WO2017067966A2 - Anordnung für eine kathoden-rezirkulation einer brennstoffzelle sowie verfahren zur kathoden-rezirkulation - Google Patents

Anordnung für eine kathoden-rezirkulation einer brennstoffzelle sowie verfahren zur kathoden-rezirkulation Download PDF

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Definitions

  • the invention relates to an arrangement for a cathode recirculation of a fuel cell of a fuel cell system. Furthermore, the invention relates to a method for cathode recirculation and a method for stack housing flushing a fuel cell of a fuel cell system. Furthermore, the invention relates to a fuel cell system and / or a vehicle, in particular an electric vehicle, with such a fuel cell system.
  • a fuel cell uses an electrochemical conversion of a fuel with oxygen to water to generate electrical energy.
  • the fuel cell contains as a core component at least one so-called membrane-electrode unit (English MEA for Membrane Electrode Assembly), which is a structure of an ion-conducting, often
  • GDL gas diffusion layers
  • the fuel cell is formed by means of a plurality of arranged in a stack (English stack) membrane electrode assemblies, wherein add their electrical power in an operation of the fuel cell.
  • Bipolar plates also called flux field plates or separator plates, are usually arranged between the individual membrane electrode units, which ensure and usually also supply the membrane electrode units, ie a supply of the individual cells of the fuel cell, with the operating media, the so-called reactants to serve a cooling.
  • the bipolar plates provide electrical contact to the membrane-electrode assemblies.
  • anode operating medium in particular hydrogen (H 2 ) or a hydrogen-containing
  • cathode electrodes via a cathode side open flow field of the bipolar plates, a so-called cathode operating medium, in particular oxygen (0 2 ) or a
  • oxygen-containing gas mixture for example air
  • V2O 2 + 2e " -> O 2 " oxygen-containing gas mixture
  • oxygen anions formed on the cathode electrodes (0 2 ⁇ ) react. with the protons transported through the membranes or electrolytes with the formation of water (O 2 " + 2H + H 2 0).
  • the anode supply includes an anode supply path for supplying the anode operating medium into the anode spaces of the fuel cell and an anode exhaust path for discharging an anode off-gas from the anode spaces.
  • the cathode supply includes a cathode supply path for supplying the cathode operating medium into the cathode chambers of the fuel cell and a cathode exhaust path for discharging a cathode exhaust gas out of the cathode compartments.
  • the decisive factor is how the fuel cell system 1 is shut down.
  • Fuel cell 10 in the cathode supply 30 is substantially only nitrogen in a cathode fluid.
  • a stack housing 16 is additionally necessary, which may possibly hydrogen accumulate within the stack housing 16.
  • a housing ventilation section 51 is provided through the stack housing 16.
  • hydrogen sensors 44, 54 can be used to detect compliance with statutory emissions regulations at the fluid outputs of both the cathode exhaust path 32 and the stack housing 16, by means of which an optionally escaping into the environment hydrogen is sensed.
  • the fuel cell 10 is further protected by the use of comparatively fluid-tight shut-off valves 45, 46 in the cathode supply 30
  • Cathode compressor 33 set up Furthermore, an increased content of platinum can be used in the electrodes to compensate for the degradation.
  • a parallel to the cathode recirculation ventilation of the stack housing 16 is carried out in the prior art by means of a housing fan 53. Alternatively, the ventilation can be realized by means of a jet pump. All this requires a comparatively large space requirement, additional components and high demands on the shut-off valves 45, 46 in terms of tightness, with a desirable complete tightness can not be achieved. Furthermore, problems may arise in the event of frost when opening the shut-off valves 45, 46. In addition to an increased effort in a production, installation and maintenance of the fuel cell system results in increased costs.
  • the object of the invention is by means of an arrangement for a cathode recirculation of a fuel cell of a fuel cell system, by a method for cathode recirculation of a fuel cell, by a method for stack housing purging a fuel cell, by means of a fuel cell system and / or by means of a vehicle, in particular one Electric vehicle, solved according to the independent claims.
  • the inventive arrangement for a cathode recirculation comprises a
  • a cathode supply for the fuel cell comprising a cathode supply path and a cathode exhaust path, wherein a flushing circuit of a stacked housing of the fuel cell is fluid-mechanically connected to the cathode supply, and by means of a recirculation fluid pressure generator in the cathode supply and / or in the purge circuit, a recirculation fluid in the cathode supply and is circulatable in the purge circuit.
  • the cathode chambers of the fuel cell may form a portion of the arrangement, wherein the cathode chambers are fluid-mechanically connected between the cathode supply path and the cathode exhaust path.
  • a combination of a functionality of a conventional housing ventilation of the fuel cell takes place with a functionality of a conventional
  • the housing ventilation takes place through the purge circuit and the recirculation at the cathode through the cathode supply together or simultaneously by means of a remaining fluid in the cathode supply and in the purge circuit (recirculation fluid).
  • the recirculation fluid consists of a fluid in the cathode supply path, usually air, a fluid in the cathode exhaust path, so a
  • the purge circuit is fluidly coupled on the one hand to the cathode supply path and on the other hand to the cathode exhaust path.
  • the scavenging circuit is preferably fluid-mechanically connected upstream of a cathode compressor, in particular on an air filter, to the cathode supply path.
  • the purge circuit is preferably fluidly connected to the cathode exhaust path downstream of a cathode turbine, in particular upstream of the hydrogen sensor.
  • a shut-off valve can be omitted if the air filter can take over this functionality.
  • the recirculation fluid pressure generator is configured as a cathode compressor on / in the cathode supply path or as a case fan on / in the purge circuit.
  • Cathode compressor has a comparatively low power consumption.
  • Embodiments is on / in the cathode exhaust path downstream of a fluid mechanical connection of the purge circuit to the cathode exhaust path an adjusting means, in particular a shut-off valve, is provided.
  • the specification 'downstream' here refers to a
  • the cathode supply path, the cathode exhaust path and the purge circuit are fluidly connected in series.
  • Cathode compressor the cathode supply path, the cathode chambers of the fuel cell, the cathode exhaust path (ie the cathode supply) and the purge circuit (including the Stacked housing of the fuel cell) can be flowed through by the recirculation fluid.
  • fan as a recirculation fluid pressure generator is starting from the housing fan part of the scavenging circuit (preferably including the stacked housing of the fuel cell), the cathode exhaust path, the cathode chambers of the fuel cell, the cathode supply path (ie the cathode supply) and turn a part of the purge circuit ( optionally including the stacked housing of the fuel cell) can be flowed through by the recirculation fluid.
  • a simple stack housing flushing can also take place, wherein an air drawn in from the surroundings by means of the housing fan once through the
  • Housing ventilation circuit as Spülate and from there via a fluid mechanical connection of the housing ventilation circuit to the cathode exhaust path through the relevant downstream cathode exhaust path into the environment transportable
  • a recirculation fluid is transported through a cathode supply path, through the cathode chambers of the fuel cell and through a cathode exhaust path, wherein the
  • the recirculation fluid pressure generator by means of the recirculation fluid pressure generator, the
  • the recirculation fluid can be transported or conveyed by means of a recirculation fluid pressure generator, the recirculation fluid pressure generator preferably being designed as a cathode compressor on / in the cathode supply path and / or preferably as a housing fan on / in the purge circuit.
  • Recirculation fluid pressure generator the recirculation fluid is transported or promoted, the housing fan switched inactive or the case fan is inactive. Furthermore, in the event that the recirculation fluid is transported or conveyed by means of the housing fan as a recirculation fluid pressure generator, the Cathode compressor be switched inactive or the cathode compressor is switched inactive.
  • a flushing fluid is passed through a flushing path and a stacked housing of a fuel cell by means of a housing fan
  • the purge fluid is further purged through a downstream portion of a cathode exhaust path and discharged from there into the environment. That is, an actual flushing path comprises the flushing path through the stack housing, a fluid mechanical connection of the flushing path to the cathode exhaust path upstream of the hydrogen sensor and a downstream cathode exhaust path to the environment.
  • the flushing fluid usually air from the environment is preferably sucked directly to an air filter or an air filter box.
  • the fuel cell system according to the invention for a vehicle in particular a
  • Electric vehicle or the vehicle according to the invention, in particular the electric vehicle, may have an arrangement according to the invention for a cathode recirculation. Furthermore, by the fuel cell system according to the invention or the inventive
  • Figure 1 is a simplified block diagram of a preferred embodiment of a
  • Fuel cell system according to the invention a block diagram of a cathode supply and a housing ventilation path for a fuel cell according to the prior art
  • Figure 3 is a block diagram of a first embodiment of a cathode supply and a purge circuit for a fuel cell according to the invention, with a housing fan as a recirculation fluid pressure generator;
  • FIG. 4 shows a block diagram which clarifies where the purge circuit is connected to the
  • Fuel cell is fluid-mechanically coupled
  • FIG. 5 is a block diagram of a second embodiment of a cathode supply and a purge circuit for a fuel cell according to the invention, with a cathode compressor as a recirculation fluid pressure generator.
  • the invention is explained in more detail with reference to two embodiments of an arrangement for a cathode recirculation for a fuel cell 10 of a fuel cell system 1 for a vehicle and a method for cathode recirculation and a method for stack housing flushing a fuel cell 10 of a fuel cell system 1 of a vehicle.
  • the invention is not limited to such embodiments and / or the
  • FIG. 1 shows a fuel cell system 1 according to a preferred embodiment of the invention.
  • the fuel cell system 1 is preferably part of a vehicle not shown in detail, in particular a motor vehicle or an electric vehicle, which preferably has an electric traction motor, which or which by the
  • Fuel cell system 1 can be supplied with electrical energy.
  • the fuel cell system 1 comprises as a core component a fuel cell 10 or a fuel cell stack 10, which preferably has a plurality of stacked fuel cells - hereinafter referred to as single cells 1 1 - and is housed in a fluid-tight stack housing 16.
