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DE102015200935A1 - Fuel cell system, vehicle with such and method for operating the fuel cell system and / or the vehicle - Google Patents

Fuel cell system, vehicle with such and method for operating the fuel cell system and / or the vehicle Download PDF

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DE102015200935A1
DE102015200935A1 DE102015200935.1A DE102015200935A DE102015200935A1 DE 102015200935 A1 DE102015200935 A1 DE 102015200935A1 DE 102015200935 A DE102015200935 A DE 102015200935A DE 102015200935 A1 DE102015200935 A1 DE 102015200935A1
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cathode exhaust
fuel cell
exhaust gas
path
cathode
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Georg Kruse
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Volkswagen AG
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Volkswagen AG
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem (100) umfassend eine Brennstoffzelle (10) mit einem Kathodenausgang (38) und eine Kathodenabgasanlage (32) zum Abführen eines Kathodenabgasstroms aus der Brennstoffzelle (10), wobei die Kathodenabgasanlage (32) umfasst: – einen Haupt-Kathodenabgaspfad (34) mit einem Haupt-Ausgang (35) zum Abführen des Kathodenabgasstroms in die Umgebung (36), wobei sich der Haupt-Kathodenabgaspfad (34) zwischen dem Kathodenausgang (38) der Brennstoffzelle (10) und dem Haupt-Ausgang (35) erstreckt, – einen Neben-Kathodenabgaspfad (40) mit einem Neben-Ausgang (41) zum Abführen des Kathodenabgasstroms in die Umgebung (36), wobei sich der Neben-Kathodenabgaspfad (40) zwischen einer Abzweigung (42) vom Haupt-Kathodenabgaspfad (34) und dem Neben-Ausgang (41) erstreckt, und – wenigstens ein Durchflusssteuermittel (44, 45) zum Öffnen und Schließen des Neben-Kathodenabgaspfads (40) und/oder des Haupt-Kathodenabgaspfads (34) stromab der Abzweigung (42). Ferner betrifft die Erfindung ein Fahrzeug (200) mit einem solchen Brennstoffzellensystem (100) und ein Verfahren (300) zum Betreiben des Brennstoffzellensystems (100) und/oder des Fahrzeugs (200)The invention relates to a fuel cell system (100) comprising a fuel cell (10) having a cathode output (38) and a cathode exhaust system (32) for discharging a cathode exhaust stream from the fuel cell (10), the cathode exhaust system (32) comprising: a main cathode exhaust path (34) having a main output (35) for discharging the cathode exhaust stream into the environment (36), the main cathode exhaust path (34) being between the cathode output (38) of the fuel cell (10) and the main output (35). extending, - a secondary cathode exhaust path (40) having a secondary output (41) for discharging the cathode exhaust gas into the environment (36), wherein the secondary cathode exhaust path (40) between a branch (42) from the main cathode exhaust path (34 and at least one flow control means (44, 45) for opening and closing the sub-cathode exhaust path (40) and / or the main cathode exhaust path (34) downstream of the branch (42). , Furthermore, the invention relates to a vehicle (200) with such a fuel cell system (100) and to a method (300) for operating the fuel cell system (100) and / or the vehicle (200).

Description

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem sowie ein Fahrzeug mit einem solchen Brennstoffzellensystem. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben des Brennstoffzellensystems und/oder des Fahrzeugs. The invention relates to a fuel cell system and a vehicle with such a fuel cell system. Furthermore, the invention relates to a method for operating the fuel cell system and / or the vehicle.

Brennstoffzellen nutzen die chemische Umsetzung eines Brennstoffs mit Sauerstoff zu Wasser, um elektrische Energie zu erzeugen. Hierfür enthalten Brennstoffzellen als Kernkomponente die sogenannte Membran-Elektroden-Einheit (MEA für membrane electrode assembly), die ein Gefüge aus einer ionenleitenden (meist protonenleitenden) Membran und jeweils einer beidseitig an der Membran angeordneten Elektrode (Anode und Kathode) ist. Zudem können Gasdiffusionslagen (GDL) beidseitig der Membran-Elektroden-Einheit an den der Membran abgewandten Seiten der Elektroden angeordnet sein. In der Regel wird die Brennstoffzelle durch eine Vielzahl im Stapel (stack) angeordneter MEA gebildet, deren elektrische Leistungen sich addieren. Zwischen den einzelnen Membran-Elektroden-Einheiten sind in der Regel Bipolarplatten (auch Flussfeldplatten genannt) angeordnet, welche eine Versorgung der Einzelzellen mit den Betriebsmedien, also den Reaktanten, sicherstellen und üblicherweise auch der Kühlung dienen. Zudem sorgen die Bipolarplatten für einen elektrisch leitfähigen Kontakt zu den Membran-Elektroden-Einheiten. Fuel cells use the chemical transformation of a fuel with oxygen to water to generate electrical energy. For this purpose, fuel cells contain as a core component, the so-called membrane electrode assembly (MEA for membrane electrode assembly), which is a microstructure of an ion-conducting (usually proton-conducting) membrane and in each case on both sides of the membrane arranged electrode (anode and cathode). In addition, gas diffusion layers (GDL) can be arranged on both sides of the membrane-electrode assembly on the sides of the electrodes facing away from the membrane. As a rule, the fuel cell is formed by a multiplicity of stacked MEAs whose electrical powers add up. Between the individual membrane electrode assemblies bipolar plates (also called flow field plates) are usually arranged, which ensure a supply of the individual cells with the operating media, ie the reactants, and usually also serve the cooling. In addition, the bipolar plates provide an electrically conductive contact to the membrane-electrode assemblies.

Im Betrieb der Brennstoffzelle wird der Brennstoff, insbesondere Wasserstoff H2 oder ein wasserstoffhaltiges Gasgemisch, über ein anodenseitiges offenes Flussfeld der Bipolarplatte der Anode zugeführt, wo eine elektrochemische Oxidation von H2 zu H+ unter Abgabe von Elektronen stattfindet. Über den Elektrolyten oder die Membran, welche die Reaktionsräume gasdicht voneinander trennt und elektrisch isoliert, erfolgt ein (wassergebundener oder wasserfreier) Transport der Protonen H+ aus dem Anodenraum in den Kathodenraum. Die an der Anode bereitgestellten Elektronen werden über eine elektrische Leitung der Kathode zugeleitet. Der Kathode wird über ein kathodenseitiges offenes Flussfeld der Bipolarplatte Sauerstoff oder ein sauerstoffhaltiges Gasgemisch (zum Beispiel Luft) zugeführt, sodass eine Reduktion von O2 zu O2– unter Aufnahme der Elektronen stattfindet. Gleichzeitig reagieren im Kathodenraum die Sauerstoffanionen mit den über die Membran transportierten Protonen unter Bildung von Wasser. During operation of the fuel cell, the fuel, in particular hydrogen H 2 or a hydrogen-containing gas mixture, is supplied to the anode via an anode-side open flow field of the bipolar plate, where an electrochemical oxidation of H 2 to H + takes place with emission of electrons. Via the electrolyte or the membrane, which separates the reaction spaces gas-tight from each other and electrically isolated, takes place (water-bound or anhydrous) transport of protons H + from the anode compartment in the cathode compartment. The electrons provided at the anode are supplied to the cathode via an electrical line. The cathode is supplied via a cathode-side open flow field of the bipolar plate oxygen or an oxygen-containing gas mixture (for example, air), so that a reduction of O 2 to O 2 taking place taking the electrons. At the same time, the oxygen anions in the cathode compartment react with the protons transported via the membrane to form water.

Um einen Brennstoffzellenstapel mit seinen Betriebsmedien, also den Reaktanten zu versorgen und überschüssige Reaktanten und Produktwasser abzutransportieren, weist dieser einerseits eine Anodenversorgung und andererseits eine Kathodenversorgung auf. Die Anodenversorgung umfasst einen Anodenversorgungspfad zur Zuführung eines Anodenbetriebsgases in die Anodenräume des Stapels und einen Anodenabgaspfad zur Abführung eines Anodenabgases aus den Anodenräumen. Desgleichen umfasst die Kathodenversorgung einen Kathodenversorgungspfad zur Zuführung eines Kathodenbetriebsgases in die Kathodenräume und einen Kathodenabgaspfad, welcher typischerweise als eine Kathodenabgasanlage ausgebildet ist, zur Abführung eines Kathodenabgases aus den Kathodenräumen des Brennstoffzellenstapels. In order to supply a fuel cell stack with its operating media, that is, the reactants and remove excess reactants and product water, this has, on the one hand, an anode supply and, on the other hand, a cathode supply. The anode supply includes an anode supply path for supplying an anode operating gas into the anode chambers of the stack and an anode exhaust gas path for discharging an anode exhaust gas from the anode chambers. Similarly, the cathode supply includes a cathode supply path for supplying a cathode operating gas into the cathode compartments and a cathode exhaust path, which is typically formed as a cathode exhaust system, for discharging a cathode exhaust gas from the cathode compartments of the fuel cell stack.

Bei dem Betrieb der Brennstoffzelle entsteht durch die Brennstoffzellenreaktion Wärme, weswegen der Brennstoffzellenstapel in einen Kühlkreis eingebunden ist, der die Abwärme über ein Kühlmittel abführt. Die Kühlung des Kühlmittels erfolgt beispielsweise durch einen Luftkühler, im Falle eines Fahrzeugs üblicherweise einen Fahrzeugkühler. Ferner wird die Abwärme teilweise durch die Brennstoffzellenabgase abtransportiert. In the operation of the fuel cell, heat is generated by the fuel cell reaction, which is why the fuel cell stack is integrated into a cooling circuit, which dissipates the waste heat via a coolant. The cooling of the coolant takes place for example by an air cooler, in the case of a vehicle usually a vehicle radiator. Furthermore, the waste heat is partially removed by the fuel cell exhaust gases.

