DE20008547U1

DE20008547U1 - Fuel cell system

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Publication number: DE20008547U1
Application number: DE20008547U
Authority: DE
Original assignee: Mannesmann AG
Current assignee: P21 - Power For 21st Century De GmbH
Priority date: 1999-05-10
Filing date: 2000-05-08
Publication date: 2000-08-10
Anticipated expiration: 2010-05-09

Description

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BrennstoffzellensystemFuel cell system

BeschreibungDescription

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem gemäß dem Gattungsbegriff des Schutzanspruchs 1.The present invention relates to a fuel cell system according to the preamble of claim 1.

Ein solches Brennstoffzellensystem ist beispielsweise aus der DE 197 07 814 C1 bekannt.Such a fuel cell system is known, for example, from DE 197 07 814 C1.

Ähnlich wie Batteriesysteme erzeugen Brennstoffzellen elektrische Energie auf chemischem Wege, wobei die einzelnen Reaktanten kontinuierlich zugeführt und die Reaktionsprodukte kontinuierlich abgeführt werden. Dabei liegt den Brennstoffzellen das Funktionsprinzip zugrunde, daß sich elektrisch neutrale Moleküle oder Atome miteinander verbinden und dabei Elektronen austauschen. Dieser Vorgang wird als Redoxprozeß bezeichnet. Bei der Brennstoffzelle werden die Oxidations- und Reduktionsprozesse räumlich getrennt, was beispielsweise über eine Membran erfolgt. Solche Membranen haben die Eigenschaft, Protonen auszutauschen, Gase jedoch zurückzuhalten. Die bei der Reduktion abgegebenen Elektronen lassen sich als elektrischer Strom durch einen Verbraucher leiten, beispielsweise den Elektromotor eines Automobils.Similar to battery systems, fuel cells generate electrical energy chemically, whereby the individual reactants are continuously added and the reaction products are continuously removed. The operating principle of fuel cells is that electrically neutral molecules or atoms combine with one another and exchange electrons. This process is known as the redox process. In the fuel cell, the oxidation and reduction processes are spatially separated, which takes place, for example, via a membrane. Such membranes have the property of exchanging protons but retaining gases. The electrons released during the reduction can be passed as electrical current through a consumer, for example the electric motor of a car.

Als gasförmige Reaktionspartner für die Brennstoffzelle werden beispielsweise Wasserstoff als Brennstoff und Sauerstoff als Oxidationsmittel verwendet. Will man die Brennstoffzellen mit einem leicht verfügbaren oder zu speichernden Brennstoff wie Erdgas, Methanol, Benzin oder dergleichen betreiben, muß man aus den Kohlenwasserstoffen in einer Anordnung zum Erzeugen/ Aufbereiten eines Brennstoffs zunächst ein wasserstoffreiches Gas erzeugen. Dabei werden die Kohlenwasserstoffe im wesentlichen zu Wasserstoff und Kohlendioxid umgewandelt. Weiterhin entstehtFor example, hydrogen as fuel and oxygen as oxidizing agent are used as gaseous reaction partners for the fuel cell. If the fuel cells are to be operated with a readily available or storable fuel such as natural gas, methanol, gasoline or the like, a hydrogen-rich gas must first be produced from the hydrocarbons in a device for producing/processing a fuel. The hydrocarbons are essentially converted into hydrogen and carbon dioxide. In addition,

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Kohlenmonoxid (CO), das ein für die Brennstoffzelle schädliches Gas darstellt und deshalb vor Eintritt des Brennstoffs in die Brennstoffzelle entfernt werden muß.Carbon monoxide (CO), which is a gas that is harmful to the fuel cell and must therefore be removed before the fuel enters the fuel cell.

In der Brennstoffzelle kann das Kohlenmonoxid ab einer bestimmten Konzentration dazu führen, daß sich die von der Brennstoffzelle abgegebene Leistung verringert und folglich der Wirkungsgrad der Brennstoffzelle stark reduziert wird. Die Empfindlichkeit gegenüber Kohlenmonoxid kann bei verschiedenen Brennstoffzellentypen unterschiedlich stark ausgebildet sein.In the fuel cell, carbon monoxide above a certain concentration can lead to a reduction in the power delivered by the fuel cell and consequently a significant reduction in the efficiency of the fuel cell. The sensitivity to carbon monoxide can vary between different types of fuel cell.

Ausgehend vom genannten Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Brennstoffzellensystem der eingangs genannten Art derart weiterzubilden, daß die beschriebenen Nachteile vermieden werden. Insbesondere soll ein Brennstoffzellensystem geschaffen werden, bei dem auf einfache uns sichere Weise ein Schutz der Brennstoffzelle vor einer Vergiftung durch schädliche Substanzen erreicht werden kann.Based on the above-mentioned prior art, the present invention is therefore based on the object of developing a fuel cell system of the type mentioned at the outset in such a way that the disadvantages described are avoided. In particular, a fuel cell system is to be created in which the fuel cell can be protected from poisoning by harmful substances in a simple and safe manner.

Diese Aufgabe wird durch ein Brennstoffzellensystems gelöst, das die im Schutzanspruch 1 angegebenen Merkmale aufweist.This object is achieved by a fuel cell system having the features specified in claim 1.

Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Brennstoffzellensystems wird erreicht, daß schädliche Substanzen, die zu einer Vergiftung der Brennstoffzelle führen könnten, nicht mehr in diese hineingelangen. Durch das Sensorelement kann der Gehalt an schädlichen Substanzen im Brennstoff und/oder im Oxidationsmittel bereits frühzeitig, das heißt vor Eintritt in die Brennstoffzelle nachgewiesen und der schädliche Gasstrom über eine entsprechende Bypass-Leitung um die Brennstoffzelle herumgeleitet werden.The design of the fuel cell system according to the invention ensures that harmful substances that could lead to poisoning of the fuel cell no longer enter it. The sensor element can detect the content of harmful substances in the fuel and/or in the oxidizing agent at an early stage, i.e. before it enters the fuel cell, and the harmful gas flow can be diverted around the fuel cell via a corresponding bypass line.

Die Erfindung ist nicht auf den Nachweis von bestimmten Substanzen beschränkt. Grundsätzlich können auch mehrere Sensorelemente sowohl in der Brennstoffzuleitung als auch in der Oxidationsmittelzuleitung vorgesehen sein. Dabei kann eine quantitative Messung, also eine entsprechend genaue Konzentrationsbestimmung des jeweiligen Schadstoffs, oder auch eine qualitative Bestimmung des Schadtoffgehalts (z. B. zulässig oder unzulässig hoch), also eine Grenzwertüberwachung erfolgen.The invention is not limited to the detection of certain substances. In principle, several sensor elements can be provided in both the fuel supply line and the oxidant supply line. This can be a quantitative measurement, i.e. a correspondingly precise determination of the concentration of the respective pollutant, or a qualitative determination of the pollutant content (e.g. permissible or impermissibly high), i.e. limit value monitoring.

Üblicherweise wird für Brennstoffzellen als Oxidationsmittel Sauerstoff verwendet, der aus der Umgebungsluft entnommen wird. Aus diesem Grund ist es in der Regel nicht notwendig, ein Sensorelement in der Oxidationsmittelzuleitung vorzusehen. Es sind jedoch auch Anwendungsmöglichkeiten für die Brennstoffzelle denkbar, in denen das Oxidationsmittel aus einer anderen Substanz hergestellt oder auf eine bestimmte Weise aufbereitet werden muß. In diesem Fall könnte es passieren, daß sich nach der Erzeugung/Aufbereitung des Oxidationsmittels für die Brennstoffzelle schädliche Substanzen im Oxidationsmittel befinden, die dann über ein in der Oxidationsmittelzuleitung vorgesehenes Sensorelement nachgewiesen werden können.Usually, oxygen taken from the ambient air is used as the oxidizing agent in fuel cells. For this reason, it is generally not necessary to provide a sensor element in the oxidizing agent supply line. However, there are also possible applications for the fuel cell in which the oxidizing agent has to be produced from another substance or processed in a certain way. In this case, it could happen that after the oxidizing agent has been produced/processed, harmful substances are found in the oxidizing agent for the fuel cell, which can then be detected using a sensor element provided in the oxidizing agent supply line.

Vorteilhaft ist das Sensorelement zur Konzentrationsbestimmung jedoch in der Brennstoffzuleitung vorgesehen, insbesondere dann, wenn als Brennstoff ein wasserstoffreiches Gas (nachfolgend verkürzt auch als Wasserstoff bezeichnet) verwendet wird. Der Wasserstoff wird in einer vorgeschalteten Anordnung zum Erzeugen/Aufbereiten eines Brennstoffs zunächst aus einem anderen Energieträger erzeugt, wie zum Beispiel aus Methanol, Benzin, Erdgas, Methan, Kohlegas, Biogas oder einem anderen Kohlenwasserstoff. Bei der Erzeugung/Aufbereitung von Wasserstoff aus diesen Energieträgern ist es möglich, daß sich schädliche Substanzen wie beispielsweise Kohlenmonoxid oder dergleichen im Brennstoff in einer zu hohen Konzentration befinden, die zu einer Vergiftung der Brennstoffzelle führen würden. In diesem Fall kann durch das mindestens eine Sensorelement eine schädliche Konzentration solcher Substanzen im Brennstoff frühzeitig erkannt und die Einleitung dieses Gases in die Brennstoffzelle verhindert werden.However, the sensor element for determining the concentration is advantageously provided in the fuel supply line, particularly when a hydrogen-rich gas (hereinafter also referred to as hydrogen for short) is used as the fuel. The hydrogen is first produced from another energy source, such as methanol, gasoline, natural gas, methane, coal gas, biogas or another hydrocarbon, in an upstream arrangement for producing/processing a fuel. When producing/processing hydrogen from these energy sources, it is possible that harmful substances such as carbon monoxide or the like are present in the fuel in too high a concentration, which would lead to poisoning of the fuel cell. In this case, the at least one sensor element can detect a harmful concentration of such substances in the fuel at an early stage and prevent the introduction of this gas into the fuel cell.