  • Each individual cell 1 1 comprises an anode space 12 and a cathode space 13, wherein the
  • Anode space 12 and the cathode space 13 of a membrane (part of a membrane electrode assembly 14, see below), preferably an ion-conductive polymer electrolyte membrane, spatially and electrically separated from each other (see detail).
  • the fuel cell stack 10 is also referred to simply as a fuel cell 10.
  • the anode chambers 12 and the cathode chambers 13 of the fuel cell 10 each have a limiting catalytic electrode (part of the membrane-electrode assembly 14, see
  • an anode electrode and a cathode electrode each of which catalyzes a partial reaction of a fuel cell reaction.
  • the anode electrode and the cathode electrode each comprise a catalytic material, such as platinum, supported on an electrically conductive substrate having a large surface area, such as a carbon based material.
  • a microstructure of a membrane and associated electrodes is also referred to as a membrane electrode assembly 14. Between two such membrane electrode assemblies 14 (in Figure 1, only a single membrane electrode assembly 14 is indicated) is further an indicated bipolar plate 15 is arranged, which a supply of operating media 3, 5 in a relevant anode compartment 12 of a first single cell 1 1 and a respective cathode space 13 of a directly adjacent thereto second single cell 1 1 and beyond an electrical connection between the two directly adjacent to each other
  • Single cells 1 1 realized. Between a bipolar plate 15 and a directly adjacent anode electrode of a membrane electrode assembly 14 there is an anode space 12 and between a cathode electrode of the same membrane electrode assembly 14 and a directly adjacent second
  • Bipolar plate 15 is a cathode space 13 is formed.
  • gas diffusion layers may be disposed between the membrane-electrode assemblies 14 and the bipolar plates 15. In the fuel cell stack 10 or in the fuel cell 10, therefore, membrane electrode assemblies 14 and bipolar plates 15 are alternately arranged or stacked.
  • anode supply 20 To supply the fuel cell stack 10 or the fuel cell 10 with the operating media 3, 5, the fuel cell system 1, on the one hand, an anode supply 20 and on the other hand, a cathode supply 30.
  • the anode supply 20 includes an anode supply path 21, which is a
  • anode supply path 21 connects a fuel reservoir 23 or fuel tank 23 with an anode inlet of the fuel cell 10
  • Anode supply 20 further includes an anode exhaust path 22 which discharges an anode exhaust gas 4 from the anode compartments 12 through an anode exit of the fuel cell 10.
  • a built-up anode operating pressure on an anode side of the fuel cell 10 is preferably adjustable by means of an actuating means 24 in the anode supply path 21.
  • the anode supply 20 preferably has a fuel recirculation line 25, which contains the anode exhaust gas path 22 with the anode supply path 21
  • a further adjusting means 26 is preferably arranged, by means of which a recirculation rate is adjustable. Furthermore, a compressor may be provided on / in the fuel recirculation line 25 (not shown).
  • the cathode supply 30 comprises a cathode supply path 31, which supplies the cathode chambers 13 of the fuel cell 10 with an oxygen-containing cathode operating medium 5, preferably air 5, which is sucked in in particular from the environment 2.
  • the Cathode supply 30 further includes a cathode exhaust path 32, which discharges a cathode exhaust gas 6, in particular an exhaust air 6, from the cathode compartments 13 of the fuel cell 10 and this optionally provided exhaust device 43 (not shown in Figure 1, see Figures 2 to 5 ) feeds.
  • a cathode compressor 33 is preferably arranged in the cathode supply path 31.
  • the cathode compressor 33 is one or both
  • the drive is effected by means of an electric motor 34 or a drive 34, which preferably with a
  • the cathode compressor 33 is designed as an electric turbocharger (English ETC for Electric Turbo Charger).
  • the cathode compressor 33 may further be arranged by a in the cathode exhaust path 32
  • Cathode turbine 36 with optionally variable turbine geometry, supportive by means of a common shaft (not shown in Figure 1, see Figures 2 to 5) to be drivable.
  • the cathode turbine 36 constitutes an expander which causes expansion of the cathode exhaust gas 6 and thus lowering of its fluid pressure (increase in efficiency of the fuel cell system 1).
  • the cathode supply 30 may also according to the illustrated embodiment
  • Wastegate 37 and a wastegate line 37 have, which
  • the wastegate 37 allows a mass flow of the cathode operating medium 5 in the short term in the
  • An adjusting means 38 arranged in the wastegate 37 allows a setting of a volumetric flow of the cathode operating medium 5 possibly bypassing the fuel cell 10.
  • All adjusting means 24, 26, 38, 47, 48 (see also below) of the fuel cell system 1 can be designed as controllable, controllable or non-controllable valves, flaps, throttles et cetera.
  • at least one further corresponding actuating means (45), (46) can be arranged in an anode path (21), (22) and / or a cathode path 31, 32 or a line the anode path (21), (22) and / or a line of the cathode path 31, 32 may be arranged.
  • the preferred fuel cell system 1 further comprises a moisture transmitter 39.
  • the moisture transmitter 39 is arranged in the cathode supply path 31 such that it can be flowed through by the cathode operating medium 5.
  • the moisture transmitter is arranged in the cathode exhaust path 32 in such a way that it can be flowed through by the cathode exhaust gas 6.
  • the moisture transfer device 39 is preferably arranged in the cathode supply path 31 between the cathode compressor 33 and a cathode input of the fuel cell 10 and on the other hand in the cathode exhaust path 32 between a cathode output of the fuel cell 10 and the optionally provided cathode turbine 36.
  • Moisture transmitter of Feuchteübertragers 39 preferably has a plurality of membranes, which are often either flat (see Figure 3) or in the form of hollow fibers (not shown) are formed.
  • the moisture transmitter 39 can be bypassed by the cathode supply path 31 (see a moisture transfer bypass 40 in Figures 3 to 5) and / or on the part of the cathode exhaust path 32 by means of a bypass line.
  • a turbine bypass line from the cathode exhaust path 32 which bypasses the cathode turbine 36.
  • Anode supply 20 alternatively or additionally have a to the cathode supply 30 analog humidity transmitter 39. Furthermore, the anode exhaust gas path 22 can lead into the cathode exhaust gas path 32 or vice versa, wherein the anode exhaust gas 4 and the cathode exhaust gas 6 can optionally be removed via the common exhaust gas device 43 (FIGS. 2 to 5).
  • a cathode (re-) circulation (see also the curved arrows 30 in Figs. 3 and 5) is an effective measure to prevent it from taking a comparatively long period of time in a parked state of the fuel cell 10 to no oxygen entry into the cathode chambers 13 of the fuel cell 10 and thus no air-to-air start at a restart of the fuel cell 10 comes.
  • Housing vent 51 with a fluid outlet 52 downstream of the stack housing 16 of the fuel cell 10 is included in the cathode recirculation, from the housing vent line 51 an optionally temporary flushing circuit 50 (see curved arrows 50 in the FIGS. 3 and 5) of the fuel cell 10.
  • a hydrogen sensor 54 on / in the fluid outlet 52 and the fluid outlet 52 can be dispensed with (compare FIG. 2).
  • the purge circuit 50 opens on the one hand on / in the cathode supply path 31 and on the other hand on / in the cathode exhaust path 32 or is fluid-mechanically connected both to the cathode supply path 31 and to the cathode exhaust path 32.
  • the invention consists in that for the recirculation at the cathode and also a simultaneous rinsing of the rinsing circuit 50 - both together referred to here as cathode recirculation - a fan 53 is applicable as a recirculation fluid pressure generator 53, which is also for aeration of Stacking housing 16 is applied. According to the invention, such a case fan 53 can suck the recirculation fluid 7 from the cathode supply path 31 directly to an air filter 42 or an air filter box 42 (see FIG.
  • the cathode supply 30 can be flowed through by the recirculation fluid 7, an additional actuating means 47, 48 (actuating means 48 is only indicated in Figure 4), in particular a shut-off valve 47, 48, at / at least one of the two openings the cathode supply 30 is necessary.
  • actuating means 48 is only indicated in Figure 4
  • a shut-off valve 47, 48 at / at least one of the two openings the cathode supply 30 is necessary.
  • an adjusting means 47 for example, a flap 47 or the shut-off valve 47, is needed, this can be used.
  • the fuel cell system 10 can be completely switched off.
  • the cathode of the fuel cell 10 in addition to reduce oxygen diffusion through
  • valves 47, 48 are closed, which, however, do not necessarily have to meet high requirements for tightness. Standard flaps 47, 48 can be used here.
  • FIG. 4 shows alternative connection options (dashed lines) of the flushing circuit 50 to the cathode supply 30.
  • a first fluid connection of the flushing circuit 50 can take place over the entire path of the cathode supply path 31. So the first one
  • Fluid connection with respect to a conventional flow direction in the cathode supply path 31 during normal operation of the fuel cell 10, for example upstream of the air filter 42, upstream of the cathode compressor 33, upstream or downstream of a charge air cooler 41, on / in the wastegate 37 (supply path side before the actuator 38) or downstream of the humidity transmitter 39 or the supply path side moisture transfer bypass 40.
  • a second fluid connection of the purge circuit 50 can take place over the entire path of the cathode exhaust path 32.
  • the second fluid port with respect to a conventional flow direction in the cathode exhaust path 32 during normal operation of the
  • Fuel cell 10 upstream or downstream of the humidity transmitter 39th
  • FIG. 5 shows a cathode recirculation by means of the
  • Cathode compressor 33 as recirculation fluid pressure generator 33, in which case the cathode recirculation takes place in a reverse order for cathode recirculation by means of the housing fan 53 sequence. That is, starting from the cathode compressor 33, first the cathode supply path 31 (sections), the cathode compartments 13 of the fuel cell 10, the cathode exhaust path 32, a first section of the purge circuit 50, the stack housing 16, a second section of the purge circuit 50 and again the cathode supply path 31 (sections) to the cathode compressor 33 are flowed through by the recirculation fluid 7 (dashed arrows in Figure 5).
