in an effective dilution of the hydrogen contained in the purge gas, so that the hydrogen concentration in the exhaust pipe is always below the
Konzentration eines detonationsfähigen Gemisches bleibt. Das bedeutet, dass ein kleiner Volumenstrom, der in der Regel Wasserstoff enthält, über die Concentration of a detonable mixture remains. This means that a small volume flow, which usually contains hydrogen, over the
Spülleitung und das Mischelement in einen größeren Volumenstrom, Purge line and the mixing element into a larger volume flow,
vorzugsweise in die Abgasleitung der Brennstoffzelle selbst oder in eine preferably in the exhaust pipe of the fuel cell itself or in a
Abgasleitung eines ganzen Brennstoffzellensystems eingeleitet wird. Durch dieseExhaust pipe of a whole fuel cell system is initiated. Through this
Maßnahme kann die Explosionsgefahr des Brennstoffzellensystems deutlich reduziert werden. Die Abgasleitung kann hierbei als ein Rohr ausgeführt sein und mit dem Kathodenraum mindestens einer Brennstoffzelle direkt verbunden sein. Sie führt insbesondere das Wasser bzw. den Wasserdampf als Reaktionsprodukt der Brennstoffzelle. Die Abgasleitung führt grundsätzlich Luft und damit Measure the risk of explosion of the fuel cell system can be significantly reduced. The exhaust pipe can be designed here as a pipe and be connected directly to the cathode space of at least one fuel cell. In particular, it carries the water or the water vapor as the reaction product of the fuel cell. The exhaust pipe basically carries air and thus
Sauerstoff aus der Umgebung und kann zusätzlich hierzu Luft bzw. Sauerstoff aus einer Sauerstoffversorgungseinheit aufweisen. Der Kathodenraum kann ebenfalls einem Spülvorgang unterzogen werden, beispielsweise um ein  Oxygen from the environment and may additionally comprise air or oxygen from an oxygen supply unit. The cathode compartment can also be subjected to a rinsing process, for example by one
Einfrieren des Kathodenraumes zu verhindern. Hierbei kann das Abgas des Kathodenraumes auch ein Spülgas des Kathodenraumes sein, welches zum großen Teil aus Spülluft bzw. -Sauerstoff besteht. Vorteilhafterweise ist die Abgasleitung mehrteilig und beinhaltet einen Mündungsbereich, der die hineinragende Spülleitung und ein an der Spülleitung angeordnetes Prevent freezing of the cathode compartment. Here, the exhaust gas of the cathode compartment may also be a purge gas of the cathode compartment, which consists largely of purge air or oxygen. Advantageously, the exhaust pipe is multi-part and includes an orifice area, which the protruding purge line and a arranged on the purge line
Mischelement aufweist. Hierdurch kann beispielsweise das Mischelement oder die Spülleitung leicht zugänglich ausgetauscht werden. Einzelne Teile derHas mixing element. As a result, for example, the mixing element or the flushing line can be easily replaced. Individual parts of the
Abgasleitung können formschlüssig ineinander gesteckt, verschweißt, geklebt oder über Schraub- bzw. Flanschverbindungen miteinander verbunden werden. Die Komponenten können beispielsweise aus einem Metall, einem Kunststoff, einer technischen Keramik oder dergleichen bestehen. Alternativ kann die Spülleitung integral mit der Abgasleitung ausgeführt sein und durch eine Wand der Abgasleitung hindurch ragen und in der Abgasleitung münden. Hierbei ist es vorteilhaft, wenn die Spülleitung durch Kleben, Schweißen oder Löten mit der Abgasleitung verbunden ist. Alternativ kann die Spülleitung auch durch eine Öffnung in der Abgasleitung geführt und dort kraftschlüssig oder formschlüssig mit der Abgasleitung verbunden werden. Beispielsweise kann die Spülleitung elastisch ausgeführt sein und ein leichtes Übermaß gegenüber der Öffnung in der Wand der Abgasleitung aufweisen, sodass die Spülleitung kraftschlüssig und gasdichtend in die Öffnung hineingepresst werden kann. Innerhalb des Exhaust pipe can be positively inserted into one another, welded, glued or connected to each other via screw or flange connections. The components may for example consist of a metal, a plastic, a technical ceramic or the like. Alternatively, the purge line may be integral with the exhaust pipe and project through a wall of the exhaust pipe and open into the exhaust pipe. It is advantageous if the flushing line is connected by gluing, welding or soldering to the exhaust pipe. Alternatively, the purge line can also be passed through an opening in the exhaust pipe and connected there non-positively or positively with the exhaust pipe. For example, the purge line be elastic and have a slight oversize relative to the opening in the wall of the exhaust pipe, so that the purge line can be force-fit and gas-tight pressed into the opening. Within the
Mündungsbereiches der Abgasleitung, kann die Spülleitung vorzugweise derart angewinkelt sein, dass sie parallel zum Verlauf der Abgasleitung ausgerichtet ist. Mouth region of the exhaust pipe, the purge line may be preferably angled so that it is aligned parallel to the course of the exhaust pipe.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen In a preferred embodiment of the invention
Mischvorrichtung weist das Mischelement mindestens zwei Öffnungen zum Verteilen des Spülgases auf. Durch diese Maßnahme erfolgt das Zusammen- führen bzw. das Verteilen oder Vermischen des Spülgases mit dem Abgas durch die mindestens zwei Öffnungen gedrosselt bzw. verlangsamt und es erfolgt eine Aufteilung der Volumenströme auf die an unterschiedlichen Bereichen des Mischelementes angebrachten Öffnungen. Das Mischelement kann Mixing device has the mixing element at least two openings for distributing the purge gas. By this measure, the merging or the distribution or mixing of the purge gas with the exhaust gas is throttled or slowed down by the at least two openings and there is a distribution of the volume flows to the openings attached to different areas of the mixing element. The mixing element can