Ein weiteres Problem stellt das bei der Brennstoffzellenreaktion erzeugte Produktwasser dar, welches größtenteils über das Kathodenabgas abtransportiert wird. Das Kathodenabgas weist somit einen sehr hohen Wasserdampfanateil bei relativ niedrigen Temperaturen auf. Unter kalten (Umgebungs-)Bedingungen ist ein Zufrieren der Abgasanlage zu vermeiden. Another problem is the product water generated in the fuel cell reaction, which is largely removed via the cathode exhaust gas. The cathode exhaust gas thus has a very high Wasserdampfanateil at relatively low temperatures. In cold (ambient) conditions, avoid freezing the exhaust system.

Die US 6986959 B2 beschreibt einen Betrieb eines Brennstoffzellensystems bei kalten Temperaturen. Das Brennstoffzellensystem weist eine Enthalpie-Rückgewinnungsvorrichtung (enthalpy recovery device – ERD) in einer Kathodenabgasleitung auf, um Wärme und Feuchtigkeit aus einem Prozess-Abgasstrom zu einem Reaktanten-Einlassstrom zu übertragen. Ferner ist eine Bypassleitung vorgesehen, welche stromauf des ERD von der Kathodenabgasleitung abzweigt und stromab des ERD wieder in die Kathodenabgasleitung mündet. In der Abzweigung der Bypassleitung ist ein Ventil vorgesehen. Mittels des Bypasses wird ein Abgasstrom durch den ERD in Abhängigkeit von vorbestimmten Temperaturbereichen gesteuert. Als Beispiele für Temperaturen sind eine Umgebungstemperatur, eine Kathodenaustrittstemperatur oder eine ERD-Temperatur angeführt. Wenn die Umgebungstemperatur niedrig genug ist, dass das Wasser gefriert, wird der ERD umgangen, bis günstigere Temperaturbedingungen vorherrschen. The US 6986959 B2 describes operation of a fuel cell system at cold temperatures. The fuel cell system includes an enthalpy recovery device (ERD) in a cathode exhaust line to transfer heat and moisture from a process exhaust stream to a reactant inlet stream. Furthermore, a bypass line is provided, which branches off from the cathode exhaust gas line upstream of the ERD and opens again downstream of the ERD into the cathode exhaust gas line. In the branch of the bypass line, a valve is provided. By means of the bypass, an exhaust gas flow through the ERD is controlled in dependence on predetermined temperature ranges. As examples of temperatures, an ambient temperature, a cathode exit temperature, or an ERD temperature are listed. When the ambient temperature is low enough for the water to freeze, the ERD is bypassed until more favorable temperature conditions prevail.

Überdies besteht ein Problem darin, dass nur relativ geringe Abgasgegendrücke (insbesondere bei Volllast) zulässig sind. Moreover, a problem is that only relatively low exhaust back pressures (especially at full load) are allowed.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Brennstoffzellensystem, ein Fahrzeug mit dem Brennstoffzellensystem und ein Verfahren zum Betreiben des Brennstoffzellensystems und/oder des Fahrzeugs zu definieren, welches wenigstens eines der Probleme des Standes der Technik löst. The invention is based on the object, a fuel cell system, a vehicle with the fuel cell system and a method for operating the fuel cell system and / or the Define vehicle which solves at least one of the problems of the prior art.

Diese Aufgabe wird durch ein Brennstoffzellensystem, ein Fahrzeug und ein Verfahren zum Betreiben des Brennstoffzellensystems und/oder des Fahrzeugs mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. This object is achieved by a fuel cell system, a vehicle and a method for operating the fuel cell system and / or the vehicle having the features of the independent claims.

Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem umfasst eine Brennstoffzelle mit einem Kathodenausgang und eine Kathodenabgasanlage zum Abführen eines Kathodenabgasstroms aus der Brennstoffzelle, wobei die Kathodenabgasanlage umfasst:

  • – einen Haupt-Kathodenabgaspfad mit einem Haupt-Ausgang zum Abführen des Kathodenabgasstroms in die Umgebung, wobei sich der Haupt-Kathodenabgaspfad zwischen dem Kathodenausgang der Brennstoffzelle und dem Haupt-Ausgang erstreckt,
  • – einen Neben-Kathodenabgaspfad mit einem Neben-Ausgang zum Abführen des Kathodenabgasstroms in die Umgebung, wobei sich der Neben-Kathodenabgaspfad zwischen einer Abzweigung vom Haupt-Kathodenabgaspfad und dem Neben-Ausgang erstreckt, und
  • – wenigstens ein Durchflusssteuermittel zum Öffnen und Schließen des Neben-Kathodenabgaspfads und/oder des Haupt-Kathodenabgaspfads stromab der Abzweigung.
The fuel cell system according to the invention comprises a fuel cell with a cathode output and a cathode exhaust system for discharging a cathode exhaust stream from the fuel cell, the cathode exhaust system comprising:
  • A main cathode exhaust path having a main exit for discharging the cathode exhaust stream into the environment, the main cathode exhaust path extending between the cathode exit of the fuel cell and the main exit,
  • A sub-cathode exhaust path having a sub-exit for discharging the cathode exhaust stream into the environment, the sub-cathode exhaust path extending between a branch from the main cathode exhaust path and the sub-exit, and
  • At least one flow control means for opening and closing the sub-cathode exhaust path and / or the main cathode exhaust path downstream of the branch.

Durch die Erfindung kann zum Beispiel bei einem Kaltstart bei Temperaturen unter 0 °C, bei einem bereits zugefrorenen Haupt-Kathodenabgaspfad stromab der Abzweigung oder bei einer Volllast der Brennstoffzelle das Durchflusssteuermittel den Kathodenabgasstrom teilweise oder vollständig in den Neben-Kathodenabgaspfad leiten. Der Kathodenabgasstrom verlässt daraufhin durch den Neben-Ausgang den Neben-Kathodenabgaspfad. Dazu wird der Neben-Kathodenabgaspfad zumindest teilweise oder vollständig vom Durchflusssteuermittel geöffnet, also freigegeben. By the invention, for example, in a cold start at temperatures below 0 ° C, at an already frozen main cathode exhaust path downstream of the branch or at a full load of the fuel cell, the flow control means may conduct the cathode exhaust gas partially or completely into the sub-cathode exhaust path. The cathode exhaust stream then exits the secondary cathode exhaust path through the minor exit. For this purpose, the secondary cathode exhaust gas path is at least partially or completely opened by the flow control means, so released.

Die Brennstoffzelle ist insbesondere ein Brennstoffzellenstapel, welcher mehrere Einzelzellen umfasst. Dadurch addieren sich die Leistungen der Einzelzellen. Der Kathodenausgang bezeichnet einen kathodenseitigen Ausgang aus der Brennstoffzelle, durch welchen im Betrieb der Brennstoffzelle ein Kathodenabgasstrom aus der Brennstoffzelle ausströmt. The fuel cell is in particular a fuel cell stack, which comprises a plurality of individual cells. This adds up the performance of the individual cells. The cathode output designates a cathode-side output from the fuel cell, through which a cathode exhaust gas stream flows out of the fuel cell during operation of the fuel cell.

Der Haupt-Kathodenabgaspfad erstreckt sich ausgehend vom Kathodenausgang stromab in der Kathodenabgasanlage und endet im Haupt-Ausgang, welcher einen Ausgang aus der Kathodenabgasanlage in die Umgebung (also Umgebungsluft außerhalb des Brennstoffzellensystems) darstellt. The main cathode exhaust path extends downstream from the cathode exit in the cathode exhaust system and terminates in the main exit, which is an exit from the cathode exhaust system into the environment (ie ambient air outside the fuel cell system).

Der Neben-Kathodenabgaspfad erstreckt sich ausgehend von der Abzweigung stromab in der Kathodenabgasanlage und endet im Neben-Ausgang, welcher einen weiteren Ausgang (zusätzlich zum Haupt-Ausgang) aus der Kathodenabgasanlage in die Umgebung darstellt. The sub-cathode exhaust path extends from the branch downstream in the cathode exhaust system and ends in the sub-output, which is another output (in addition to the main output) from the cathode exhaust system into the environment.

Der Haupt-Kathodenabgaspfad und der Neben-Kathodenabgaspfad sind typischerweise Kathodenabgasleitungen oder Kathodenabgaskanäle, welche jeweils Bauteile zur Beeinflussung des Kathodenabgases aufweisen können. The main cathode exhaust path and the sub-cathode exhaust path are typically cathode exhaust gas lines or cathode exhaust gas channels, which may each have components for influencing the cathode exhaust gas.

Insbesondere umfasst das Brennstoffzellensystem einen Kathodenversorgungspfad zur Zuführung eines Kathodenbetriebsgases in die Brennstoffzelle. Bevorzugt ist im Kathodenversorgungspfad ein Luftfördermittel, insbesondere ein Verdichter, angeordnet, um einen Luftstrom von Umgebungsluft aus der Umgebung der Brennstoffzelle in die Brennstoffzelle zu ermöglichen. Der Verdichter ist insbesondere Teil eines Turboverdichters, mittels welchem eine Nutzung von Kathodenabgasenthalpie ermöglicht wird. In particular, the fuel cell system includes a cathode supply path for supplying a cathode working gas into the fuel cell. Preferably, in the cathode supply path, an air conveyor, in particular a compressor, arranged to allow an air flow of ambient air from the environment of the fuel cell in the fuel cell. The compressor is in particular part of a turbocompressor, by means of which a use of cathode exhaust enthalpy is made possible.