  • the actuating means 47 is opened.
  • the actuating means 48 is closed (not exemplary embodiment according to FIG. 4).
  • the case fan 53 sucks purge air, for example on the air filter 42 and the air filter box 42, transported through the purge circuit 50 including the stack housing 16 in the cathode exhaust path 32 upstream of the hydrogen sensor 44, from where the purge air, the open actuating means 47 and optionally one Exhaust device 43 and a muffler 43 happens and exits into the environment 2.
  • Fuel cell system fuel cell assembly, preferably for a vehicle with an electric motor, in particular an electric traction motor
  • Operating medium reactant, in particular anode operating medium, actual fuel, preferably hydrogen or hydrogen-containing gas mixture
  • Exhaust gas including liquid water, in particular anode exhaust gas
  • Cathode electrode of the cathode of the fuel cell 10 individual fuel cell anode compartment of a single cell 1 1
  • Membrane electrode unit preferably with a polymer electrolyte membrane and an anode electrode and a cathode electrode
  • Adjusting means controllable, (controllable), not adjustable, in particular valve, flap, throttle et cetera
  • Fuel recirculation line Stellstoff, controllable, (can) be controlled, not controllable, in particular valve, flap, throttle et cetera fuel cell supply, cathode supply, cathode circuit of the
  • Compressor cathode compressor, compressor, turbocharger
  • Motor in particular electric motor or drive (possibly including transmission) electronics, in particular power electronics for the motor 34th
  • Turbine with optionally variable turbine geometry, cathode turbine,
  • Adjusting means controllable, (controllable), not adjustable, in particular valve, flap, throttle et cetera
  • Air filter air filter box
  • Adjusting means controllable, (controllable), not adjustable, in particular shut-off valve for cathode exhaust path 32nd

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anordnung für eine Kathoden-Rezirkulation einer Brennstoffzelle (10) eines Brennstoffzellensystems (1) mit einer Kathodenversorgung (30) für die Brennstoffzelle (10), aufweisend einen Kathoden-Versorgungspfad (31) und einen Kathoden-Abgaspfad (32), und an die Kathodenversorgung (30) ein Spülkreis (50) eines Stapelgehäuses (16) der Brennstoffzelle (10) fluidmechanisch angeschlossen ist, wobei mittels eines RezirkulationsFluiddruckerzeugers (33, 53) in der Kathodenversorgung (30) und/oder im Spülkreis (50), ein Rezirkulationsfluid (7) in der Kathodenversorgung (30) und im Spülkreis (50) zirkulierbar ist. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Kathoden-Rezirkulation einer Brennstoffzelle (10) eines Brennstoffzellensystems (1) eines Fahrzeugs, insbesondere eines Elektrofahrzeugs, wobei ein Rezirkulationsfluid (7) durch einen Kathoden-Versorgungspfad (31), durch die Kathodenräume der Brennstoffzelle (10) und durch einen Kathoden-Abgaspfad (32) hindurchgefördert wird, und das Rezirkulationsfluid (7) ferner durch einen Spülkreis (50) für ein Stapelgehäuse (16) der Brennstoffzelle (10) sowie das Stapelgehäuse (16) hindurchgefördert wird.

Description

Beschreibung
Anordnung für eine Kathoden-Rezirkulation einer Brennstoffzelle sowie Verfahren zur
Kathoden-Rezirkulation
Die Erfindung betrifft eine Anordnung für eine Kathoden-Rezirkulation einer Brennstoffzelle eines Brennstoffzellensystems. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Kathoden- Rezirkulation sowie ein Verfahren zum Stapelgehäuse-Spülen einer Brennstoffzelle eines Brennstoffzellensystems. Ferner betrifft die Erfindung ein Brennstoffzellensystem und/oder ein Fahrzeug, insbesondere ein Elektrofahrzeug, mit einem solchen Brennstoffzellensystem.
Eine Brennstoffzelle nutzt eine elektrochemische Umsetzung eines Brennstoffs mit Sauerstoff zu Wasser zur Erzeugung elektrischer Energie. Hierfür enthält die Brennstoffzelle als eine Kernkomponente wenigstens eine sogenannte Membran-Elektroden-Einheit (englisch MEA für Membrane Electrode Assembly), welche ein Gefüge aus einer ionenleitenden, oft
protonenleitenden, Membran und beidseitig an der Membran angeordneten Elektroden, einer Anodenelektrode und einer Kathodenelektrode, ist. Zudem können Gasdiffusionslagen (GDL) beidseitig der Membran-Elektroden-Einheit an den der Membran abgewandten Seiten der Elektroden angeordnet sein.
In der Regel ist die Brennstoffzelle mittels einer Vielzahl von in einem Stapel (englisch Stack) angeordneter Membran-Elektroden-Einheiten ausgebildet, wobei sich deren elektrische Leistungen in einem Betrieb der Brennstoffzelle addieren. Zwischen den einzelnen Membran- Elektroden-Einheiten sind meist Bipolarplatten, auch Flussfeldplatten oder Separatorplatten genannt, angeordnet, welche eine Versorgung der Membran-Elektroden-Einheiten, also einer Versorgung der Einzelzellen der Brennstoffzelle, mit den Betriebsmedien, den sogenannten Reaktanten, sicherstellen und üblicherweise auch einer Kühlung dienen. Zudem sorgen die Bipolarplatten für einen elektrischen Kontakt zu den Membran-Elektroden-Einheiten.
In einem Betrieb der Einzelzellen der Brennstoffzelle wird der Brennstoff, ein sogenanntes Anoden-Betriebsmedium, insbesondere Wasserstoff (H2) oder ein wasserstoffhaltiges
Gasgemisch, über ein anodenseitig offenes Flussfeld der Bipolarplatten den Anodenelektroden zugeführt, wo eine elektrochemische Oxidation von H2 zu H+ unter einer Abgabe von Elektronen (e") stattfindet (H2 -> 2H+ + 2e"). Durch die Membranen beziehungsweise Elektrolyten der Membran-Elektroden-Einheiten hindurch, welche die Reaktionsräume gasdicht voneinander trennen und elektrisch isolieren, erfolgt ein wassergebundener oder wasserfreier Transport von Protonen (H+) von den Anodenelektroden (zusammengesetzte Anode der Brennstoffzelle) in den Anodenräumen der Einzelzellen zu den Kathodenelektroden (zusammengesetzte Kathode der Brennstoffzelle) in den Kathodenräumen der Einzelzellen. Die an der Anode bereitgestellten Elektronen werden über eine elektrische Leitung und einen elektrischen Verbraucher
(Elektromotor) der Kathode zugeleitet.
Den Kathodenelektroden wird über ein kathodenseitig offenes Flussfeld der Bipolarplatten, ein sogenanntes Kathoden-Betriebsmedium, insbesondere Sauerstoff (02) oder ein
sauerstoffhaltiges Gasgemisch, zum Beispiel Luft, zugeführt, wobei eine Reduktion von 02 zu O2" unter einer Aufnahme von Elektronen stattfindet (V2O2 + 2e" -> O2"). Gleichzeitig reagieren an den Kathodenelektroden gebildete Sauerstoffanionen (02~) mit den durch die Membranen beziehungsweise Elektrolyten hindurch transportierten Protonen unter einer Bildung von Wasser (O2" + 2H+ H20).
Um einen Brennstoffzellenstapel, nachfolgend hauptsächlich als Brennstoffzelle bezeichnet, mit Betriebsmedien zu versorgen, weist dieser beziehungsweise diese einerseits eine
Anodenversorgung und andererseits eine Kathodenversorgung auf. Die Anodenversorgung weist einen Anoden-Versorgungspfad für ein Zuführen des Anoden-Betriebsmediums in die Anodenräume der Brennstoffzelle hinein und einen Anoden-Abgaspfad für ein Abführen eines Anoden-Abgases aus den Anodenräumen heraus auf. Analog weist die Kathodenversorgung einen Kathoden-Versorgungspfad für ein Zuführen des Kathoden-Betriebsmediums in die Kathodenräume der Brennstoffzelle hinein und einen Kathoden-Abgaspfad für ein Abführen eines Kathoden-Abgases aus den Kathodenräumen heraus auf.
Maßgeblich für eine Lebensdauer eines Brennstoffzellensystems 1 , siehe auch den Stand der Technik in der Figur 2, ist eine Vermeidung von Zuständen, welche die Brennstoffzelle 10 selbst schädigen. Solch eine Schädigung, insbesondere eine Degradation, tritt unter anderem dann auf, wenn sich bei einem Start der Brennstoffzelle 10 anodenseitig wie kathodenseitig der Membranen der Einzelzellen 1 1 Sauerstoff befindet (Problem eines Luft- Luft-Starts). Aus diesem Grund sollte vonseiten des Brennstoffzellensystems 1 und einer Betriebsstrategie gewährleistet sein, dass derartige Zustände lediglich selten auftreten. Unter anderem
entscheidend dafür ist, wie das Brennstoffzellensystem 1 heruntergefahren wird. Hierbei wird beim Herunterfahren des Brennstoffzellensystems 1 die Kathodenversorgung 30 so gut es geht von einem Sauerstoff evakuiert. Dies erfolgt meist durch eine Kathoden-Rezirkulation für ein Abreagieren des restlichen, vorhandenen Sauerstoffs, sodass sich wenigstens an der
Brennstoffzelle 10 in der Kathodenversorgung 30 im Wesentlichen nur noch Stickstoff in einem Kathodenfluid befindet.
