Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem mit wenigstens einer Brennstoffzelle und mit einem Spülsystem zum Umspülen einer Anode der wenigstens einen Brennstoffzelle mit einem Gas nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 . Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Umspülen einer Anode der wenigstens einen Brennstoffzelle des Brennstoffzellensystems. Ferner betrifft die Erfindung das Spülsystem und ein Kraftfahrzeug mit dem Brennstoffzellensystem.

Ein Brennstoffzellensystem umfasst üblicherweise mehrere Brennstoffzellen, die jeweils eine Anode und eine Kathode aufweisen. Dabei kann an der Anode Wasserstoff und an der Kathode Sauerstoff bereitgestellt werden, die miteinander unter Energieabgabe chemisch reagieren. Bei der Abschaltung des Brennstoffzellensystems wird die jeweilige Anode mit Luft umspült und dadurch die chemische Reaktion in der jeweiligen Brennstoffzelle gestoppt. Bei der Wiederinbetriebnahme des Brennstoffzellensystems bildet sich nachteiligerweise eine Luft/Was- serstoff-Front an der Anode, die anodenseitig zu einer unerwünschten chemischen Reaktion führt. Das senkt die Lebensdauer der Brennstoffzelle und insgesamt des Brennstoffzellensystems deutlich.

Die Aufgabe der Erfindung ist es daher, für ein Brennstoffzellensystem der gattungsgemäßen Art eine verbesserte oder zumindest alternative Ausführungsform anzugeben, bei der die beschriebenen Nachteile überwunden werden. Die Aufgabe der Erfindung ist es auch, ein Verfahren zum Umspülen einer Anode wenigstens einer Brennstoffzelle des Brennstoffzellensystems, ein Spülsystem zum Umspülen der Anode der wenigstens einen Brennstoffzelle und ein Kraftfahrzeug mit dem Brennstoffzellensystem bereitzustellen. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, beim Spülen des Brennstoffzellensystems mit reinem Stickstoff bzw. mit sauerstoffreduzierter Luft zu arbeiten, damit sich keine Luft/Wasserstoff-Front auf der Anodenseite aufbauen kann und dadurch die Reaktionsfähigkeit anodenseitig nicht gesenkt wird.

Ein Brennstoffzellensystem umfasst wenigstens eine Brennstoffzelle, wobei die wenigstens eine Brennstoffzelle eine Anode und eine Kathode aufweist. Die wenigstens eine Brennstoffzelle weist dabei ein mit der Anode fluidisch verbundenes Spülsystem zum Umspülen der Anode mit einem Gas auf. Erfindungsgemäß weist das Spülsystem einen Verdichter zum Fördern von Luft und einen Membrankörper zum Separieren von Sauerstoff aus der geförderten Luft auf. Der Membrankörper ist dem Verdichter fluidisch nachgeschaltet. Das Spülsystem ist dabei zum Umspülen der Anode mit einem mittels des Membrankörpers von Sauerstoff befreiten Rest von Luft ausgelegt.

In dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem wird die Anode der wenigstens einen Brennstoffzelle nach dem Abschalten des Brennstoffzellensystems mit dem von Sauerstoff befreiten Rest der Luft umspült. Da Luft zu 99 % aus Sauerstoff und Stickstoff zusammengesetzt ist, besteht der von Sauerstoff befreite Rest der Luft bis auf geringe Anteile von Argon und Spurengasen hauptsächlich aus Stickstoff. Dadurch kann sich nach dem Umspülen der Anode mit dem von Sauerstoff befreiten Rest der Luft keine sauerstoffhaltige Luft/Wasserstoff-Front an der Anode bzw. anodenseitig bilden. Entsprechend kann beim Einschalten des Brennstoffzellensystems eine unerwünschte chemische Reaktion zwischen der sauerstoffhaltigen Luft/Wasserstoff-Front und Wasserstoff an der Anode bzw. anodenseitig vermieden werden. Mit anderen Worten können dadurch die Reaktionsfähigkeit an der Anode bzw. anodenseitig nicht gesenkt werden und die Lebensdauer der Brennstoffzelle und insgesamt des Brennstoffzellensystems deutlich erhöht werden.