beispielsweise als eine Endkappe mit mindestens zwei Öffnungen ausgeführt sein, die mit der Spülleitung endseitig verbunden werden kann. Durch die Anzahl und Größe der Öffnungen kann der Volumenstrom des Spülgases definiert werden. Bevorzugterweise weist das Mischelement einen Abschnitt oder einen Bereich mit Öffnungen auf, die als Bohrungen, Perforationen, Schlitze und dergleichen ausgeführt sein können sowie einen Abschnitt zum Befestigen des Mischelementes an der Spülleitung. Alternativ oder auch zusätzlich kann dasFor example, be designed as an end cap with at least two openings, which can be connected end to end with the purge line. Due to the number and size of the openings, the volume flow of purge gas can be defined. Preferably, the mixing element has a portion or a region with openings, which can be designed as bores, perforations, slots and the like, as well as a section for fastening the mixing element to the flushing line. Alternatively or additionally, the
Mischelement einen Abschnitt aufweisen, der porös ausgestaltet ist. Mixing element have a portion which is porous.
Beispielsweise können die Wände des Mischelementes aus einem grobkörnig gesinterten Material oder einem offenporigen Schaum bestehen. Die Öffnungen können auch mikro- bzw. makroporös ausgeführt sein. Zusätzlich kann das Mischelement Halteelemente aufweisen, die ein Verrutschen innerhalb derFor example, the walls of the mixing element may consist of a coarsely sintered material or an open-pored foam. The openings can also be made microporous or macroporous. In addition, the mixing element may comprise holding elements which slippage within the
Abgasleitung verhindern bzw. die ein Verbinden des Mischelementes mit der Abgasleitung ermöglichen. Prevent exhaust pipe or allow a connection of the mixing element with the exhaust pipe.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen According to a further embodiment of the invention
Mischvorrichtung weist das Mischelement eine längliche Ausdehnung entlang derMixing device, the mixing element has an elongated extent along the
Abgasleitung auf. Hierdurch wird das Zusammenführen bzw. Vermischen beider Gase räumlich verteilt, sodass lokal keine überhöhte Wasserstoffkonzentration entsteht. Vorteilhafterweise ist das Mischelement rohrförmig und endseitig verschlossen. Als Mischelement kann jedoch auch eine beliebige andere Form aufweisen. Insbesondere können die Perforationen oder Bohrungen radial aus dem Mischelement in die Abgasleitung hineinragen und gerichtet sein, sodass das Spülgas beim Verlassen bzw. beim Durchqueren einer Mischelementwand eine Richtung oder ein Drall erfährt wird. Vorteilhafterweise wird das Spülgas in Form einer Vielzahl an turbulenten Strömungen in die Abgasleitung geleitet. Hierdurch kann die Vermischungseffizienz gesteigert werden. Exhaust pipe on. As a result, the merging or mixing of both gases is spatially distributed, so locally no excessive hydrogen concentration. Advantageously, the mixing element is tubular and closed at the ends. As a mixing element, however, may also have any other shape. In particular, the perforations or holes can be radially out The mixing element protrude into the exhaust pipe and be directed so that the purge gas when leaving or when crossing a mixing element wall, a direction or a twist is experienced. Advantageously, the purge gas is passed in the form of a plurality of turbulent flows in the exhaust pipe. This can increase the mixing efficiency.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Mischvorrichtung sind die mindestens zwei Öffnungen zum Verteilen des Spülgases entlang einer Wand des Mischelementes angeordnet. Hierdurch lässt sich das Mischelement besonders einfach herstellen. Die Anordnung der Öffnungen bzw.In a further exemplary embodiment of the mixing device according to the invention, the at least two openings for distributing the flushing gas are arranged along a wall of the mixing element. As a result, the mixing element can be produced particularly easily. The arrangement of the openings or
Perforation kann hierbei gleichmäßig oder ungleichmäßig entlang einer beispielsweise rohrförmigen Wand des Mischelementes ausgeführt sein. Perforation can be carried out uniformly or non-uniformly along an example, tubular wall of the mixing element.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen According to a further embodiment of the invention
Mischvorrichtung ist ein Verteilelement an die Spülleitung derart anschließbar, dass das Verteilelement mit mindestens zwei voneinander beabstandeten Verteilarmen die Spülleitung mit der Abgasleitung verbindet. Alternativ ist das Verteilelement an die Spülleitung innerhalb der Abgasleitung anschließbar. Hierdurch kann der Volumenstrom der Spülleitung in mehrere kleinere Mixing device is a distribution element connected to the purge line in such a way that the distribution element connects the purge line with the exhaust pipe with at least two spaced Verteilarmen. Alternatively, the distribution element can be connected to the purge line within the exhaust pipe. As a result, the volume flow of the purge line in several smaller
Volumenströme geteilt werden. Dies kann insbesondere die Vermischung desVolume flows are shared. This can be especially the mixing of the
Spülgases mit dem Abgas des Kathodenraumes verbessern. Purify purge gas with the exhaust gas of the cathode compartment.
