Brennstoffzellensystem sowie Verfahren zum Abschalten

eines Brennstoffzellenstapels Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem mit einem Brennstoffzellenstapel sowie ein Verfahren zum Abschalten des Brennstoffzellenstapels.

Brennstoffzellen nutzen die chemische Umsetzung eines Brennstoffs mit Sauerstoff zu Wasser, um elektrische Energie zu erzeugen. Hierfür enthalten Brennstoffzellen als Kem- komponente die sogenannte Membran-Elektroden-Einheit (MEA für membrane electrode assembly), die ein Gefüge aus einer ionenleitenden (meist protonenleitenden) Membran und jeweils einer beidseitig an der Membran angeordneten Elektrode (Anode und Kathode) ist. Zudem können Gasdiffusionslagen (GDL) beidseitig der Membran-Elektroden-Einheit an den der Membran abgewandten Seiten der Elektroden angeordnet sein. In der Regel wird die Brennstoffzelle durch eine Vielzahl im Stapel (stack) angeordneter MEA gebildet, deren elektrische Leistungen sich addieren. Zwischen den einzelnen Membran-Elektroden-Einheiten sind in der Regel Bipolarplatten (auch Flussfeldplatten genannt) angeordnet, weiche eine Versorgung der Einzelzellen mit den Betriebsmedien, also den Reaktanten, sicherstellen und üblicherweise auch der Kühlung dienen. Zudem sorgen die Bipolarplatten für einen elektrisch ieitfähigen Kontakt zu den Membran-Elektroden-Einheiten.

Im Betrieb einer Polymerelektrolytmembran(PEM)-Brennstoffzelle wird der Brennstoff, insbesondere Wasserstoff H ₂ oder ein wasserstoffhaltiges Gasgemisch, über ein anodenseitiges offenes Flussfeld der Bipolarplatte der Anode zugeführt, wo eine elektrochemische Oxidation von H ₂ zu H ⁺ unter Abgabe von Elektronen stattfindet. Über den Elektrolyten oder die Membran, welche die Reaktionsräume gasdicht voneinander trennt und elektrisch isoliert, erfolgt ein (wassergebundener oder wasserfreier) Transport der Protonen H* aus dem Anodenraum in den Kathodenraum. Die an der Anode bereitgestellten Elektronen werden über eine elektrische Leitung der Kathode zugeleitet. Der Kathode wird über ein kathodenseitiges offenes Flussfeld der Bipolarplatte Sauerstoff oder ein sauerstoffhaltiges Gasgemisch (zum Beispiel Luft) zugeführt, sodass eine Reduktion von O ₂ zu O ^2- unter Aufnahme der Elektronen stattfindet. Gleichzeitig reagieren im Kathodenraum die Sauerstoffanionen mit den über die Membran transportierten Protonen unter Bildung von Wasser. Um einen Brennstoffzellenstapel mit seinen Betriebsmedien, also den Reaktanten zu versorgen, weist dieser einerseits eine Anodenversorgung und andererseits eine Kathodenversorgung auf. Die Anodenversorgung umfasst einen Anodenversorgungspfad zur Zuführung eines Anodenbetriebsgases in die Anodenräume und einen Anodenabgaspfad zur Abführung eines Anodenabgases aus den Anodenräumen. Desgleichen umfasst die Kathodenver- sorgung einen Kathodenversorgungspfad zur Zuführung eines Kathodenbetriebsgases in die Kathodenräume und einem Kathodenabgaspfad zur Abführung eines Kathodenabgases aus den Kathodenräumen des Brennstoffzeilenstapels.

Zum Abschalten des Brennstoffzellenstapels ist bekannt, die in den Kathodenräumen vor- handene Luft zu entfernen. Dieses dient einerseits der Verhinderung von Oxidbildung des katalytischen Materials und somit des Nachlassens seiner Wirksamkeit. Andererseits soll bei einem späteren Wiederstart des Systems ein sogenannter Luft-Luft-Start verhindert werden, bei dem sowohl auf der Anodenseite auf auch auf der Kathodenseite Luft vorliegt und der ebenfalls zu einer Degradation des Katalysators führt. Eine bekannte Strategie zum Entfer- nen von Luft aus den Kathodenräumen sieht vor, diese nach dem Anschalten der Luftzufuhr über eine Spülleitung mit Brennstoff, insbesondere Wasserstoff, zu fluten, der einerseits die Luft verdrängt und andererseits mit noch vorhandenem Restsauerstoff reagiert und diesen somit chemisch bindet. Für diese Umsetzung müssen Wasserstoff und Sauerstoff an dem katalytischen Material der Kathode zusammengebracht werden. Nachteilig ist, dass die Re- aktion des Wasserstoffs mit Sauerstoff in den Kathodenräumen teilweise diffusionskontrol- liert und somit relativ langsam abläuft. Ferner erfordert die Umsetzung des Sauerstoffs eine stöchiometrische Menge Wasserstoff und erhöht somit den Gesamtverbrauch an Wasserstoff. Um die Degradation des katalytischen Materials, bei dem es sich zumeist um Platin handelt, zu kompensieren, ist bekannt, die Platinkonzentration zu erhöhen. Dies ist jedoch kostenintensiv.