Wenn die im Brennstoff und/oder Oxidationsmittel befindliche Konzentration einer schädlichen Substanz, die über das Sensorelement zur Detektierung unzulässiger Schadstoffgehalte nachgewiesen werden soll, einen Grenzwert überschreitet, wird diese Grenzwertüberschreitung von dem Sensorelement zunächst gemessen.If the concentration of a harmful substance in the fuel and/or oxidizing agent, which is to be detected by the sensor element for detecting inadmissible pollutant levels, exceeds a limit value, this limit value excess is first measured by the sensor element.

Aufgrund dieser Meßwerte wird anschließend bewirkt, daß der Gasstrom nicht in die Brennstoffzelle hinein, sondern über die Bypass-Leitung an dieser vorbeigeleitet wird. Somit kann die Brennstoffzelle durch die im Gasstrom befindlichen Substanzen nicht vergiftet werden. Solange vom Sensorelement eine den Grenzwert überschreitende Konzentration der schädlichen Substanzen gemessen wird, wird der Gasstrom an der Brennstoffzelle vorbeigeführt. Erst in dem Moment, in dem die Konzentration anBased on these measured values, the gas flow is then guided past the fuel cell via the bypass line rather than into the fuel cell. This means that the fuel cell cannot be poisoned by the substances in the gas flow. As long as the sensor element measures a concentration of harmful substances that exceeds the limit, the gas flow is guided past the fuel cell. Only when the concentration of

schädlichen Stoffen den zulässigen Grenzwert unterschreitet, wird der Gasstrom in die Brennstoffzelle hineingeleitet.harmful substances falls below the permissible limit, the gas flow is fed into the fuel cell.

Um den Betrieb elektrischer Verbraucher, die von einem Brennstoffzellensysteme versorgt werden, auch während solcher Phasen, in denen der Gasstrom an der Brennstoffzelle vorbeigeführt und diese somit keine elektrische Leistung produzieren kann, aufrechterhalten zu können, ist üblicherweise eine zusätzliche elektrische Batterie vorgesehen, die in solchen Situationen zur Versorgung der Verbraucher mit elektrischer Energie herangezogen wird.In order to be able to maintain the operation of electrical consumers supplied by a fuel cell system even during phases in which the gas flow bypasses the fuel cell and the cell is therefore unable to produce electrical power, an additional electrical battery is usually provided which is used to supply the consumers with electrical energy in such situations.

Die Anordnung zum Erzeugen/Aufbereiten des Brennstoffs -beispielsweise Wasserstoff- weist üblicherweise eine Reihe verschiedener Reaktorelemente auf, die über entsprechende Leitungen miteinander verbunden sind, so daß der Brennstoff während seiner Erzeugung beziehungsweise Aufbereitung die einzelnen Reaktorelemente durchströmen kann. In einigen der Reaktorelemente finden dabei exotherme Reaktionen statt, das heißt es wird Wärme frei. In anderen Reaktorelementen wird hingegen Wärme benötigt. Bei den Reaktorelementen, für deren Betrieb Wärme erforderlich ist, handelt es sich beispielsweise um Reformer oder Verdampfer. Ein Verdampfer wird beispielsweise verwendet, wenn Wasserstoff aus Methanol oder Benzin reformiert werden soll.The arrangement for producing/processing the fuel - for example hydrogen - usually has a number of different reactor elements that are connected to one another via corresponding lines so that the fuel can flow through the individual reactor elements during its production or processing. In some of the reactor elements, exothermic reactions take place, i.e. heat is released. In other reactor elements, however, heat is required. The reactor elements that require heat to operate are, for example, reformers or evaporators. An evaporator is used, for example, when hydrogen is to be reformed from methanol or gasoline.

Die als Wärmequelle fungierenden Reaktorelemente können beispielsweise als selektive Oxidation oder dergleichen ausgebildet sein. Dieses Reaktorelement ist erforderlich, wenn der Wasserstoff durch ein Verfahren der partiellen Oxidation gereinigt wird. Hierbei wird das Gas zunächst durch eine homogene Wassergasreaktion in einem Shift-Reaktor gereinigt und in der nachfolgenden Stufe der selektiven Oxidation - feingereinigt.The reactor elements acting as a heat source can be designed, for example, as selective oxidation or the like. This reactor element is required if the hydrogen is purified by a partial oxidation process. Here, the gas is first purified by a homogeneous water-gas reaction in a shift reactor and then finely purified in the subsequent stage of selective oxidation.

Diejenigen Reaktorelemente der Anordnung zum Erzeugen/Aufbereiten des Brennstoffs, die zu ihrem Betrieb Wärme benötigen, werden in der Regel über geeignete Heizeinrichtungen auf die erforderliche Temperatur gebracht. Derartige Heizeinrichtungen können vorzugsweise als Brenner, insbesondere als katalytischer Brenner, oder elektrische Heizelemente ausgebildet sein. Wenn die Heizeinrichtung als elektrisches Heizelement ausgebildet ist, kann die benötigte elektrische Energie durch eine Batterie zur Verfügung gestellt werden.Those reactor elements of the arrangement for producing/preparing the fuel that require heat to operate are generally brought to the required temperature using suitable heating devices. Such heating devices can preferably be designed as burners, in particular as catalytic burners, or electrical heating elements. If the heating device is designed as an electrical heating element, the required electrical energy can be provided by a battery.

Bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems ergeben sich aus den Unteransprüchen.Preferred embodiments of the fuel cell system according to the invention emerge from the subclaims.

Vorteilhaft ist die Bypass-Leitung über ein Ventil, insbesondere ein elektrisch betätigbares Drei-Wege-Ventil mit derjenigen Zuleitung verbunden, in der das Sensorelement vorgesehen ist. Ein Ventil gestattet auf einfache und genaue Weise eine Steuerung des Gasstroms. Ventile sind in der Regel schnell ansteuerbar, so daß sie ohne Verzögerung geöffnet beziehungsweise geschlossen werden können. Auf diese Weise kann, wenn in dem Sensorelement zur Konzentrationsbestimmung ein den Grenzwert an schädlichen Substanzen überschreitender Wert gemessen wird, diese Information beispielsweise über einen entsprechenden Rechner, eine Kontroll- und Steuereinrichtung oder dergleichen schnell in eine entsprechende Ventilansteuerung umgesetzt werden, so daß eine Vergiftung der Brennstoffzelle durch schädliche Substanzen verhindert wird.The bypass line is advantageously connected to the supply line in which the sensor element is provided via a valve, in particular an electrically operated three-way valve. A valve allows the gas flow to be controlled in a simple and precise manner. Valves can generally be controlled quickly so that they can be opened or closed without delay. In this way, if a value exceeding the limit value of harmful substances is measured in the sensor element for determining the concentration, this information can be quickly converted into a corresponding valve control, for example via a corresponding computer, a monitoring and control device or the like, so that poisoning of the fuel cell by harmful substances is prevented.

In weiterer Ausgestaltung ist das Sensorelement zur Bestimmung des Konzentrationsgehalts von Kohlenmonoxid in einem Gasstrom ausgebildet. Wie weiter oben bereits ausführlich dargelegt wurde, handelt es sich bei Kohlenmonoxid um ein für die Brennstoffzelle sehr schädliches Gas, was regelmäßig bei der Reformierung von Kohlenwasserstoffen wie Methanol, Benzin oder dergleichen zu einem wasserstoffreichen Gas entsteht. Über ein entsprechend ausgebildetes Sensorelement kann die Anwesenheit von Kohlenmonoxid im Brennstoff frühzeitig erkannt werden, so daß geeignete Maßnahmen getroffen werden können, wie beispielsweise das Umschalten des Ventils und das damit verbundene Vorbeileiten des Gasstroms über die Bypass-Leitung an der Brennstoffzelle vorbei.In a further embodiment, the sensor element is designed to determine the concentration of carbon monoxide in a gas stream. As already explained in detail above, carbon monoxide is a very harmful gas for the fuel cell, which is regularly produced when hydrocarbons such as methanol, gasoline or the like are reformed into a hydrogen-rich gas. The presence of carbon monoxide in the fuel can be detected early on using a suitably designed sensor element, so that suitable measures can be taken, such as switching the valve and thus directing the gas stream past the fuel cell via the bypass line.