Im Zuge einer Weiterentwicklung einer Brennstoffzelle 10 wird angestrebt, ein Platingehalt der Elektroden weiter signifikant zu verringern, um Kosten zu sparen. In der Folge ist es umso wichtiger, schädliche Betriebszustände zu vermeiden, um eine angestrebte Lebensdauer der Brennstoffzelle 10 zu erreichen. Ferner kann nicht verhindert werden, dass Wasserstoff aus der Brennstoffzelle 10 in die Umgebung diffundiert. Zum Schutz der Brennstoffzelle 10 ist zusätzlich ein Stapelgehäuse 16 notwendig, wodurch sich gegebenenfalls Wasserstoff innerhalb des Stapelgehäuses 16 ansammeln kann. Zur Vermeidung eines brennbaren Gemischs innerhalb des Stapelgehäuses 16 ist eine Gehäusebelüftungsstrecke 51 durch das Stapelgehäuse 16 hindurchgehend vorgesehen. Darüber hinaus können zum Nachweis der Einhaltung von gesetzlichen Emissionsvorschriften an den Fluidausgängen sowohl des Kathoden-Abgaspfads 32 als auch des Stapelgehäuses 16 Wasserstoffsensoren 44, 54 angewendet sein, mittels welchen ein gegebenenfalls in die Umgebung entweichender Wasserstoff sensierbar ist.
Im Stand der Technik erfolgt ein Schutz der Brennstoffzelle 10 ferner mittels Verwendung von vergleichsweise fluiddichten Absperrventilen 45, 46 in der Kathodenversorgung 30
vergleichsweise nah an der Kathode für ein Abschotten der Brennstoffzelle 10 von der
Umgebung 2. Darüber hinaus ist meist eine Kathoden-Rezirkulation mittels eines
Kathodenverdichters 33 eingerichtet. Des Weiteren kann ein erhöhter Gehalt an Platin in den Elektroden zur Kompensation der Degradation angewendet werden. Eine zur Kathoden- Rezirkulation parallele Belüftung des Stapelgehäuses 16 erfolgt im Stand der Technik mittels eines Gehäuselüfters 53. Alternativ kann die Belüftung mittels einer Strahlpumpe realisiert sein. All dies erfordert einen vergleichsweise großen Bauraumbedarf, zusätzliche Bauteile und hohe Anforderungen an die Absperrventile 45, 46 hinsichtlich Dichtigkeit, wobei eine wünschenswerte vollständige Dichtheit nicht erreicht werden kann. Ferner können sich im Frostfall Probleme beim Öffnen der Absperrventile 45, 46 ergeben. Neben einem erhöhten Aufwand bei einer Herstellung, Montage und Wartung des Brennstoffzellensystems ergeben sich erhöhte Kosten.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, einer Degradation der Brennstoffzelle zu begegnen, ohne dabei einen erhöhten Edelmetallgehalt in den Elektroden für eine Kompensation der
Degradation anzuwenden, sondern den Edelmetallgehalt in den Elektroden beizubehalten oder senken zu können. Das heißt vonseiten eines Brennstoffzellensystems und einer Betriebsstrategie soll erfindungsgemäß gewährleistet sein, dass Luft- Luft-Starts der
Brennstoffzelle höchstens selten auftreten. Dies soll mit einfachen und kostengünstigen Mitteln realisierbar und durchführbar sein.
Die Aufgabe der Erfindung ist mittels einer Anordnung für eine Kathoden-Rezirkulation einer Brennstoffzelle eines Brennstoffzellensystems, durch ein Verfahren zur Kathoden-Rezirkulation einer Brennstoffzelle, durch ein Verfahren zum Stapelgehäuse-Spülen einer Brennstoffzelle, mittels eines Brennstoffzellensystems und/oder mittels eines Fahrzeugs, insbesondere eines Elektrofahrzeugs, gemäß den unabhängigen Ansprüchen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen, zusätzliche Merkmale und/oder Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen und der folgenden Beschreibung.
Die erfindungsgemäße Anordnung für eine Kathoden-Rezirkulation umfasst eine
Kathodenversorgung für die Brennstoffzelle, mit einem Kathoden-Versorgungspfad und einem Kathoden-Abgaspfad, wobei an die Kathodenversorgung ein Spülkreis eines Stapelgehäuses der Brennstoffzelle fluidmechanisch angeschlossen ist, und mittels eines Rezirkulations- Fluiddruckerzeugers in der Kathodenversorgung und/oder im Spülkreis, ein Rezirkulationsfluid in der Kathodenversorgung und im Spülkreis zirkulierbar ist. Hierbei können die Kathodenräume der Brennstoffzelle einen Abschnitt der Anordnung bilden, wobei die Kathodenräume fluidmechanisch zwischen den Kathoden-Versorgungspfad und den Kathoden-Abgaspfad geschaltet sind.
Gemäß der Erfindung erfolgt eine Kombination einer Funktionalität einer herkömmlichen Gehäusebelüftung der Brennstoffzelle mit einer Funktionalität einer herkömmlichen
Rezirkulation an der Kathode des Brennstoffzellensystems. Bei der erfindungsgemäßen Kathoden-Rezirkulation erfolgt die Gehäusebelüftung durch den Spülkreis und die Rezirkulation an der Kathode durch die Kathodenversorgung hindurch gemeinsam beziehungsweise gleichzeitig mittels eines verbleibenden Fluids in der Kathodenversorgung sowie im Spülkreis (Rezirkulationsfluid). Das Rezirkulationsfluid setzt sich dabei aus einem Fluid im Kathoden- Versorgungspfad, meistens also Luft, einem Fluid im Kathoden-Abgaspfad, also einem
Kathoden-Abgas, und einem Fluid im Spülkreis, meistens ebenfalls Luft, zusammen.
Da im Brennstoffzellensystem eine Belüftung des Stapelgehäuses der Brennstoffzelle ohnehin benötigt wird, wird gemäß der Erfindung kein zusätzliches Bauteil benötigt. Das heißt, es können aktuell verfügbare und kostengünstige Komponenten verwendet werden. Es muss lediglich ein Fluidauslass der Gehäusebelüftungsstrecke aus dem Stand der Technik an den Kathoden-Abgaspfad fluidmechanisch angeschlossen werden. Hierdurch kann ein Wasserstoffsensor eingespart werden, da sich der Spülkreis und die Kathodenversorgung denselben Fluidausgang im/am Kathoden-Abgaspfad teilen, welcher zum Zweck des
Nachweises der Einhaltung der gesetzlichen Emissionsvorgaben einen Wasserstoffsensor aufweist.
In Ausführungsbeispielen ist der Spülkreis einerseits mit dem Kathoden-Versorgungspfad und andererseits mit dem Kathoden-Abgaspfad fluidmechanisch gekoppelt. Hierbei ist der Spülkreis bevorzugt stromaufwärts eines Kathodenverdichters, insbesondere an einem Luftfilter, an den Kathoden-Versorgungspfad fluidmechanisch angeschlossen. Ferner ist der Spülkreis bevorzugt stromabwärts einer Kathodenturbine, insbesondere stromaufwärts des Wasserstoffsensors, an den Kathoden-Abgaspfad fluidmechanisch angeschlossen.
Mittels eines vergleichsweise großen, von Sauerstoff evakuierbaren Volumens
(Kathodenversorgung plus vergleichsweise voluminöser Spülkreis) ergibt sich ein zeitlich langer Schutz vor einem kathodenseitigen Sauerstoffeintrag in die Brennstoffzelle und von dort über die Membranen der Membran-Elektroden-Einheiten der Brennstoffzelle auf eine Anodenseite der Brennstoffzelle. Gegebenenfalls kann gemäß der Erfindung ein Absperrventil entfallen, falls der Luftfilter diese Funktionalität übernehmen kann.
In Ausführungsbeispielen ist der Rezirkulations-Fluiddruckerzeuger als ein Kathodenverdichter am/im Kathoden-Versorgungspfad oder als ein Gehäuselüfter am/im Spülkreis ausgebildet. Bei der Verwendung des Gehäuselüfters als Rezirkulations-Fluiddruckerzeuger ergibt sich gemäß der Erfindung ein Energieeinsprung, da der Gehäuselüfter im Vergleich mit dem
Kathodenverdichter eine vergleichsweise geringe Leistungsaufnahme besitzt. In
Ausführungsbeispielen ist am/im Kathoden-Abgaspfad stromabwärts eines fluidmechanischen Anschlusses des Spülkreises an den Kathoden-Abgaspfad ein Stellmittel, insbesondere ein Absperrventil, vorgesehen. Die Spezifizierung .stromabwärts' bezieht sich hier auf eine
Fluidflussrichtung eines Kathoden-Abgases in einem normalen Betriebszustand der
Brennstoffzelle.
Gemäß der Erfindung sind für die Kathoden-Rezirkulation der Kathoden-Versorgungspfad, der Kathoden-Abgaspfad und der Spülkreis fluidmechanisch in Reihe geschaltet. Mit dem
Kathodenverdichter als Rezirkulations-Fluiddruckerzeuger sind ausgehend vom
Kathodenverdichter der Kathoden-Versorgungspfad, die Kathodenräume der Brennstoffzelle, der Kathoden-Abgaspfad (also die Kathodenversorgung) und der Spülkreis (inklusive des Stapelgehäuses der Brennstoffzelle) vom Rezirkulationsfluid durchströmbar. Mit dem Gehäuselüfter als Rezirkulations-Fluiddruckerzeuger ist ausgehend vom Gehäuselüfter ein Teil des Spülkreises (bevorzugt inklusive des Stapelgehäuses der Brennstoffzelle), der Kathoden- Abgaspfad, die Kathodenräume der Brennstoffzelle, der Kathoden-Versorgungspfad (also die Kathodenversorgung) und wiederum ein Teil des Spülkreises (gegebenenfalls inklusive des Stapelgehäuses der Brennstoffzelle) vom Rezirkulationsfluid durchströmbar.
Gemäß der Erfindung kann ferner ein einfaches Stapelgehäuse-Spülen erfolgen, wobei eine aus der Umgebung angesaugte Luft mittels des Gehäuselüfters einmal durch den
Gehäusebelüftungskreis als Spülstrecke und von dort über einen fluidmechanischen Anschluss des Gehäusebelüftungskreises an den Kathoden-Abgaspfad durch den diesbezüglich stromabwärtigen Kathoden-Abgaspfad hindurch in die Umgebung transportierbar
beziehungsweise förderbar ist.