Das wenigstens eine Durchflusssteuermittel umfasst vorzugsweise eine Abgasklappe (eine Kathodenabgasklappe), welche insbesondere im Neben-Kathodenabgaspfad angeordnet ist. Das Durchflusssteuermittel kann auch als ein Mittel zum „Lenken“ des Kathodenabgasstroms bezeichnet werden. Durch Öffnen des Durchflusssteuermittels wird somit der Neben-Kathodenabgaspfad für den Kathodenabgasstrom geöffnet, also freigegeben, sodass dieser das Brennstoffzellensystem durch den Neben-Ausgang verlassen kann. Das Durchflusssteuermittel ist bevorzugt so ausgebildet, dass es in einem (unbestromten) Normalzustand den Neben-Kathodenabgaspfad verschließt (wobei der Haupt-Kathodenabgaspfad freigegeben ist). Ferner bevorzugt umfasst das Brennstoffzellensystem ein weiteres Durchflusssteuermittel, insbesondere eine weitere Abgasklappe, welche im Haupt-Kathodenabgaspfad stromab der Abzweigung abgeordnet ist. Somit kann der Haupt-Kathodenabgaspfad für den Kathodenabgasstrom gesperrt werden, sodass im Kathodenabgaspfad enthaltenes Wasser nicht im Haupt-Kathodenabgaspfad gefrieren kann. Es ist jedoch auch denkbar, dass der Haupt-Kathodenabgaspfad stromab der Abzweigung bereits zugefroren und undurchlässig für den Kathodenabgasstrom ist, sodass die weitere Abgasklappe im Haupt-Kathodenabgaspfad nicht benötigt wird. The at least one flow control means preferably comprises an exhaust flap (a cathode exhaust flap), which is arranged in particular in the secondary cathode exhaust gas path. The flow control means may also be referred to as a means for "directing" the cathode exhaust stream. Thus, by opening the flow control means, the sub-cathode exhaust path for the cathode exhaust stream is opened, ie, released, so that it can leave the fuel cell system through the sub-output. The flow control means is preferably arranged to shut off the sub-cathode exhaust gas path in a (normally energized) normal state (the main cathode exhaust gas path being released). Further preferably, the fuel cell system comprises a further flow control means, in particular a further exhaust flap, which is seconded in the main cathode exhaust gas downstream of the branch. Thus, the main cathode exhaust path for the cathode exhaust gas flow can be shut off so that water contained in the cathode exhaust gas path can not freeze in the main cathode exhaust gas path. However, it is also conceivable that the main cathode exhaust path downstream of the branch is already frozen and impermeable to the cathode exhaust stream, so that the further exhaust valve in the main cathode exhaust path is not needed.

Ferner bevorzugt ist das wenigstens eine Durchflusssteuermittel, ein Dreiwegeventil, welches innerhalb der Abzweigung angeordnet ist. Mit anderen Worten kann die Abzweigung durch das Dreiwegeventil gebildet werden. Somit kann mittels des Dreiwegeventils ein Durchfluss durch den Haupt-Kathodenabgaspfad und den Neben-Kathodenabgaspfad gesteuert werden. Further preferably, the at least one flow control means, a three-way valve, which is arranged within the branch. In other words, the branch can be formed by the three-way valve. Thus, by means of the three-way valve, a flow through the main Cathode exhaust path and the secondary cathode exhaust path can be controlled.

Vorzugsweise ist vorgesehen, dass eine Länge des Neben-Kathodenabgaspfads kürzer als eine Länge des Haupt-Kathodenabgaspfads zwischen der Abzweigung und dem Haupt-Ausgang ist. Somit ist die Gefahr, dass Wasser im Neben-Kathodenabgaspfad kondensiert und in der Folge gefriert, geringer als im längeren, stromab der Abzweigung verbleibenden Haupt-Kathodenabgaspfad. Preferably, it is contemplated that a length of the sub-cathode exhaust path is shorter than a length of the main cathode exhaust path between the branch and the main exit. Thus, the risk of water condensing in the sub-cathode exhaust path and subsequently freezing is less than in the longer main cathode exhaust path remaining downstream of the branch.

Bevorzugt ist vorgesehen, dass eine Länge des Neben-Kathodenabgaspfads kürzer als 500 mm, bevorzugt kürzer als 300 mm, insbesondere kürzer als 200 mm ist. Je kürzer der Neben-Kathodenabgaspfad ist, umso geringer ist das Risiko, dass Vereisungen im Neben-Kathodenabgaspfad auftreten. It is preferably provided that a length of the secondary cathode exhaust gas path is shorter than 500 mm, preferably shorter than 300 mm, in particular shorter than 200 mm. The shorter the sub-cathode exhaust path, the less the risk of icing in the sub-cathode exhaust path.

Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass die Länge des Neben-Kathodenabgaspfads höchstens 30 %, insbesondere höchstens 20 %, vorzugsweise höchstens 15 % einer Länge des Haupt-Kathodenabgaspfads zwischen der Abzweigung und dem Haupt-Ausgang (also stromab der Abzweigung) beträgt. Je geringer der Prozentsatz, umso größer ist der Nutzen durch den Neben-Kathodenabgaspfad. It is particularly preferred that the length of the secondary cathode exhaust gas path is at most 30%, in particular at most 20%, preferably at most 15% of a length of the main cathode exhaust gas path between the branch and the main outlet (ie downstream of the branch). The lower the percentage, the greater the benefit from the sub-cathode exhaust path.

Vorzugsweise ist vorgesehen, dass das Brennstoffzellensystem im Haupt-Kathodenabgaspfad einen Feuchteübertrager und/oder eine Turbine eines Turboverdichters aufweist, wobei die Abzweigung stromab des Feuchteübertragers und/oder stromab der Turbine angeordnet ist. Dadurch ist eine korrekte Funktionsweise des Feuchteübertragers und des Turboverdichters selbst bei geöffnetem Neben-Kathodenabgaspfad gewährleistet. It is preferably provided that the fuel cell system has a moisture transmitter and / or a turbine of a turbocompressor in the main cathode exhaust gas path, the branch being arranged downstream of the moisture transmitter and / or downstream of the turbine. This ensures correct functioning of the moisture transmitter and the turbocompressor even when the secondary cathode exhaust gas path is open.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass zwischen der Turbine und dem Nebenausgang, insbesondere zwischen der Turbine und der Abzweigung ein Schalldämpfer angeordnet ist, welcher dazu ausgebildet ist, Geräusche des Turboverdichters aus dem Kathodenabgasstrom herauszufiltern. Dadurch ist der Schalldämpfer dazu ausgebildet, relativ hohe Frequenzen des Luftfördermittels, insbesondere eines Turboverdichters, aus dem Kathodenabgasstrom herauszufiltern. According to a preferred embodiment of the invention it is provided that between the turbine and the secondary output, in particular between the turbine and the branch, a muffler is arranged, which is adapted to filter out noise of the turbo-compressor from the cathode exhaust gas stream. As a result, the muffler is designed to filter out relatively high frequencies of the air conveying means, in particular of a turbocompressor, from the cathode exhaust gas stream.

Bevorzugt ist vorgesehen, dass der Neben-Kathodenabgaspfad nach unten führt. Somit ist gewährleistet, dass kondensiertes Produktwasser aus dem Kathodenabgas nach unten abfließen kann. Die räumliche Orientierung eines Brennstoffzellensystems ist beispielsweise anhand von vorzugsweise vorgesehenen Wasserabscheidern leicht festzustellen. It is preferably provided that the secondary cathode exhaust gas path leads downwards. This ensures that condensed product water can flow down from the cathode exhaust gas. The spatial orientation of a fuel cell system can be easily determined, for example, by means of preferably provided water separators.

Ferner wird ein Fahrzeug, mit einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem zur Verfügung gestellt. Das Brennstoffzellensystem dient insbesondere zur Bereitstellung einer elektrischen Energie zum Antrieb des Fahrzeugs. Furthermore, a vehicle is provided with a fuel cell system according to the invention. The fuel cell system is used in particular for providing an electrical energy for driving the vehicle.

Das erfindungsgemäße Fahrzeug zeichnet sich wie auch die Brennstoffzelle durch einen zuverlässigeren Betrieb auch bei Temperaturen unter 0 °C oder Volllast aus. The vehicle according to the invention, like the fuel cell, is distinguished by more reliable operation even at temperatures below 0 ° C. or full load.

Bevorzugt ist vorgesehen, dass die Brennstoffzelle in einem Vorderwagen des Fahrzeugs angeordnet ist. Der Vorderwagen bezeichnet einen Teil des Fahrzeugs welcher in Fahrtrichtung vor einer Fahrgastzelle des Fahrzeugs angeordnet ist. Ferner bevorzugt ist vorgesehen, dass der Neben-Ausgang in dem Vorderwagen des Fahrzeugs angeordnet. Insbesondere ist der Neben-Kathodenabgaspfad in dem Vorderwagen angeordnet. Dadurch kann eine Länge der Kathodenabgasanlage zwischen dem Kathodenausgang der Brennstoffzelle und dem Neben-Ausgang so gering wie möglich gehalten werden. It is preferably provided that the fuel cell is arranged in a front end of the vehicle. The front vehicle refers to a part of the vehicle which is arranged in front of a passenger compartment of the vehicle in the direction of travel. Further preferably, it is provided that the secondary output is arranged in the front of the vehicle. In particular, the sub-cathode exhaust path is arranged in the front carriage. As a result, a length of the cathode exhaust system between the cathode output of the fuel cell and the secondary output can be kept as low as possible.

Der Haupt-Ausgang befindet sich bevorzugt in einem Heckbereich des Fahrzeugs. Dadurch steht dem Haupt-Kathodenabgaspfad genügend Länge für notwendige Komponenten zur Beeinflussung des Kathodenabgasstroms zur Verfügung. The main exit is preferably located in a rear area of the vehicle. This provides the main cathode exhaust path with sufficient length for necessary components to affect the cathode exhaust stream.

Vorzugsweise ist der Neben-Ausgang in einem Unterboden des Fahrzeugs angeordnet, wodurch kondensiertes Produktwasser abfließen kann. Preferably, the secondary output is disposed in an underbody of the vehicle, whereby condensed product water can flow away.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Betreiben eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems und/oder eines erfindungsgemäßen Fahrzeugs zur Verfügung gestellt, wobei das Verfahren einen Schritt des Leitens des Kathodenabgasstroms in den Haupt-Kathodenabgaspfad stromab der Abzweigung und/oder den Neben-Kathodenabgaspfad mittels des Durchflusssteuermittels umfasst, wobei das Leiten in Abhängigkeit

  • – wenigstens eines Umgebungsparameters und/oder
  • – wenigstens eines Betriebsparameters des Brennstoffzellensystems
erfolgt. According to another aspect of the invention, there is provided a method of operating a fuel cell system and / or vehicle according to the invention, the method comprising a step of directing the cathode exhaust stream into the main cathode exhaust path downstream of the branch and / or the sub-cathode exhaust path by means of the Flow control means, wherein the routing in dependence
  • At least one environmental parameter and / or
  • - At least one operating parameter of the fuel cell system
he follows.

Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens kann in Abhängigkeit von den Umgebungs- und/oder Betriebsparametern der Kathodenabgasstrom in den Haupt-Kathodenabgaspfad stromab der Abzweigung und/oder in den Neben-Kathodenabgaspfad geleitet (gelenkt) werden, sodass zum Beispiel ein Zufrieren der Kathodenabgasanlage verhindert oder bei einem bereits zugefrorenen Haupt-Kathodenabgaspfad stromab der Abzweigung dieser umgangen werden kann. Ferner kann sichergestellt werden, dass ein Abgasgegendruck in der Kathodenabgasanlage nicht unzulässig hoch wird. Der wenigstens eine Umgebungsparameter (also ein Parameter der Umgebung des Brennstoffzellensystems) und/oder der wenigstens eine Betriebsparameter (also ein Parameter des Betriebs des Brennstoffzellensystems) dienen insbesondere dazu, ein Zufrieren des Haupt-Kathodenabgaspfads stromab der Abzweigung vorherzusagen oder einen bereits zugefrorenen Haupt-Kathodenabgaspfad stromab der Abzweigung festzustellen, um auf zu erwartende oder bereits vorhandene Verengungen des Haupt-Kathodenabgaspfads reagieren zu können. Das Leiten des Kathodenabgasstroms erfolgt durch Öffnen und Schließen des Neben-Kathodenabgaspfads und/oder des Haupt-Kathodenabgaspfads stromab der Abzweigung mittels des Durchflusssteuermittels. By means of the method according to the invention, depending on the ambient and / or operating parameters, the cathode exhaust gas stream can be directed (steered) into the main cathode exhaust gas path downstream of the branch and / or into the subordinate cathode exhaust gas path, thus preventing the cathode exhaust system from freezing or at one already frozen main cathode exhaust gas downstream of the branch of this can be bypassed. Furthermore, it can be ensured that an exhaust back pressure in the cathode exhaust system not become unacceptably high. The at least one environmental parameter (that is, a parameter of the environment of the fuel cell system) and / or the at least one operating parameter (ie, a parameter of operation of the fuel cell system) are particularly useful for predicting freezing of the main cathode exhaust path downstream of the branch or an already-frozen main cathode exhaust path Detect downstream of the branch to respond to expected or existing constrictions of the main cathode exhaust gas path can. The conduction of the cathode exhaust stream is accomplished by opening and closing the sub-cathode exhaust path and / or the main cathode exhaust path downstream of the branch by means of the flow control means.

Vorzugsweise ist vorgesehen, dass der wenigstens eine Umgebungsparameter und/oder der wenigstens eine Betriebsparameter wenigstens eine Temperatur umfasst. Somit wird in Abhängigkeit der wenigstens einen Temperatur der Kathodenabgasstrom in den Neben-Kathodenabgaspfad gelenkt. Der wenigstens eine Betriebsparameter umfasst insbesondere eine Temperatur des Kathodenabgasstroms oder eine Temperatur des Haupt-Kathodenabgaspfads. Die Temperatur des Haupt-Kathodenabgaspfads ist insbesondere eine Temperatur des Haupt-Kathodenabgaspfads stromab der Abzweigung, wodurch eine genauere Bestimmung einer Gefährdung durch Einfrieren ermöglicht wird. Der wenigstens eine Umgebungsparameter umfasst insbesondere eine Umgebungstemperatur. Dies sind Temperaturen, mittels welcher auf ein Zufrieren der Kathodenabgasanlage geschlossen werden kann. Die Temperatur kann ferner bevorzugt auch eine Differenztemperatur sein, welche zum Beispiel aus der Temperatur des Kathodenabgasstroms und der Temperatur des Haupt-Kathodenabgaspfads gebildet wird. Somit kann bestimmt werden, ob ein Gefrieren von Produktwasser zu erwarten ist. It is preferably provided that the at least one environmental parameter and / or the at least one operating parameter comprises at least one temperature. Thus, depending on the at least one temperature, the cathode exhaust stream is directed into the sub-cathode exhaust path. In particular, the at least one operating parameter includes a temperature of the cathode exhaust stream or a temperature of the main cathode exhaust path. Specifically, the temperature of the main cathode exhaust path is a temperature of the main cathode exhaust path downstream of the branch, thereby enabling a more accurate determination of a risk of freezing. The at least one environmental parameter comprises in particular an ambient temperature. These are temperatures by means of which it is possible to conclude that the cathode waste gas system is being frozen. The temperature may further preferably also be a differential temperature formed of, for example, the temperature of the cathode exhaust gas stream and the temperature of the main cathode exhaust gas path. Thus it can be determined whether a freezing of product water is to be expected.

Bevorzugt ist vorgesehen, dass das Leiten des Kathodenabgasstroms derart erfolgt, dass der Kathodenabgasstrom wenigstens teilweise, insbesondere vollständig, in den Neben-Kathodenabgaspfad geleitet wird, wenn die wenigstens eine Temperatur einen vorbestimmten Grenzwert der Temperatur unterschreitet. Somit kann zum Beispiel beim Unterschreiten einer Temperatur oder erst beim Unterschreiten aller Temperaturen der Kathodenabgasstrom durch den Neben-Kathodenabgaspfad in die Umgebung geleitet werden. Dadurch wird sichergestellt, dass der Kathodenabgasstrom durch den Neben-Kathodenabgaspfad gelenkt wird, sobald die Gefahr eines Einfrierens durch niedrige Temperaturen besteht. It is preferably provided that the conduction of the cathode exhaust gas flow is such that the cathode exhaust gas flow is at least partially, in particular completely, conducted into the secondary cathode exhaust gas path when the at least one temperature falls below a predetermined limit value of the temperature. Thus, for example, when falling below a temperature or only when falling below all temperatures of the cathode exhaust gas flow through the secondary cathode exhaust gas path are conducted into the environment. This ensures that the cathode exhaust stream is directed through the sub-cathode exhaust path as soon as there is a risk of freezing by low temperatures.

Bevorzugt ist vorgesehen, dass der wenigstens eine Betriebsparameter wenigstens einen Druck im Brennstoffzellensystem umfasst. Somit wird in Abhängigkeit des wenigstens einen Drucks im Brennstoffzellensystem der Kathodenabgasstrom in den Neben-Kathodenabgaspfad gelenkt. Der Druck im Brennstoffzellensystem ist insbesondere ein Druck in der Kathodenabgasanlage, bevorzugt ein Druck in dem Haupt-Kathodenabgaspfad. Dadurch kann ein vereister Haupt-Kathodenabgaspfad oder ein zu hoher Druck bei einem Volllastbetrieb der Brennstoffzelle festgestellt werden. Der Druck kann ferner ein Differenzdruck von Drücken, zum Beispiel stromauf und stromab einer Komponente, des Haupt-Kathodenabgaspfads sein. Somit kann auch festgestellt werden, welche Komponente zugeeist ist. It is preferably provided that the at least one operating parameter comprises at least one pressure in the fuel cell system. Thus, depending on the at least one pressure in the fuel cell system, the cathode exhaust gas flow is directed into the sub-cathode exhaust gas path. The pressure in the fuel cell system is in particular a pressure in the cathode exhaust gas system, preferably a pressure in the main cathode exhaust gas path. Thereby, an iced main cathode exhaust path or too high pressure at a full load operation of the fuel cell can be detected. The pressure may also be a differential pressure of pressures, for example, upstream and downstream of a component, of the main cathode exhaust path. Thus it can also be determined which component has been received.

Ferner bevorzugt ist vorgesehen, dass das Leiten des Kathodenabgasstroms derart erfolgt, dass der Kathodenabgasstrom wenigstens teilweise, insbesondere vollständig, in den Neben-Kathodenabgaspfad geleitet wird, wenn der wenigstens eine Druck einen vorbestimmten Grenzwert des Drucks überschreitet. Dies stellt eine einfache Ausgestaltung dar, das Durchflusssteuermittel bei zu hohen Drücken (oder Differenzdrücken) zu steuern. Further preferably, it is provided that the conduction of the cathode exhaust gas flow is such that the cathode exhaust gas flow is at least partially, in particular completely, conducted into the sub-cathode exhaust gas path when the at least one pressure exceeds a predetermined limit value of the pressure. This is a simple design to control the flow control means at too high pressures (or differential pressures).

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der wenigstens eine Betriebsparameter eine Last der Brennstoffzelle umfasst. Die Last stellt einen weiteren Betriebsparameter dar, um auf einen zu hohen Abgasgegendruck in der Kathodenabgasanlage zu schließen. According to a preferred embodiment of the invention, it is provided that the at least one operating parameter comprises a load of the fuel cell. The load represents another operating parameter in order to conclude that the exhaust gas backpressure in the cathode exhaust system is too high.

Vorzugsweise erfolgt das Leiten des Kathodenabgasstroms derart, dass der Kathodenabgasstrom wenigstens teilweise, insbesondere vollständig in den Neben-Kathodenabgaspfad geleitet wird, wenn die Last der Brennstoffzelle einen vorbestimmten Grenzwert der Last überschreitet. Somit kann zum Beispiel vorgesehen werden, dass bei einer Last, welche insbesondere größer als 90 % einer Volllast ist, bevorzugt bei Volllast, das Durchflusssteuermittel den Neben-Kathodenabgaspfad freigibt. Somit werden ein Abgas-Gegendruck und somit Verluste durch die Kathodenabgasanlage reduziert. Preferably, the conduction of the cathode exhaust stream is such that the cathode exhaust stream is at least partially, in particular, completely directed into the sub-cathode exhaust path when the load of the fuel cell exceeds a predetermined threshold value of the load. Thus, for example, it may be provided that at a load which is in particular greater than 90% of a full load, preferably at full load, the flow control means releases the secondary cathode exhaust path. Thus, an exhaust back pressure and thus losses are reduced by the cathode exhaust system.

Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen. Further preferred embodiments of the invention will become apparent from the remaining, mentioned in the dependent claims characteristics.