DE 10 2012 023 799 A1 beschreibt ein Verfahren zum Abschalten eines Brennstoffzellen- Systems, bei dem nach dem Abstellen der elektrischen Leistungsentnahme aus der Brennstoffzelle auf der Anoden- und/oder Kathodenseite ein Unterdruck angelegt wird, um die Brennstoffzelle zu trocknen, und anschließend die Anoden- und/oder Kathodenseite mit Brennstoff gefüllt wird, um ein Eindringen von Sauerstoff während des Stillstands zu vermeiden. Zur Erzeugung des Unterdrucks auf Kathodenseite wird eine Unterdruckpumpe eines Bremskraftverstärkers eingesetzt, die saugseitig mit einer Unterdruckleitung in Verbindung steht, welche die Kathoden- und Anodenabgasleitungen miteinander verbindet.

In DE 10 2011 119 665 A1 wird ein Brennstoffzellensystem beschrieben, bei dem in der Kathodenabgasleitung eine nach dem Venturi-Prinzip funktionierende Gasstrahlpumpe ange- ordnet ist, deren Druckeingangsseite mit der Kathodenabluft beaufschlagt wird und deren Saugseite an eine an die Anodenabgasleitung angebundene Abiassdruckleitung angeschlossen ist. Soll das System auf einen Wiederstart der Brennstoffzelle vorbereitet werden, wird mittels der Gasstrahlpumpe ein Unterdruck in den Anodenräumen erzeugt, um Wasser aus diesen zu entfernen. Das Wasser wird über die Ablassdruckleitung und die Gasstrahl- pumpe dem Kathodenabgas (Abluft) zugeführt.

In dem in DE 10 2011 114 721 A1 offenbarten System ist eine Gasstrahlpumpe druckein- gangsseitig mit einer Luftfördereinrichtung verbunden und ausgangsseitig mit den Kathodenräumen. Die Saugseite der Gasstrahlpumpe ist an eine Sorptionseinrichtung für Wasser an- geschlossen, die von einem Teilstrom der Abluft durchströmt wird. Auf diese Weise erfolgt eine Befeuchtung der Kathodenzuluft.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Brennstoffzellensystem zur Verfügung zu stellen, dass geeignet ist, bei einem Abschalten des Systems schnell und effizient die Ka- thodenräume des Brennstoffzellenstapels von Sauerstoff zu befreien. Es soll ferner ein Verfahren zum Abschalten des Brennstoffzellenstapels vorgeschlagen werden.

Diese Aufgaben werden durch ein Brennstoffzellensystem sowie ein Verfahren zum Abschalten desselben mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst.

Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem umfasst einen Brennstoffzellenstapel, der Kathodenräume und Anodenräume aufweist. Das Brennstoffzellensystem weist ferner eine Anodenversorgung auf mit einem Anodenversorgungspfad zur Zuführung eines Anodenbetriebsgases in die Anodenräume und einem Anodenabgaspfad zur Abführung eines Ano- denabgases aus den Anodenräumen. Das Brennstoffzellensystem weist ferner eine Kathodenversorgung auf mit einem Kathodenversorgungspfad zur Zuführung eines Kathodenbetriebsgases in die Kathodenräume und einem Kathodenabgaspfad zur Abführung eines Kathodenabgases aus den Kathodenräumen. Die Kathodenversorgung umfasst ferner ein Unterdruckerzeugungsmittel zur Erzeugung eines Unterdrucks in den Kathodenräumen des Brennstoffzellenstapels. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das Unterdruckerzeu- gungsmittel als Ejektor ausgebildet ist, der druckeingangsseitig mit einem in dem Kathodenversorgungspfad angeordneten Verdichter und saugseitig mit den Kathodenräumen des Brennstoffzellenstapels fluidführend verbunden ist.