Bei dem erfindungsgemäßen Rezirkulations-Verfahren wird ein Rezirkulationsfluid durch einen Kathoden-Versorgungspfad, durch die Kathodenräume der Brennstoffzelle und durch einen Kathoden-Abgaspfad hindurchtransportiert beziehungsweise gefördert, wobei das
Rezirkulationsfluid ferner durch einen Spülkreis für ein Stapelgehäuse der Brennstoffzelle sowie das Stapelgehäuse hindurchtransportiert beziehungsweise gefördert wird. Hierbei ergeben sich, auch bei den nachfolgend genannten Ausführungsbeispielen, wiederum oben genannte
Vorteile.
In Ausführungsbeispielen wird mittels des Rezirkulations-Fluiddruckerzeugers das
Rezirkulationsfluid durch den Kathoden-Versorgungspfad, die Kathodenräume der
Brennstoffzelle, den Kathoden-Abgaspfad und den Spülkreis inklusive des Stapelgehäuses, beziehungsweise vice versa, derart lange zirkuliert, bis im Wesentlichen ein gesamter
Sauerstoff im Rezirkulationsfluid abreagiert ist. Ferner kann das Rezirkulationsfluid mittels eines Rezirkulations-Fluiddruckerzeugers transportiert beziehungsweise gefördert werden, wobei der Rezirkulations-Fluiddruckerzeuger bevorzugt als ein Kathodenverdichter am/im Kathoden- Versorgungspfad und/oder bevorzugt als ein Gehäuselüfter am/im Spülkreis ausgebildet ist.
In Ausführungsbeispielen wird für den Fall, dass mittels des Kathodenverdichters als
Rezirkulations-Fluiddruckerzeuger das Rezirkulationsfluid transportiert beziehungsweise gefördert wird, der Gehäuselüfter inaktiv geschaltet beziehungsweise der Gehäuselüfter ist inaktiv geschaltet. Ferner kann für den Fall, dass mittels des Gehäuselüfters als Rezirkulations- Fluiddruckerzeuger das Rezirkulationsfluid transportiert beziehungsweise gefördert wird, der Kathodenverdichter inaktiv geschaltet sein beziehungsweise der Kathodenverdichter wird inaktiv geschaltet.
Bei dem erfindungsgemäßen Stapelgehäuse-Spülverfahren wird mittels eines Gehäuselüfters ein Spülfluid durch eine Spülstrecke und ein Stapelgehäuse einer Brennstoffzelle
hindurchgespült, wobei das Spülfluid ferner durch einen stromabwärtigen Abschnitt eines Kathoden-Abgaspfads hindurchgespült und von dort in die Umgebung entlassen wird. Das heißt eine eigentliche Spülstrecke umfasst die Spülstrecke durch das Stapelgehäuse, einen fluidmechanischen Anschluss der Spülstrecke an den Kathoden-Abgaspfad stromaufwärts des Wasserstoffsensors sowie einen diesbezüglich stromabwärtigen Kathoden-Abgaspfad bis an die Umgebung. Hierbei wird das Spülfluid, meist Luft aus der Umgebung bevorzugt direkt an einem Luftfilter beziehungsweise einem Luftfilterkasten angesaugt.
Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem für ein Fahrzeug, insbesondere ein
Elektrofahrzeug, oder das erfindungsgemäße Fahrzeug, insbesondere das Elektrofahrzeug, kann eine erfindungsgemäße Anordnung für eine Kathoden-Rezirkulation aufweisen. Ferner sind durch das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem oder das erfindungsgemäße
Fahrzeug ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Kathoden-Rezirkulation (Rezirkulations- Verfahren) und/oder ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Stapelgehäuse-Spülen
(Stapelgehäuse-Spülverfahren) durchführbar.
Die Erfindung ist im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügte schematische Zeichnung näher erläutert. Elemente, Bauteile oder Komponenten, welche eine identische, univoke oder analoge Ausbildung und/oder Funktion besitzen, sind in der Figurenbeschreibung, der Bezugszeichenliste und den Patentansprüchen mit denselben Bezugszeichen versehen und/oder in den Figuren der Zeichnung mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet. Mögliche, in der Beschreibung nicht erläuterte, in der Zeichnung nicht dargestellte und/oder nicht abschließende Alternativen, statische und/oder kinematische Umkehrungen, Kombinationen et cetera zu den erläuterten Ausführungsbeispielen der
Erfindung beziehungsweise einzelnen Baugruppen, Teilen oder Abschnitten davon, können der Bezugszeichenliste entnommen werden.
Sämtliche erläuterten Merkmale, auch die der Bezugszeichenliste, sind nicht nur in der angegebenen Kombination beziehungsweise den angegebenen Kombinationen, sondern auch in einer anderen Kombination beziehungsweise anderen Kombinationen oder in Alleinstellung anwendbar. Insbesondere ist es möglich, anhand der Bezugszeichen und den diesen zugeordneten Merkmalen in der Beschreibung der Erfindung, der Figurenbeschreibung und/oder der Bezugszeichenliste, ein Merkmal oder eine Mehrzahl von Merkmalen in der Beschreibung der Erfindung und/oder der Figurenbeschreibung zu ersetzen. Ferner kann dadurch ein Merkmal oder können eine Mehrzahl von Merkmalen in den Patentansprüchen ausgelegt, näher spezifiziert und/oder substituiert werden. In den Figuren der Zeichnung zeigen:
Figur 1 ein vereinfachtes Blockschaltbild einer bevorzugten Ausführungsform eines
Brennstoffzellensystems gemäß der Erfindung; ein Blockschaltbild einer Kathodenversorgung sowie einer Gehäusebelüftungsstrecke für eine Brennstoffzelle gemäß dem Stand der Technik;
Figur 3 ein Blockschaltbild einer ersten Ausführungsform einer Kathodenversorgung sowie eines Spülkreises für eine erfindungsgemäße Brennstoffzelle, mit einem Gehäuselüfter als einen Rezirkulations-Fluiddruckerzeuger;
Figur 4 ein Blockschaltbild, welches verdeutlicht, wo der Spülkreis an die
Kathodenversorgung als Anordnung zur Kathoden-Rezirkulation der
Brennstoffzelle fluidmechanisch ankoppelbar ist; und
Figur 5 ein Blockschaltbild einer zweiten Ausführungsform einer Kathodenversorgung sowie eines Spülkreises für eine erfindungsgemäße Brennstoffzelle, mit einem Kathodenverdichter als einen Rezirkulations-Fluiddruckerzeuger.
Die Erfindung ist anhand zweier Ausführungsformen einer Anordnung für eine Kathoden- Rezirkulation für eine Brennstoffzelle 10 eines Brennstoffzellensystems 1 für ein Fahrzeug sowie ein Verfahren zur Kathoden-Rezirkulation und einem Verfahren zum Stapelgehäuse- Spülen einer Brennstoffzelle 10 eines Brennstoffzellensystems 1 eines Fahrzeugs näher erläutert. Die Erfindung ist jedoch nicht auf solche Ausführungsformen und/oder die
nachfolgend erläuterten Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern ist von grundlegenderer Natur, sodass sie auf sämtliche Anordnungen für eine Kathoden-Rezirkulation sowie Verfahren zur Kathoden-Rezirkulation und/oder zum Stapelgehäuse-Spülen, zum Beispiel für stationäre Brennstoffzellensysteme, angewendet werden kann. Obwohl die Erfindung im Detail durch bevorzugte Ausführungsbeispiele näher beschrieben und illustriert ist, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Ausführungsbeispiele eingeschränkt. Andere Variationen können hieraus abgeleitet werden ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
Die Figur 1 zeigt ein Brennstoffzellensystem 1 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung. Das Brennstoffzellensystem 1 ist bevorzugt Teil eines nicht weiter dargestellten Fahrzeugs, insbesondere eines Kraftfahrzeugs oder eines Elektrofahrzeugs, welches bevorzugt einen Elektrotraktionsmotor aufweist, das beziehungsweise welcher durch das
Brennstoffzellensystem 1 mit elektrischer Energie versorgbar ist.
Das Brennstoffzellensystem 1 umfasst als eine Kernkomponente eine Brennstoffzelle 10 beziehungsweise einen Brennstoffzellenstapel 10, welche beziehungsweise welcher bevorzugt eine Vielzahl von in Stapelform angeordneten Brennstoffzellen - nachfolgend als Einzelzellen 1 1 bezeichnet - aufweist und in einem fluiddichten Stapelgehäuse 16 untergebracht ist. Jede Einzelzelle 1 1 umfasst einen Anodenraum 12 und einen Kathodenraum 13, wobei der
Anodenraum 12 und der Kathodenraum 13 von einer Membran (Teil einer Membran- Elektroden-Einheit 14 siehe unten), bevorzugt einer ionenleitfähigen Polymerelektrolyt- Membran, räumlich und elektrisch voneinander getrennt sind (siehe Detailausschnitt). Der Brennstoffzellenstapel 10 wird auch einfach als Brennstoffzelle 10 bezeichnet.
Die Anodenräume 12 und die Kathodenräume 13 der Brennstoffzelle 10 weisen begrenzend jeweils eine katalytische Elektrode (Teil der Membran-Elektroden-Einheit 14, siehe im
Folgenden), das heißt eine Anodenelektrode und eine Kathodenelektrode, auf, welche jeweils eine Teilreaktion einer Brennstoffzellen-Umsetzung katalysieren. Die Anodenelektrode und die Kathodenelektrode weisen jeweils ein katalytisches Material, beispielsweise Platin, auf, welches auf einem elektrisch leitfähigen Trägermaterial mit einer großen spezifischen Oberfläche, beispielsweise einem kohlenstoffbasierten Material, geträgert vorliegt.
