Titel

Brennstoffzelle Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle, insbesondere eine

Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle, nach Anspruch 1 sowie ein Verfahren zum Betrieb einer Brennstoffzelle, insbesondere einer Polymerelektrolyt- Brennstoffzelle, nach Anspruch 5. Stand der Technik

Brennstoffzellen sind als elektrische Energiequellen bekannt. Gegenüber insbesondere Verbrennungsmotoren weisen elektrische Energiequellen den Vorteil auf, dass sie normalerweise keine, insbesondere gesundheitsschädlichen Abgase beim Betrieb produzieren. Am Anfang des Betriebes der Brennstoffzellen wird eine gewollte Spülung einer Anode, ein sogenannter Purge-Vorgang, angeleitet, um die Anode von Luft zu befreien und mit Wasserstoff zu füllen. Dadurch kann das gepurgte Gasgemisch, welches Luft und Wasserstoff enthalten kann, in eine Kathodenleitung gelangen. Im Startfall kann das

Wasserstoff enthaltene gepurgte Gasgemisch Luft zu einer Kathode der

Brennstoffzelle bringen. Im Startfall ist jedoch Luft in der Kathode nicht wünschenswert. Im Normalbetrieb kann ebenfalls gepurgt werden, wobei das gepurgte Gasgemisch Wasserstoffmengen enthalten kann, die durch natürliche Konvektion und Lüftung nicht ausreichend verdünnt werden können.

Offenbarung der Erfindung

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Brennstoffzelle, insbesondere eine Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle, und ein sicheres Verfahren zum Betrieb einer Brennstoffzelle, insbesondere einer Polymerelektrolyt- Brennstoffzelle, bereitzustellen.

Die vorliegende Erfindung sieht eine Brennstoffzelle vor, insbesondere eine Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle, mit den Merkmalen des Anspruches 1 und durch ein Verfahren zum Betrieb einer Brennstoffzelle, insbesondere einer Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle, mit den Merkmalen des Anspruches 5.

Hierdurch wird eine verbesserte Brennstoffzelle, insbesondere eine

Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle, sowie ein sicheres Verfahren zum Betrieb einer Brennstoffzelle, insbesondere einer Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle, erzielt. Außerdem kann die Nutzungsdauer der Stacks der Brennstoffzellen deutlich erhöht werden. Weitere Vorteile, Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den

Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.

Die Erfindung stellt eine Brennstoffzelle, insbesondere eine Polymerelektrolyt- Brennstoffzelle, bereit, die mit einer Kathodenluft führenden Kathodenleitung, einer Brennstoff bzw. Wasserstoff, führenden Anodenleitung, und einer Purge- Leitung, die die Anodenleitung mit der Kathodenleitung verbindet, ausgebildet ist, wobei die Purge-Leitung derart mit der Kathodenleitung verbunden ist, um je nach Betriebszustand der Brennstoffzelle ein gepurgtes Gasgemisch wahlweise zu der Brennstoffzelle, zumindest zum Teil an der Brennstoffzelle vorbei oder im Wesentlichen an der Brennstoffzelle vorbei zu leiten. Unter der Brennstoffzelle wird hierbei auch eine Reihe an mehreren Brennstoffzellen verstanden, die in einem Stapel bzw. in einem so genannten„Stack" in Reihe geschaltet werden können. Die erfindungsgemäße Brennstoffzelle kann dabei für mobile

Anwendungen, wie bspw. in Kraftfahrzeugen, oder für stationäre Anwendungen, wie bspw. in Notstromversorgung und/oder als ein Generator, verwendet werden.

Der Erfindungsgedanke liegt dabei darin, den Lauf des gepurgten Gasgemisches je nach Betriebszustand der Brennstoffzelle gezielt zu bestimmen, um eine verbesserte Verarbeitung und einen Betriebszustand gemäßen Abtransport des gepurgten Gasgemisches sicherzustellen. Je nach Betriebszustand der

Brennstoffzelle sind unterschiedliche Konzentrationen der Kathodenluft und/oder des Brennstoffs und/oder der in der Brennstoffzelle befindlichen Feuchte wünschenswert. Um die gewünschten Konzentration zu erzielen, sieht die

Erfindung vor, durch den Lauf des gepurgten Gasgemisches eine optimale Verteilung der Fluide in der Brennstoffzelle sicherzustellen.