Bei einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Mischvorrichtung sind die mindestens zwei Verteilarme des Verteilelementes innerhalb der Abgasleitung jeweils mit einem Mischelement verbindbar. Durch diese Maßnahme können die bereits aufgeteilten Volumenströme zusätzlich gestreut und effizient verteilt werden. In a further preferred embodiment of the mixing device according to the invention, the at least two distribution arms of the distribution element within the exhaust pipe can each be connected to a mixing element. By this measure, the already distributed volume flows can be additionally scattered and distributed efficiently.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen According to a further embodiment of the invention
Mischvorrichtung ist in dem Mündungsbereich der Spülleitung in der Mixing device is in the mouth region of the purge line in the
Abgasleitung ein Sensor zum Messen einer Wasserstoffkonzentration angeordnet. Als zusätzliche Sicherheitsmaßnahme kann hierdurch die  Exhaust pipe arranged a sensor for measuring a hydrogen concentration. As an additional security measure can thereby the
Konzentration des Wasserstoffes innerhalb der Abgasleitung überwacht werden. Ein entsprechender Sensor kann beispielsweise ein Wasserstoffmikrosensor sein, der von einer Messelektronik überwacht und ausgelesen werden kann. Hierdurch kann beispielsweise ein Warnsignal für den Betreiber des Concentration of the hydrogen to be monitored within the exhaust pipe. A corresponding sensor may be, for example, a hydrogen microsensor, which can be monitored and read by a measuring electronics. As a result, for example, a warning signal for the operator of
Brennstoffzellensystems generiert werden. Fuel cell system to be generated.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Misch- Vorrichtung ist das Ventil abhängig von der gemessenen Wasserstoffkonzentration regelbar. Wenn die Konzentration des Wasserstoffes eine definierte Grenze erreicht oder überschreitet kann automatisch das Ventil basierend auf einer Ausgabe der Messelektronik angesteuert und die Spülleitung verschlossen werden, sodass der Spülvorgang unterbrochen wird. Hierdurch wird jegliches Einströmen des Spülgases in die Abgasleitung verhindert. In a further exemplary embodiment of the mixing device according to the invention, the valve can be regulated as a function of the measured hydrogen concentration. If the concentration of hydrogen reaches or exceeds a defined limit, the valve can automatically be triggered based on an output of the measuring electronics and the flushing line can be closed so that the flushing process is interrupted. As a result, any inflow of the purge gas is prevented in the exhaust pipe.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Mischvorrichtung ist der Volumenstrom des Spülgases zum Abgas durch das Ventil steuerbar. According to one embodiment of the mixing device according to the invention, the volume flow of the purge gas to the exhaust gas can be controlled by the valve.
Hierdurch kann alternativ oder auch zusätzlich zu den bereits genannten Maßnahmen der Volumenstrom des Spülgases durch ein regelbares Ventil gesteuert werden. Insbesondere kann hierdurch der Volumenstrom durch die Spülleitung bei Bedarf zusätzlich reduziert werden. As a result, as an alternative or in addition to the measures already mentioned, the volume flow of the purge gas can be controlled by a controllable valve. In particular, as a result, the volume flow through the purge line can be additionally reduced if necessary.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Misch- Vorrichtung ist das Mischelement zumindest bereichsweise elastisch ausgeführt.In a further embodiment of the mixing device according to the invention, the mixing element is at least partially elastic.
Hierdurch kann sich das Mischelement im Falle eines Einfrierens durch denThis allows the mixing element in the event of freezing through the
Druck des Spülgases ausdehnen und so eventuelle Eisbildung lockern bzw. aufbrechen. Somit kann ein Gastransport nach einem vollständigen bzw. Extend the pressure of the purge gas and thus loosen or break up any possible ice formation. Thus, a gas transport after a complete or
gasdichten Gefrieren des Mischelementes wieder ermöglicht werden. gastight freezing of the mixing element are made possible again.
Vorteilhafterweise besteht das Mischelement aus einem Kunststoff, Elastomer,Advantageously, the mixing element consists of a plastic, elastomer,
Silikon oder einem anderen elastischen Material, dass sich bei einem Silicone or another elastic material that fits at a
anliegenden Druck ausdehnen kann. can expand applied pressure.
Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Mischvorrichtung ist das Mischelement formschlüssig oder stoffschlüssig mit derAccording to a preferred embodiment of the mixing device according to the invention, the mixing element is positively or cohesively with the
Spülleitung verbindbar. Bevorzugterweise kann das Mischelement mit der Spülleitung verklebt, verlötet oder verschweißt sein. Insbesondere bei einer elastischen Ausführung des Mischelementes kann es vorteilhaft sein, diesen in bestimmten zeitlichen Abständen wechseln zu können, sodass eine Flushing line connectable. Preferably, the mixing element can be glued, soldered or welded to the flushing line. In particular, in an elastic embodiment of the mixing element, it may be advantageous to be able to change this at certain intervals, so that a
formschlüssige Verbindung dies ermöglichen kann. Beispielsweise kann hierbei das elastische Mischelement endseitig auf die Spülleitung gestülpt werden. Zum sicheren Fixierung des Mischelementes kann auch eine Schelle angebracht werden, die das Mischelement radial gegen eine Wand der Spülleitung presst. Alternativ kann das Mischelement auch ein integraler endseitiger Bestandteil der Spülleitung sein. positive connection can make this possible. For example, hereby the elastic mixing element are placed on the end of the flushing line. For secure fixation of the mixing element and a clamp can be attached, which presses the mixing element radially against a wall of the purge line. Alternatively, the mixing element may also be an integral end-side component of the flushing line.
Ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem weist mindestens eine A fuel cell system according to the invention has at least one
Brennstoffzelle mit einem Anodenraum, der durch eine Membran von einem Kathodenraum getrennt ist, eine Brennstoffversorgung der mindestens einen Brennstoffzelle, eine Sauerstoffversorgung der mindestens einen Brennstoffzelle und eine Mischvorrichtung auf, die ein Zusammenführen eines Spülgases eines Anodenraum mit einem Abgas eines Kathodenraum kontrolliert bzw. regelt. Hierdurch wird eine ungewollte Explosions- oder Brandgefahr durch Sicherstellen einer schnellen Unterschreitung der unteren Zündgrenze eines Wasserstoff-Luft- Gemisches dadurch erreicht, dass ein wasserstoffhaltiges Gas wie A fuel cell having an anode space which is separated by a membrane from a cathode space, a fuel supply of the at least one fuel cell, an oxygen supply of the at least one fuel cell and a mixing device, which controls merging a purge gas of an anode compartment with an exhaust gas of a cathode compartment. As a result, an unwanted explosion or fire hazard by ensuring a fast below the lower ignition limit of a hydrogen-air mixture achieved in that a hydrogen-containing gas such
beispielsweise ein Spülgas eines Anodenraumes räumlich verteilt in einen sauerstoffhaltigen Abgasstrom eines Kathodenraumes eingeleitet wird. Dieses Ziel kann sowohl durch ein langsames Einleiten des wasserstoffhaltigen Gases mit einem geringen Volumenstrom in eine Abgasleitung als auch durch ein Einleiten des wasserstoffhaltigen Gases durch flächenmäßig verteilte Öffnungen erreicht werden. Durch die Einleitung des Spülgases durch die flächenmäßig verteilten Öffnungen können lokale Wasserstoffkonzentrationen verhindert werden, da das wasserstoffhaltige Gas nicht aus einer einzigen Öffnung der Spülleitung in die Abgasleitung zugeführt wird. For example, a purge gas of an anode chamber is spatially distributed in an oxygen-containing exhaust stream of a cathode chamber is initiated. This goal can be achieved both by a slow introduction of the hydrogen-containing gas with a low volume flow into an exhaust pipe and by introducing the hydrogen-containing gas through distributed openings. By introducing the purge gas through the area distributed openings local hydrogen concentrations can be prevented because the hydrogen-containing gas is not supplied from a single opening of the purge line in the exhaust pipe.
Ein derartiges Brennstoffzellensystem kann insbesondere vorteilhaft bei Anwendung sein, bei denen ein besonderes Augenmerk auf Brand- und Such a fuel cell system may be particularly advantageous in application in which a special attention to fire and
Explosionsschutz gelegt wird, wie beispielsweise bei einem Einsatz unter Tage. Explosion protection is laid, such as when used underground.
Sonstige vorteilhafte Ausführungsbeispiele sind Gegenstand weiterer Other advantageous embodiments are the subject of further
Unteransprüche. Dependent claims.
Im Folgenden werden anhand von stark vereinfachten schematischen The following are based on highly simplified schematic
Darstellungen bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Representations preferred embodiments of the invention explained in more detail. FIG. 1 shows a schematic representation of the invention
Brennstoffzellensystems. Fuel cell system.
Figur 2 zeigt einen weiter vereinfachten Ausschnitt des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems aus Figur 1 mit einer Brennstoffzelle.  FIG. 2 shows a further simplified section of the fuel cell system according to the invention from FIG. 1 with a fuel cell.
Figur 3 stellt eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen FIG. 3 shows a schematic representation of the invention
Mischvorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel dar.  Mixing device according to a first embodiment.
Figur 4 zeigt eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen FIG. 4 shows a schematic representation of the invention
Mischvorrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel. In den Figuren weisen dieselben konstruktiven Elemente jeweils dieselbenMixing device according to a second embodiment. In the figures, the same structural elements each have the same
Bezugsziffern auf. Reference numbers on.
Die Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems 1. Das Brennstoffzellensystem 1 weist gemäß dem Ausführungsbeispiel eine Vielzahl an Brennstoffzellen 2 auf, die in Form eines sogenannten Brennstoffzellenstacks 2 ausgeführt sind. Der Brennstoffzellenstack 2 generiert bei einer chemischen Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff elektrische Energie und Wasser als Reaktionsprodukt. Der besseren Übersicht halber sind Komponenten für die Erzeugung und die Leitung der elektrischen Energie wie beispielsweise Anoden, Kathoden oder elektrische Leiter nicht dargestellt. Die Brennstoffzellen 2 sind über Brennstoffleitungen 4 mit einer Brennstoffversorgung 6 verbunden. 1 shows a schematic representation of a fuel cell system 1 according to the invention. The fuel cell system 1 according to the exemplary embodiment has a large number of fuel cells 2, which are designed in the form of a so-called fuel cell stack 2. The fuel cell stack 2 generates in a chemical reaction of hydrogen and oxygen electrical energy and water as a reaction product. For the sake of clarity, components for the generation and the conduction of the electrical energy such as anodes, cathodes or electrical conductors are not shown. The fuel cells 2 are connected via fuel lines 4 with a fuel supply 6.