Das Sensorelement kann neben seiner Warnfunktion aber auch noch Funktionen im Hinblick auf die Überprüfung und Wartung der Anordnung zum Erzeugen/Aufbereiten des Brennstoffs oder, falls das Sensorelement in der Oxidationsmittelzuleitung angeordnet ist, der Anordnung zum Erzeugen/Aufbereiten des Oxidationsmittels übernehmen. Das Auftreten einer erhöhten Konzentration an schädlichen Substanzen im Gasstrom kann nämlich auch dadurch hervorgerufen werden, daß einzelne Komponenten der jeweiligen Anordnungen fehlerhaft arbeiten, so daß diese gewartet beziehungsweise repariert werden müssen. Ebenso ist es denkbar, daß einzelneIn addition to its warning function, the sensor element can also perform functions relating to the inspection and maintenance of the arrangement for producing/preparing the fuel or, if the sensor element is arranged in the oxidant supply line, the arrangement for producing/preparing the oxidant. The occurrence of an increased concentration of harmful substances in the gas flow can also be caused by individual components of the respective arrangements working incorrectly, so that they have to be maintained or repaired. It is also conceivable that individual

Komponenten der Anordnungen in regelmäßigen Abständen gereinigt werden müssen. Das Erfordernis einer erneuten Reinigung kann beispielsweise über das Ansteigen des Gehalts an schädlichen Substanzen im Gasstrom angezeigt werden. Auf diese Weise kann über das Sensorelement auch eine notwendige Wartungs- beziehungsweise Reinigungsmaßnahme angezeigt werden.Components of the arrangements must be cleaned at regular intervals. The need for further cleaning can be indicated, for example, by an increase in the content of harmful substances in the gas flow. In this way, the sensor element can also indicate a necessary maintenance or cleaning measure.

Vorteilhaft kann das Sensorelement zur Konzentrationsbestimmung als Infrarot-Spektrometer ausgebildet sein. Bei der Infrarot-Spektrometrie werden Molekülschwingungen und -rotationen durch Absorption von Strahlung im infraroten Bereich des elektromagnetischen Spektrums gemessen.The sensor element for determining concentration can advantageously be designed as an infrared spectrometer. In infrared spectrometry, molecular vibrations and rotations are measured by absorbing radiation in the infrared range of the electromagnetic spectrum.

Vorteilhaft weist das als Infrarot-Spektrometer ausgebildete Sensorelement eine Lichtquelle auf, die eine kontinuierliche Strahlung emittiert. Diese kontinuierliche Strahlung wird in der Regel in zwei Lichtbündel gleicher Intensität aufgeteilt, wobei eines der Teillichtbündel durch das zu untersuchende Medium und das andere Teillichtbündel durch eine Vergleichsprobe tritt. Anschließend durchlaufen die beiden Teillichtbündel ein Photometer, in dem der optische Nullabgleich beider Lichtbündel stattfindet. Im Photometer werden die beiden Teillichtbündel wieder zu einem einzigen Lichtbündel zusammengefaßt. Anschließend durchläuft dieses Lichtbündel üblicherweise einen Monochromator, der beispielsweise als Prisma, Gitter oder dergleichen ausgebildet ist, in dem die resultierende Strahlung zerlegt wird. Ein Detektor registriert die optischen Signale und wandelt diese in elektrische Signale um. Diese elektrischen Signale können bei Bedarf über einen Verstärker verstärkt werden und werden anschließend als Infrarot-Spektrum in einer geeigneten Anzeigeeinrichtung, beispielsweise einem Bildschirm, einem Schreiber, einem Drucker oder dergleichen, angezeigt beziehungsweise aufgezeichnet. Mit einem solchen Infrarot-Spektrometer können sowohl gasförmige, flüssige als auch feste Medien untersucht werden.The sensor element designed as an infrared spectrometer advantageously has a light source that emits continuous radiation. This continuous radiation is usually split into two light beams of equal intensity, with one of the partial light beams passing through the medium to be examined and the other partial light beam passing through a comparison sample. The two partial light beams then pass through a photometer, in which the optical zero adjustment of both light beams takes place. In the photometer, the two partial light beams are combined again into a single light beam. This light beam then usually passes through a monochromator, which is designed, for example, as a prism, grating or the like, in which the resulting radiation is broken down. A detector registers the optical signals and converts them into electrical signals. These electrical signals can be amplified via an amplifier if necessary and are then displayed or recorded as an infrared spectrum in a suitable display device, for example a screen, a recorder, a printer or the like. Both gaseous, liquid and solid media can be examined with such an infrared spectrometer.

Weiterhin ist auch eine monochromatische Strahlungsquelle möglich, deren Frequenz für das zu untersuchende Medium charakteristisch ist.Furthermore, a monochromatic radiation source is also possible, the frequency of which is characteristic of the medium to be examined.

Die Infrarot-Spektrometrie ist deshalb geeignet, um einen der Brennstoffzelle zugeführten Gasstrom zu untersuchen.Infrared spectrometry is therefore suitable for examining a gas stream fed to the fuel cell.

Das Infrarot-Spektrum wird in der Regel dargestellt als ein Diagramm mit der Wellenlänge als Abszisse und der prozentualen Durchlässigkeit als Ordinatenmaßstab. Dabei wird als Ordinatenmaßstab in der Regel die Durchlässigkeit in Prozent angegeben. An Hand der im Spektrum dargestellten Absorptionsbande lassen sich Rückschlüsse über die Anwesenheit und damit die Konzentration einzelner Substanzen in der untersuchten Probe ziehen.The infrared spectrum is usually shown as a diagram with the wavelength as the abscissa and the percentage transmittance as the ordinate. The transmittance is usually given as a percentage as the ordinate. The absorption band shown in the spectrum can be used to draw conclusions about the presence and thus the concentration of individual substances in the sample being examined.

Wenn beispielsweise das Sensorelement zur Konzentrationsbestimmung als Infrarotspektrometer zum Nachweis von Kohlenmonoxid im Brennstoff für eine Brennstoffzelle verwendet wird, können über die Infrarot-Spektrometrie die Absorptionsbande des Kohlenmonoxids im Infrarot-Spektrum des Brennstoffs für die Brennstoffzelle bestimmt und dargestellt werden. An Hand dieser Absorptionsbande läßt sich erkennen, ob im Brennstoff ein Grenzwert des Kohlenmonoxidgehalts überschritten wurde, und ob eine Ableitung des Brennstoffs über die Bypass-Leitung erfolgen muß, um eine Vergiftung der Brennstoffzelle durch Kohlenmonoxid zu verhindern.If, for example, the sensor element for determining the concentration is used as an infrared spectrometer to detect carbon monoxide in the fuel for a fuel cell, the absorption band of the carbon monoxide in the infrared spectrum of the fuel for the fuel cell can be determined and displayed using infrared spectrometry. This absorption band can be used to determine whether a limit value for the carbon monoxide content in the fuel has been exceeded and whether the fuel must be drained off via the bypass line to prevent the fuel cell from being poisoned by carbon monoxide.

In anderer Ausgestaltung kann das Sensorelement zur Konzentrationsbestimmung als Sensorelement zur Messung der kernmagnetischen Resonanz eines Stoffes ausgebildet sein.In another embodiment, the sensor element for determining the concentration can be designed as a sensor element for measuring the nuclear magnetic resonance of a substance.

Der Grundgedanke einer solchen Ausgestaltung des Sensorelements besteht darin, daß zur Bestimmung der Konzentration die kernmagnetische Resonanz [NMR-Resonanz (nuclear magnetic resonance)] des zu untersuchenden Gasstroms gemessen wird. Hierbei wird von dem Prinzip Gebrauch gemacht, daß einige Atomkerne ein kernmagnetisches Moment (Kernspin) besitzen. Dieses steht in Wechselwirkung mit einem äußeren magnetischen Feld. Das magnetische Moment kann sich durch das äußere magnetische Feld parallel oder anti-parallel zu dem angelegten Magnetfeld einstellen. Die beiden Einstellmöglichkeiten sind energetisch unterschiedlich, so daß zwei verschiedene Energieniveaus existieren. Diese Energieniveaus sind im thermischen Gleichgewicht unterschiedlich besetzt. Das heißt, daß es im thermischen Gleichgewicht im unteren Energieniveau mehr Kernspins als im oberen Energieniveau gibt. Die Mengenverteilung auf die beiden Energieniveaus ist lediglich von der Art des jeweiligen Mediums und von dessen Temperatur abhängig. Wird diesem System nun Energie in Form von elektromagnetischer Strahlung zugeführt, wobei die Menge an zugeführter Energie der Differenz der beidenThe basic idea behind such a sensor element design is that the nuclear magnetic resonance (NMR resonance) of the gas stream to be examined is measured to determine the concentration. This uses the principle that some atomic nuclei have a nuclear magnetic moment (nuclear spin). This interacts with an external magnetic field. The magnetic moment can be set parallel or anti-parallel to the applied magnetic field through the external magnetic field. The two setting options are energetically different, so that two different energy levels exist. These energy levels are occupied differently in thermal equilibrium. This means that in thermal equilibrium there are more nuclear spins in the lower energy level than in the upper energy level. The distribution of quantities between the two energy levels depends only on the type of medium and its temperature. If energy is now supplied to this system in the form of electromagnetic radiation, the amount of energy supplied being equal to the difference between the two

Energieniveaus entspricht, werden die Kernspins vom unteren in das obere Energieniveau befördert. Das Ergebnis läßt sich erfassen und im Hinblick auf die Anwesenheit bestimmter Isotope auswerten und übertragen. Wenn das so ausgebildete Sensorelement beispielsweise zur Messung der kernmagnetischen Resonanz von Kohlenmonoxid im Brennstoff für eine Brennstoffzelle verwendet wird, kann hierüber beispielsweise die kernmagnetische Resonanz des C¹³-lsotops oder des O-Isotops gemessen werden. Die Meßergebnisse lassen Rückschlüsse auf die Konzentration des jeweiligen Stoffes im Gasstrom zu.energy levels, the nuclear spins are transported from the lower to the upper energy level. The result can be recorded and evaluated and transmitted with regard to the presence of certain isotopes. If the sensor element designed in this way is used, for example, to measure the nuclear magnetic resonance of carbon monoxide in the fuel for a fuel cell, the nuclear magnetic resonance of the C ¹³ isotope or the O isotope can be measured. The measurement results allow conclusions to be drawn about the concentration of the respective substance in the gas stream.