Als erster Betriebszustand im Sinne der Erfindung kann ein Start- Betriebszustand der Brennstoffzelle genannt werden, in welchem eine Befüllung der Anode stattfinden kann. Dabei kann ein Purge- Vorgang eingeleitet werden, indem bspw. ein Purge-Ventil geöffnet wird, um die Purge-Leitung zum Abführen eines in der Anode befindlichen Gasgemisches bzw. Fluides in die

Kathodenleitung zu öffnen, und indem ein Absperrventil eines Wasserstoffen kes geöffnet wird, um Brennstoff, insbesondere Wasserstoff, der Brennstoffzelle bereitzustellen. Im Start- Betriebszustand bei der Befüllung der Anode ist es wünschenswert, dass sich in einer Kathode der Brennstoffzelle keine Luft befindet. Dies kann nachteiligerweise zu einer Degradation der Brennstoffzelle führen. Insbesondere bei einem Kurzschlussstart der Brennstoffzelle, ist es wichtig, dass sich in der Kathode keine Luft befindet, um zu hohe Ströme zu vermeiden und eine effektive Befüllung der Anode zu ermöglichen.

Erfindungsgemäß ist für den Start- Betriebszustand vorgesehen, dass die Purge- Leitung derart mit der Kathodenleitung verbunden sein kann, dass das gepurgte Gasgemisch im Wesentlichen an der Brennstoffzelle vorbeigeleitet, insbesondere im Rücklauf der Kathodenleitung mit einer Abluft der Kathodenleitung

abtransportiert wird. Somit kann vorteilhafterweise sichergestellt werden, dass das gepurgte Gasgemisch bzw. Fluid nicht zur Kathode gelangt und keine Luft in die Kathode eindringt. Leerlaufspannungszustände können dadurch vermieden werden. Auch ein Kurzschlussstart kann dadurch sicher eingeleitet werden. Somit kann vorteilhafterweise die Anode effektiv und effizient befüllt werden. Die

Lebensdauer der Brennstoffzelle kann mithin erheblich erhöht werden.

Gleichzeitig können zudem Maßnahmen getroffen werden, wie z. B. Hochdrehen eines Verdichters, um genügend Luft durch die Kathodenleitung fließen zu lassen, und um das gepurgte Gasgemisch ausreichend zu verdünnen. Folglich ist es erfindungsgemäß möglich, dass im Startfall der Brennstoffzelle die Neutralisierungsmöglichkeit des Brennstoffes bzw. des Wasserstoffes durch die Kathodenluft beibehalten wird.

Im Normalbetrieb der Brennstoffzelle kann sich ein Purge-Bedarf ergeben, wobei dieser zweite Betriebszustand im Sinne der Erfindung als ein Purge-

Betriebszustand genannt werden kann. Dabei ist es erfindungsgemäß

vorgesehen, dass die Purge-Leitung derart mit der Kathodenleitung verbunden sein kann, dass das gepurgte Gasgemisch zu der Brennstoffzelle, insbesondere im Zulauf der Kathodenleitung mit einer Zuluft der Kathodenleitung zu der Brennstoffzelle, abgeleitet wird. Hierbei kann es vorteilhaft sein, wenn der im gepurgten Gasgemisch befindliche Brennstoff, insbesondere der Wasserstoff, in der Kathode der Brennstoffzelle abreagieren kann. Dies kann insbesondere vorteilhaft sein, wenn der Brennstoff, bzw. der Wasserstoff, Konzentrationen erreicht, die durch natürliche Konvektion und Lüftung nicht ausreichend verdünnt werden können. Dadurch kann sichergestellt werden, dass kritische

Konzentrationen des Brennstoffes bzw. des Wasserstoffes zuversichtlich vermieden werden.

Ferner kann sich im Normalbetrieb der Brennstoffzelle ein Drain-Bedarf ergeben, wobei dieser dritte Betriebszustand im Sinne der Erfindung als ein Drain-

Betriebszustand genannt werden kann. In der Purge-Leitung kann

erfindungsgemäß eine parallele Drain-Leitung vorgesehen sein, die mit einem Wasser-Abscheider und einem Wasser-Tank ausgeführt werden kann. Der Wasserhaushalt in der Brennstoffzelle ist sehr wichtig und muss zuverlässig auf einem bestimmten Niveau aufrechterhalten werden. Dabei muss eine Membran der Brennstoffzelle ausreichend aber nicht zu viel Feuchtigkeit aufweisen, um zuverlässig Brennstoff- bzw. Wasserstoff-Ionen von der Anoden zu der Kathode durchzulassen. Um den Wasserhaushalt zu kontrollieren, kann es notwendig sein, das überschüssige Wasser abzuleiten. Wenn der Wasser-Tank voll ist, muss das Wasser abgelassen werden. Dazu dient die Drain-Leitung. Die Drain-

Leitung kann dabei am Ende der Purge-Leitung mit der Purge-Leitung

zusammenlaufen. Erfindungsgemäß ist für den Drain-Betriebszustand

vorgesehen, dass die Purge-Leitung derart mit der Kathodenleitung verbunden ist, dass das gepurgte Gasgemisch, welches am Ende der Purge-Leitung Wasser aus der Drain-Leitung umfasst, zumindest zum Teil, der durch das Wasser bestimmt sein kann, an der Brennstoffzelle vorbeigeleitet wird, insbesondere im Rücklauf der Kathodenleitung mit der Abluft der Kathodenleitung abtransportiert wird. Der andere Teil, der durch den Brennstoff- bzw. Wasserstoff und Luft bestimmt sein kann, kann wiederum zu der Brennstoffzelle geleitet werden.