Durch den Einsatz eines Unterdruckerzeugungsmittels wird eine schnelle Evakuierung der Kathodenräume des Brennstoffzellenstapels und somit eine schnelle Entfernung des Kathodenbetriebsgases, insbesondere Luft, aus den Kathodenräumen bewirkt. Ferner wird die für die chemische Abreaktion des vorhandenen Restsauerstoffs in den Kathodenräumen erforderliche Brennstoffmenge, beispielsweise Wasserstoff, reduziert. Ejektoren sind Strahlpumpen, die im Gegensatz zu Injektoren primär eine absaugende Wirkung haben und somit zur Erzeugung eines Unterdrucks ausgelegt sind. Ejektoren haben gegenüber anderen Unter- druckerzeugungsmitteln, wie Pumpen oder Vakuumgebläsen den Vorteil, dass sie keine elektrische oder mechanische Antriebsenergie benötigen, sondern passiv arbeiten. Für ihren Betrieb ist somit kein zusätzlicher Energieaufwand notwendig. Ejektoren haben zudem den Vorteil, dass sie über keine beweglichen Bauteile verfügen und somit wartungs- und ver- schleißfrei sind. Ejektoren umfassen drei Fluidanschlüsse, nämlich einen Druckeingang (Druckseite), einen Saugeingang (Unterdruckanschiuss) sowie einen Ausgang. In dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem ist der Druckeingang des Ejektors mit dem Verdichter des Kathodenversorgungspfads und zwar auf dessen Hochdruckseite fluidführend verbunden. Somit wird eine im Ejektor vorhandene Treibdüse mit verdichtetem Kathoden- betriebsgas, insbesondere verdichteter Luft, welches als Treibmedium dient, beaufschlagt. Hierdurch entsteht nach der Düse ein Unterdruck an dem Saugeingang, der in der vorliegenden Erfindung mit den Kathodenräumen in Fluidverbindung steht. Somit wird nach dem Venturi-Prinzip ein Unterdruck am Saugeingang und somit in den Kathodenräumen des Brennstoffzellenstapels erzeugt. Das Treibmedium sowie das angesaugte Medium verlassen den Ejektor zusammen am Ausgang.

Vorzugsweise ist der Ejektor ausgangsseitig mit dem Kathodenabgaspfad fluidführend verbunden. Auf diese Weise wird das aus den Kathodenräumen abgesaugte Kathodenbetriebsmittel dem üblichen Kathodenabgasweg und damit einer dort vorhandenen Abgas- anläge zugeführt. Diese Ausführung ermöglicht zudem die Einsparung eines zusätzlichen Auslasses mit einem eigenen Schalldämpfer und gegebenenfalls eines Flammfilters am eigenen Ausgang.

In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung umfasst die Kathodenversorgung eine in dem Kathodenabgaspfad angeordnete Turbine. Eine solche Turbine dient insbesondere dem Antrieb des in dem Kathodenversorgungspfad angeordneten Verdichters, wobei Turbine und Verdichter über eine gemeinsame Welle miteinander verbunden sind. In einem solchen mit einer Turbine ausgestatteten System ist der Ejektor vorzugsweise ausgangsseitig mit dem Kathodenabgaspfad auf der Niederdruckseite der Turbine fluidführend verbunden. Hierdurch wird die Saugleistung des Ejektors erhöht und die Evakuierung der Kathodenräume beim Abschalten des Systems beschleunigt.

Die Kathodenversorgung kann ferner über eine sogenannte Wastegate-Leitung verfügen, welche den Kathodenversorgungspfad mit dem Kathodenabgaspfad verbindet. Diese ermöglicht, komprimiertes Kathodenbetriebsgas unter Umgehung des Brennstoffzellenstapels direkt in die Kathodenabgasleitung zu leiten. Auf diese Weise kann der Betriebsdruck des Brennstoffzellenstapels schnell in Abhängigkeit von einer aktuellen Lastanforderung variiert werden, ohne die Leistung des Verdichters beeinflussen zu müssen, was ein vergleichsweise träger Prozess ist. In einer Ausgestaltung der Erfindung ist der Ejektor in der Wastegate-Leitung angeordnet. Auf diese Weise ist für seine Verschattung lediglich eine zusätzliche Leitung notwendig, nämlich eine Unterdruckleitung, welche die Saugseite des Ejektors mit den Kathodenräumen verbindet, insbesondere mit dem Kathodenabgaspfad. In einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung ist der Ejektor (unmittelbar) in dem Kathodenabgaspfad angeordnet. Dies bedeutet, dass sein Druckeingang sowie sein Ausgang direkt mit dem Kathodenabgaspfad verbunden sind. Auch diese Ausgestaltung ist mit einem geringen Verrohrungsaufwand verbunden. Allerdings wird der Ejektor auch im Normalbetrieb vom Kathodenabgas durchströmt. Damit in dieser Ausführung der Druckeingang des Ejek- tors auch mit verdichtetem Kathodenbetriebsgas beaufschlagt wird, weist hier die Kathodenversorgung bevorzugt eine Wastegate-Leitung auf, welche den Anodenversorgungspfad mit dem Anodenabgaspfad stromauf des Ejektors verbindet.