In weiterer Ausgestaltung kann das Sensorelement aus mehreren Test-Brennstoffzellen gebildet sein, die über jeweilige Zuleitungsteilbereiche mit derjenigen Zuleitung verbunden sind, in der das Sensorelement vorgesehen ist. Durch die Mehrzahl an Test-Brennstoffzellen kann eine besonders hohe Betriebssicherheit gewährleistet werden. Diese Art des Sensorelements eignet sich ganz besonders für die qualitative Bestimmung des Schadstoffgehalts. Es ist aber auch möglich, eine quantitative Konzentrationsbestimmung damit vorzunehmen, indem der Rückgang der von der Testbrennstoffzelle erzeugbaren elektrischen Leistung gemessen und mit dem Schadstoffgehalt korreliert wird.In a further embodiment, the sensor element can be formed from several test fuel cells, which are connected via respective supply line sections to the supply line in which the sensor element is provided. The plurality of test fuel cells can ensure a particularly high level of operational reliability. This type of sensor element is particularly suitable for the qualitative determination of the pollutant content. However, it is also possible to use it to determine the concentration quantitatively by measuring the decrease in the electrical power that can be generated by the test fuel cell and correlating it with the pollutant content.

Bei einer derartigen Ausgestaltung des Sensorelements erfolgt die Konzentrationsmessung einer bestimmten Substanz über diese Test-Brennstoffzellen. Die einzelnen Test-Brennstoffzellen des Sensorelements, deren Anzahl je nach Bedarf und Anwendungsfall variieren kann, sind vorteilhaft parallel zueinander angeordnet. Vorzugsweise haben diese Test-Brennstoffzellen die gleiche Wirkungs- und Funktionsweise wie die Hauptbrennstoffzellen des Brennstoffzellensystems, so daß über diese kleineren Brennstoffzellen eine Vergiftung der Hauptbrennstoffzellen durch schädliche Substanzen verhindert werden kann.With such a design of the sensor element, the concentration of a certain substance is measured using these test fuel cells. The individual test fuel cells of the sensor element, the number of which can vary depending on requirements and application, are advantageously arranged parallel to one another. These test fuel cells preferably have the same effect and function as the main fuel cells of the fuel cell system, so that poisoning of the main fuel cells by harmful substances can be prevented using these smaller fuel cells.

Zweckmäßigerweise wird der Gasstrom, der auf schädliche Substanzen überprüft werden soll, zunächst über einen entsprechenden Zuleitungsteilbereich durch eine der Test-Brennstoffzellen des Sensorelements hindurchgeleitet. Enthält der zu untersuchende Gasstrom die schädlichen Substanzen in einer erhöhten Konzentration, wird dies dazu führen, daß die durchströmte Test-Brennstoffzelle auf Grund einer fortschreitenden Vergiftung Leistungsabfälle zeigt. Durch die Feststellung dieses Leistungsabfalls wird bewirkt, daß der Gasstrom nicht in die HauptbrennstoffzelleIt is advisable to first pass the gas flow that is to be checked for harmful substances through one of the test fuel cells of the sensor element via a corresponding feed line section. If the gas flow to be examined contains the harmful substances in an increased concentration, this will lead to the test fuel cell through which it flows showing a drop in performance due to progressive poisoning. By detecting this drop in performance, the gas flow is prevented from entering the main fuel cell.

hineingeleitet, sondern über die Bypass-Leitung an dieser vorbeigeleitet wird. Dazu wird das Ventil zur Bypass-Leitung für die Hauptbrennstoffzelle über das Sensorelement in entsprechender Weise angesteuert und gestellt. Um die Vergiftung der Test-Brennstoffzelle des Sensorelements nicht zu weit fortschreiten zu lassen, wird der Gasstrom zweckmäßig ab einem bestimmten Zeitpunkt über einen anderen Zuleitungsteilbereich durch eine andere der parallel geschalteten Test-Brennstoffzellen des Sensorelements hindurchgeleitet. Sofern die Konzentration an schädlichen Substanzen im Gasstrom immer noch zu hoch ist, wird auch diese Test-Brennstoffzelle nach kurzer Zeit einen Leistungsabfall zeigen. Je nach Anwesenheitsdauer der schädlichen Konzentration im Gasstrom kann es passieren, daß nach und nach eine Vielzahl der Test-Brennstoffzellen des Sensorelements von dem Gasstrom durchströmt werden, jeweils so lange, bis sie einen zuvor definierten Leistungsabfall zeigen. Erst wenn die Konzentration der schädlichen Substanzen im Gasstrom einen bestimmten Grenzwert unterschritten hat und die gerade durchströmte Test-Brennstoffzelle des Sensorelements keinen Leistungsabfall mehr zeigt, wird der Gasstrom nach Umstellung des Bypass-Leitungsventils durch die Hauptbrennstoffzelle des Brennstoffzellensystems hindurchgeleitet.but is instead bypassed via the bypass line. To do this, the valve for the bypass line for the main fuel cell is controlled and set accordingly via the sensor element. In order to prevent the poisoning of the test fuel cell of the sensor element from progressing too far, the gas flow is expediently passed from a certain point in time via a different feed line section through another of the test fuel cells of the sensor element that are connected in parallel. If the concentration of harmful substances in the gas flow is still too high, this test fuel cell will also show a drop in performance after a short time. Depending on how long the harmful concentration is present in the gas flow, it can happen that a large number of the test fuel cells of the sensor element are gradually flowed through by the gas flow until they show a previously defined drop in performance. Only when the concentration of harmful substances in the gas flow has fallen below a certain limit and the test fuel cell of the sensor element through which it is currently flowing no longer shows a drop in performance is the gas flow passed through the main fuel cell of the fuel cell system after the bypass line valve has been switched.

Die vergifteten Brennstoffzellen werden über ein geeignetes Medium regeneriert. Kohlenmonoxid kann beispielsweise durch Luftsauerstoff zu Kohlendioxid oxidiert werden.The poisoned fuel cells are regenerated using a suitable medium. Carbon monoxide, for example, can be oxidized to carbon dioxide by atmospheric oxygen.

Vorzugsweise werden die vergifteten Test-Brennstoffzellen unverzüglich regeneriert, sobald der Gasstrom durch eine andere Test-Brennstoffzelle des Sensorelements hindurchgeleitet wird.Preferably, the poisoned test fuel cells are immediately regenerated as soon as the gas flow is passed through another test fuel cell of the sensor element.

Vorteilhaft ist bei der vorgenannten Ausbildung des Sensorelements ein Umschaltelement, insbesondere ein Ventil vorgesehen, über das die Zuleitungsteilbereiche mit der Zuleitung verbunden sind. Über dieses Umschaltelement können die einzelnen, vorzugsweise parallel zueinander verschalteten, Test-Brennstoffzellen des Sensorelements auf einfache Weise über die Zuleitungsteilbereiche an die Zuleitung des Gasstroms angekoppelt oder von dieser abgekoppelt werden. Dies ist besonders vorteilhaft, da die einzelnen Test-Brennstoffzellen bei den ersten Anzeichen eines größeren Leistungsabfalls nicht mehr von dem Gasstrom durchströmt werden sollen.In the aforementioned design of the sensor element, a switching element, in particular a valve, is advantageously provided, via which the supply line sections are connected to the supply line. Using this switching element, the individual test fuel cells of the sensor element, which are preferably connected in parallel to one another, can be easily coupled to or decoupled from the supply line of the gas flow via the supply line sections. This is particularly advantageous because the gas flow should no longer flow through the individual test fuel cells at the first signs of a major drop in performance.

Zur Regenerierung einer Test-Brennstoffzelle kann diese kurzzeitig vom Gasstrom getrennt werden. In anderer Betriebsweise kann das geeignete Medium zum Regenerieren der Brennstoffzelle auch während des Betriebs zugeführt werden, beispielsweise über den Gastrom selbst oder eine separate Zuleitung.To regenerate a test fuel cell, it can be briefly separated from the gas flow. In another operating mode, the suitable medium for regenerating the fuel cell can also be supplied during operation, for example via the gas flow itself or a separate supply line.