Hierbei ist es erfindungsgemäß vorteilhaft, dass im Normalbetrieb der

Brennstoffzelle die Neutralisierungsmöglichkeit des Brennstoffes bzw. des Wasserstoffes in der Kathode zumindest zum Teil beibehalten wird. Ferner kann durch die Erfindung im Normalbetrieb der Brennstoffzelle vorteilhafterweise sichergestellt werden, dass das Wasser zumindest zum Teil an der

Brennstoffzelle vorbeigeführt werden kann, um eine Störung eines

Wassermanagements der Brennstoffzelle zu vermeiden. Ferner ist es für den Normalbetrieb vorteilhaft, dass während des Drain-Vorganges

Wassereindringung in die Kathode reduziert werden kann, wobei gleichzeitig die Purge-Möglichkeit aufrechterhalten wird.

Des Weiteren kann als ein vierter Betriebszustand im Sinne der Erfindung ein Shutdown-Betriebszustand der Brennstoffzelle genannt werden, in welchem sämtliches Wasser aus der Brennstoffzelle abgelassen wird, sämtliche

Rückstände an Reaktanten aus der Brennstoffzelle abgelassen werden und/oder sämtliche Leitungen der Brennstoffzelle freigeblasen werden. Hierbei ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Purge-Leitung derart mit der

Kathodenleitung verbunden sein kann, dass das gepurgte Gasgemisch, welches am Ende der Purge-Leitung Wasser aus der Drain-Leitung umfasst, im

Wesentlichen an der Brennstoffzelle vorbei geführt wird, insbesondere im

Rücklauf der Kathodenleitung mit der Abluft der Kathodenleitung abtransportiert wird. Hierbei kann vorteilhafterweise ein in der Anode befindliches Wasser, insbesondere bis der Wasser-Tank leer ist, ausgespült werden, auch kann dabei das in der Anode befindliche Gasgemisch abtransportiert werden, was alles an der Brennstoffzelle vorbei geschehen kann. Vorteilhafterweise kann

währenddessen vermieden werden, dass die an der Purge- und Drain-Stelle vorbeiströmende Kathodenluft in die Brennstoffzelle eindringt. Nach dem Leeren des Wasser-Tanks kann der Shutdown-Vorgang wie gewohnt fortgesetzt werden, insbesondere kann mit dem Freiblasen der Leitungen fortgefahren werden. Somit kann der Vorteil erreicht werden, dass ein Trockenblasen der Brennstoffzelle optimal ausgeführt werden kann. Der Shutdown-Betriebszustand kann somit optimiert werden. Der Shutdown-Betriebszustand kann dabei wesentlich verkürzt werden und seine Effizienz kann erheblich gesteigert werden. Auch können dabei Wasserrückstände in der Brennstoffzelle eliminiert werden, was insbesondere bei einem Gefrier-Start von Vorteil ist.

Ferner kann es im Rahmen der Erfindung vorgesehen sein, dass die

Kathodenleitung einen Zulauf zu der Brennstoffzelle und einen Rücklauf von der Brennstoffzelle aufweisen kann, wobei der Zulauf und der Rücklauf über eine Bypass-Leitung mit einem Bypass-Ventil, insbesondere in Form einer

Drosselklappe, verbunden sein können. Hierbei kann es vorteilhaft sein, dass das Bypass-Ventil in Form einer Drosselklappe eine einfache Steuerung aufweisen und zuversichtlich den Lauf der Kathodenluft und/oder des gepurgten Gasgemisches und/oder des gedrainten Fluides bestimmen kann. Die Bypass- Leitung kann dabei dazu dienen, die Kathodenluft, sei es mit oder ohne des gepurgten Gasgemisches und/oder eines Wasser enthaltenen Fluides der Drain- Leitung, an der Kathode vorbei zu führen. Dies kann insbesondere im Start- Betriebszustand und/oder im Shutdown-Betriebszustand besonders vorteilhaft sein, wenn keine Luft in die Kathode, geschweige denn vom Brennstoff oder von Wasser, gelangen darf. Vorteilhafterweise können dabei unerwünschte Ströme durch die Brennstoffzelle vermieden werden.