In bevorzugter Ausführung der Erfindung umfasst das Brennstoffzellensystem ferner eine Spülleitung, welche von dem Anodenversorgungspfad oder dem Anodenabgaspfad der Anodenversorgung abzweigt und in den Kathodenversorgungspfad oder den Kathodenabgaspfad der Kathodenversorgung mündet. Durch eine solche Spülleitung kann beim Abschalten des Brennstoffzellensystems eine Fluidverbindung zwischen der Kathodenversorgung und der Änodenversorgung hergestellt werden, sodass Brennstoff aus der Anodenversorgung den Kathodenräumen zugeführt werden kann. Vorzugsweise verbindet die Spülieitung den

Anodenabgaspfad mit dem Kathodenabgaspfad.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung weist das Brennstoffzellensystem ferner ein Stellmittel zur Regulierung eines Gasmassenstroms auf, das stromauf der Saugseite des Ejek- tors, das heißt zwischen den Kathodenräumen des Brennstoffzellenstapels und dem Saugeingang des Ejektors angeordnet ist. Das Stellmittel kann aktiv oder passiv arbeiten und ist beispielsweise als Ventil (zum Beispiel passives Rückschlagventil oder aktiv regelbares Ventil) oder Klappe ausgebildet. Ein solches Stellmittel verhindert, dass bei normalem Betrieb des Brennstoffzellensystems, das heißt, wenn dieses nicht heruntergefahren werden soll, Kathodenabgas über den Ejektor oder zurück in die Kathodenräume strömt

Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Abschalten einer Brennstoffzelle, insbesondere bei einem Brennstoffzellensystem gemäß vorliegender Erfindung. Das Verfahren um- fasst die Schritte:

- Trennen von Kathodenräumen des Brennstoffzellenstapels von der Umgebung,

- Erzeugen eines Unterdrucks in den Kathodenräumen zur Entfernung eines Kathodenbetriebsgases aus den Kathodenräumen mittels eines Ejektors und

- Einleiten eines Brennstoffs in die Kathodenräume zur Reaktion des Brennstoffs mit restlichem in den Kathodenräumen vorhandenen Sauerstoff.

Durch die Erzeugung eines Unterdrucks in den Kathodenräumen werden selbige schnell von hier vorhandenem Betriebsgas, insbesondere von Sauerstoff befreit. Bei der nachfolgenden Einleitung des Brennstoffs, beispielsweise von Wasserstoff, in die Kathodenräume reagiert dieser mit restlichem noch vorhandenen Sauerstoff unter Bildung von Wasser. Da aufgrund der vorausgegangenen Evakuierung der Kathodenräume nur sehr wenig Restsauerstoff vorhanden ist, ist eine entsprechend geringe Menge von Brennstoff notwendig, um den Sauerstoff abzureagieren. Optional wird vor dem Trennen der Kathodenräume von der Umgebung eine Zufuhr eines Kathodenbetriebsgases in die Kathodenräume des Brennstoffzellenstapels unterbrochen. Hierdurch wird Antriebsenergie, die zum Antrieb eines Verdichters für das Kathodenbetriebsgas erforderlich ist, reduziert. Vorzugsweise erfolgt vor dem Trennen der Kathodenräume von der Umgebung und gegebenenfalls nach dem Unterbrechen der Zufuhr des Kathodenbetriebsgases eine Verminderung eines in den Kathodenräumen herrschenden Überdrucks durch Ablassen des Kathodenbetriebsgases aus den Kathodenräumen. Auf diese Weise kann ein Großteil des in den Kathodenräumen vorhandenen Kathodenbetriebsgases bereits aus diesen entfernt werden. Vorzugsweise erfolgt das Ablassen des Kathodenbetriebsgases so lange, bis in den Kathodenräumen sich im Wesentlichen der Umgebungsdruck eingestellt hat.

In bevorzugter Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Ejektor durch ein verdichtetes Kathodenbetriebsgas als Treibmittel betrieben. Da im Betrieb des Brennstoff- zellensystems ein solches verdichtetes Kathodenbetriebsgas grundsätzlich ohnehin bereitgestellt wird, kann dieses ohne weiteren Aufwand zum Betreiben des Ejektors verwendet werden. Insbesondere dient hier ein in dem Kathodenversorgungspfad angeordneter Verdichter zur Verdichtung des Betriebsgases. Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.

Die verschiedenen in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar.

Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

Figur 1 ein Brennstoffzellensystem gemäß Stand der Technik;

Figur 2 ein Brennstoffzellensystem gemäß einer ersten Ausgestaltung der Erfindung;

Figur 3 Aufbau eines Ejektors;

Figur 4 ein Brennstoffzellensystem gemäß einer zweiten Ausgestaltung der Erfindung;

Figur 5 ein Brennstoffzellensystem gemäß einer dritten Ausgestaltung der Erfindung; Figur 6 ein Brennstoffzellensystem gemäß einer vierten Ausgestaltung der Erfindung und

Figur 7 ein Brennstoffzellensystem gemäß einer fünften Ausgestaltung der Erfin- dung,

Figur 1 zeigt ein insgesamt mit 100" bezeichnetes Brennstoffzellensystem gemäß Stand der Technik. Das Brennstoffzellensystem 100' umfasst als Kernkomponente einen Brennstoffzellenstapel 10. Der Brennstoffzellenstapel 10 weist einen Anodenraum 11 sowie einen Kathodenraum 12 auf, welche von einer ionenleitfähigen Polymerelektrolytmembran 13 voneinander getrennt sind. Der Anoden- und Kathodenraum 11, 12 umfasst jeweils eine kataly- tische Elektrode, die Anode beziehungsweise die Kathode, welche die jeweilige Teilreaktion der Brennstoffzellenumsetzung katalysiert. In einem Brennstoffzellenstapel sind üblicherweise eine Vielzahl derartiger Einzelzellen in Stapelform angeordnet, wobei zwischen zwei Membranelektrodeneinheiten jeweils eine Bipolarplatte angeordnet ist, welche der Zuführung der Betriebsmedien in die Anoden- und Kathodenräume 11, 12 dient und ferner die elektrische Verbindung zwischen den einzelnen Brennstoffzellen herstellt.