Die verschiedenen in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar. The various embodiments of the invention mentioned in this application are, unless otherwise stated in the individual case, advantageously combinable with each other.

Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen: The invention will be explained below in embodiments with reference to the accompanying drawings. Show it:

1 ein Blockschaltbild eines Brennstoffzellensystems gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung; 1 a block diagram of a fuel cell system according to an embodiment of the invention;

2 ein Fahrzeug mit dem Brennstoffzellensystem gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung; 2 a vehicle with the fuel cell system according to an embodiment of the invention;

3 einen schematischen Ablauf eines Verfahrens zum Betreiben des Brennstoffzellensystems oder des Fahrzeugs gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung; und 3 a schematic flow of a method for operating the fuel cell system or the vehicle according to an embodiment of the invention; and

4 ein Durchflusssteuermittel des Brennstoffzellensystems gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung. 4 a flow control means of the fuel cell system according to an embodiment of the invention.

1 zeigt ein insgesamt mit 100 bezeichnetes Brennstoffzellensystem gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung. 1 shows a total of 100 designated fuel cell system according to a preferred embodiment of the invention.

Das Brennstoffzellensystem 100 umfasst als Kernkomponente eine Brennstoffzelle 10, welche eine Vielzahl von in Stapelform angeordneten Einzelzellen 11 aufweist, von denen jede jeweils einen Anodenraum 12 sowie einen Kathodenraum 13 umfasst, welche von einer ionenleitfähigen Membran 14 (eine Polymerelektrolytmembran) voneinander getrennt sind (siehe Detailausschnitt). Somit kann die Brennstoffzelle 10 auch als ein Brennstoffzellenstapel bezeichnet werden. Der Anoden- und Kathodenraum 12, 13 umfasst jeweils eine katalytische Elektrode, die Anode beziehungsweise die Kathode (nicht dargestellt), welche die jeweilige Teilreaktion der Brennstoffzellenumsetzung katalysiert. Zwischen zwei solchen Membran-Elektroden-Einheiten ist ferner jeweils eine Bipolarplatte angeordnet (ebenfalls nicht dargestellt), welche der Zuführung der Betriebsmedien in die Anoden- und Kathodenräume 12, 13 dient und ferner die elektrische Verbindung zwischen den Einzelzellen 11 herstellt. The fuel cell system 100 comprises as a core component a fuel cell 10 comprising a plurality of stacked individual cells 11 each of which has an anode space 12 and a cathode compartment 13 which comprises of an ion-conductive membrane 14 (a polymer electrolyte membrane) are separated from each other (see detail). Thus, the fuel cell 10 also referred to as a fuel cell stack. The anode and cathode compartment 12 . 13 each comprises a catalytic electrode, the anode or the cathode (not shown), which catalyzes the respective partial reaction of the fuel cell reaction. Between two such membrane-electrode assemblies, a bipolar plate is further arranged in each case (also not shown), which supplies the operating media into the anode and cathode chambers 12 . 13 serves and also the electrical connection between the individual cells 11 manufactures.

Um den Brennstoffzellenstapel 10 mit den Betriebsmedien zu versorgen, weist das Brennstoffzellensystem 100 einerseits eine Anodenversorgung 20 und andererseits eine Kathodenversorgung 30 auf. To the fuel cell stack 10 to supply with the operating media, the fuel cell system 100 on the one hand, an anode supply 20 and on the other hand, a cathode supply 30 on.

Die Anodenversorgung 20 umfasst einen Anodenversorgungspfad 21, welcher der Zuführung eines Anodenbetriebsgases (dem Brennstoff), beispielsweise Wasserstoff, in die Anodenräume 12 des Brennstoffzellenstapels 10 dient. Zu diesem Zweck verbindet der Anodenversorgungspfad 21 einen Brennstoffspeicher 23 mit einem Anodeneinlass der Brennstoffzelle 10. Die Anodenversorgung 20 umfasst ferner einen Anodenabgaspfad 22, der ein Anodenabgas aus den Anodenräumen 12 über einen Anodenauslass des Brennstoffzellenstapels 10 abführt. Darüber hinaus kann die Anodenversorgung 20 eine Brennstoffrezirkulationsleitung aufweisen (nicht dargestellt), welche den Anodenabgaspfad 22 mit dem Anodenversorgungspfad 21 verbindet. Die Rezirkulation von Brennstoff ist üblich, um den zumeist überstöchiometrisch eingesetzten Brennstoff zurückzuführen und zu nutzen. The anode supply 20 includes an anode supply path 21 which feeds an anode operating gas (the fuel), for example hydrogen, into the anode spaces 12 of the fuel cell stack 10 serves. For this purpose, the anode supply path connects 21 a fuel storage 23 with an anode inlet of the fuel cell 10 , The anode supply 20 further includes an anode exhaust path 22 containing an anode exhaust gas from the anode compartments 12 via an anode outlet of the fuel cell stack 10 dissipates. In addition, the anode supply can 20 a fuel recirculation line (not shown), which the anode exhaust path 22 with the anode supply path 21 combines. Recirculation of fuel is common in order to recycle and utilize the fuel, which is mostly used in excess of stoichiometry.

Die Kathodenversorgung 30 umfasst einen Kathodenversorgungspfad 31, welcher den Kathodenräumen 13 des Brennstoffzellenstapels 10 ein sauerstoffhaltiges Kathodenbetriebsgas zuführt, insbesondere Luft. Die Kathodenversorgung 30 umfasst ferner eine Kathodenabgasanlage 32, welche ein Kathodenabgas aus den Kathodenräumen 12 des Brennstoffzellenstapels 10 abführt. The cathode supply 30 includes a cathode supply path 31 which is the cathode spaces 13 of the fuel cell stack 10 supplying an oxygen-containing cathode operating gas, in particular air. The cathode supply 30 further includes a cathode exhaust system 32 , which is a cathode exhaust gas from the cathode compartments 12 of the fuel cell stack 10 dissipates.

Die Kathodenabgasanlage 32 umfasst einen Haupt-Kathodenabgaspfad 34, welcher einen Haupt-Ausgang 35 aufweist und über diesen in die Umgebung 36 mündet. Insgesamt erstreckt sich der Haupt-Kathodenabgaspfad 34 zwischen einem Kathodenausgang 38 der Brennstoffzelle 10 und dem Haupt-Ausgang 35. The cathode exhaust system 32 includes a main cathode exhaust path 34 , which has a main exit 35 and over this into the environment 36 empties. Overall, the main cathode exhaust path extends 34 between a cathode output 38 the fuel cell 10 and the main exit 35 ,

Ferner umfasst die Kathodenabgasanlage 32 einen Neben-Kathodenabgaspfad 40, welcher einen Neben-Ausgang 41 aufweist und über diesen in die Umgebung 36 mündet. Der Neben-Kathodenabgaspfad 40 zweigt in einer Abzweigung 42 der Kathodenabgasanlage 32 von dem Haupt-Kathodenabgaspfad 34 ab und erstreckt sich bis zum Neben-Ausgang 41. Furthermore, the cathode exhaust system includes 32 a sub-cathode exhaust path 40 which has a side exit 41 and over this into the environment 36 empties. The sub-cathode exhaust path 40 branches in a turnoff 42 the cathode exhaust system 32 from the main cathode exhaust path 34 and extends to the side exit 41 ,

Zudem weist die Kathodenabgasanlage 32 wenigstens ein Durchflusssteuermittel zum Öffnen und Schließen des Neben-Kathodenabgaspfads 40 und/oder des Haupt-Kathodenabgaspfads 34 stromab der Abzweigung 42 auf. Im dargestellten Beispiel weist die Kathodenabgasanlage ein Durchflusssteuermittel 44 im Neben-Kathodenabgaspfad 40 und ein Durchflusssteuermittel 45 im Haupt-Kathodenabgaspfad 34 stromab der Abzweigung 42 auf. Die Durchflusssteuermittel 44, 45 können Abgasklappen sein. Das Durchflusssteuermittel 44 kann dabei eine „Normally-Closed-Stellung“ aufweisen, das heißt, dass die Abgasklappe ohne aktive Betätigung zum Beispiel durch eine Feder geschlossen gehalten wird. Mittels des Durchflusssteuermittels 45 kann das Leiten des Kathodenabgasstroms somit durch ein Anstauen des Kathodenabgasstroms in jenem Teil der Kathodenabgasanlage 32 stromab der Abzweigung 42 erfolgen, in welchen der Kathodenabgasstrom nicht oder nur teilweise strömen soll. In addition, the cathode exhaust system has 32 at least one flow control means for opening and closing the sub-cathode exhaust path 40 and / or the main cathode exhaust path 34 downstream of the junction 42 on. In the example shown, the cathode exhaust system has a flow control means 44 in the sub-cathode exhaust path 40 and a flow control means 45 in the main cathode exhaust path 34 downstream of the junction 42 on. The flow control means 44 . 45 may be exhaust flaps. The flow control means 44 can have a "normal closed position", that is, the exhaust valve is kept closed without active operation, for example by a spring. By means of the flow control means 45 Thus, the cathode exhaust gas stream may be conducted by accumulating the cathode exhaust stream in that part of the cathode exhaust system 32 downstream of the junction 42 take place, in which the cathode exhaust gas flow is not or only partially flow.

Eine Abgasklappe eines Durchflusssteuermittels 44 wie sie im Neben-Kathodenabgaspfad 40 angeordnet sein kann (eine Abgasbypassklappe), ist in 4 dargestellt. Die Abgasklappe weist ein Gehäuse 46 auf, welches einen Teil des Neben-Kathodenabgaspfads 40 bildet. Ferner weist sie ein Klappenelement 48 auf, welches zum Verschließen des Gehäuses 46 dient. Zur Betätigung der Klappe 48 umfasst die Abgasklappe ferner einen Aktor 49. An exhaust valve of a flow control means 44 as in the secondary cathode exhaust path 40 can be arranged (an exhaust gas bypass valve), is in 4 shown. The exhaust flap has a housing 46 which forms part of the sub-cathode exhaust path 40 forms. Furthermore, it has a flap element 48 on which to close the housing 46 serves. To operate the flap 48 The exhaust flap further comprises an actuator 49 ,

In 1 ist ersichtlich, dass eine Länge des Neben-Kathodenabgaspfads 40 deutlich kürzer als eine Länge des Haupt-Kathodenabgaspfads 34 stromab der Abzweigung 42 ist. Eine Länge des Neben-Kathodenabgaspfads 40 beträgt zum Beispiel lediglich 200 mm, während eine Länge des Haupt-Kathodenabgaspfads 34 stromab der Abzweigung 42 2000 mm betragen kann. In 1 It can be seen that a length of the sub-cathode exhaust gas path 40 significantly shorter than a length of the main cathode exhaust path 34 downstream of the junction 42 is. A length of the sub-cathode exhaust path 40 is, for example, only 200 mm while a length of the main cathode exhaust path 34 downstream of the junction 42 2000 mm can be.