Die Brennstoffversorgung 6 führt jeder einzelnen Brennstoffzelle 8 in dem Brennstoffzellenstack 2 gasförmigen Wasserstoff zu. Die Brennstoffversorgung 6 ist hierbei ein kryogener Wasserstofftank mit einer nicht gezeigten The fuel supply 6 leads gaseous hydrogen to each individual fuel cell 8 in the fuel cell stack 2. The fuel supply 6 here is a cryogenic hydrogen tank with a not shown
Heizvorrichtung, die kryogenen Wasserstoff in einen gasförmigen Heating device, the cryogenic hydrogen into a gaseous
Aggregatzustand überführt. Über entsprechende Sauerstoffleitungen 10 sind die Brennstoffzellen 2 mit einerPhysical state transferred. About corresponding oxygen lines 10, the fuel cell 2 with a
Sauerstoffversorgung 12 verbunden, die die Brennstoffzellen 2 mit gasförmigem Sauerstoff versorgt. Die Sauerstoffversorgung 12 ist gemäß dem Oxygen supply 12 connected, which supplies the fuel cell 2 with gaseous oxygen. The oxygen supply 12 is according to the
Ausführungsbeispiel ein kryogener Sauerstoffbehälter. Der kryogene Sauerstoff wird über eine nicht gezeigte Heizvorrichtung in einen gasförmigen Embodiment of a cryogenic oxygen tank. The cryogenic oxygen is converted into a gaseous state via a heater, not shown
Aggregatzustand überführt und in die Brennstoffzellen 2 geleitet. Alternativ kann die Sauerstoffversorgung 12 auch in Form eines Luftverdichters bzw. Physical state transferred and passed into the fuel cell 2. Alternatively, you can the oxygen supply 12 also in the form of an air compressor or
Kompressors ausgeführt sein, der Luft filtert und unter Druck den Compressor designed to filter the air and pressurized the
Brennstoffzellen 2 zuführt. Fuel cell 2 supplies.
In den Brennstoffzellen 2 wird das Reaktionsprodukt Wasser je nach Art der Brennstoffzellen 2 in flüssiger oder gasförmiger Form durch eine Abgasleitung 14 aus dem Brennstoffzellensystem 1 geleitet. In the fuel cell 2, the reaction product water is passed, depending on the nature of the fuel cell 2 in liquid or gaseous form through an exhaust pipe 14 from the fuel cell system 1.
Damit die Brennstoffzellen 2 ihre Leistungsfähigkeit aufrechterhalten können, verbindet eine über ein Ventil 16 regelbare Spülleitung 18 die Brennstoffzellen 2 mit der Abgasleitung 14. Die Abgasleitung 14, das Ventil 16 und die Spülleitung 18 sind Teile einer erfindungsgemäßen Mischvorrichtung 20, die in den weiteren Figuren detaillierter beschrieben wird. So that the fuel cells 2 can maintain their efficiency, a purge line 18 which can be regulated via a valve 16 connects the fuel cells 2 to the exhaust gas line 14. The exhaust gas line 14, the valve 16 and the purge line 18 are parts of a mixing device 20 according to the invention, which is described in more detail in the further figures is described.
In der Figur 2 ist ein weiter vereinfachter Ausschnitt des Brennstoffzellensystems 1 aus Figur 1 gezeigt. Es wird zur Verdeutlichung lediglich eine Brennstoffzelle 8 des Brennstoffzellenstacks 2 aus der Figur 1 mit einer Abgasleitung 14 und einer Spülleitung 18 dargestellt. FIG. 2 shows a further simplified section of the fuel cell system 1 from FIG. For the sake of clarity, only one fuel cell 8 of the fuel cell stack 2 from FIG. 1 with an exhaust gas line 14 and a purge line 18 is shown.
Die einzelne Brennstoffzelle 8 besteht aus einem Anodenraum 22 und einem Kathodenraum 24 die von einer teildurchlässigen Membran 26 voneinander getrennt werden. Die Membran 26 ist für Protonen wie beispielsweise The individual fuel cell 8 consists of an anode chamber 22 and a cathode chamber 24 which are separated from each other by a partially permeable membrane 26. The membrane 26 is for protons such as
Wasserstoffprotonen durchlässig. Hydrogen protons permeable.
Der Kathodenraum 24 weist eine nicht gezeigte Kathode auf, die über eine Sauerstoffleitung 10 mit gasförmigem Sauerstoff versorgt wird. Dem The cathode chamber 24 has a cathode, not shown, which is supplied via an oxygen line 10 with gaseous oxygen. the
Kathodenraum 24 kann alternativ auch Umgebungsluft zugeführt werden. Der Anodenraum 22 weist eine nicht gezeigte Anode auf, die über eine Brennstoffleitung 4 bzw. Wasserstoffleitung 4 mit gasförmigem Wasserstoff versorgt wird. Cathode space 24 may alternatively be supplied to ambient air. The anode chamber 22 has an anode, not shown, which is supplied via a fuel line 4 and hydrogen line 4 with gaseous hydrogen.