Um den Brennstoffzellenstapel 10 mit den Betriebsgasen zu versorgen, weist das Brenn- Stoffzellensystem 100' einerseits eine Anodenversorgung 20 und andererseits eine Kathodenversorgung 30 auf.

Die Anodenversorgung 20 umfasst einen Anodenversorgungspfad 21 , welcher der Zuführung eines Anodenbetriebsgases, beispielsweise Wasserstoff, in die Anodenräume 11 dient. Zu diesem Zweck verbindet der Anodenversorgungspfad 21 einen Brennstoffspeicher 23 mit dem Brennstoffzellenstapel 10. Ein in dem Anodenversorgungspfad 21 angeordnetes Stellmittel 24 dient der Regulierung eines Massenstroms des Brennstoffs. Das Stellmittel 24 ist beispielsweise als Regelventil ausgebildet. Die Anodenversorgung 20 umfasst ferner einen Anodenabgaspfad 22, der das Anodenabgas aus den Anodenräumen 11 des Brennstoffzellenstapels 10 abführt. Optional kann in dem Anodenabgaspfad 22 ein Wasserabscheider 25 installiert sein, welcher Produktwasser der Brennstoffzellenreaktion abtrennt. Darüber hinaus kann die Anodenversorgung 20 eine Brennstoffrezirkulationsleitung aufweisen (nicht dargestellt), welche den Anodenabgaspfad 22 mit dem Anodenversorgungspfad 21 verbindet. Die Rezirkulation von Brennstoff ist üblich, um den zumeist überstöchiometrisch eingesetzten Brennstoff zurückzuführen und zu nutzen.

Die Kathodenversorgung 30 umfasst einen Kathodenversorgungspfad 31, welcher den Kathodenräumen 12 ein Kathodenbetriebsgas zuführt. Bei dem Kathodenbetriebsgas handelt es sich beispielsweise um Luft. Zur Förderung und Verdichtung der Luft ist in dem Kathodenversorgungspfad 31 ein Verdichter 33 angeordnet.

Ein Kathodenabgaspfad 32 führt das Kathodenabgas (Abluft) aus den Kathodenräumen 12 ab und führt dieses gegebenenfalls einer nicht dargestellten Abgasanlage zu. Optional kann _» wie hier dargestellt, der Verdichter 33 durch eine Turbine 34 angetrieben werden, welche in dem Kathodenabgaspfad 32 angeordnet ist. Dabei sind der Verdichter 33 und die Turbine 34 über einer gemeinsamen Welle miteinander verbunden. Ein Elektromotor 35 bewirkt unterstützend einen Antrieb des Verdichters 33, Eine von dem Kathodenversorgungspfad 31 abzweigende Wastegate-Leitung 36 verbindet den Kathodenversorgungspfad 31 mit dem Kathodenabgaspfad 32. Die Wastegate-Leitung 36 dient der Umgehung des Brennstoffzellenstapels 10, wenn das verdichtete Kathodenbetriebsgas beispielsweise in Niedriglastphasen im Brennstoffzellenstapel 10 nicht benötigt wird, der Verdichter 33 andererseits jedoch nicht heruntergefahren werden soll. Optional kann ein Stellmittel 37 in der Wastegate-Leitung 36 angeordnet sein, welches beispielsweise als Klappe oder Regelventil ausgebildet ist. Durch das Stellmittel 37 wird ein die Wastegate- Leitung 36 durchströmender Massenstrom reguliert und somit eine Leistung des Brennstoffzellenstapels 10 geregelt. Ein weiteres Stellmittel 38 ist in dem Kathodenversorgungspfad 31 stromab der Abzweigungsstelle der Wastegate-Leitung 36 angeordnet. Noch ein weiteres Stellmittel 39 ist in dem Kathodenabgaspfad 32 stromauf einer Einmündungssteile der Wastegate-Leitung 36 vorhanden. Die Stellmittel 38, 39 sind ebenfalls als Klappen oder Ventile ausgebildet und ermöglichen die Abtrennung der Kathodenräume 12 des Brennstoffzellenstapels 10 von der Umgebung.