Ein Gefüge aus einer Membran und dazugehörigen Elektroden wird auch als eine Membran- Elektroden-Einheit 14 bezeichnet. Zwischen zwei solchen Membran-Elektroden-Einheiten 14 (in der Figur 1 ist lediglich eine einzelne Membran-Elektroden-Einheit 14 angedeutet) ist ferner eine angedeutete Bipolarplatte 15 angeordnet, welche einer Zuführung von Betriebsmedien 3, 5 in einen betreffenden Anodenraum 12 einer ersten Einzelzelle 1 1 und einen betreffenden Kathodenraum 13 einer direkt dazu benachbarten zweiten Einzelzelle 1 1 dient und darüber hinaus eine elektrische Verbindung zwischen den zwei direkt zueinander benachbarten
Einzelzellen 1 1 realisiert. Zwischen einer Bipolarplatte 15 und einer direkt dazu benachbarten Anodenelektrode einer Membran-Elektroden-Einheit 14 ist ein Anodenraum 12 und zwischen einer Kathodenelektrode derselben Membran-Elektroden-Einheit 14 und einer direkt dazu benachbarten zweiten
Bipolarplatte 15 ist ein Kathodenraum 13 ausgebildet. Optional können Gasdiffusionslagen zwischen den Membran-Elektroden-Einheiten 14 und den Bipolarplatten 15 angeordnet sein. Im Brennstoffzellenstapel 10 beziehungsweise in der Brennstoffzelle 10 sind also Membran- Elektroden-Einheiten 14 und Bipolarplatten 15 abwechselnd angeordnet beziehungsweise gestapelt.
Zur Versorgung des Brennstoffzellenstapels 10 beziehungsweise der Brennstoffzelle 10 mit den Betriebsmedien 3, 5 weist das Brennstoffzellensystem 1 einerseits eine Anodenversorgung 20 und andererseits eine Kathodenversorgung 30 auf.
Die Anodenversorgung 20 umfasst einen Anoden-Versorgungspfad 21 , welcher einer
Zuführung eines Anoden-Betriebsmediums 3, einem Brennstoff 3, beispielsweise Wasserstoff 3 oder einem wasserstoffhaltigen Gasgemisch 3, in die Anodenräume 12 der Brennstoffzelle 10 dient. Zu diesem Zweck verbindet der Anoden-Versorgungspfad 21 einen Brennstoffspeicher 23 oder Brennstofftank 23 mit einem Anodeneingang der Brennstoffzelle 10. Die
Anodenversorgung 20 umfasst ferner einen Anoden-Abgaspfad 22, welcher ein Anoden-Abgas 4 aus den Anodenräumen 12 durch einen Anodenausgang der Brennstoffzelle 10 hindurch abführt. Ein aufgebauter Anoden-Betriebsdruck auf einer Anodenseite der Brennstoffzelle 10 ist bevorzugt mittels eines Stellmittels 24 im Anoden-Versorgungspfad 21 einstellbar.
Darüber hinaus weist die Anodenversorgung 20 bevorzugt eine Brennstoff-Rezirkulationsleitung 25 auf, welche den Anoden-Abgaspfad 22 mit dem Anoden-Versorgungspfad 21
fluidmechanisch verbindet. Eine Rezirkulation des Anoden-Betriebsmediums 3, also dem eigentlich bevorzugt zu tankenden Brennstoff 3, ist oft eingerichtet, um das zumeist
überstöchiometrisch eingesetzte Anoden-Betriebsmedium 3 der Brennstoffzelle 10
zurückzuführen und zu nutzen. In der Brennstoff-Rezirkulationsleitung 25 ist bevorzugt ein weiteres Stellmittel 26 angeordnet, mittels welchem eine Rezirkulationsrate einstellbar ist. Ferner kann an/in der Brennstoff-Rezirkulationsleitung 25 ein Verdichter vorgesehen sein (nicht dargestellt).
Die Kathodenversorgung 30 umfasst einen Kathoden-Versorgungspfad 31 , welcher den Kathodenräumen 13 der Brennstoffzelle 10 ein sauerstoffhaltiges Kathoden-Betriebsmedium 5, bevorzugt Luft 5, zuführt, welche insbesondere aus der Umgebung 2 angesaugt wird. Die Kathodenversorgung 30 umfasst ferner einen Kathoden-Abgaspfad 32, welcher ein Kathoden- Abgas 6, insbesondere eine Abluft 6, aus den Kathodenräumen 13 der Brennstoffzelle 10 abführt und dieses einer gegebenenfalls vorgesehenen Abgaseinrichtung 43 (in Figur 1 nicht dargestellt, siehe die Figuren 2 bis 5) zuführt.
Für eine Förderung und Verdichtung des Kathoden-Betriebsmediums 5 ist/am im Kathoden- Versorgungspfad 31 bevorzugt ein Kathodenverdichter 33 angeordnet. In der dargestellten Ausführungsform ist der Kathodenverdichter 33 als ein ausschließlich oder auch
elektromotorisch angetriebener Kathodenverdichter 33 ausgestaltet, dessen Antrieb mittels eines Elektromotors 34 oder eines Antriebs 34 erfolgt, welcher bevorzugt mit einer
entsprechenden Leistungselektronik 35 ausgestattet ist. Bevorzugt ist der Kathodenverdichter 33 als ein elektrischer Turbolader (englisch ETC für Electric Turbo Charger) ausgebildet. Der Kathodenverdichter 33 kann ferner durch eine im Kathoden-Abgaspfad 32 angeordnete
Kathodenturbine 36 mit gegebenenfalls variabler Turbinengeometrie, unterstützend mittels einer gemeinsamen Welle (in Figur 1 nicht dargestellt, siehe die Figuren 2 bis 5) antreibbar sein. Die Kathodenturbine 36 stellt einen Expander dar, welcher eine Expansion des Kathoden-Abgases 6 und somit eine Absenkung dessen Fluiddrucks bewirkt (Steigerung eines Wirkungsgrads des Brennstoffzellensystems 1 ).
Die Kathodenversorgung 30 kann gemäß der dargestellten Ausführungsform ferner ein
Wastegate 37 beziehungsweise eine Wastegate-Leitung 37 aufweisen, welches
beziehungsweise welche den Kathoden-Versorgungspfad 31 beziehungsweise eine Kathoden- Versorgungsleitung mit dem Kathoden-Abgaspfad 32 beziehungsweise einer Kathoden- Abgasleitung verbindet, also einen Bypass für die Brennstoffzelle 10 darstellt. Das Wastegate 37 erlaubt es, einen Massenstrom des Kathoden-Betriebsmediums 5 kurzfristig in der
Brennstoffzelle 10 zu reduzieren, ohne den Kathodenverdichter 33 herunterzufahren oder die Brennstoffzelle 10 mit einem entsprechenden Massenstrom des Kathoden-Betriebsmediums 5 zu versorgen, welcher außerhalb eines Betriebsbereichs des Kathodenverdichters 33 liegt. Ein im Wastegate 37 angeordnetes Stellmittel 38 erlaubt eine Einstellung eines Volumenstroms des die Brennstoffzelle 10 gegebenenfalls umgehenden Kathoden-Betriebsmediums 5.
Sämtliche Stellmittel 24, 26, 38, 47, 48 (siehe auch unten) des Brennstoffzellensystems 1 können als regelbare, steuerbare oder nicht regelbare Ventile, Klappen, Drosseln et cetera ausgebildet sein. Zur weiteren Isolierung (vergleiche die Figur 2) der Brennstoffzelle 10 von der Umgebung 2 kann wenigstens ein weiteres entsprechendes Stellmittel (45), (46) in einem Anoden-Pfad (21 ), (22) und/oder einem Kathoden-Pfad 31 , 32 beziehungsweise einer Leitung des Anoden-Pfads (21 ), (22) und/oder einer Leitung des Kathoden-Pfads 31 , 32 angeordnet sein.
Das bevorzugte Brennstoffzellensystem 1 weist ferner einen Feuchteübertrager 39 auf. Der Feuchteübertrager 39 ist einerseits derart im Kathoden-Versorgungspfad 31 angeordnet, dass er vom Kathoden-Betriebsmedium 5 durchströmbar ist. Andererseits ist der Feuchteübertrager derart im Kathoden-Abgaspfad 32 angeordnet, dass er vom Kathoden-Abgas 6 durchströmbar ist. Der Feuchteübertrager 39 ist einerseits im Kathoden-Versorgungspfad 31 bevorzugt zwischen dem Kathodenverdichter 33 und einem Kathodeneingang der Brennstoffzelle 10 und andererseits im Kathoden-Abgaspfad 32 zwischen einem Kathodenausgang der Brennstoffzelle 10 und der gegebenenfalls vorgesehenen Kathodenturbine 36 angeordnet. Ein
Feuchteüberträger des Feuchteübertragers 39 weist bevorzugt eine Mehrzahl von Membranen auf, die oft entweder flächig (siehe Figur 3) oder in Form von Hohlfasern (nicht dargestellt) ausgebildet sind.
Verschiedene weitere Einzelheiten des Brennstoffzellensystems 1 beziehungsweise der Brennstoffzelle 10 / des Brennstoffzellenstapels 10, der Anodenversorgung 20 und der Kathodenversorgung 30 sind in der vereinfachten Figur 1 aus Gründen einer Übersichtlichkeit nicht dargestellt. So kann der Feuchteübertrager 39 seitens des Kathoden-Versorgungspfads 31 (siehe einen Feuchteübertrager- Bypass 40 in den Figuren 3 bis 5) und/oder seitens des Kathoden-Abgaspfads 32 mittels einer Bypassleitung umgangen werden. Es kann ferner eine Turbinen-Bypassleitung seitens des Kathoden-Abgaspfads 32 vorgesehen sein, welche die Kathodenturbine 36 umgeht.