Zur Förderung und Verdichtung des Kathodenbetriebsgases ist in dem Kathodenversorgungspfad 31 ein Verdichter 50 angeordnet, der insbesondere ein elektrischer Turbolader (ETC) ist, der durch einen Elektromotor 51 betrieben wird. Optional kann, wie hier dargestellt, der Verdichter 50 durch eine Turbine 52 unterstützt angetrieben werden, welche in dem Haupt-Kathodenabgaspfad 34 stromauf der Abzweigung 42 angeordnet ist. Dabei sind der Verdichter 50 und die Turbine 52 über eine gemeinsame Welle miteinander verbunden. Somit kann der Verdichter 50 auch als ein Turboverdichter 53 bezeichnet werden. For conveying and compressing the cathode operating gas is in the cathode supply path 31 a compressor 50 arranged, which is in particular an electric turbocharger (ETC), by an electric motor 51 is operated. Optionally, as shown here, the compressor 50 through a turbine 52 can be driven, which in the main cathode exhaust path 34 upstream of the junction 42 is arranged. Here are the compressor 50 and the turbine 52 connected by a common wave. Thus, the compressor 50 also as a turbo compressor 53 be designated.

Weiterhin weist die Kathodenversorgung 30 einen Befeuchter 54 auf, der eine Befeuchtung des Kathodenbetriebsgases bewirkt. Dabei werden das zu befeuchtende Kathodenbetriebsgas sowie das feuchtere Kathodenabgas beidseitig über eine wasserdampfpermeable Membran geführt, sodass der Wasserdampf aus dem feuchten Kathodenabgas über die Membran in das trockene Kathodenbetriebsgas diffundiert und dieses befeuchtet. Der Befeuchter 54 ist einerseits im Kathodenversorgungspfad 31 zwischen Verdichter 50 und dem Kathodeneingang und andererseits im Haupt-Kathodenabgaspfad 34 zwischen dem Kathodenausgang 38 und der Turbine 52 angeordnet. Furthermore, the cathode supply 30 a humidifier 54 which causes humidification of the cathode operating gas. The humidified cathode operating gas and the humid cathode exhaust gas are conducted on both sides via a water-vapor permeable membrane, so that the water vapor from the moist cathode exhaust gas diffuses across the membrane into the dry cathode operating gas and moisten it. The humidifier 54 is on the one hand in the cathode supply path 31 between compressors 50 and the cathode input and, on the other hand, the main cathode exhaust path 34 between the cathode output 38 and the turbine 52 arranged.

Ferner kann die Kathodenabgasanlage 32 einen Schalldämpfer 56 (ein Vorschalldämpfer 56), zum Herausfiltern von hohen Frequenzen des Turboverdichters 53 aufweisen. Der Schalldämpfer 56 ist stromauf des im Neben-Kathodenabgaspfad 40 angeordneten Durchflusssteuermittels 44 angeordnet. Im gezeigten Beispiel ist der Schalldämpfer stromauf der Abzweigung 42 angeordnet, sodass er eine Schalldämpfung des Kathodenabgasstroms unabhängig davon bewirkt, durch welchen der Ausgänge 35, 41 der Kathodenabgasstrom die Kathodenabgasanlage 32 verlässt. Furthermore, the cathode exhaust system 32 a silencer 56 (a pre-silencer 56 ), to filter out high frequencies of the turbo-compressor 53 exhibit. The silencer 56 is upstream of the secondary cathode exhaust path 40 arranged flow control means 44 arranged. In the example shown, the silencer is upstream of the branch 42 arranged so that it causes a sound attenuation of the cathode exhaust gas flow, regardless of which of the outputs 35 . 41 the cathode exhaust stream is the cathode exhaust system 32 leaves.

Zudem kann die Kathodenabgasanlage 32 noch einen weiteren Schalldämpfer 58 (einen Endschalldämpfer 58) aufweisen. Der Schalldämpfer 58 ist zwischen der Abzweigung 42 und dem Haupt-Ausgang 35 im Haupt-Kathodenabgaspfad 34 angeordnet. In addition, the cathode exhaust system 32 another silencer 58 (a rear silencer 58 ) exhibit. The silencer 58 is between the turnoff 42 and the main exit 35 in the main cathode exhaust path 34 arranged.

Verschiedene weitere Einzelheiten der Anoden- und Kathodenversorgung 20, 30 sind in der vereinfachten 1 aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht gezeigt. So kann eine Wastegate-Leitung vorhanden sein, welche die Kathodenversorgungsleitung 31 mit der Kathodenabgasanlage 32, insbesondere mit dem Haupt-Kathodenabgaspfad 34 zwischen dem Befeuchter 54, und der Turbine 52 verbindet. Ferner kann in dem Anodenabgaspfad 22 und/oder der Kathodenabgasanlage 32 ein Wasserabscheider verbaut sein, um das aus der Brennstoffzellenreaktion entstehende Produktwasser zu kondensieren und abzuleiten. Zudem kann das Brennstoffzellensystem 100 ein Kühlsystem zur Kühlung der Brennstoffzelle 10 umfassen. Schließlich kann die Anodenabgasleitung 26 in die Kathodenabgasanlage 32 münden, sodass das Anodenabgas und das Kathodenabgas über die Kathodenabgasanlage 32 abgeführt werden. Various other details of the anode and cathode supply 20 . 30 are in the simplified 1 not shown for reasons of clarity. Thus, a wastegate line may be present, which is the cathode supply line 31 with the cathode exhaust system 32 , in particular with the main cathode exhaust path 34 between the humidifier 54 , and the turbine 52 combines. Further, in the anode exhaust path 22 and / or the cathode exhaust system 32 a water separator may be installed to condense and drain the product water resulting from the fuel cell reaction. In addition, the fuel cell system 100 a cooling system for cooling the fuel cell 10 include. Finally, the anode exhaust gas line 26 in the cathode exhaust system 32 lead, so that the anode exhaust gas and the cathode exhaust gas through the cathode exhaust system 32 be dissipated.

2 zeigt ein Fahrzeug 200 gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung, welches ein Brennstoffzellensystem 100 gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung (zum Beispiel das aus 1 bekannte Brennstoffzellensystem 100) umfasst. Das Fahrzeug 200 ist insbesondere ein Elektrofahrzeug, das einen Elektrotraktionsmotor (nicht dargestellt) aufweist, der durch das Brennstoffzellensystem 100 mit elektrischer Energie versorgt wird. 2 shows a vehicle 200 According to a preferred embodiment of the invention, which is a fuel cell system 100 according to a preferred embodiment of the invention (for example, the 1 known fuel cell system 100 ). The vehicle 200 in particular, is an electric vehicle having an electric traction motor (not shown) passing through the fuel cell system 100 is supplied with electrical energy.

Die Brennstoffzelle 10, deren Position in 2 schematisch umrahmt ist, kann in einem Vorderwagen 202 des Fahrzeugs 200 angeordnet sein, dessen Erstreckung in 2 symbolisch eingezeichnet ist. Ebenfalls im Vorderwagen 202 kann der Neben-Ausgang 41 in einem Bereich eines Unterbodens 204 des Fahrzeugs 200 angeordnet sein. Der Hauptausgang 35 ist typischerweise in einem Heckbereich 206 im Bereich des Unterbodens 204 angeordnet. Der Neben-Kathodenabgaspfad 40 kann, wie in 1 angedeutet ist, geradewegs nach unten vom Haupt-Kathodenabgaspfad 34 abzweigen. Durch die weiter oben angesprochene „Normally-Closed-Stellung“ des Durchflusssteuermittels 44 im Neben-Kathodenabgaspfad 40, ist der Neben-Kathodenabgaspfad 40 normalerweise nicht mit der Außenluft im Bereich des Vorderwagens 202 verbunden. Dadurch, dass der Hauptausgang 35 im Heckbereich 206 angeordnet ist, steht der Kathodenabgasanlage 32 genügend Platz für einen Endschalldämpfer 58 zur Verfügung: Gleichzeitig wird durch den im Vorderwagen angeordneten Neben-Ausgang eine kurze Länge der Kathodenabgasanlage 32 zwischen der Brennstoffzelle 10 und dem Neben-Ausgang 41 ermöglicht. The fuel cell 10 whose position is in 2 framed schematically, can be in a front end 202 of the vehicle 200 be arranged, whose extension in 2 symbolically drawn. Also in the front 202 may be the minor output 41 in an area of a subfloor 204 of the vehicle 200 be arranged. The main exit 35 is typically in a tail area 206 in the area of the subfloor 204 arranged. The sub-cathode exhaust path 40 can, as in 1 is indicated, straight down from the main cathode exhaust path 34 branch. By the above-mentioned "normally closed position" of the flow control means 44 in the sub-cathode exhaust path 40 , is the sub-cathode exhaust path 40 usually not with the outside air in the area of the front end 202 connected. Because of the main output 35 in the rear area 206 is arranged, stands the cathode exhaust system 32 enough space for a rear silencer 58 available: At the same time is arranged by the arranged in the front side auxiliary output a short length of the cathode exhaust system 32 between the fuel cell 10 and the side exit 41 allows.

Folgend wird anhand der 3 ein Verfahren 300 gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung zum Betreiben des Brennstoffzellensystems 100 und des Fahrzeugs 200 beschrieben. The following is based on the 3 a procedure 300 According to a preferred embodiment of the invention for operating the fuel cell system 100 and the vehicle 200 described.