Das Brennstoffzellensystem 100' umfasst ferner eine Spülleitung 26, die von dem Anodenabgaspfad 22 abzweigt und in den Kathodenabgaspfad 32 mündet. Ein in der Spülleitung 26 angeordnetes Stellmittel (Klappe oder Ventil) 27 dient der Regulierung des Durchflusses. Die Abführung des im Wasserabscheider 25 kondensierten Wassers erfolgt vorzugsweise über die Spülleitung 26 in den Kathodenabgaspfad 32, Alternativ kann die Spülleitung 26 direkt von dem Kathodenabgaspfad 32 abzweigen, statt von dem Wasserabscheider 25.

Verschiedene weitere Einzelheiten der Kathodenversorgung 30 sind in der vereinfachten Figur 1 aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht gezeigt So kann die Kathodenversorgung 30 einen Wärmetauscher aufweisen, welcher der Vorerwärmung der durch den Verdichter 33 komprimierten Luft dient. Der Wärmetauscher wird üblicherweise durch die aus den Kathodenräumen 12 stammende warme Abluft als Wärmeträger durchströmt. Dabei kann der Wärmetauscher sowohl seitens des Kathodenversorgungspfads 31 als auch des Kathodenabgaspfads 32 durch eine entsprechende Bypassleitung umgangen werden. Es kann ferner eine Turbinenbypassleitung seitens des Kathodenabgaspfads 32 vorgesehen sein, welche die Turbine 34 umgeht. Zudem sind Systeme ohne Turbine 34 bekannt. Ferner kann in dem Kathodenabgaspfad 32 ein Wasserabscheider verbaut sein, um das aus der Brennstoffzellenreaktion entstehende Produktwasser zu kondensieren und abzuleiten. Um beim Abschalten des Brennstoffzellensystems 100' die Kathodenräume 12 von Sauerstoff zu befreien, wird das in Figur 1 dargestellte Brennstoffzellensystem 100' wie folgt betrieben. Nachdem der Brennstoffzellenstapel 10 von der elektrischen Leistungsaufnahme eines elektrischen Verbrauchers oder Energiespeichers getrennt wurde, werden die Kathodenräume 12 des Stapels 10 durch Schließen der beiden Stellmittel 38 und 39 am Eintritt beziehungsweise Austritt des Brennstoffzellenstapels 10 von der Umgebung getrennt. Anschließend wird das Ventil 27 in der Spülleitung 26 geöffnet und somit die Kathodenräume 12 mit der Anodenversorgung 20 verbunden. Der Brennstoff wird somit in die Kathodenräume 12 geleitet und reagiert mit dem dort vorhandenen Sauerstoff der Luft unter Bildung von Wasser. Auf diese Weise wird der molekulare Sauerstoff aus den Kathodenräumen 12 entfernt. Für diesen Vorgang müssen der Brennstoff (Wasserstoff) und Sauerstoff an den Kathodenelektroden miteinander in Kontakt gebracht werden. Dies ist ein diffusionskontrol- lierter und somit relativ langsamer Prozess. Zudem kann es zu einer Ungleichverteilung der Gase kommen. Darüber hinaus ist vergleichsweise viel Brennstoff notwendig, um die in den Kathodenräumen 12 vorliegende Sauerstoffmenge vollständig abzureagieren.

Die erfindungsgemäßen Brennstoffzellensysteme, die in den nachfolgenden Figuren in beispielhaften Ausführungen dargestellt sind, helfen diesem Problem ab. Dabei sind übereinstimmende Elemente mit dem gleichen Bezugszeichen wie in Figur 1 bezeichnet und werden nicht noch einmal erläutert. Vielmehr wird nachfolgend nur auf die erfindungs- relevanten Unterschiede gegenüber Figur 1 eingegangen. Erfindungsgemäß ist gemäß Figur 2 die Kathodenversorgung 30 mit einem Ejektor 40 ausgestattet, dessen Grundaufbau und Funktionsweise mittels Figur 3 erläutert wird.

Der in Figur 3 gezeigte Ejektor 40 weist einen Grundkörper 41 mit einer darin ausgebildeten Treibdüse 42 auf. Der Ejektor 40 weist ferner drei Anschlüsse auf, nämlich einen Druckeingang 43, der mit einem Treibmittel beaufschlagt wird, einen Saugeingang oder Unter- druckanschluss 44, der mit einem zu evakuierenden Raum verbunden wird, sowie einen Ausgang 45. Der Ejektor 40 kann abweichend zu dem in Figur 3 dargestellten regelbar ausgeführt sein.