In weiterer Ausgestaltung können die Test-Brennstoffzellen des Sensorelements mit einer Einrichtung zum Regenerieren von Brennstoffzellen verbunden sein. Über diese Einrichtung können die Test-Brennstoffzellen mit einem geeigneten Gas, beispielsweise Sauerstoff, gespült werden, wenn in ihnen eine kritische Konzentration an schädlichen Substanzen, beispielsweise Kohlenmonoxid, erreicht worden ist.In a further embodiment, the test fuel cells of the sensor element can be connected to a device for regenerating fuel cells. This device can be used to flush the test fuel cells with a suitable gas, for example oxygen, when a critical concentration of harmful substances, for example carbon monoxide, has been reached in them.

Vorzugsweise sind die Test-Brennstoffzellen kleiner und/oder empfindlicher als die Hauptbrennstoffzellen ausgebildet. Kleiner bedeutet im vorliegenden Fall, daß die Brennstoffzelle räumlich, das heißt im Volumen kleiner ausgebildet ist. Durch eine höhere Empfindlichkeit der Brennstoffzellen für das Sensorelement wird erreicht, daß diese im Vergleich zur Hauptbrennstoffzelle schneller auf die schädlichen Substanzen, beispielsweise auf Kohlenmonoxid, reagieren.Preferably, the test fuel cells are smaller and/or more sensitive than the main fuel cells. In this case, smaller means that the fuel cell is smaller in terms of space, i.e. in terms of volume. A higher sensitivity of the fuel cells for the sensor element means that they react more quickly to harmful substances, such as carbon monoxide, than the main fuel cell.

In weiterer Ausgestaltung kann das Sensorelement eine Meßeinrichtung zur Messung der Spannungskurve in der Test-Brennstoffzelle oder den Test-Brennstoffzellen des Sensorelements umfassen. In einem solchen Fall kann die Konzentration an schädlichen Stoffen anhand der Spannungskurve der Test-Brennstoffzellen ermittelt werden. Nachfolgend wird eine derartige Meßmethode am Beispiel von Kohlenmonoxid beschrieben.In a further embodiment, the sensor element can comprise a measuring device for measuring the voltage curve in the test fuel cell or the test fuel cells of the sensor element. In such a case, the concentration of harmful substances can be determined based on the voltage curve of the test fuel cells. Such a measuring method is described below using carbon monoxide as an example.

Um eine genaue Messung durchführen zu können, werden zunächst eine Reihe von Referenzwerten ermittelt und in einem geeigneten Speichermedium gespeichert. Dazu wird die aktuell eingesetzte Test-Brennstoffzelle mit verschiedenen, genau definierten Gehalten an Kohlenmonoxid belastet (vergiftet). Die resultierenden Spannungskurven in der Test-Brennstoffzelle, aus denen der Spannungsabfall ersichtlich ist, werden gegen die Zeit aufgenommen und ebenfalls in dem Speichermedium abgespeichert.In order to be able to carry out an accurate measurement, a series of reference values are first determined and saved in a suitable storage medium. To do this, the test fuel cell currently being used is loaded (poisoned) with various, precisely defined levels of carbon monoxide. The resulting voltage curves in the test fuel cell, from which the voltage drop can be seen, are recorded against time and also saved in the storage medium.

Während des regulären Betriebs des Sensorelements werden nun die jeweils aktuellen Spannungskurven der Test-Brennstoffzelle gemessen. Bei Vorhandensein vonDuring regular operation of the sensor element, the current voltage curves of the test fuel cell are measured. If

11 «11 «

Kohlenmonoxid im Gasstrom führt dies zu einem Spannungsabfall in der Test-Brennstoffzelle. Die aktuell gemessenen Werte werden mit den im Speichermedium gemessenen Referenzwerten verglichen, wodurch auf den Grad der Vergiftung der Test-Brennstoffzelle mit Kohlenmonoxid zurückgeschlossen werden kann.If there is carbon monoxide in the gas stream, this leads to a voltage drop in the test fuel cell. The currently measured values are compared with the reference values measured in the storage medium, which allows conclusions to be drawn about the degree of carbon monoxide poisoning in the test fuel cell.

Vorteilhaft ist die Bypass-Leitung weiterhin mit einer Brennstoffableitung und/oder einer Oxidationsmittelableitung verbunden. Auf diese Weise gehen die an der Brennstoffzelle vorbeigeleiteten Gasströme nicht verloren, sondern sie können über die jeweilige Ableitung abtransportiert und gegebenenfalls zu anderen Komponenten zur weiteren Nutzung hintransportiert werden.Advantageously, the bypass line is also connected to a fuel discharge line and/or an oxidant discharge line. In this way, the gas flows that bypass the fuel cell are not lost, but can be transported away via the respective discharge line and, if necessary, transported to other components for further use.

Wenn die Bypass-Leitung beispielsweise mit der Brennstoffzuleitung verbunden ist, wird bei Vorhandensein einer kritischen Konzentration an schädlichen Substanzen, beispielsweise einer kritischen Konzentration an Kohlenmonoxid, im Brennstoffgasstrom bewirkt, daß der Brennstoff über die Bypass-Leitung an der Brennstoffzelle vorbeigeführt wird. Der Brennstoff wird über die Bypass-Leitung in die Brennstoffableitung eingespeist, und kann von hier aus anderen Verbrauchern zur Verfügung gestellt werden.If the bypass line is connected to the fuel supply line, for example, the presence of a critical concentration of harmful substances, such as a critical concentration of carbon monoxide, in the fuel gas flow causes the fuel to bypass the fuel cell via the bypass line. The fuel is fed into the fuel discharge line via the bypass line and can be made available to other consumers from here.

So ist es beispielsweise denkbar, daß der Gasstrom mit der zu hohen Kohlenmonoxidkonzentration zurück in die Anordnung zum Erzeugen/Aufbereiten des Brennstoffs eingespeist wird, so daß er im zweiten Umlaufzyklus einen geringeren Konzentrationsgehalt an Kohlenmonoxid aufweist und somit nunmehr zum Betrieb der Brennstoffzelle verwendet werden kann. Dies führt nicht zuletzt zu erheblichen Kraftstoffeinsparungen. In einem solchen Fall kann es vorteilhaft sein, die Zufuhrmenge der Ausgangssubstanz für den Brennstoff, die in die Vorrichtung zum Erzeugen/Aufbereiten des Brennstoffs eingespeist wird, zu regeln. Diese Regelung kann vorzugsweise über das Sensorelement zur Konzentrationsbestimmung gesteuert werden.For example, it is conceivable that the gas stream with the excessive carbon monoxide concentration is fed back into the device for producing/processing the fuel, so that it has a lower concentration of carbon monoxide in the second circulation cycle and can therefore now be used to operate the fuel cell. This leads not least to considerable fuel savings. In such a case, it can be advantageous to regulate the amount of the starting substance for the fuel that is fed into the device for producing/processing the fuel. This regulation can preferably be controlled via the sensor element for determining the concentration.

Weiterhin ist es auch denkbar, den an der Brennstoffzelle vorbeigeführten Brennstoff zum Betrieb der in der Anordnung zum Erzeugen/Aufbereiten des Brennstoffs vorgesehenen Brenner zu verwenden. Diese Brenner, die beispielsweise zum Betrieb der Reformer oder Verdampfer erforderlich sind, können auch mit solchen Brennstoffströmen betrieben werden, die eine für den Betrieb der Brennstoffzelle zuFurthermore, it is also conceivable to use the fuel passed past the fuel cell to operate the burners provided in the arrangement for producing/processing the fuel. These burners, which are required for example to operate the reformers or evaporators, can also be operated with fuel flows that have a

hohe Kohlenmonoxidkonzentration aufweisen. Auf diese Weise geht der an der Brennstoffzelle vorbeigeführte Brennstoffstrom nicht verloren, sondern kann innerhalb des Brennstoffzellensystems weiter verwertet werden.high carbon monoxide concentration. In this way, the fuel flow passing the fuel cell is not lost, but can be further utilized within the fuel cell system.

In weiterer Ausgestaltung kann das Brennstoffzellensystem zwei oder mehr Brennstoffzellen aufweisen. Üblicherweise werden in einem Brennstoffzellensystem mehr als zwei Brennstoffzellen verwendet, die dann einen sogenannten Brennstoffzellen-Stack bilden. Die Anzahl der in einem solchen Brennstoffzellen-Stack zusammengefaßten Brennstoffzellen ergibt sich aus den Leistungsanforderungen an das Brennstoffzellensystem.In a further embodiment, the fuel cell system can have two or more fuel cells. Usually, more than two fuel cells are used in a fuel cell system, which then form a so-called fuel cell stack. The number of fuel cells combined in such a fuel cell stack is determined by the performance requirements of the fuel cell system.