Des Weiteren kann im Anoden-Abgaspfad 22 und/oder im Kathoden-Abgaspfad 32 ein
Wasserabscheider verbaut sein, mittels welchem ein aus der betreffenden Teilreaktion der Brennstoffzelle 10 entstehendes Produktwasser kondensierbar und/oder abscheidebar und gegebenenfalls in einen Wassersammler ableitbar ist. Des Weiteren kann die
Anodenversorgung 20 alternativ oder zusätzlich einen zur Kathodenversorgung 30 analogen Feuchteübertrager 39 aufweisen. Ferner kann der Anoden-Abgaspfad 22 in den Kathoden- Abgaspfad 32 beziehungsweise vice versa münden, wobei das Anoden-Abgas 4 und das Kathoden-Abgas 6 gegebenenfalls über die gemeinsame Abgaseinrichtung 43 (Figuren 2 bis 5) abgeführt werden können.
Eine Kathoden-(Re-)Zirkulation (siehe auch die gekrümmten Pfeile 30 in den Figuren 3 und 5) ist eine effektive Maßnahme, um eine vergleichsweise lange Zeitdauer zu verhindern, dass es in einem abgestellten Zustand der Brennstoffzelle 10 zu keinem Sauerstoffeintrag in die Kathodenräume 13 der Brennstoffzelle 10 und somit zu keinem Luft-Luft-Start bei einem erneuten Starten der Brennstoffzelle 10 kommt. Dabei wird ein in der Kathodenversorgung 30 verbleibendes Rezirkulationsfluid 7, meist eine Luft/ Abgas-Mischung, derart lange in einem Kreislauf in der Kathodenversorgung 30 gefördert, bis im Wesentlichen sämtlicher Sauerstoff im Rezirkulationsfluid 7 kontrolliert abreagiert ist und nur noch Restbestandteile des
Rezirkulationsfluids 7, also hauptsächlich Stickstoff, verbleiben.
Die Erfindung besteht darin, dass eine aus dem Stand der Technik bekannte
Gehäusebelüftungsstrecke 51 mit einem Fluidauslass 52 stromabwärts des Stapelgehäuses 16 der Brennstoffzelle 10 (siehe Figur 2 und den eingangs genannten Stand der Technik) in die Kathoden-Rezirkulation miteinbezogen wird, wobei aus der Gehäusebelüftungsstrecke 51 ein gegebenenfalls temporärer Spülkreis 50 (siehe gekrümmte Pfeile 50 in den Figuren 3 und 5) der Brennstoffzelle 10 wird. Hierbei kann auf einen Wasserstoffsensor 54 am/im Fluidauslass 52 sowie den Fluidauslass 52 verzichtet werden (vergleiche Figur 2). Gemäß der Erfindung mündet dabei der Spülkreis 50 einerseits am/im Kathoden-Versorgungspfad 31 sowie andererseits am/im Kathoden-Abgaspfad 32 beziehungsweise ist sowohl an den Kathoden- Versorgungspfad 31 sowie an den Kathoden-Abgaspfad 32 fluidmechanisch angeschlossen.
Ferner besteht die Erfindung darin, dass für die Rezirkulation an der Kathode und auch ein gleichzeitiges Spülen des Spülkreises 50 - beides zusammen wird hier als Kathoden- Rezirkulation bezeichnet - ein Lüfter 53 als ein Rezirkulations-Fluiddruckerzeuger 53 anwendbar ist, der auch für eine Belüftung des Stapelgehäuses 16 angewendet wird. Gemäß der Erfindung kann solch ein Gehäuselüfter 53 das Rezirkulationsfluid 7 aus dem Kathoden- Versorgungspfad 31 direkt an einem Luftfilter 42 beziehungsweise einem Luftfilterkasten 42 ansaugen (siehe Figur 3), das Rezirkulationsfluid 7 durch das Stapelgehäuse 16 fördern, dem Kathoden-Abgaspfad 32 zuführen, von wo aus das Rezirkulationsfluid 7 die Kathodenräume 13 der Brennstoffzelle 10 und den Kathoden-Versorgungspfad 31 bis zum Luftfilter 42 passiert, von wo aus das Rezirkulationsfluid 7 wieder in den Spülkreis 50 eintritt (gestrichelte Pfeile in der Figur 3).
Damit in einem abgestellten Zustand der Brennstoffzelle 10 die Kathodenversorgung 30 vom Rezirkulationsfluid 7 durchströmbar ist, ist ein zusätzliches Stellmittel 47, 48 (Stellmittel 48 ist in Figur 4 lediglich angedeutet), insbesondere ein Absperrventil 47, 48, an/bei wenigstens einer der beiden Öffnungen der Kathodenversorgung 30 notwendig. Da im Kathoden-Abgaspfad 32 gegebenenfalls ohnehin zur Steuerung/Regelung eines Massenstroms beziehungsweise eines Fluiddrucks ein Stellmittel 47, zum Beispiel eine Klappe 47 oder das Absperrventil 47, benötigt wird, kann dieses dazu verwendet werden. Wenn im abgestellten Zustand der Brennstoffzelle 10 der Kathodenverdichter 33 ausgestellt und das Stellmittel 47 geschlossen ist, wird die Kathodenversorgung 30, zwischen einem fluidmechanischen Anschluss des Spülkreises 50 an den Kathoden-Abgaspfad 32 und einer Ansaugung des Spülkreises 50 am Kathoden- Versorgungspfad 3, in einer in einem Vergleich mit einem Normalbetrieb der Brennstoffzelle 10 umgekehrten Reihenfolge durchströmt.
Nachdem kein Sauerstoff mehr in der Kathodenversorgung 30 und im Spülkreis 50 vorhanden ist, was an einer von der Brennstoffzelle 10 gelieferten elektrischen Spannung ersichtlich ist, kann das Brennstoffzellensystem 10 komplett ausgeschaltet werden. Optional kann die Kathode der Brennstoffzelle 10 zusätzlich zur Verringerung einer Sauerstoffdiffusion durch
gegebenenfalls zusätzliche Ventile 47, 48 (siehe auch die Figur 4) verschlossen werden, welche jedoch nicht zwingend notwendig hohe Anforderungen an eine Dichtigkeit besitzen. Hier können Standardklappen 47, 48 verwendet werden.
Die Figur 4 zeigt alternative Anschlussmöglichkeiten (gestrichelt) des Spülkreises 50 an die Kathodenversorgung 30. Grundsätzlich kann ein erster Fluidanschluss des Spülkreises 50 an der gesamten Strecke des Kathoden-Versorgungspfads 31 erfolgen. So kann der erste
Fluidanschluss, in Bezug auf eine herkömmliche Strömungsrichtung im Kathoden- Versorgungspfad 31 beim Normalbetrieb der Brennstoffzelle 10, zum Beispiel stromaufwärts des Luftfilters 42, stromaufwärts des Kathodenverdichters 33, stromaufwärts oder stromabwärts eines Ladeluftkühlers 41 , am/im Wastegate 37 (versorgungspfadseitig vor dem Stellmittel 38) oder stromabwärts des Feuchteübertragers 39 beziehungsweise des versorgungspfadseitigen Feuchteübertrager- Bypasses 40 erfolgen.
Grundsätzlich kann ein zweiter Fluidanschluss des Spülkreises 50 an der gesamten Strecke des Kathoden-Abgaspfads 32 erfolgen. So kann der zweite Fluidanschluss, in Bezug auf eine herkömmliche Strömungsrichtung im Kathoden-Abgaspfad 32 beim Normalbetrieb der
Brennstoffzelle 10, stromaufwärts oder stromabwärts des Feuchteübertragers 39
beziehungsweise eines abgaspfadseitigen Feuchteübertrager-Bypasses (nicht dargestellt), am/im Wastegate 37 (abgaspfadseitig vor dem Stellmittel 38), oder stromaufwärts oder stromabwärts der Kathodenturbine 36 erfolgen. Ferner kann ein Stellmittel (vergleiche Figur 4) am/im Spülkreis 50 vorgesehen sein. Gemäß der Erfindung können sowohl der Gehäuselüfter 53 als auch der Kathodenverdichter 33 als Rezirkulation-Fluiddruckerzeuger 53, 33 für die Kathoden-Rezirkulation verwendet werden. Bevorzugt ist es, den Gehäuselüfter 53 zu verwenden, da dieser energetisch günstiger zu betreiben ist (siehe oben). Die Figur 5 zeigt eine Kathoden-Rezirkulation mittels des
Kathodenverdichters 33 als Rezirkulation-Fluiddruckerzeuger 33, wobei hier die Kathoden- Rezirkulation in einer zur Kathoden-Rezirkulation mittels des Gehäuselüfters 53 umgekehrten Reihenfolge erfolgt. Das heißt, dass ausgehend vom Kathodenverdichter 33 zunächst der Kathoden-Versorgungspfad 31 (abschnittsweise), die Kathodenräume 13 der Brennstoffzelle 10, der Kathoden-Abgaspfad 32, ein erster Abschnitt des Spülkreises 50, das Stapelgehäuse 16, ein zweiter Abschnitt des Spülkreises 50 und wieder der Kathoden-Versorgungspfad 31 (abschnittsweise) bis zum Kathodenverdichter 33 vom Rezirkulationsfluid 7 durchströmt werden (gestrichelte Pfeile in der Figur 5).
Auch lediglich ein Spülen des Stapelgehäuses 16 ist möglich (Funktionalität Stapelgehäuse- Spülen), wobei hierfür das Stellmittel 47 geöffnet ist. Gegebenenfalls ist das Stellmittel 48 geschlossen (nicht Ausführungsbeispiel gemäß Figur 4). Hierbei saugt der Gehäuselüfter 53 Spülluft zum Beispiel am Luftfilter 42 beziehungsweise am Luftfilterkasten 42 an, transportiert diese durch den Spülkreis 50 inklusive des Stapelgehäuses 16 in den Kathoden-Abgaspfad 32 stromaufwärts des Wasserstoffsensors 44, von wo aus die Spülluft das offene Stellmittel 47 und gegebenenfalls eine Abgaseinrichtung 43 beziehungsweise einen Schalldämpfer 43 passiert und in die Umgebung 2 austritt.