Erfindungsgemäß ist der Ejektor 40 druckeingangsseitig, also mit seinem Druckeingang 43 mit dem Kathodenversorgungspfad 31 und zwar stromab des Verdichters 33 verbunden. In dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 2 erfolgt dies über eine Druckeingangsleitung 46, die von dem Kathodenversorgungspfad 31 auf der Hochdruckseite des Verdichters 33 und stromauf des Stellmittels 38, insbesondere stromauf der Wastegate-Leitung 36 abzweigt. Optional kann in der Druckeingangsleitung 46 ein Stellmittel (Klappe oder Ventil) zur Regelung des Gasmassenstroms verbaut sein, oder der Ejektor 40 ist regelbar ausgeführt. Weiterhin ist der Ejektor 40 saugseitig, das heißt mit seinem Unterdruckanschluss 44 mit den Kathodenräumen 12 des Brennstoffzellenstapels 10 verbunden. Gemäß Figur 2 erfolgt dies über eine Unterdruckleitung 47, die von dem Kathodenabgaspfad 32 stromauf des Stellmittels 39 und stromauf der Wastegate-Leitung 36 abzweigt. In der Unterdruckleitung 47 ist ein weiteres Stellmittel 48 angeordnet, welches der Absperrung des Ejektors 40 von den Kathodenräumen 12 im Normalbetrieb des Brennstoffzellensystems 100 dient. Die im Ejektor 40 zusammengeführten Gase verlassen den Ejektor über den Ausgang 45 über eine Aus- gangsleitung 49, die in dem in Figur 2 dargestellten Beispiel in den Kathodenabgaspfad 32 stromab der Turbine 34, das heißt auf ihrer Niederdruckseite mündet. Optional kann der Ejektor noch mit einem Schalldämpfer, der an dem Ausgang 45 angeschlossen ist, ausgestattet sein. In einer Abwandlung der in Figur 2 dargestellten Ausgestaltung ist statt der Druckeingangsleitung 46 die Wastegate-Leitung 36 mit dem Druckeingang 43 des Ejektors 40 verbunden (ähnlich Figur 4). Auf eine eigene Druckeingangsleitung 46 kann dann verzichtet werden.

Das in den Figuren 2 und 3 dargestellte System zeigt folgende Funktion: Während des Normalbetriebs des Brennstoffzellenstapels 10, das heißt, solange eine elektrische Leistung von diesem abgegriffen wird, sind die Stellmittel 24, 38, 39 geöffnet und die Stellmittel 27 und 48 geschlossen. Das Wastegate-Stellmittel 37 ist abhängig von einem Lastpunkt des Systems geschlossen oder teilweise oder ganz geöffnet- Wenn der Brennstoffzellenstapel 10 abgeschaltet werden soll, wird der Stapel zunächst von der elektrischen Lastabnahme getrennt Nachfolgend werden die Stellmittel 38 und 39 geschlossen, um die Kathodenräume 12 des Brennstoffzellenstapels 10 von der Umgebung zu trennen. Der Verdichter 33 kann zu diesem Zeitpunkt weiterhin betrieben werden und beaufschlagt somit den Druckeingang 43 des Ejektors 40. Sodann wird das Stellmittel 48 in der Unterdruckleitung 47 geöffnet, und somit werden die Kathodenräume12 mit dem Ejektor 40 verbunden. Die unter Druck stehende Luft tritt über den Druckanschluss 43 in den Ejektor 40 ein und durchströmt die Düse 42. Nach dem Venturi-Prinzip entsteht unmittelbar nach der Treibdüse 42 ein Unterdruck, wodurch Luft über die Unterdruckleitung 47 aus den Kathoden räumen 12 an- und abgesaugt wird. Die abgesaugte Luft und die Druckluft treten gemeinsam über den Ausgang 45 über die Ausgangsleitung 49 aus. Nach einer festgelegten Dauer oder bei Erreichen eines vorbestimmten Unterdrucks in den Kathodenräumen 12 wird das Stellmittel 48 in der Unterdruckleitung 47 geschlossen und das Stellmitte! 27 in der Spülleitung 26 geöffnet. Hierdurch strömt Brennstoff (Wasserstoff) in die Kathodenräume 12 ein und reagiert mit dem dort gegebenenfalls noch vorhandenen Restsauerstoff, um diesen in Wasser umzuwandeln. Anschließend wird das Stellmittel 27 in der Spülleitung 26 geschlossen. In diesem Zustand sind die Kathodenräume 12 des Brennstoffzellenstapels 10 somit vollständig von der Umgebung getrennt. Das System kann bis zu seinem Wiederstart in diesem Zustand belassen werden.