Weiterhin kann es im Rahmen der Erfindung vorgesehen sein, dass die Purge- Leitung vor der Bypass-Leitung, insbesondere innerhalb der Bypass-Leitung, enden kann. Dadurch kann der Vorteil erreicht werden, dass auf eine einfache Weise und mit einfachen Mitteln, insbesondere ohne zusätzliche Ventile oder dergleichen, die Purge-Leitung derart mit der Kathodenleitung verbunden werden kann, dass je nach dem Betriebszustand der Brennstoffzelle das gepurgte Gasgemisch wahlweise zu der Brennstoffzelle, zumindest zum Teil an der Brennstoffzelle vorbei oder im Wesentlichen an der Brennstoffzelle vorbeigeleitet werden kann. Alternativ ist jedoch ebenfalls denkbar, dass ein extra

vorgesehenes Ventil in der Purge-Leitung vorgesehen sein kann, um das gepurgte Gasgemisch wahlweise in den Zulauf oder in den Rücklauf der Kathodenleitung abzulassen. Nach einem besonderen Vorteil kann die Purge-Leitung eine Drain-Leitung aufweisen. Wie bereits oben beschrieben ist, kann die Drain-Leitung dazu dienen, das Wassermanagement in der Brennstoffzelle zu optimieren und insbesondere überschüssiges Wasser aus der Anode abzuführen.

Ferner wird die erfindungsgemäße Aufgabe durch ein Verfahren zum Betrieb einer Brennstoffzelle, insbesondere einer Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle, gelöst, wobei die Brennstoffzelle mit einer Kathodenluft führenden

Kathodenleitung, wobei die Kathodenleitung zwischen einem Zulauf zur und einem Rücklauf von der Brennstoffzelle eine Bypass-Leitung aufweist, einer Brennstoff führenden Anodenleitung, und einer Purge-Leitung, die die

Anodenleitung mit der Kathodenleitung verbindet, wobei die Purge-Leitung vor der Bypass-Leitung, insbesondere innerhalb der Bypass-Leitung, endet.

Erfindungsgemäß ist es hierzu vorgesehen, dass das Verfahren mindestens einen Schritt aufweist:

a) Leiten eines gepurgten Gasgemisches in einem Start- Betriebszustand der Brennstoffzelle im Wesentlichen an der Brennstoffzelle vorbei.

Vorteilhafterweise kann dadurch im Start- Betriebszustand der Brennstoffzelle das Eindringen des gepurgten Gasgemisches in die Brennstoffzelle, insbesondere in eine Kathode der Brennstoffzelle, vermieden werden. Folglich kann nach einem besonderen Vorteil der Erfindung die Degradation der Brennstoffzelle vermieden werden und die Lebensdauer der Brennstoffzelle erhöht werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann weiterhin mindestens einen weiteren Schritt aufweisen:

b) Leiten eines gepurgten Gasgemisches in einem Purge- Betriebszustand der Brennstoffzelle zu der Brennstoffzelle.

Hierbei kann der Normalbetrieb der Brennstoffzelle, insbesondere der Purge- Betriebszustand der Brennstoffzelle, optimiert werden. Vorteilhafterweise kann dabei der Umstand genutzt werden, dass im Normalbetrieb der Brennstoffzelle Luft mit Überfluss in die Kathode hineingepumpt wird, wobei diese Luft zudem zum Abreagieren des im gepurgten Gasgemisch enthaltenen Brennstoffes bzw. Wasserstoffes genutzt werden kann. Somit kann vorteilhafterweise sichergestellt werden, dass der in der Brennstoffzelle bzw. in den Leitungen der Brennstoffzelle überflüssige Wasserstoff zuversichtlich beseitigt werden kann, um gefährliche Ansammlungen von Wasserstoff zu vermeiden.

Des Weiteren kann das erfindungsgemäße Verfahren mindestens einen weiteren Schritt aufweisen:

c) Leiten eines Wasser enthaltenen Fluides einer Drain-Leitung der Purge-Ieitung in einem Drain-Betriebszustand der Brennstoffzelle zu einem Teil an der Brennstoffzelle vorbei und zu einem anderen Teil zu der Brennstoffzelle.