Bei einem Startpunkt 301 des Verfahrens 300, wird zum Beispiel auch das Brennstoffzellensystem 100 gestartet. Dabei kann es sich um einen Kaltstart handeln. At a starting point 301 of the procedure 300 , for example, becomes the fuel cell system 100 started. This can be a cold start.

Zunächst erfolgt eine Abfrage 302 bezüglich einer Temperatur TAGA (ein Betriebsparameter des Brennstoffzellensystems 100) der Kathodenabgasanlage 32. Dabei kann es sich um eine Temperatur des Haupt-Kathodenabgaspfads 34 handeln. Wenn diese kleiner als ein vorbestimmter Grenzwert TAGA_GW für die Temperatur TAGA der Kathodenabgasanlage 32 ist, kann mit einer Kondensation und Gefrieren von Produktwasser im Kathodenabgas gerechnet werden. Der Grenzwert TAGA_GW beträgt zum Beispiel 0 °C. Bei Unterschreiten des Grenzwerts TAGA_GW werden in einem Schritt 304 die Durchflusssteuermittel 44, 45 so gesteuert, dass der Kathodenabgasstrom von den Durchflusssteuermitteln 44, 45 in den Neben-Kathodenabgaspfad 40 geleitet wird und diesen über den Neben-Ausgang 44 verlässt. Somit wird ein Zueisen des Haupt-Kathodenabgaspfads stromab der Abzweigung 42 verhindert. First, a query 302 with respect to a temperature T AGA (an operating parameter of the fuel cell system 100 ) of the cathode exhaust system 32 , This may be a temperature of the main cathode exhaust path 34 act. If this is less than a predetermined limit T AGA_GW for the temperature T AGA of the cathode exhaust system 32 is, can be expected with a condensation and freezing of product water in the cathode exhaust gas. The limit T AGA_GW is for example 0 ° C. Falling below the threshold T AGA_GW are in one step 304 the flow control means 44 . 45 controlled so that the cathode exhaust gas flow from the flow control means 44 . 45 in the sub-cathode exhaust path 40 and this via the secondary output 44 leaves. Thus, a passage of the main cathode exhaust path becomes downstream of the branch 42 prevented.

Sollte der Grenzwert TAGA_GW nicht unterschritten worden sein, wird in einer Abfrage 306 überprüft, ob eine Umgebungstemperatur TU (ein Umgebungsparameter) einen vorbestimmten Grenzwert TU_GW für die Umgebungstemperatur TU unterschreitet. Die Umgebungstemperatur TU ist eine Temperatur einer das Fahrzeug 200 umgebenden Außenluft. Der vorbestimmte Grenzwert TU_GW kann beispielsweise –10 °C betragen. Sollte dies der Fall sein, kann wiederum mit einer Vereisung, beispielsweise abseits einer Temperaturentnahmestelle zur Messung der Temperatur TAGA der Kathodenabgasanlage gerechnet werden. In diesem Fall wird wiederum im Schritt 304 der Neben-Kathodenabgaspfad 40 freigegeben. If the limit value T AGA_GW has not been undershot, a query is made 306 checks whether an ambient temperature T U (an environmental parameter ) falls below a predetermined limit value T U_GW for the ambient temperature T U. The ambient temperature T U is a temperature of the vehicle 200 surrounding outside air. The predetermined limit value T U_GW may be, for example, -10 ° C. If this is the case, in turn can be calculated with an icing, for example, away from a temperature sampling point for measuring the temperature T AGA the cathode exhaust system. In this case again in step 304 the sub-cathode exhaust path 40 Approved.

Sollte der Schritt 304 nicht bereits erfolgt sein, so wird in einer Abfrage 308 überprüft, ob ein Druck pAGA im Haupt-Kathodenabgaspfad 34 größer als ein Grenzwert pAGA_GW für den Druck pAGA ist. Der Grenzwert pAGA_GW beträgt zum Beispiel 80 Millibar relativ (also über dem Druck der Umgebungsluft). Wenn dies der Fall ist, kann darauf geschlossen werden, dass stromab der Abzweigung 41 eine Vereisung vorliegt. Auch in diesem Fall wird der Schritt 304 durchgeführt, sodass der Kathodenabgasstrom die Kathodenabgasanlage 32 durch den Neben-Ausgang 41 verlässt. Dadurch, dass der Kathodenabgasstrom ab der Abzweigung 42 geradewegs nach unten geführt wird, wird es kondensiertem Produktwasser ermöglicht, aus der Kathodenabgasanlage 32 abzurinnen. Should the step 304 not already done so is in a query 308 Check if a pressure p AGA in the main cathode exhaust path 34 greater than a limit p AGA_GW for the pressure p AGA . The limit value p AGA_GW is for example 80 millibars relative (ie above the pressure of the ambient air ). If this is the case, it can be concluded that downstream of the diversion 41 there is icing. Also in this case, the step becomes 304 performed so that the cathode exhaust gas flow to the cathode exhaust system 32 through the side exit 41 leaves. Characterized in that the cathode exhaust gas stream from the branch 42 straight down, condensed product water is allowed out of the cathode exhaust system 32 abzurinnen.

Wenn auch der Grenzwert pAGA nicht überschritten wurde, wird in einer letzten Abfrage 310 _GW überprüft, ob eine Last α der Brennstoffzelle 10 oder des Brennstoffzellensystems 100 größer als ein Grenzwert αGW für die Last α ist. Der Grenzwert αGW kann zum Beispiel 90 % einer Volllast betragen. Bei einem Überschreiten des Grenzwerts αGW kann dies zu unerwünscht hohen Drücken innerhalb der Brennstoffzelle 10 führen. Auch bei einem Überschreiten des Grenzwerts αGW wird der Schritt 304 durchgeführt und das Kathodenabgas über den Neben- Kathodenabgaspfad 40 in die Umgebung 36 entlassen. Even though the limit value p AGA has not been exceeded, the last query takes place 310 _GW checks whether a load α of the fuel cell 10 or the fuel cell system 100 is greater than a threshold α GW for the load α. The limit value α GW can be, for example, 90% of a full load. If the limit value α GW is exceeded, this can lead to undesirably high pressures within the fuel cell 10 to lead. Even if the limit value α GW is exceeded, the step 304 carried out and the cathode exhaust gas via the secondary Cathode exhaust path 40 in the nearby areas 36 dismiss.

Wenn keine der Abfragen den Schritt 304 bewirkt hat, bleibt der Neben-Kathodenabgaspfad 40 gemäß einem Schritt 312 geschlossen. Anschließend kann das Verfahren 300 mit einer Wiederholung der Abfrage 302 fortgesetzt werden. If none of the queries are the step 304 has effected, the secondary cathode exhaust path remains 40 according to a step 312 closed. Subsequently, the process can 300 with a repetition of the query 302 to be continued.

Durch das Entlassen des Kathodenabgasstroms durch den Neben-Ausgang 40 wird insgesamt ein Vereisen der Kathodenabgasanlage 32 verhindert oder zumindest vermindert. Dies wird durch die relativ geringe Länge des Neben-Kathodenabgaspfads 40 verglichen mit der Länge des Haupt-Kathodenabgaspfads 34 stromab der Abzweigung 42 weiter optimiert. Durch den Neben-Kathodenabgaspfad 40 kann selbst bei einem stromab der Abzweigung 42 bereits zugefrorenen Haupt-Kathodenabgaspfad 34 die Brennstoffzelle 10 weiter betrieben werden. Dank des stromauf der Abzweigung 42 angeordneten Vorschalldämpfers 56 kann eine Geräuschemission des Verdichters 50 auf ein akzeptables Maß reduziert werden. Zudem wird bei Volllast der Brennstoffzelle 10 ein kathodenseitiger Abgasgegendruck reduziert. By discharging the cathode exhaust stream through the by-exit 40 Overall, a icing of the cathode exhaust system 32 prevented or at least reduced. This is due to the relatively short length of the sub-cathode exhaust path 40 compared with the length of the main cathode exhaust path 34 downstream of the junction 42 further optimized. Through the secondary cathode exhaust path 40 can even at a downstream of the junction 42 already frozen main cathode exhaust path 34 the fuel cell 10 continue to operate. Thanks to the upstream of the junction 42 arranged pre-silencer 56 can cause a noise emission of the compressor 50 be reduced to an acceptable level. In addition, at full load, the fuel cell 10 reduces a cathode side exhaust back pressure.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

10 10
Brennstoffzelle fuel cell
11 11
Einzelzelle single cell
12 12
Anodenraum anode chamber
13 13
Kathodenraum cathode space
14 14
Membran membrane
20 20
Anodenversorgung anode supply
21 21
Anodenversorgungspfad Anode supply path
22 22
Anodenabgaspfad Anode exhaust gas path
23 23
Brennstoffspeicher fuel storage
30 30
Kathodenversorgung cathode supply
31 31
Kathodenversorgungspfad Cathode supply path
32 32
Kathodenabgasanlage Cathode exhaust system
34 34
Haupt-Kathodenabgaspfad Main cathode exhaust path
35 35
Haupt-Ausgang Principal output
38 38
Kathodenausgang cathode output
36 36
Umgebung Surroundings
40 40
Neben-Kathodenabgaspfad Besides cathode exhaust path
41 41
Neben-Ausgang In addition to output
42 42
Abzweigung diversion
44 44
Durchflusssteuermittel Flow control means
45 45
weiteres Durchflusssteuermittel another flow control means
46 46
Gehäuse casing
48 48
Klappenelement flap element
49 49
Aktor actuator
50 50
Verdichter compressor
51 51
Elektromotor electric motor
52 52
Turbine turbine
53 53
Turboverdichter Turbo compressor
54 54
Befeuchter humidifier
56 56
Schalldämpfer / Vorschalldämpfer Silencer / front silencer
58 58
Schalldämpfer / Endschalldämpfer Silencer / rear silencer
100 100
Brennstoffzellensystem The fuel cell system
200 200
Fahrzeug vehicle
202 202
Vorderwagen front end
204 204
Unterboden underbody
206 206
Heckbereich rear area
300 300
Verfahren method
301 301
Startpunkt starting point
302 302
Abfrage bezüglich einer Temperatur der Kathodenabgasanlage Query regarding a temperature of the cathode exhaust system
304 304
Neben-Kathodenabgaspfad freigeben Release secondary cathode exhaust path
306 306
Abfrage bezüglich einer Umgebungstemperatur Inquiry regarding an ambient temperature
308 308
Abfrage bezüglich eines Drucks der Kathodenabgasanlage Inquiry regarding a pressure of the cathode exhaust system
310 310
Abfrage bezüglich einer Last der Brennstoffzelle Query regarding a load of the fuel cell
312 312
Neben-Kathodenpfad bleibt geschlossen Secondary cathode path remains closed
TU T U
Umgebungstemperatur ambient temperature
TU_GW T U_GW
Grenzwert der Umgebungstemperatur  Limit of ambient temperature
TAGA T AGA
Temperatur der Kathodenabgasanlage Temperature of the cathode exhaust system
TAGA_GW T AGA_GW
Grenzwert der Temperatur der Kathodenabgasanlage Limit value of the temperature of the cathode exhaust system
pAGA p AGA
Druck in der Kathodenabgasanlage Pressure in the cathode exhaust system
pAGA_GW p AGA_GW
Grenzwert des Drucks in der Kathodenabgasanlage  Threshold of the pressure in the cathode exhaust system
αα
Last  load
αGW α GW
Grenzwert der Last Limit value of the load