Optional kann beim Abschalten des Brennstoffzellenstapels 10 zunächst nur das Stellmittel 38 geschlossen werden und das Stellmittel 39 zunächst noch geöffnet bleiben, um die in den Kathodenräumen 12 vorliegende Luft abzulassen. Dies erfolgt vorzugsweise solange, bis das Druckniveau in den Kathodenräumen 12 dem Umgebungsdruck entspricht. Erst dann wird das Stellmittel 39 geschlossen und die Kathodenräume 12 durch Öffnen des Stellmittels 48 mit dem Ejektor 40 verbunden. Während Figur 2 ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem zeigt, bei dem eine Turbine 34 in der Kathodenabgasleitung 32 vorhanden ist, zeigen die nachfolgenden Figuren 4 bis 6 alternative Brennstoffzellensysteme gemäß der Erfindung, die über keine solche Turbine verfügen. Gemäß Figur 4 ist der Ejektor 40 druckeingangsseitig mit der Wastegate-Leitung 36 verbunden und ist somit über diese durch verdichtete Kathodenluft beaufschlagbar. Anstelle der Turbine 34 aus Figur 2 weist das System gemäß Figur 4 ein weiteres in dem Kathodenabgaspfad 32 angeordnetes Stellmittel 50 auf, das vorzugsweise als regelbares Ventil oder als regelbare Klappe ausgebildet ist. Somit ist das Steilmittel 50 neben einer vollständig ge- schlossenen und einer vollständig geöffneten Position in beliebigen Zwischenpositionen stellbar. Die Ausgangsleitung 49 mündet stromab des Stellmittels 50 in den Kathodenabgaspfad 32. In der in Figur 4 gezeigten Ausführung ist der Ejektor 40 faktisch in der Wastegate- Leitung angeordnet, die hier aus den Leitungsabschnitten 36 und 49 gebildet wird. In der in Figur 4 gezeigten Verschattung kann auf das Stellmittel 37 verzichtet werden. Weiterhin kann in einer Abwandlung ähnlich wie in Figur 2 der Ejektor 40 druckeingangsseitig über eine zusätzliche Druckeingangsleitung 46, die von dem Kathodenversorgungspfad 31 abzweigt, mit diesem verbunden sein und die Wastegate-Leitung 36 direkt in den Kathodenabgaspfad 32 münden.

Bei dem in Figur 5 dargestellten System mündet die Wastegate-Leitung 36 in den Kathodenabgaspfad 32 und die Druckeingangsleitung 46, welche den Ejektor 40 mit komprimiertem Kathodenbetriebsmittel beaufschlagt, zweigt stromab von der Wastegate-Leitung 36 von der Kathodenabgasleitung 32 ab. Optional kann in der Druckeingangsleitung 46 ein hier nicht dargestelltes Stellmittel (Ventil oder Klappe) stromauf der Treibdüse des Ejektors 40 geschaltet sein. In dieser Ausgestaltung ist der Ejektor 40 quasi parallel zu dem Kathodenabgaspfad 32 in einer Bypassleitung geschaltet.

Eine weitere Variante eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems 100 ist in Figur 6 dargestellt. In diesem Beispiel ist der Ejektor 40 direkt in dem Kathodenabgaspfad 32 angeordnet. Dies bedeutet, dass sein Druckeingang 43 sowie sein Ausgang 45 direkt an den Kathodenabgaspfad 32 angeschlossen sind.

Figur 7 zeigt eine weitere Ausführung eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems 100 mit einer Turbine 34. Anders als in Figur 2 und ähnlich wie in Figur 5 zweigt die Druckeingangsleitung 46 von dem Kathodenabgaspfad 32 stromab der Einmündung der Bypassleitung 36 ab. Der Ejektor ist somit in einem die Turbine 34 umgehenden Bypass geschaltet. Auch hier kann optional in der Druckeingangsleitung 46 vor der Treibdüse des Ejektors 40 ein Stellmittel angeordnet sein. Vorteil der in den Figuren 2, 4, 5 und 7 gezeigten Ausführungen ist, dass der Ejektor 40 jeweils parallel zum Kathode nabgaspf ad 32 geschaltet ist, sodass der Kathodenabgasstrom im Normalbetrieb nicht über den Ejektor 40 fließen muss. Somit kann der Ejektor 40 in diesen Ausführungen kleiner dimensioniert werden als in der Ausführung gemäß Figur 6, was mit geringeren Verlustströmen verbunden ist Die Ausführung nach Figur 2, bei der der Ejektor 40 in einer neben der Wastegate-Leitung 36 zusätzlichen Leitungsverbindung (46, 49) zwischen Kathodenversorgungspfad 31 und -abgaspfad 32 positioniert ist, erlaubt die kleinste Auslegung des Ejektors und somit die geringsten Verlustströme.

Bezugszeichenliste

100 Brennstoffzellensystem

100' Brennstoffzellensystem gemäß Stand der Technik

10 Brennstoffzellenstapel

11 Anodenraum

12 Kathodenraum

13 Polymerelektrolytmembran

20 Anodenversorgung

21 Anodenversorgungspfad

22 Anodenabgaspfad

23 Brennstofftank

24 Stellmittel/Ventil

25 Wasserabscheider

26 Spülleitung

27 Stellmittel/Ventil 30 Kathodenversorgung

31 Kathodenversorgungspfad

32 Kathodenabgaspfad

33 Verdichter

34 Turbine

35 Elektromotor

36 Wastgate-Leitung

37 Wastegate-Stellmittel

38 Stellmittel/Ventil

39 Stellmittel/Ventil

40 Unterdruckerzeugungsmittel/Ejektor

41 Grundkörper

42 Treibdüse

43 Druckeingang

44 Saugeingang/Unterdruckanschluss 45 Ausgang

46 Druckeingangsleitung

47 Unterdruckleitung

48 Stellmittel

49 Ausgangsleitung 50 Stellmittel