Somit kann vorteilhafterweise der Normalbetrieb der Brennstoffzelle,

insbesondere der Drain-Betriebszustand der Brennstoffzelle, verbessert werden. Hierzu kann die Erfindung vorsehen, dass das überschüssige Wasser an der Brennstoffzelle vorbei geführt werden kann, um eine Störung eines

Wassermanagements der Brennstoffzelle zu vermeiden, wobei gleichzeitig der Brennstoff bzw. der Wasserstoff zu der Kathode der Brennstoffzelle gelangen kann, um dort mit Sauerstoff abzureagieren.

Ferner kann es im Rahmen der Erfindung vorteilhaft sein, wenn das Verfahren mindestens einen weiteren Schritt aufweisen kann:

d) Ablassen des gepurgten Gasgemisches der Purge-Leitung und eines Wasser enthaltenen Fluides einer Drain-Leitung der Purge- Ieitung in einem Shutdown-Betriebszustand der Brennstoffzelle an der Brennstoffzelle vorbei.

Dabei kann beim Shutdown-Betriebszustand der Brennstoffzelle

vorteilhafterweise sichergestellt werden, dass das Brennstoff enthaltene Fluid und/oder Anodenwasser zuverlässig aus der Brennstoffzelle abtransportiert werden.

Zudem kann es im Rahmen der Erfindung vorgesehen sein, dass das Verfahren mindestens einen weiteren Schritt aufweisen kann: e) Freiblasen der Kathodenleitung und/oder der Anodenleitung in einem Shutdown-Betriebszustand der Brennstoffzelle.

Hiermit kann beim Shutdown-Betriebszustand der Brennstoffzelle der Vorteil erreicht werden, dass nach dem Ausschalten der Brennstoffzelle keine Reststoffe in der Brennstoffzelle verbleiben, um zum einen ungewollte Reaktionen in der Brennstoffzelle zu vermeiden, und um zum anderen eine Eisbildung in der Brennstoffzelle bei kalten Temperaturen zu vermeiden.

Erfindungsgemäß ist es dabei denkbar, dass die Verfahrensschritte a) bis e) nacheinander und/oder die Schritte b) und c) gleichzeitig ausgeführt werden können. Der Vorteil liegt dabei darin, dass vom Start bis zum Shutdown der Brennstoffzelle ein verbessertes Verteilen des gepurgten Gasgemisches und der Kathodenluft gemäß der Erfindung im jedem Betriebszustand der Brennstoffzelle ermöglicht werden kann. Zudem kann der Normalbetrieb der Brennstoffzelle zusätzlich dadurch verbessert werden, dass der Purge-Vorgang und der Drain- Vorgang zusammen ausgeführt werden können, wobei das teilweise

Durchlassen des gepurgten Gasgemisches und des Wasser enthaltenes Fluides des Anodenwassers vorgeschlagen wird.

Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele

Die erfindungsgemäße Brennstoffzelle und deren Weiterbildungen sowie deren Vorteile und das erfindungsgemäße Verfahren und seine Weiterbildungen sowie seine Vorteile werden nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen jeweils schematisch: eine erfindungsgemäße Brennstoffzelle,

Fig. 2 eine Betriebsstrategie für einen Start- Betriebszustand der

erfindungsgemäßen Brennstoffzelle, Fig. 3 eine Betriebsstrategie zum Vermeiden von Brennstoff- Emissionen, insbesondere Wasserstoff- Emissionen, für einen Normalbetrieb der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle, insbesondere für einen Purge- Betriebszustand der Brennstoffzelle,

Fig. 4 eine weitere Ausgestaltungsform der erfindungsgemäßen

Brennstoffzelle,

Fig. 5 eine Betriebsstrategie zum Vermeiden vom Rückführen von flüssigem

Wasser zu der Brennstoffzelle zurück, nach einem Drain-Vorgang für den Normalbetrieb der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle, insbesondere für einen Drain-Betriebszustand der Brennstoffzelle, und

Fig. 6 eine Betriebsstrategie für einen Shutdown-Betriebszustand der

erfindungsgemäßen Brennstoffzelle.

Elemente mit gleicher Funktion und Wirkungsweise sind in den Figuren 1 bis 6 jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.

Die Figur 1 und die Figur 3 zeigen jeweils eine Ausgestaltungsform einer erfindungsgemäßen Brennstoffzelle 1, bspw. für mobile Anwendungen, d. h. für Anwendungen in Kraftfahrzeugen, oder für stationäre Anwendungen, bspw. in Generatoren oder als Notstromversorgung. In der Brennstoffzelle 1 findet eine kalte Verbrennung von Brennstoff, insbesondere von Wasserstoff, durch

Verbinden mit Sauerstoff, bspw. aus der normalen Umgebungsluft, statt. Die elektrische Leistung wird dabei über elektrische Leitungen 40 abgegriffen und an ein elektrisches Bordnetzt 41, bspw. in einem Kraftfahrzeug, bereitgestellt. Dafür wird einer Anode 2 der Brennstoffzelle 1 über eine Anodenleitung 20 Brennstoff, insbesondere Wasserstoff, zugeführt, während einer Kathode 4 der