Während des Betriebes der Brennstoffzelle 8 entstehen in dem Kathodenraum 24 Wasser, das zusammen mit restlichem Sauerstoff in die Abgasleitung 14 geleitet wird. Der restliche Sauerstoff kann hierbei von der Reaktion zur During operation of the fuel cell 8, water is formed in the cathode space 24, which is conducted together with residual oxygen into the exhaust gas line 14. The remaining oxygen can in this case from the reaction to
Energieerzeugung übrig geblieben sein. Die Abgasleitung 14 ist hierbei rohrförmig und direkt mit jedem Kathodenraum 24 fluidleitend verbunden. Die Abgasleitung 14 ist in Richtung einer Umgebung offen. Energy generation must be left over. The exhaust pipe 14 is here tubular and directly fluidly connected to each cathode compartment 24. The exhaust pipe 14 is open towards an environment.
Neben der erwünschten Reaktion treten auch unerwünschte Abläufe auf, welche entsprechende Abhilfemaßnahmen erfordern. So diffundiert beispielsweise Wasser in den Anodenraum 22 und muss dort regelmäßig abgeleitet werden. Ebenso kann Stickstoff aus der Luft über die Membran 26 vom Kathodenraum 24 zum Anodenraum 22 gelangen und muss von dort abgelassen werden. Zur Ableitung unerwünschter Stoffe bzw. Gase verbindet die Spülleitung 18 den Anodenraum 22 mit der Abgasleitung 14 des Kathodenraumes 24. Das Ventil 16 ist mit der Spülleitung 18 verbunden und kann manuell oder elektrisch betrieben werden, wodurch die Spülleitung 18 verschlossen oder geöffnet werden kann. Bei einem Spülvorgang wird das Ventil 16 geöffnet und der Anodenraum 22 mit Wasserstoff über die Leitung 4 beaufschlagt, sodass Wasserstoff samt unerwünschten Stoffen bzw. Gasen durch die Spülleitung 18 in die Abgasleitung geleitet werden. In addition to the desired reaction, undesirable processes occur, which require appropriate remedial measures. For example, water diffuses into the anode compartment 22 and must be discharged there regularly. Likewise, nitrogen from the air can pass through the membrane 26 from the cathode space 24 to the anode space 22 and must be drained from there. For the discharge of undesirable substances or gases, the purge line 18 connects the anode chamber 22 with the exhaust pipe 14 of the cathode chamber 24. The valve 16 is connected to the purge line 18 and can be operated manually or electrically, whereby the purge line 18 can be closed or opened. In a rinsing process, the valve 16 is opened and the anode chamber 22 is acted upon by hydrogen via the line 4, so that hydrogen together with undesirable substances or gases are passed through the purge line 18 into the exhaust pipe.
Die Spülleitung 18 mündet hierbei in der Abgasleitung 14 und geht dort in ein Mischelement 28 über, durch das sich das Spülgas langsam und kontrolliert mit dem Abgas in der Abgasleitung 14 vermischen kann. The purge line 18 in this case opens into the exhaust pipe 14 and there passes into a mixing element 28, through which the purge gas can mix slowly and in a controlled manner with the exhaust gas in the exhaust pipe 14.
Die Figur 3 offenbar eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Mischvorrichtung 20 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel. Die Figure 3 apparently a schematic representation of the mixing device 20 according to the invention according to a first embodiment. The
Mischvorrichtung 20 weist eine Abgasleitung 14 auf, die auch ein Abschnitt der Abgasleitung 14 sein kann. Der Abschnitt kann somit auch in die Abgasleitung 14 einsetzbar sein. Mixing device 20 has an exhaust pipe 14, which may also be a portion of the exhaust pipe 14. The section can thus also be used in the exhaust pipe 14.
In die Abgasleitung 14 ragt durch eine Wand 15 der Abgasleitung 14 die Into the exhaust pipe 14 protrudes through a wall 15 of the exhaust pipe 14 the
Spülleitung 18 hinein. Die Spülleitung 18 ist gemäß dem Ausführungsbeispiel rohrformig ausgeführt und ist stoffschlüssig mit der Wand 15 der Abgasleitung 14 verbunden. Rinse line 18 into it. The purge line 18 is executed rohrformig according to the embodiment and is cohesively connected to the wall 15 of the exhaust pipe 14.