Die Brennstoffzelle kann an sich auf eine dem Fachmann bekannte Weise ausgebildet sein. Wie oben bereits angedeutet, kann das Spülsystem zum Umspülen der Anode der wenigstens einen Brennstoffzelle nach dem Abschalten des Brennstoffzellensystems ausgelegt sein. Der Membrankörper kann wenigstens eine Membran zum Separieren von Sauerstoff aus der Luft bei einem Druckgefälle aufweisen. Die Membran kann dabei auf eine dem Fachmann bekannte Weise zusammengesetzt sein.

Das Brennstoffzellensystem kann mehrere Brennstoffzellen aufweisen. Die mehreren Brennstoffzellen können dabei zu einem Stapel gestapelt und elektrisch parallel zueinander geschaltet sein. Das Spülsystem kann dann zum Umspülen der Anoden aller in dem Stapel gestapelten Brennstoffzellen ausgelegt sein. So kann beispielweise das Brennstoffzellensystem mit einer Leistung von 100 kW insgesamt 400 Brennstoffzellen aufweisen. Das Umspülen der Brennstoffzellen in dem Brennstoffzellensystem kann dabei parallel erfolgen.

Zum Speichern des mittels des Membrankörpers von Sauerstoff befreiten Rests der Luft kann das Spülsystem einen Druckbehälter aufweisen. Der Druckbehälter kann dabei zwischen dem Membrankörper und der Anode der wenigstens einen Brennstoffzelle fluidisch geschaltet sein. Dadurch kann der von Sauerstoff befreite Rest der Luft in dem Druckbehälter abgespeichert sein und beim Abschalten des Brennstoffzellensystems zum Umspülen der Anode der wenigstens einen Brennstoffzelle verwendet werden. Der mittels des Membrankörpers von Sauerstoff befreite Rest der Luft kann in dem Druckbehälter unter einem vorgegebenen Behälterdruck gespeichert sein. Der Behälterdruck kann beispielweise 5-8 bar betragen. Zwischen dem Druckbehälter und der Anode der wenigstens einen Brennstoffzelle kann ein Ventil fluidisch geschaltet sein. Mit dem Ventil kann das Umspülen der Anode der wenigstens einen Brennstoffzelle geregelt werden.

Der Druckbehälter kann dabei so ausgelegt sein, dass ein Volumen des von Sauerstoff befreiten Rests der Luft in dem Druckbehälter bei einem vorgegebenen Behälterdruck zum mehrfachen, vorzugsweise zweifachen oder dreifachen, Umspülen der Anode der wenigstens einen Brennstoffzelle ausreichend ist. Mit anderen Worten kann das in dem Druckbehälter abgespeicherte Volumen mehrfach, vorzugsweise zweifach oder dreifach, größer als ein durchström bares anodenseitiges Gesamtvolumen des Brennstoffzellensystems sein. Das durchström- bare anodenseitige Gesamtvolumen kann dabei ein durchström bares anodenseitiges Volumen der wenigstens einen Brennstoffzelle und ein durchström bares anodenseitiges Volumen aller zu/von der Anode führenden Leitung umfassen. Weist das Brennstoffzellensystem mehrere Brennstoffzellen auf, so können zu dem durchström baren anodenseitigen Gesamtvolumen durchström bare anodenseitige Volumina aller Brennstoffzellen gezählt werden.

Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Umspülen einer Anode wenigstens einer Brennstoffzelle des oben beschriebenen Brennstoffzellensystems. Das Brennstoffzellensystem weist dabei ein Spülsystem mit einem Verdichter zum Fördern von Luft und einem Membrankörper zum Separieren von Sauerstoff aus der geförderten Luft auf. In dem Verfahren fördert der Verdichter Luft zu dem Membrankörper. In dem Membrankörper wird dann Sauerstoff aus der geförderten Luft separiert und ein mittels des Membrankörpers von Sauerstoff befreiter Rest der geförderten Luft wird zur Anode der wenigstens einen Brennstoffzelle des Brennstoffzellensystems geleitet. Die Anode der wenigstens einen Brenn- Stoffzelle wird nun mit dem Rest der Luft umspült. Aus der Luft separierter Sauerstoff wird zum Umspülen der Anode nicht gebraucht und kann beispielweise freigesetzt werden.

Die Anode der wenigstens einen Brennstoffzelle des Brennstoffzellensystems kann insbesondere nach dem Abschalten des Brennstoffzellensystems mit dem Rest der Luft umspült werden. Der mittels des Membrankörpers von Sauerstoff befreite Rest der verdichteten Luft kann dabei in einem Druckbehälter zwischengespeichert werden. Um Wiederholungen zu vermeiden, wird an dieser Stelle auf die obigen Ausführungen verwiesen.