Brennstoffzelle 1 über eine Kathodenleitung 10 Kathodenluft, insbesondere gefilterte Umgebungsluft, zugeführt wird. Die Anodenleitung 20 weist dabei einen Brennstoff- bzw. einen Wasserstofftank 21 auf, welches über ein Ventil 22 zum Mindern des Druckes und über ein Absperrventil 23 zum Abschalten der Brennstoffversorgung, bspw. in einem Fehlerfall, Brennstoff an die Brennstoffzelle 1 bereitstellt. Die Anodenleitung 20 kann zudem eine Drosselklappe 24 aufweisen, um den Druck in der

Anodenleitung 20 zu kontrollieren.

Eine Purge-Leitung 30 ist vorgesehen, die die Anodenleitung 20 und die

Kathodenleitung 10 verbindet. Im Startfall der Brennstoffzelle 1 kann durch eine entsprechende Betätigung eines Purge-Ventils 31 und einer

Rezirkulationspumpe 32 bzw. eines Saugers 32 bewirkt werden, dass ein in der Anode 2 der Brennstoffzelle 1 befindliches Gasgemisch in die Kathodenleitung 10 abgelassen wird, um die Anode 2 von Luft zu befreien und mit Brennstoff, insbesondere Wasserstoff, zu füllen. Dabei spricht man von einem Purgen der Brennstoffzelle 1 im Startfall bzw. im Start- Betriebszustand der Brennstoffzelle 1.

Die Figur 2 gibt im Nachfolgenden eine Betriebsstrategie für den Start- Betriebszustand. Außerdem kann die Brennstoffzelle im Normalbetrieb gepurgt werden, um die Effizienz der Brennstoffzelle zu erhöhen, wobei im diesem Falle von einem Purge-Betriebszustand gesprochen wird. Die Figur 3 gibt im

Nachfolgenden eine Betriebsstrategie für den Purge- Betriebszustand.

Die Kathodenleitung 10 weist erfindungsgemäß einen Zulauf 11 zu der

Brennstoffzelle 1, insbesondere zur der Kathode 4 der Brennstoffzelle 1, und einen Rücklauf 12 von der Brennstoffzelle 1, insbesondere von der Kathode 4 der Brennstoffzelle 1, auf. Zwischen dem Zulauf 11 und dem Rücklauf 12 ist eine

Bypass-Leitung mit einem Bypass-Ventil 13, z. B. in Form einer Drosselklappe, vorgesehen, um den Druck in der Kathodenleitung 10 zu kontrollieren.

Erfindungsgemäß kann das Bypass-Ventil 13 dazu genutzt werden, um den Lauf eines gepurgten Gasgemisches gemäß der Figur 1 und eines Wasser enthaltenen, gepurgten und gedrainten Gemisches gemäß der Figur 4 zu bestimmen. Im Zulauf 11 am Eingang der Kathodenleitung 10 ist ein Luftfilter 19 vorgesehen, um die Umgebungsluft entsprechend den Erfordernissen der Brennstoffzelle 1 zu filtern. Am Eingang der Kathodenleitung 10 kann außerdem ein Temperatursensor 18 zum Messen der Umgebungstemperatur vorgesehen sein, um die anfängliche Temperatur der Umgebungsluft zu überprüfen. Ein Verdichter 14 bzw. ein Sauger 14 sorgt dafür, dass ausreichend Luft zur Kathode 4 der Brennstoffzelle 1 gelangt. Ein Wärmetauscher 15 ist vorgesehen, um die verdichtete Luft bzw. Kathodenluft nach Durchgang des Verdichters 14 auf eine geeignete Temperatur abzukühlen. Ein Befeuchter 16, bspw. in Form einer Membran, die Wasser durchlässt aber die Luft stoppt, sorgt dafür, dass unverbrauchte Kathodenluft zurück an die Kathode 4 geschickt wird. Mit Hilfe von Ventilen 13, 17 in Form von Drosselklappen kann ein geeigneter Druck in der Kathodenleitung 10 eingestellt werden. Die im Betrieb der Brennstoffzelle 1 entwickelte Wärme wird über eine Kühlfluid führende Thermalleitung 50 abgeführt. Im Startfall kann die Thermalleitung 50 wiederum dazu dienen, um die Brennstoffzelle 1 auf eine bevorzugte

Betriebstemperatur zu erwärmen. Die Thermalleitung 50 weist dabei einen Kühler 51 und eine Rezirkulationspumpe 52 auf, um die überschüssige Wärme beim Betrieb des Brennstoffzelle 1 aufzunehmen und abzutransportieren.