Bezugszeichenliste
Brennstoffzellensystem, Brennstoffzellenaggregat, bevorzugt für ein Fahrzeug mit einem Elektromotor, insbesondere einem Elektrotraktionsmotor
Umgebung
Betriebsmedium, Reaktant, insbesondere Anoden-Betriebsmedium, eigentlicher Brennstoff, bevorzugt Wasserstoff oder wasserstoffhaltiges Gasgemisch
Abgas inklusive flüssiges Wasser, insbesondere Anoden-Abgas
Betriebsmedium, Reaktant, insbesondere Kathoden-Betriebsmedium, bevorzugt Luft Abgas inklusive flüssiges Wasser, insbesondere Kathoden-Abgas, bevorzugt Abluft Rezirkulationsfluid: verbleibendes Fluid in der Kathodenversorgung 30 (inklusive der Kathodenräume 13) sowie des Spülkreises 50 (inklusive des Stapelgehäuses 16), Luft- Abgas-Mischung Brennstoffzelle, Brennstoffzellenstapel
Einzelzelle mit Anodenelektrode der Anode der Brennstoffzelle 10 und
Kathodenelektrode der Kathode der Brennstoffzelle 10, einzelne Brennstoffzelle Anodenraum einer Einzelzelle 1 1
Kathodenraum einer Einzelzelle 1 1
Membran-Elektroden-Einheit, mit bevorzugt Polymerelektrolyt-Membran sowie einer Anodenelektrode und einer Kathodenelektrode
Bipolarplatte, Flussfeldplatte, Separatorplatte
Stapelgehäuse der Brennstoffzelle 10 Brennstoffzellen-Versorgung, Anodenversorgung, Anodenkreislauf der Brennstoffzelle 10 beziehungsweise des Brennstoffzellenstapels 10
Pfad, Versorgungspfad, Strömungspfad, Anoden-Versorgungspfad
Pfad, Abgaspfad, Strömungspfad, Anoden-Abgaspfad
Brennstoffspeicher, Brennstofftank mit Anoden-Betriebsmedium 3
Stellmittel, regelbar, (an)steuerbar, nicht regelbar, insbesondere Ventil, Klappe, Drossel et cetera
Brennstoff-Rezirkulationsleitung Stellmittel, regelbar, (an)steuerbar, nicht regelbar, insbesondere Ventil, Klappe, Drossel et cetera Brennstoffzellen-Versorgung, Kathodenversorgung, Kathodenkreislauf der
Brennstoffzelle 10 beziehungsweise des Brennstoffzellenstapels 10
Pfad, Versorgungspfad, Strömungspfad, Kathoden-Versorgungspfad
Pfad, Abgaspfad, Strömungspfad, Kathoden-Abgaspfad
Verdichter, Kathodenverdichter, Kompressor, Turbolader
Motor, insbesondere Elektromotor oder Antrieb (gegebenenfalls inklusive Getriebe) Elektronik, insbesondere Leistungselektronik für den Motor 34
Turbine mit gegebenenfalls variabler Turbinengeometrie, Kathodenturbine,
Rezirkulations-Fluiddruckerzeuger, Expander
Wastegate, Wastegate- Leitung
Stellmittel, regelbar, (an)steuerbar, nicht regelbar, insbesondere Ventil, Klappe, Drossel et cetera
Feuchteübertrager, Befeuchter
Feuchteübertrager-Bypass
Ladeluftkühler
Luftfilter, Luftfilterkasten
Abgaseinrichtung, Schalldämpfer
Wasserstoffsensor
Absperrventil für Kathoden- Versorgungspfad 31 (Stand der Technik)
Absperrventil für Kathoden-Abgaspfad 32 (Stand der Technik)
Stellmittel, regelbar, (an)steuerbar, nicht regelbar, insbesondere Absperrventil für Kathoden-Abgaspfad 32
Stellmittel, regelbar, (an)steuerbar, nicht regelbar, insbesondere Absperrventil für Kathoden- Versorgungspfad 31 Spül-/Gehäusebelüftungskreis der Brennstoffzelle 10, Spülstrecke für Funktionalität Stapelgehäuse-Spülen
Gehäusebelüftungsstrecke (Stand der Technik)
Fluidauslass der Gehäusebelüftungsstrecke (Stand der Technik)
Gehäuselüfter, Rezirkulations-Fluiddruckerzeuger
Wasserstoffsensor (Stand der Technik)

Claims

Patentansprüche
1 . Anordnung für eine Kathoden-Rezirkulation einer Brennstoffzelle (10) eines
Brennstoffzellensystems (1 ), mit einer Kathodenversorgung (30) für die Brennstoffzelle (10), aufweisend einen Kathoden-Versorgungspfad (31 ) und einen Kathoden-Abgaspfad (32), dadurch gekennzeichnet, dass an die Kathodenversorgung (30) ein Spülkreis (50) eines Stapelgehäuses (16) der Brennstoffzelle (10) fluidmechanisch angeschlossen ist, wobei mittels eines Rezirkulations-Fluiddruckerzeugers (33, 53) in der Kathodenversorgung (30) und/oder im Spülkreis (50), ein Rezirkulationsfluid (7) in der Kathodenversorgung (30) und im Spülkreis (50) zirkulierbar ist.
2. Anordnung gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Spülkreis (50) einerseits mit dem Kathoden-Versorgungspfad (31 ) und andererseits mit dem Kathoden-Abgaspfad (32) fluidmechanisch gekoppelt ist, wobei der Spülkreis (50) bevorzugt stromaufwärts eines Kathodenverdichters (33), insbesondere an einem Luftfilter (42), an den Kathoden- Versorgungspfad (31 ) fluidmechanisch angeschlossen ist, und der Spülkreis (50) bevorzugt stromabwärts einer Kathodenturbine (36), insbesondere stromaufwärts eines
Wasserstoffsensors (44), an den Kathoden-Abgaspfad (32) fluidmechanisch angeschlossen ist.
3. Anordnung gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Rezirkulations- Fluiddruckerzeuger (33, 53) als ein Kathodenverdichter (33) am/im Kathoden- Versorgungspfad (31 ) oder als ein Gehäuselüfter (53) am/im Spülkreis (50) ausgebildet ist.
4. Anordnung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass am/im Kathoden-Abgaspfad (32) stromabwärts eines fluidmechanischen Anschlusses des Spülkreises (50) an den Kathoden-Abgaspfad (32) ein Stellmittel (47), insbesondere ein Absperrventil (47), vorgesehen ist.
5. Verfahren zur Kathoden-Rezirkulation einer Brennstoffzelle (10) eines
Brennstoffzellensystems (1 ), wobei ein Rezirkulationsfluid (7) durch einen Kathoden- Versorgungspfad (31 ), durch die Kathodenräume der Brennstoffzelle (10) und durch einen Kathoden-Abgaspfad (32) hindurchgefördert wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Rezirkulationsfluid (7) ferner durch einen Spülkreis (50) für ein Stapelgehäuse (16) der Brennstoffzelle (10) sowie das Stapelgehäuse (16) hindurchgefördert wird.
6. Verfahren gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Rezirkulationsfluid (7) mittels eines Rezirkulations-Fluiddruckerzeugers (33, 53) gefördert wird, wobei der
Rezirkulations-Fluiddruckerzeuger (33, 53) bevorzugt als ein Kathodenverdichter (33) am/im Kathoden-Versorgungspfad (31 ) und/oder bevorzugt als ein Gehäuselüfter (53) am/im Spülkreis (50) ausgebildet ist.
7. Verfahren gemäß Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass für den Fall, dass mittels des Kathodenverdichters (33) als Rezirkulations-Fluiddruckerzeuger (33, 53) das Rezirkulationsfluid (7) gefördert wird, der Gehäuselüfter (53) inaktiv geschaltet ist, oder für den Fall, dass mittels des Gehäuselüfters (53) als Rezirkulations-Fluiddruckerzeuger (33, 53) das Rezirkulationsfluid (7) gefördert wird, der Kathodenverdichter (33) inaktiv geschaltet ist.
8. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass mittels des Rezirkulations-Fluiddruckerzeugers (33, 53) das Rezirkulationsfluid (7) durch den
Kathoden-Versorgungspfad (31 ), die Kathodenräume (13) der Brennstoffzelle (10), den Kathoden-Abgaspfad (32) und den Spülkreis (50) inklusive des Stapelgehäuses (16), beziehungsweise vice versa, derart lange zirkuliert wird, bis im Wesentlichen ein gesamter Sauerstoff im Rezirkulationsfluid (7) abreagiert ist.
9. Verfahren zum Stapelgehäuse-Spülen einer Brennstoffzelle (10) eines
Brennstoffzellensystems (1 ) eines Fahrzeugs, insbesondere eines Elektrofahrzeugs, wobei mittels eines Gehäuselüfters (53) ein Spülfluid durch eine Spülstrecke (50) und ein
Stapelgehäuse (16) der Brennstoffzelle (10) hindurchgespült wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Spülfluid ferner durch einen stromabwärtigen Abschnitt eines Kathoden- Abgaspfads (32) hindurchgespült und von dort in die Umgebung (2) entlassen wird.
10. Brennstoffzellensystem (1 ) oder Fahrzeug, insbesondere Elektrofahrzeug, mit einem
Brennstoffzellensystem (1 ), dadurch gekennzeichnet, dass das Brennstoffzellensystem (1 ) eine Anordnung für eine Kathoden-Rezirkulation gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4 aufweist, durch das Brennstoffzellensystem (1 ) ein Verfahren zur Kathoden-Rezirkulation gemäß einem der Ansprüche 5 bis 8 durchführbar ist, und/oder durch das Brennstoffzellensystem (1 ) ein Verfahren zum Stapelgehäuse-Spülen gemäß Anspruch 9 durchführbar ist.
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