Die Erfindung betrifft auch ein Spülsystem für ein oben beschriebenes Brennstoffzellensystem. Dabei ist das Spülsystem zum Umspülen der Anode wenigstens einer Brennstoffzelle des Brennstoffzellensystems ausgelegt. Um Wiederholungen zu vermeiden, wird an dieser Stelle auf die obigen Ausführungen verwiesen.

Die Erfindung betrifft auch ein Kraftfahrzeug mit einem oben beschriebenen Brennstoffzellensystem. Das Kraftfahrzeug kann insbesondere ein Nutzfahrzeug sein. Das Kraftfahrzeug weist dabei ein Druckluftbremssystem und das Brennstoffzellensystem weist ein Spülsystem auf. Das Spülsystem und das Druckluftbremssystem weisen dabei zumindest einen gemeinsamen Verdichter auf. Dabei kann Luft von weiteren Elementen des Druckluftbremssystems zu dem Verdichter und von dem Verdichter zu weiteren Elementen des Spülsystems geleitet werden. Mittels des Spülsystems kann dann eine Anode wenigstens einer Brennstoffzelle des Brennstoffzellensystems umspült werden. Um Wiederholungen zu vermeiden, wird an dieser Stelle auf die obigen Ausführungen verwiesen. Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus der Zeichnung und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnung.

Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.

Die einzige Figur 1 zeigt eine schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems 1 . Das Brennstoffzellensystem 1 weist dabei eine Brennstoffzelle 2 mit einer Anode 3 und einer Kathode 4 auf. In der Brennstoffzelle 2 können anodenseitig Wasserstoff und kathodenseitig Sauerstoff unter Energieabgabe chemisch miteinander reagieren.

Das Brennstoffzellensystem 1 umfasst zudem ein erfindungsgemäßes Spülsystem 5. Das Spülsystem 5 weist dabei einen Verdichter 6, einen Membrankörper 7 und einen Druckbehälter 8 auf. Der Verdichter 6 saugt Luft L ein und fördert die angesaugte Luft L zu dem Membrankörper 7. Der Membrankörper 7 kann auf eine dem Fachmann bekannte Weise ausgestaltet sein. In dem Membrankörper 7 wird Sauerstoff 02 aus der geförderten Luft L separiert und ein von Sauerstoff 02 befreiter Rest R der Luft L weiter zu dem Druckbehälter 8 geleitet. In dem Druckbehälter 8 wird der Rest R unter einem Behälterdruck gespeichert. Wird das Brennstoffzellensystem 1 abgeschaltet, so wird zum Unterbrechen der chemischen Reaktion in der Brennstoffzelle 2 die Anode 3 mit dem von Sauerstoff 02 befreiten Rest R der Luft L umspült. Dazu weist das Spülsystem 5 ein Ventil 9 auf, das zwischen dem Druckbehälter 8 und der Brennstoffzelle 2 geschaltet ist. Zum Umspülen der Anode 3 wird das Ventil 9 geöffnet und nach dem Umspülen geschlossen.

In dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem 1 wird die Anode 3 der Brennstoffzelle 2 nach dem Abschalten des Brennstoffzellensystems mit dem von Sauerstoff befreiten Rest R der Luft L umspült. Der Rest R der Luft L setzt sich bis auf einen unwesentlichen Anteil aus Stickstoff zusammen. Dadurch kann sich an der Anode 3 keine sauerstoffhaltige Luft/Wasserstoff-Front bilden und somit kann keine unerwünschte chemische Reaktion zwischen Sauerstoff und Wasserstoff stattfinden. Dadurch kann die Lebensdauer der Brennstoffzelle 2 und insgesamt des Brennstoffzellensystems 1 deutlich erhöht werden.

Es versteht sich, dass das Brennstoffzellensystem 1 auch mehrere Brennstoffzellen 2 aufweisen kann, die dann zu einem Stapel gestapelt und elektrisch parallel zueinander geschaltet sein. Es versteht sich auch, dass das Brennstoffzellensystem 1 auch weitere Elemente und Systeme aufweisen kann, die die Funktion des Brennstoffzellensystems 1 sicherstellen. Weist das Brennstoffzellensystem 1 mehrere Brennstoffzellen 2 auf, so ist das Spülsystem 5 zweckgemäß zum Umspülen aller Brennstoffzellen 2 ausgelegt.

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