Die Figur 2 zeigt die Betriebsstrategie für den Start- Betriebszustand der

Brennstoffzelle 1, wobei im Schritt 100 mit der Startprozedur begonnen wird. Erfindungsgemäß werden im Schritt 101 zunächst Maßnahmen getroffen, damit das gepurgte Gasgemisch in den Rücklauf 12 der Kathodenleitung 10 abgelassen werden kann. Hierzu wird zum einen der Verdichter 14, z. B. bis zur maximalen Drehzahl, hochgedreht, um eine optimale Verdünnung des gepurgten Gasgemisches, welches Brennstoff bzw. Wasserstoff enthalten kann, zu ermöglichen. Und zum anderen wird hierzu das Bypass-Ventil 13 völlig geöffnet, um zu vermeiden, dass das gepurgte Gasgemisch, welches Luft enthalten kann, während der Befüllung der Anode 2 zu der Kathode 4 gelangt. Im Schritt 102 wird anschließend mit der Befüllung der Anode 2 begonnen, indem das Absperrventil 23 und das Purge-Ventil 31 geöffnet werden. Im Start- Betriebszustand ist es erfindungsgemäß wünschenswert, dass bei der Befüllung der Anode 2 in der Kathode 4 keine Luft enthalten ist, um eine Degradation der Brennstoffzelle 1 zu vermeiden. Insbesondere bei einem Kurzschlussstart der Brennstoffzelle 1, ist es wichtig, dass in der Kathode 4 sich keine Luft befindet, um eine effektive

Befüllung der Anode 2 zu ermöglichen und Degradation der Brennstoffzelle 1 zu verhindern. Auch ohne eine Möglichkeit der Neutralisierung des Wasserstoffes in der Kathode 4, wird durch das hochdrehen des Verdichters 14 sichergestellt, dass das gepurgte Gasgemisch ausreichend verdünnt wird. Im Schritt 103 wird überprüft, ob die Anode 2 vollständig mit Brennstoff bzw. Wasserstoff gefüllt ist. Im Schritt 104 kann dann mit der Startprozedur fortgefahren werden. Die Figur 3 zeigt die Betriebsstrategie für den Normalbetrieb der Brennstoffzelle

1 bei einem Purge-Bedarf, wobei in diesem Falle der Purge-Betriebszustand gemeint ist. Im Schritt 200 läuft der Normalbetrieb wie gewohnt. Im Schritt 201 wird entschieden, ob ein Purge-Bedarf besteht. Wenn ja, wird im Schritt 202 das Bypass-Ventil 13 völlig geschlossen bei einem normal weiterarbeitendem Verdichter 14. Anschließend kann das Purge-Ventil 31 für eine bestimmte Zeit At geöffnet und danach wieder geschlossen werden. Somit kann das gepurgte Gasgemisch in den Zulauf 11 der Kathodenleitung 10 gelangen und somit zu der Kathode 4 der Brennstoffzelle 1, wo der im gepurgten Gasgemisch befindliche Brennstoff, insbesondere der Wasserstoff, insbesondere mit Sauerstoff der Kathode, abreagieren kann. Somit können kritische Konzentrationen des

Brennstoffes bzw. des Wasserstoffes im Normalbetrieb der Brennstoffzelle 1 zuversichtlich vermieden werden. Im Schritt 204 wird mit dem Normalbetrieb der Brennstoffzelle 1 fortgesetzt. Im Ausführungsbeispiel der Figur 4 weist die Brennstoffzelle 1, insbesondere die

Purge-Leitung 30, zudem eine parallele Drain-Leitung 33 auf, die zum Abführen von überschüssiger Feuchtigkeit, insbesondere überschüssigen Wassers, aus der Brennstoffzelle 1 vorgesehen ist. Die Drain-Leitung 33 ist mit einem Wasser- Abscheider 34 und einem Wasser-Tank 35 ausgeführt. Der Wasserhaushalt in der Brennstoffzelle 1 muss zuverlässig auf einem bestimmten Niveau gehalten werden. Dabei muss eine Membran 3 der Brennstoffzelle 1 genügend

Feuchtigkeit aufweisen, um zuverlässig Brennstoff- bzw. Wasserstoff-Ionen von der Anode 2 zu der Kathode 4 der Brennstoffzelle 1 durchzulassen. Zu viel Wasser darf sich aber in der Brennstoffzelle 1 ebenfalls nicht sammeln, damit die Funktionsweise der Brennstoffzelle 1, insbesondere der Membran 3 nicht gestört wird. Die Drain-Leitung 33 sorgt dabei für das ausgewogene