Die Spülleitung 18 ist innerhalb der Abgasleitung 14 um einen Winkel von 90° gebogen und zeigt weg von der Brennstoffzelle 8 in Richtung einer The purge line 18 is bent within the exhaust pipe 14 at an angle of 90 ° and points away from the fuel cell 8 in the direction of
Abgasleitungsmündung 30, die mit der Umgebungsluft verbunden ist. Endseitig ist die Spülleitung 18 offen. Das Mischelement 28 ist kraftschlüssig mit der Spülleitung 18 verbunden. Gemäß dem Ausführungsbeispiel ist das Exhaust pipe port 30 which is connected to the ambient air. ends the purge line 18 is open. The mixing element 28 is non-positively connected to the purge line 18. According to the embodiment, this is
Mischelement 28 als eine elastische Endkappe ausgeführt, die endseitig auf die Spülleitung 18 gezogen werden kann. Hierzu weist das Mischelement 28 eine zylindrische Form auf, die einseitig offen ist. Das gegenüberliegende Ende desMixing element 28 designed as a resilient end cap, which can be pulled on the end of the purge line 18. For this purpose, the mixing element 28 has a cylindrical shape which is open on one side. The opposite end of the
Mischelementes 28 ist mit einer Vielzahl an Öffnungen 32 versehen. Bei einem Spülvorgang gelangt demnach Spülgas durch die Spülleitung 18 in das Mixing element 28 is provided with a plurality of openings 32. In a flushing thus purge gas passes through the purge line 18 in the
Mischelement 28 und kann dort durch die Öffnungen 32 in die Abgasleitung 14 strömen. Die Öffnungen 32 verteilen einerseits beim Durchströmen das Spülgas in der Abgasleitung 14 und andererseits reduzieren sie einen Austrittsquerschnitt des Spülgases, sodass eine Vermischung bzw. Verteilung des Spülgases mit dem bzw. in dem Abgasstrom nicht schlagartig geschieht, sondern verzögert wird. Mixing element 28 and there can flow through the openings 32 in the exhaust pipe 14. On the one hand, the openings 32 distribute the purge gas in the exhaust gas line 14 when flowing through, and on the other hand reduce an outlet cross section of the purge gas, so that mixing or distribution of the purge gas with the exhaust stream does not occur abruptly, but is delayed.
Das hierbei elastisch ausgeführte Mischelement 28 kann sich im Falle von gefrorenen Öffnungen 32 durch einen Druck des Spülgases in Richtung der Abgasleitungsmündung 30 konvex wölben und somit eine Eisbildung mechanisch auflösen. Durch die gelockerte Eisschicht kann das Spülgas erneut in die Abgasleitung 14 gelangen. In the case of frozen openings 32, the mixing element 28, which is designed to be elastic in this case, can buckle convexly in the direction of the exhaust gas line orifice 30 by means of a pressure of the purge gas and thus mechanically dissolve ice formation. Due to the loosened ice layer, the purge gas can enter the exhaust pipe 14 again.
Die Figur 4 offenbart eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Mischvorrichtung 20 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel. Analog zum ersten Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Mischvorrichtung 20 erstreckt sich die Spülleitung 18 in die Abgasleitung 14 hinein und weist eine Krümmung auf. Im Anschluss an die Krümmung in Richtung der FIG. 4 discloses a schematic representation of the mixing device 20 according to the invention in accordance with a second exemplary embodiment. Analogous to the first embodiment of the mixing device 20 according to the invention, the purge line 18 extends into the exhaust pipe 14 and has a curvature. Following the curve towards the
Abgasleitungsmündung 30 ist endseitig ein Mischelement 28 an der Spülleitung 18 angeordnet. Exhaust line opening 30, a mixing element 28 is arranged at the end of the purge line 18.
Gemäß dem Ausführungsbeispiel ist das Mischelement 28 zylinderförmig und aus einem Edelstahl gefertigt. Das Mischelement 28 erstreckt sich in Richtung der Abgasleitungsmündung 30 und ist endseitig integral mit der ebenfalls aus Edelstahl gefertigten Spülleitung ausgestaltet. Eine Mantelfläche des According to the embodiment, the mixing element 28 is cylindrical and made of a stainless steel. The mixing element 28 extends in the direction of the exhaust pipe mouth 30 and is configured at the end as integral with the flushing pipe, also made of stainless steel. A lateral surface of the
Mischelementes 28 ist aus einem offenporigen Edelstahlschaum 32 hergestellt, sodass das Spülgas durch eine Vielzahl an Poren 32 die als Öffnungen 32 dienen in die Abgasleitung 14 hineingeleitet werden kann. Gemäß dem Ausführungsbeispiel weist die Mischvorrichtung 20 einen Wasserstoffsensor 34 auf, der eine Wasserstoffkonzentration im Bereich des Mischelementes 28 messen kann. Eine Messelektronik 36 kann den Wasserstoffsensor auslesen und auswerten kann. Abhängig von definierten Grenzwerten kann die Messelektronik 36 das elektrische Ventil 16 automatisch schließen oder öffnen. Mixing element 28 is made of an open-pore stainless steel foam 32, so that the purge gas can be fed into the exhaust pipe 14 through a plurality of pores 32 which serve as openings 32. According to the In the exemplary embodiment, the mixing device 20 has a hydrogen sensor 34, which can measure a hydrogen concentration in the region of the mixing element 28. A measuring electronics 36 can read out and evaluate the hydrogen sensor. Depending on defined limits, the measuring electronics 36 can close or open the electric valve 16 automatically.