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • US 6986959 B2 [0007] US 6986959 B2 [0007]

Claims (10)

Brennstoffzellensystem (100) umfassend eine Brennstoffzelle (10) mit einem Kathodenausgang (38) und eine Kathodenabgasanlage (32) zum Abführen eines Kathodenabgasstroms aus der Brennstoffzelle (10), wobei die Kathodenabgasanlage (32) umfasst: – einen Haupt-Kathodenabgaspfad (34) mit einem Haupt-Ausgang (35) zum Abführen des Kathodenabgasstroms in die Umgebung (36), wobei sich der Haupt-Kathodenabgaspfad (34) zwischen dem Kathodenausgang (38) der Brennstoffzelle (10) und dem Haupt-Ausgang (35) erstreckt, – einen Neben-Kathodenabgaspfad (40) mit einem Neben-Ausgang (41) zum Abführen des Kathodenabgasstroms in die Umgebung (36), wobei sich der Neben-Kathodenabgaspfad (40) zwischen einer Abzweigung (42) vom Haupt-Kathodenabgaspfad (34) und dem Neben-Ausgang (41) erstreckt, und – wenigstens ein Durchflusssteuermittel (44, 45) zum Öffnen und Schließen des Neben-Kathodenabgaspfads (40) und/oder des Haupt-Kathodenabgaspfads (34) stromab der Abzweigung (42). Fuel cell system ( 100 ) comprising a fuel cell ( 10 ) with a cathode output ( 38 ) and a cathode exhaust system ( 32 ) for discharging a cathode exhaust gas stream from the fuel cell ( 10 ), wherein the cathode exhaust system ( 32 ) comprises: a main cathode exhaust path ( 34 ) with a main output ( 35 ) for discharging the cathode exhaust gas stream into the environment ( 36 ), wherein the main cathode exhaust gas path ( 34 ) between the cathode output ( 38 ) of the fuel cell ( 10 ) and the main output ( 35 ), - a secondary cathode exhaust path ( 40 ) with a secondary output ( 41 ) for discharging the cathode exhaust gas stream into the environment ( 36 ), wherein the secondary cathode exhaust gas path ( 40 ) between a branch ( 42 ) from the main cathode exhaust path ( 34 ) and the secondary output ( 41 ), and - at least one flow control means ( 44 . 45 ) for opening and closing the sub-cathode exhaust gas path ( 40 ) and / or the main cathode exhaust path ( 34 ) downstream of the branch ( 42 ). Brennstoffzellensystem (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Länge des Neben-Kathodenabgaspfads (40) kürzer als eine Länge des Haupt-Kathodenabgaspfads (34) zwischen der Abzweigung (42) und dem Haupt-Ausgang (35) ist. Fuel cell system ( 100 ) according to claim 1, characterized in that a length of the secondary cathode exhaust gas path ( 40 ) shorter than a length of the main cathode exhaust gas path ( 34 ) between the branch ( 42 ) and the main output ( 35 ). Brennstoffzellensystem (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Brennstoffzellensystem (100) im Haupt-Kathodenabgaspfad (34) einen Feuchteübertrager (54) und/oder eine Turbine (52) eines Turboverdichters (53) aufweist, wobei die Abzweigung (42) stromab des Feuchteübertragers (54) und/oder stromab der Turbine (52) angeordnet ist. Fuel cell system ( 100 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the fuel cell system ( 100 ) in the main cathode exhaust path ( 34 ) a moisture transmitter ( 54 ) and / or a turbine ( 52 ) of a turbocompressor ( 53 ), wherein the branch ( 42 ) downstream of the moisture transfer ( 54 ) and / or downstream of the turbine ( 52 ) is arranged. Brennstoffzellensystem (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Neben-Kathodenabgaspfad (40) nach unten führt. Fuel cell system ( 100 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the secondary cathode exhaust gas path ( 40 ) leads down. Fahrzeug (200), mit einem Brennstoffzellensystem (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche. Vehicle ( 200 ), with a fuel cell system ( 100 ) according to any one of the preceding claims. Fahrzeug (200) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzelle (10) und der Neben-Ausgang (41) in einem Vorderwagen (202) des Fahrzeugs (200) angeordnet sind. Vehicle ( 200 ) According to claim 5, characterized in that the fuel cell ( 10 ) and the secondary output ( 41 ) in a front end ( 202 ) of the vehicle ( 200 ) are arranged. Verfahren (300) zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 4 und/oder eines Fahrzeugs (200) nach einem der Ansprüche 5 oder 6, wobei das Verfahren (300) einen Schritt des Leitens des Kathodenabgasstroms in den Haupt-Kathodenabgaspfad (34) stromab der Abzweigung und/oder den Neben-Kathodenabgaspfad (40) mittels des Durchflusssteuermittels (44) umfasst, wobei das Leiten in Abhängigkeit – wenigstens eines Umgebungsparameters (TU) und/oder – wenigstens eines Betriebsparameters (TAGA, pAGA, α) des Brennstoffzellensystems (100) erfolgt. Procedure ( 300 ) for operating a fuel cell system ( 100 ) according to one of claims 1 to 4 and / or a vehicle ( 200 ) according to one of claims 5 or 6, wherein the method ( 300 ) a step of directing the cathode exhaust gas stream into the main cathode exhaust gas path ( 34 ) downstream of the branch and / or the secondary cathode exhaust path ( 40 ) by means of the flow control means ( 44 ), wherein the routing in dependence - at least one environmental parameter (T U ) and / or - at least one operating parameter (T AGA , p AGA , α) of the fuel cell system ( 100 ) he follows. Verfahren (300) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass – der wenigstens eine Umgebungsparameter (TU) und/oder der wenigstens eine Betriebsparameter (TAGA, pAGA, α) wenigstens eine Temperatur (TU, TAGA) umfasst und insbesondere – das Leiten des Kathodenabgasstroms derart erfolgt, dass der Kathodenabgasstrom wenigstens teilweise, insbesondere vollständig, in den Neben-Kathodenabgaspfad (40) geleitet wird, wenn die wenigstens eine Temperatur (TU, TAGA) einen vorbestimmten Grenzwert (TU_GW, TAGA_GW) der Temperatur (TU, TAGA) unterschreitet. Procedure ( 300 ) according to claim 7, characterized in that - the at least one environmental parameter (T U ) and / or the at least one operating parameter (T AGA , p AGA , α) comprises at least one temperature (T U , T AGA ) and in particular - the conducting the cathode exhaust stream is such that the cathode exhaust stream at least partially, in particular completely, in the secondary cathode exhaust gas path ( 40 ) is passed when the at least one temperature (T U , T AGA ) falls below a predetermined limit value (T U_GW , T AGA_GW ) of the temperature (T U , T AGA ). Verfahren (300) nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass – der wenigstens eine Betriebsparameter (TAGA, pAGA, α) wenigstens einen Druck (pAGA) im Brennstoffzellensystem (10) umfasst, und insbesondere – das Leiten des Kathodenabgasstroms derart erfolgt, dass der Kathodenabgasstrom wenigstens teilweise, insbesondere vollständig, in den Neben-Kathodenabgaspfad (40) geleitet wird, wenn der wenigstens eine Druck (pAGA) einen vorbestimmten Grenzwert (pAGA_GW) des Drucks (pAGA) überschreitet. Procedure ( 300 ) according to one of claims 7 or 8, characterized in that - the at least one operating parameter (T AGA , p AGA , α) at least one pressure (p AGA ) in the fuel cell system ( 10 ), and in particular - the conduction of the cathode exhaust gas flow is such that the cathode exhaust gas flow at least partially, in particular completely, into the secondary cathode exhaust gas path ( 40 ) when the at least one pressure (p AGA ) exceeds a predetermined limit (p AGA_GW ) of the pressure (p AGA ). Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass – der wenigstens eine Betriebsparameter (TAGA, pAGA, α) eine Last (α) der Brennstoffzelle (10) umfasst, und insbesondere – das Leiten des Kathodenabgasstroms derart erfolgt, dass der Kathodenabgasstrom wenigstens teilweise, insbesondere vollständig in den Neben-Kathodenabgaspfad (40) geleitet wird, wenn die Last (α) der Brennstoffzelle (10) einen vorbestimmten Grenzwert (αGW) der Last (α) überschreitet. Method according to one of claims 7 to 9, characterized in that - the at least one operating parameter (T AGA , p AGA , α) a load (α) of the fuel cell ( 10 ), and in particular - the cathode exhaust gas stream is conducted in such a way that the cathode exhaust gas flow is at least partially, in particular completely, into the secondary cathode exhaust gas path ( 40 ) is conducted when the load (α) of the fuel cell ( 10 ) exceeds a predetermined limit (α GW ) of the load (α).
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