Das wie vorstehend beschriebene erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem hat besondere Vorteile während der Startphase des Brennstoffzellensystems. In der Startphase, das heißt in der Hochlaufphase des Brennstoffzellensystems, werden die einzelnen Komponenten, die zur Aufbereitung/Erzeugung des Brennstoffs und/oder des Oxidationsmittels und die zur Erwärmung der Brennstoffzelle erforderlich sind, zunächst aktiviert. Innerhalb dieser Aktivierungsphase müssen einzelne Komponenten des Brennstoffzellensystems zunächst auf eine ausreichende Betriebstemperatur erwärmt werden. Innerhalb dieses Zeitraums, in dem noch nicht alle Komponenten optimal laufen, kann es vorkommen, daß sich zu hohe Konzentrationen an schädlichen Substanzen im Gasstrom oder den Gasströmen einstellen. Erst nach Erreichen der optimalen Betriebstemperaturen der einzelnen Komponenten gehen diese erhöhten, schädlichen Konzentrationen zurück. Durch das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem wird es möglich, daß auch diejenigen Gasströme, die das Brennstoffzellensystem während dessen Startphase durchströmen, jedoch nicht in die Brennstoffzelle eingeleitet werden dürfen, noch genutzt werden können und nicht verlorengehen.The fuel cell system according to the invention as described above has particular advantages during the start-up phase of the fuel cell system. In the start-up phase, i.e. in the run-up phase of the fuel cell system, the individual components required for preparing/producing the fuel and/or the oxidizing agent and for heating the fuel cell are first activated. During this activation phase, individual components of the fuel cell system must first be heated to a sufficient operating temperature. During this period, in which not all components are yet running optimally, it can happen that excessive concentrations of harmful substances are established in the gas flow or gas flows. Only after the optimal operating temperatures of the individual components have been reached do these increased, harmful concentrations decrease. The fuel cell system according to the invention makes it possible for those gas flows that flow through the fuel cell system during its start-up phase but are not allowed to be introduced into the fuel cell to still be used and not lost.

Vorteilhaft kann das wie vorstehend beschriebene erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem in einem oder für ein Fahrzeug verwendet werden.Advantageously, the fuel cell system according to the invention as described above can be used in or for a vehicle.

Auf Grund der rasanten Entwicklung der Brennstoffzellentechnologie im Fahrzeugsektor bietet eine solche Verwendung zur Zeit besonders gute Einsatzmöglichkeiten. Dennoch sind auch andere Einsatzmöglichkeiten denkbar. Zu nennen sind hier beispielsweise Brennstoffzellen für mobile Geräte wie Computer oderDue to the rapid development of fuel cell technology in the vehicle sector, such use currently offers particularly good opportunities. However, other applications are also conceivable. Examples include fuel cells for mobile devices such as computers or

dergleichen bis hin zu Kraftwerksanlagen. Hier eignet sich die Brennstoffzellentechnik besonders für die dezentrale Energieversorgung von Häusern, Industrieanlagen oder dergleichen.the like up to power plants. Here, fuel cell technology is particularly suitable for the decentralized energy supply of houses, industrial plants or the like.

In bevorzugter Weise wird die vorliegende Erfindung in Verbindung mit Brennstoffzellen mit Polymermembranen (PEM) verwendet. Diese Brennstoffzellen haben einen hohen elektrischen Wirkungsgrad, verursachen nur minimale Emissionen, weisen ein optimales Teillastverhalten auf und sind im wesentlichen frei von mechanischem Verschleiß.The present invention is preferably used in conjunction with fuel cells with polymer membranes (PEM). These fuel cells have a high electrical efficiency, cause only minimal emissions, have optimal part-load behavior and are essentially free of mechanical wear.

Die Erfindung wird nun auf exemplarische Weise an Hand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:The invention will now be explained in more detail by way of example using embodiments with reference to the accompanying drawings.

Fig. 1 in schematischer Ansicht ein erfindungsgemäßesFig. 1 in schematic view an inventive

Brennstoffzellensystem,fuel cell system,

Fig. 2 eine besondere Ausführungsform des Sensorelements zur BestimmungFig. 2 a special embodiment of the sensor element for determining

der Schadstoffkonzentration, und
Fig. 3 eine weitere Ausführungsform des Sensorelements zur Bestimmung derthe pollutant concentration, and
Fig. 3 shows another embodiment of the sensor element for determining the

Schadstoffkonzentration.pollutant concentration.

In Fig. 1 ist ein Brennstoffzellensystem 10 für ein Fahrzeug dargestellt. Das Brennstoffzellensystem 10 weist eine Vielzahl von Brennstoffzellen 11 auf, die zu einem Brennstoffzellen-Stack zusammengefaßt sind. Der besseren Übersicht halber ist in Fig. 1 jedoch nur eine der Brennstoffzellen 11 dargestellt. Die Brennstoffzelle 11 ist mit einer Oxidationsmittelzuleitung 12 und einer Oxidationsmittelableitung 13 verbunden. Hierüber wird der Brennstoffzelle 11 ein geeignetes Oxidationsmittel, im vorliegenden Fall Sauerstoff, der aus der Umgebungsluft entnommen wird, zugeführt (Kathodengas) beziehungsweise aus dieser wieder abgeführt (Kathodenabgas). Weiterhin ist die Brennstoffzelle 11 mit einer Brennstoffzuleitung 14 für das Anodengas und einer Brennstoffableitung 15 für das Anodenabgas verbunden. Über die Brennstoffzuleitung 14 wird der Brennstoffzelle 11 im vorliegenden Fall aus einem Kohlenwasserstoff reformierter Wasserstoff als Anodengas zugeführt.Fig. 1 shows a fuel cell system 10 for a vehicle. The fuel cell system 10 has a large number of fuel cells 11 which are combined to form a fuel cell stack. For the sake of clarity, however, only one of the fuel cells 11 is shown in Fig. 1. The fuel cell 11 is connected to an oxidant feed line 12 and an oxidant discharge line 13. A suitable oxidant, in this case oxygen, which is taken from the ambient air, is fed to the fuel cell 11 via this line (cathode gas) or discharged from the ambient air (cathode exhaust gas). The fuel cell 11 is also connected to a fuel feed line 14 for the anode gas and a fuel discharge line 15 for the anode exhaust gas. In this case, hydrogen reformed from a hydrocarbon is fed to the fuel cell 11 as anode gas via the fuel feed line 14.

Der Wasserstoff wird in einer Anordnung 16 zum Erzeugen/Aufbereiten eines Brennstoffs, die über die Brennstoffzuleitung 14 mit der Brennstoffzelle 11 verbundenThe hydrogen is generated in an arrangement 16 for producing/processing a fuel, which is connected to the fuel cell 11 via the fuel supply line 14.

ist, aus einem Kohlenwasserstoff wie Methanol, Benzin, Erdgas oder dergleichen hergestellt. Dazu weist die Anordnung 16 zum Erzeugen/Aufbereiten des Brennstoffs einen nicht dargestellten Reformer, einen Verdampfer, einen Shift-Reaktor, und einen Reaktor zur selektiven Oxidation auf. Da sowohl der Reformer als auch der Verdampfer zu ihrem Betrieb Wärme benötigen, sind diese weiterhin mit einer als katalytischer Brenner ausgebildeten Heizeinrichtung mit indirektem Wärmeaustausch verbunden. Über die Heizeinrichtung werden die beiden Reaktorelemente jeweils auf ihre optimale Betriebstemperatur erwärmt.is produced from a hydrocarbon such as methanol, gasoline, natural gas or the like. For this purpose, the arrangement 16 for producing/preparing the fuel has a reformer (not shown), an evaporator, a shift reactor and a reactor for selective oxidation. Since both the reformer and the evaporator require heat to operate, they are also connected to a heating device designed as a catalytic burner with indirect heat exchange. The two reactor elements are each heated to their optimum operating temperature via the heating device.

Der in der Anordnung 16 zum Erzeugen/Aufbereiten des Brennstoffs hergestellte Wasserstoff wird über die Brennstoffzuleitung 14 in die Brennstoffzelle 11 hineingeleitet. Um den Brennstoff vor dem Eintritt in die Brennstoffzelle 11 auf eine geeignete Temperatur vorzuwärmen, ist in der Brennstoffzuleitung 14 weiterhin eine Heizeinrichtung 17 vorgesehen, die als Brenner oder elektrisches Heizelement ausgebildet sein kann. Über die Heizeinrichtung 17 wird der Brennstoff auf die für den Brennstoffzellenbetrieb optimale Temperatur vorgewärmt.The hydrogen produced in the arrangement 16 for generating/preparing the fuel is fed into the fuel cell 11 via the fuel feed line 14. In order to preheat the fuel to a suitable temperature before it enters the fuel cell 11, a heating device 17 is also provided in the fuel feed line 14, which can be designed as a burner or an electrical heating element. The fuel is preheated to the optimum temperature for fuel cell operation via the heating device 17.

Nach dem Austritt aus der Brennstoffzelle 11 wird der Brennstoff (d.h. das Anodenabgas) über eine Brennstoffableitung 15 abgeleitet. Zur Einstellung eines geeigneten Drucks ist innerhalb der Brennstoffableitung 15 ein Druckregler 20 vorgesehen. Weiterhin weist die Brennstoffableitung 15 ein Ventil 21 auf, das im vorliegenden Ausführungsbeispiel als elektrisch betätigbares Drei-Wege-Ventil ausgebildet ist. Über eine entsprechende Stellung des Ventils 21 kann der die Brennstoffableitung 15 durchströmende Abgasstrom entweder aus dem Brennstoffzellensystem 10 abgeleitet oder aber der Anordnung 16 zum Erzeugen/Aufbereiten des Brennstoffs zugeleitet werden.After leaving the fuel cell 11, the fuel (i.e. the anode exhaust gas) is discharged via a fuel discharge line 15. A pressure regulator 20 is provided within the fuel discharge line 15 to set a suitable pressure. The fuel discharge line 15 also has a valve 21, which in the present embodiment is designed as an electrically actuated three-way valve. By setting the valve 21 accordingly, the exhaust gas flow flowing through the fuel discharge line 15 can either be discharged from the fuel cell system 10 or fed to the arrangement 16 for producing/processing the fuel.