Claims

Ansprüche claims
1 . Mischvorrichtung (20) für ein Brennstoffzellensystem (1 ) zum 1 . Mixing device (20) for a fuel cell system (1) for
Zusammenführen eines Spülgases eines Anodenraumes (22) mit einem Abgas eines Kathodenraumes (24) mindestens einer Brennstoffzelle (8), mit einer Abgasleitung (14) zum Ableiten eines Abgases aus dem Kathodenraum (24) der mindestens einen Brennstoffzelle (8) und mit einer durch ein Ventil (16) verschließbaren Spülleitung (18), die den Anodenraum (22) der mindestens einen Brennstoffzelle (8) mit der Abgasleitung (14) fluidleitend verbindet dadurch gekennzeichnet, dass ein Mischelement (28) zum Verteilen des Merging a purge gas of an anode chamber (22) with an exhaust gas of a cathode compartment (24) at least one fuel cell (8), with an exhaust pipe (14) for discharging an exhaust gas from the cathode compartment (24) of the at least one fuel cell (8) and with a through a valve (16) closable flushing line (18), the anode space (22) of the at least one fuel cell (8) fluidly connected to the exhaust pipe (14), characterized in that a mixing element (28) for distributing the
Spülgases innerhalb der Abgasleitung (14) mit der Spülleitung (18) koppelbar ist. Purge gas within the exhaust pipe (14) with the purge line (18) can be coupled.
2. Mischvorrichtung nach Anspruch 1 , wobei das Mischelement (28) mindestens zwei Öffnungen (32) zum Verteilen des Spülgases in der Abgasleitung (14) aufweist. 2. Mixing device according to claim 1, wherein the mixing element (28) has at least two openings (32) for distributing the purge gas in the exhaust pipe (14).
3. Mischvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Mischelement (28) rohrförmig ist und eine längliche Ausdehnung entlang der Abgasleitung (14) aufweist. 3. A mixing device according to claim 1 or 2, wherein the mixing element (28) is tubular and has an elongated extent along the exhaust pipe (14).
4. Mischvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die mindestens zwei Öffnungen (32) zum Verteilen des Spülgases entlang einer Wand des Mischelementes (28) angeordnet sind. 4. Mixing device according to one of claims 1 to 3, wherein the at least two openings (32) for distributing the purge gas along a wall of the mixing element (28) are arranged.
5. Mischvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei ein Verteilelement an die Spülleitung (18) anschließbar ist, das mit mindestens zwei voneinander beabstandeten Verteilarmen mit der Abgasleitung (14) verbindbar ist oder an die Spülleitung (18) innerhalb der Abgasleitung (14) anschließbar ist. 5. Mixing device according to one of claims 1 to 4, wherein a distribution element to the purge line (18) is connectable, which is connectable with at least two spaced Verteilarmen with the exhaust pipe (14) or to the purge line (18) within the exhaust pipe (14 ) is connectable.
6. Mischvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die mindestens zwei Verteilarme des Verteilelementes innerhalb der Abgasleitung (14) jeweils mit einem Mischelement (28) verbindbar sind. 6. Mixing device according to one of claims 1 to 5, wherein the at least two Verteilarme of the distribution element within the exhaust pipe (14) in each case with a mixing element (28) are connectable.
7. Mischvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei in einem 7. Mixing device according to one of claims 1 to 6, wherein in one
Mündungsbereich der Spülleitung (18) in der Abgasleitung (14) ein Sensor (34) zum Messen einer Wasserstoffkonzentration angeordnet ist. Mouth region of the purge line (18) in the exhaust pipe (14), a sensor (34) is arranged for measuring a hydrogen concentration.
8. Mischvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das Ventil (16) abhängig von der Wasserstoffkonzentration regelbar ist. 8. Mixing device according to one of claims 1 to 7, wherein the valve (16) is controllable depending on the hydrogen concentration.
9. Mischvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der Volumenstrom des Spülgases zur Abgasleitung (14) durch das Ventil (16) steuerbar ist. 9. Mixing device according to one of claims 1 to 8, wherein the volume flow of purge gas to the exhaust pipe (14) through the valve (16) is controllable.
10. Mischvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei das 10. Mixing device according to one of claims 1 to 9, wherein the
Mischelement (28) zumindest bereichsweise elastisch ausgeführt ist. Mixing element (28) is performed at least partially elastic.
1 1. Mischvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei das 1 mixing device according to one of claims 1 to 10, wherein the
Mischelement (28) formschlüssig oder stoffschlüssig mit der Spülleitung (18) verbindbar ist. Mixing element (28) form-fitting or cohesively with the purge line (18) is connectable.
12. Brennstoffzellensystem (1 ) aufweisend: 12. Fuel cell system (1) comprising:
- mindestens eine Brennstoffzelle (8) mit einem Anodenraum (22), der durch eine Membran (26) von einem Kathodenraum (24) getrennt ist,  at least one fuel cell (8) having an anode space (22) separated by a membrane (26) from a cathode space (24),
- eine Brennstoffversorgung (6) der mindestens einen Brennstoffzelle (8), a fuel supply (6) of the at least one fuel cell (8),
- eine Sauerstoffversorgung (12) der mindestens einen Brennstoffzelle (8) und- An oxygen supply (12) of the at least one fuel cell (8) and
- eine Mischvorrichtung (20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, zum kontrollierten Zusammenführen eines Spülgases eines Anodenraumes (22) mit einem Abgas eines Kathodenraumes (24). - A mixing device (20) according to any one of the preceding claims, for the controlled merging of a purge gas of an anode chamber (22) with an exhaust gas of a cathode chamber (24).
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