Wassermanagement, um das überschüssige Wasser abzuleiten. Die Drain- Leitung 33 kann erfindungsgemäß am Anfang und am Ende mit der Purge- Leitung 30 zusammen auslaufen. Bei einem Bedarf, überschüssiges Wasser im Normalbetrieb der Brennstoffzelle 1 abzuleiten, spricht man erfindungsgemäß von einem Drain-Betriebszustand. Eine erfindungsgemäße Strategie für den Drain-Betriebszustand ist in der Figur 5 dargestellt. Zudem kann es sich am Ende des Betriebes im Shutdown der Brennstoffzelle 1 sinnvoll sein, sämtliches Wasser aus der Brennstoffzelle abzutransportieren, um keine Rückstände in der Brennstoffzelle 1 zu hinterlassen und um Gefrieren des Restwassers in der

Brennstoffzelle 1 zu vermeiden. Hierbei kann man im Sinne der Erfindung von einem Shutdown-Betriebszustand der Brennstoffzelle 1 sprechen. Eine erfindungsgemäße Strategie für den Shutdown-Betriebszustand ist in der Figur 6 dargestellt.

Die Figur 5 zeigt die Betriebsstrategie im Drain-Betriebszustand, um das überschüssige Wasser im Normalbetrieb der Brennstoffzelle 1 abzuleiten. Im Schritt 200 läuft der Normalbetrieb, wie es auch gemäß der Figur 3 der Fall sein kann. Im Schritt 205 wird überprüft, ob ein Drain-Bedarf besteht. Wenn ja, wird im Schritt 206 bei dem normal weiterarbeitenden Verdichter 14 das Bypass-Ventil

13 halb geöffnet. Anschließend wird im Schritt 207 das Drain-Ventil 36 für eine bestimmte Zeit At geöffnet und danach wieder geschlossen. Das gepurgte Gasgemisch, welches am Ende der Purge-Leitung 30 Wasser aus der Drain- Leitung 33 umfasst, kann dann zum Teil an der Brennstoffzelle 1 über die Bypass-Leitung in den Rücklauf 12 der Kathodenleitung 10 abgelassen werden.

Gleichzeitig fließt zumindest ein Teil des gepurgten Gasgemisches in den Zulauf 11 der Kathodenleitung 10. Dadurch kann im Normalbetrieb der Brennstoffzelle 1 sichergestellt werden, dass das Wasser zumindest zum Teil an der

Brennstoffzelle 1 vorbeigeführt wird. Im Schritt 208 wird mit dem Normalbetrieb der Brennstoffzelle 1 fortgesetzt. Hierbei ist es erfindungsgemäß denkbar, dass die Betriebsstrategie für den Drain-Betriebszustand gemäß der Figur 5 und die Betriebsstrategie für den Purge-Betriebszustand gemäß der Figur 3

nacheinander oder zumindest zum Teil gleichzeitig ausgeführt werden können. In diesem Falle ist es denkbar, dass das Bypass-Ventil 13 zumindest zu einem Teil, insbesondere halb, geöffnet sein kann. Ferner ist es aber auch denkbar, dass das Bypass-Ventil 13 zu einem größeren Teil geöffnet werden kann, wenn der Purge-Vorgang und der Drain-Vorgang gleichzeitig ausgeführt werden.

Die Figur 6 zeigt die Betriebsstrategie für den Shutdown-Betriebszustand der Brennstoffzelle 1, in welchem sämtliches Wasser aus der Brennstoffzelle 1 abgelassen wird. Im Schritt 300 wird mit der Shutdownprozedur begonnen. Im Schritt 301 wird der Verdichter 14 hochgedreht und unter hohem

Luftmassenstrom das Bypass-Ventil 13 geöffnet. Anschließend werden im Schritt 302 das Drain-Ventil 36 und das Purge-Ventil 31 geöffnet. Das Anoden-Wasser strömt nicht zu der Brennstoffzelle 1 zurück, sondern nach dem Druckgefälle über die Bypass-Leitung in den Rücklauf 12 der Kathodenleitung 10.

Währenddessen kann vorteilhafterweise vermieden werden, dass das gepurgte Gasgemisch und die gedrainte Flüssigkeit zurück zu der Brennstoffzelle 1 gelangt. Im Schritt 303 wir überprüft, ob der Wasser-Tank 35 leer ist. Danach wird im Schritt 304 mit der Shutdownprozedur fortgefahren und bspw. ein

Trockenblasen der Leitungen 10, 13, 20, 30, 33 eingeleitet.