In der Brennstoffzuleitung 14 ist weiterhin ein Sensorelement 30 zur Bestimmung der Konzentration an Schadstoffen vorgesehen. Dies ist zweckmäßigerweise so realisiert, daß nicht der gesamte Strom des Brennstoffs durch das Sensorelement 30 strömt, sondern nur ein kleiner Teilstrom. Die Brennstoffzuleitung 14 weist daher eine Zweigleitung 24 auf, die einen solchen Teilstrom aus dem Hauptstrom abzweigt, durch das Sensorelement 30 führt und dann wieder mit dem Hauptstrom vereinigt. Das Sensorelement 30 ist derart ausgebildet, daß es die Konzentration schädlicherIn the fuel supply line 14, a sensor element 30 is also provided for determining the concentration of harmful substances. This is expediently implemented in such a way that not the entire flow of fuel flows through the sensor element 30, but only a small partial flow. The fuel supply line 14 therefore has a branch line 24 which branches off such a partial flow from the main flow, leads it through the sensor element 30 and then reunites it with the main flow. The sensor element 30 is designed in such a way that it measures the concentration of harmful

isis

Substanzen, die bei Eintritt in die Brennstoffzelle 11 zu deren Vergiftung führen könnten, messen kann.Substances that could lead to poisoning of the fuel cell 11 if they enter it.

Schließlich ist in der Brennstoffzuleitung 14 noch ein Drei-Wege-Ventil 18 vorgesehen, über das eine Bypass-Leitung 19 mit der Brennstoffzuleitung 14 verbunden ist. Die Bypass-Leitung 19 ist weiterhin ebenfalls mit der Brennstoffableitung 15 verbunden.Finally, a three-way valve 18 is provided in the fuel supply line 14, via which a bypass line 19 is connected to the fuel supply line 14. The bypass line 19 is also connected to the fuel discharge line 15.

Nachfolgend wird nun die Funktionsweise des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems 10 beschrieben.The mode of operation of the fuel cell system 10 according to the invention is now described.

Wenn das Brennstoffzellensystem 10 mit aus einem anderen Energieträger reformiertem Wasserstoff betrieben wird, kann es insbesondere während der Hochlaufphase des Brennstoffzellensystems 10 geschehen, daß der aus der Anordnung 16 zum Erzeugen/Aufbereiten des Brennstoffs austretende Wasserstoff eine zu hohe Konzentration an Kohlenmonoxid aufweist, das, wenn der verunreinigte Wasserstoff in die Brennstoffzelle 11 eintreten würde, diese vergiften würde. Eine Vergiftung der Brennstoffzelle 11 mit Kohlenmonoxid führt aber zu einem Leistungsabfall der Brennstoffzelle 11 und im schlimmsten Fall zu deren irreversiblen Beschädigung. Aus diesem Grund muß ein Eintritt von Wasserstoff mit zu hohem Kohlenmonoxidgehalt in die Brennstoffzelle 11 verhindert werden.If the fuel cell system 10 is operated with hydrogen reformed from another energy source, it can happen, particularly during the start-up phase of the fuel cell system 10, that the hydrogen emerging from the arrangement 16 for generating/processing the fuel has too high a concentration of carbon monoxide, which would poison the fuel cell 11 if the contaminated hydrogen were to enter it. Poisoning the fuel cell 11 with carbon monoxide leads to a drop in the performance of the fuel cell 11 and, in the worst case, to irreversible damage to it. For this reason, hydrogen with too high a carbon monoxide content must be prevented from entering the fuel cell 11.

Dazu ist das Sensorelement 30 zur Bestimmung der Konzentration innerhalb der Brennstoffzuleitung 14 vorgesehen. Über das Sensorelement 30 wird die im Brennstoffstrom herrschende Konzentration an Kohlenmonoxid gemessen.For this purpose, the sensor element 30 is provided for determining the concentration within the fuel supply line 14. The concentration of carbon monoxide in the fuel flow is measured via the sensor element 30.

Überschreitet die Kohlenmonoxidkonzentration dabei einen zuvor festgelegten Grenzwert, so wird dies vom Sensorelement 30 erfaßt. Auf Grund der Meßergebnisse kann das Ventil 18 über eine Signalleitung 23 entsprechend eingestellt werden, so daß der Wasserstoffstrom nicht in die Brennstoffzelle 11 hinein, sondern über die Bypass-Leitung 19 an dieser vorbeigeleitet wird. Die Einstellung des Ventils 18 wird solange beibehalten, bis die Konzentration des Kohlenmonoxids im Wasserstoff den zugelassenen Grenzwert unterschreitet. Erst dann wird das Ventil 18 wieder umgeschaltet, so daß der Wasserstoff in die Brennstoffzelle 11 hineinströmen kann.If the carbon monoxide concentration exceeds a previously defined limit value, this is detected by the sensor element 30. Based on the measurement results, the valve 18 can be adjusted accordingly via a signal line 23 so that the hydrogen flow is not directed into the fuel cell 11 but bypasses it via the bypass line 19. The setting of the valve 18 is maintained until the concentration of carbon monoxide in the hydrogen falls below the permitted limit value. Only then is the valve 18 switched over again so that the hydrogen can flow into the fuel cell 11.

. Damit der Wasserstoff während des Zeitraums, in dem er über die Bypass-Leitung 19 an der Brennstoffzelle 11 vorbeigeführt wird, für das Brennstoffzellensystem 10 nicht. In order to ensure that the hydrogen is not used by the fuel cell system 10 during the period in which it is passed past the fuel cell 11 via the bypass line 19,

ungenutzt verloren geht, kann er bei einer entsprechenden Stellung des Ventils 21 über die Brennstoffableitung 15 und eine weitere Leitung 22 der Anordnung 16 zum Erzeugen/Aufbereiten des Brennstoffs erneut zur Verfügung gestellt werden. Dabei kann der Wasserstoff zum einen genutzt werden, um die Brenner für den Reformer und den Verdampfer der Anordnung 16 oder aber auch die Heizeinrichtung 17 zu betreiben. Andererseits kann der Wasserstoff auch erneut in die Anordnung 16 eingespeist und in dieser aufbereitet werden. In diesem Fall kann die schädliche Konzentration an Kohlenmonoxid innerhalb des Wasserstoffs beim zweiten Durchlauf der Anordnung 16 derart abgesenkt werden, daß der Wasserstoff in einem zweiten Umlaufzyklus nunmehr in die Brennstoffzelle 11 eingeleitet werden kann.If the hydrogen is lost unused, it can be made available again via the fuel discharge line 15 and another line 22 of the arrangement 16 for producing/processing the fuel when the valve 21 is in the appropriate position. The hydrogen can be used to operate the burners for the reformer and the evaporator of the arrangement 16 or the heating device 17. The hydrogen can also be fed back into the arrangement 16 and processed therein. In this case, the harmful concentration of carbon monoxide within the hydrogen can be reduced during the second pass through the arrangement 16 in such a way that the hydrogen can now be introduced into the fuel cell 11 in a second circulation cycle.

In Fig. 2 ist eine bevorzugte Ausführungsform des Sensorelements 30 zur Konzentrationsbestimmung der Schadstoffe dargestellt. In dieser Ausführungsform ist das Sensorelement 30 als Infrarot-Spektrometer ausgebildet.Fig. 2 shows a preferred embodiment of the sensor element 30 for determining the concentration of pollutants. In this embodiment, the sensor element 30 is designed as an infrared spectrometer.

Dazu weist das Sensorelement 30 zunächst eine Lichtquelle 31 auf, die eine in zwei Lichtbündel 4Oa₁ 40b gleicher Intensität aufgeteilte kontinuierliche Strahlung emittiert. Das erste Lichtbündel 40a dient als Vergleichsstrahl und durchläuft eine Vergleichsprobe 32. Das zweite Lichtbündel 40b tritt durch die Brennstoffzuleitung 14 und damit durch den diese durchströmenden Wasserstoff hindurch. Im nachgeschalteten Photometer 33 findet der optische Nullabgleich der beiden Lichtbündel 40a und 40b statt. Im Photometer 33 werden die beiden Lichtbündel 40a, 40b zu einem einzigen Lichtstrahl 40 zusammengefaßt, der anschließend durch einen Monochromator 34 hindurchgeleitet wird. Der Monochromator 34, der als Prisma oder Beugungsgitter ausgebildet sein kann, zerlegt den resultierenden Lichtstrahl 40. Die optischen Signale werden von einem Detektor 35 aufgefangen und in diesem in elektrische Signale umgewandelt. Die aus dem Detektor 35 über eine elektrische Leitung 41 abgehenden elektrischen Signale werden in einem Verstärker 36 verstärkt und anschließend als Infrarot-Spektrum 38 in einer geeigneten Anzeigeeinrichtung 37, die beispielsweise als Bildschirm, Schreiber, Drucker oder dergleichen ausgebildet sein kann, angezeigt. Über das in der Anzeigeeinrichtung 37 dargestellte Infrarot-Spektrum 38 lassen sich Aussagen über die Kohlenmonoxidkonzentration im Wasserstoff machen. Wenn aus den Absorptionsbanden des Kohlenmonoxids im Infrarot-Spektrum beispielsweise ein zu hoher Kohlenmonoxidgehalt ermittelt wird, wird das in bezug auf Fig. 1 näher beschriebene Ventil 18 umgeschaltet, so daß der Wasserstoff nicht in dieFor this purpose, the sensor element 30 initially has a light source 31 which emits continuous radiation divided into two light beams 40a ₁ 40b of equal intensity. The first light beam 40a serves as a comparison beam and passes through a comparison sample 32. The second light beam 40b passes through the fuel feed line 14 and thus through the hydrogen flowing through it. The optical zero adjustment of the two light beams 40a and 40b takes place in the downstream photometer 33. In the photometer 33, the two light beams 40a, 40b are combined to form a single light beam 40, which is then passed through a monochromator 34. The monochromator 34, which can be designed as a prism or diffraction grating, breaks down the resulting light beam 40. The optical signals are captured by a detector 35 and converted into electrical signals therein. The electrical signals emitted from the detector 35 via an electrical line 41 are amplified in an amplifier 36 and then displayed as an infrared spectrum 38 in a suitable display device 37, which can be designed as a screen, recorder, printer or the like. The infrared spectrum 38 shown in the display device 37 can be used to make statements about the carbon monoxide concentration in the hydrogen. If, for example, the absorption bands of the carbon monoxide in the infrared spectrum indicate that the carbon monoxide content is too high, the valve 18 described in more detail with reference to Fig. 1 is switched over so that the hydrogen does not enter the

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Brennstoffzelle 11 hinein, sondern über die Bypass-Leitung 19 an dieser vorbeigeführt wird. Erst wenn die Absorptionsbande einen Kohlenmonoxidgehalt anzeigen, der unterhalb eines festgelegten Grenzwerts liegt, wird der Wasserstoff zur Stromerzeugung durch die Brennstoffzelle 11 hindurchgeleitet.fuel cell 11, but is led past it via the bypass line 19. Only when the absorption bands indicate a carbon monoxide content that is below a specified limit value is the hydrogen passed through the fuel cell 11 to generate electricity.

In Fig. 3 ist eine weitere Ausführungsform des Sensorelements 30 zur Konzentrationsbestimmung dargestellt. Diese Ausführungsform des Sensorelements 30 weist eine Anzahl von kleineren Test-Brennstoffzellen 39 auf, die hinsichtlich der Brennstoffzufuhr parallel zueinander in die Brennstoffzuleitung 14 eingeschaltet sind.Fig. 3 shows a further embodiment of the sensor element 30 for determining concentration. This embodiment of the sensor element 30 has a number of smaller test fuel cells 39 which are connected in parallel to one another in the fuel supply line 14 with regard to the fuel supply.

Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind insgesamt sechs Test-Brennstoffzellen 39 dargestellt. Allerdings ist die Erfindung nicht auf eine bestimmte Anzahl von Test-Brennstoffzellen 39 beschränkt. Die einzelnen Brennstoffzellen 39 sind jeweils über Zuleitungsteilbereiche 14a bis 14f mit der Brennstoffzuleitung 14 verbunden. Weiterhin ist ein als Ventil ausgebildetes Umschaltelement 42 vorgesehen, über das die einzelnen Zuleitungsteilbereiche 14a bis 14f an die Brennstoffzuleitung 14 angekoppelt beziehungsweise von dieser abgekoppelt werden können.In the present embodiment, a total of six test fuel cells 39 are shown. However, the invention is not limited to a specific number of test fuel cells 39. The individual fuel cells 39 are each connected to the fuel supply line 14 via supply line sections 14a to 14f. Furthermore, a switching element 42 designed as a valve is provided, via which the individual supply line sections 14a to 14f can be coupled to or decoupled from the fuel supply line 14.

Im Betrieb des Brennstoffzellensystems 10 ist das gemäß Fig. 3 ausgebildete Sensorelement 30 derart geschaltet, daß der Brennstoff über die Brennstoffzuleitung 14 und das Umschaltelement 42 zunächst in den Zuleitungsteilbereich 14a eingeleitet, wird und anschließend die mit diesem Zuleitungsteilbereich 14a verbundene Test-Brennstoffzelle 39 durchströmt. Nach Austritt aus der Brennstoffzelle 39 wird der Brennstoff erneut in die Brennstoffzuleitung 14 eingeleitet.During operation of the fuel cell system 10, the sensor element 30 designed according to Fig. 3 is switched in such a way that the fuel is first introduced into the feed line section 14a via the fuel feed line 14 and the switching element 42 and then flows through the test fuel cell 39 connected to this feed line section 14a. After exiting the fuel cell 39, the fuel is again introduced into the fuel feed line 14.

Wenn der Brennstoff - im vorliegenden Fall Wasserstoff - eine zu hohe Schadstoffkonzentration - im vorliegenden Fall Kohlenmonoxidkonzentration aufweist, so daß er bei Eintritt in die Brennstoffzelle 11 diese vergiften würde, führt dies dazu, daß derartige Vergiftungserscheinungen vorher bereits in der Test-Brennstoffzelle 39 auftreten. Da die Test-Brennstoffzelle 39 im Vergleich zur Brennstoffzelle 11 wesentlich kleiner ausgebildet ist, werden sich diese Vergiftungserscheinungen, die in einem Leistungsabfall der Brennstoffzelle 39 resultieren, in dieser relativ schnell bemerkbar machen. Sobald in der Test-Brennstoffzelle 39 ein solcher Leistungsabfall eintritt, wird das in Fig. 1 dargestellte Ventil 18 derart umgeschaltet, daß der Wasserstoff nicht durch die Brennstoffzelle 11 hindurch, sondern über die Bypass-Leitung 19 an dieser vorbeigeleitet wird.If the fuel - in this case hydrogen - has too high a pollutant concentration - in this case carbon monoxide concentration, so that it would poison the fuel cell 11 if it entered it, this leads to such poisoning symptoms already occurring in the test fuel cell 39. Since the test fuel cell 39 is significantly smaller than the fuel cell 11, these poisoning symptoms, which result in a drop in the performance of the fuel cell 39, will become noticeable relatively quickly. As soon as such a drop in performance occurs in the test fuel cell 39, the valve 18 shown in Fig. 1 is switched in such a way that the hydrogen is not passed through the fuel cell 11, but bypasses it via the bypass line 19.

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Um nun eine dauerhafte irreversible Beschädigung der Brennstoffzelle 39 zu vermeiden, wird das Umschaltelement 42 innerhalb des Sensorelements 30 nach einer bestimmten Zeitdauer umgeschaltet, so daß der Wasserstoff nunmehr über den Zuleitungsteilbereich 14b in eine andere, parallel zur ersten Test-Brennstoffzelle 39 geschaltete Test-Brennstoffzelle 39 hinein- und durch diese hindurchströmt. Wiederum wird ein möglicher Leistungsabfall innerhalb der Brennstoffzelle 39 überwacht. Ist die schädliche Kohlenmonoxidkonzentration innerhalb des Wasserstoffs immer noch höher als der zulässige Grenzwert, wird dies zu einem Leistungsabfall auch innerhalb dieser zweiten Test-Brennstoffzelle 39 führen, so daß das in Fig. 1 dargestellte Ventil 18 weiterhin in der Bypass-Stellung geschaltet bleibt. Je nach Andauern der zu hohen Kohlenmonoxidkonzentration des Wasserstoffstroms kann es vorkommen, daß der Wasserstoffstrom über eine entsprechende Umschaltung des Umschaltelements 42 über die weiteren Zuleitungsteilbereiche 14c bis 14f auch noch durch die anderen Test-Brennstoffzellen 39 hindurchgeleitet werden muß. Erst wenn kein Leistungsabfall innerhalb der Test-Brennstoffzelle 39 mehr gemessen wird, wird das Ventil 18 erneut umgestellt, so daß der Wasserstoff nunmehr in die Brennstoffzelle 11 hineingeleitet wird.In order to avoid permanent, irreversible damage to the fuel cell 39, the switching element 42 within the sensor element 30 is switched over after a certain period of time, so that the hydrogen now flows via the supply line section 14b into and through another test fuel cell 39 connected in parallel to the first test fuel cell 39. Again, a possible drop in performance within the fuel cell 39 is monitored. If the harmful carbon monoxide concentration within the hydrogen is still higher than the permissible limit, this will lead to a drop in performance within this second test fuel cell 39 as well, so that the valve 18 shown in Fig. 1 remains switched in the bypass position. Depending on how long the carbon monoxide concentration in the hydrogen flow continues to be too high, it may happen that the hydrogen flow has to be passed through the other test fuel cells 39 via the additional feed line sections 14c to 14f by switching the switching element 42 accordingly. Only when no more drop in performance is measured within the test fuel cell 39 is the valve 18 switched again so that the hydrogen is now passed into the fuel cell 11.

Die durch das Kohlenmonoxid vergifteten Test-Brennstoffzellen 39 werden über eine nicht dargestellte geeignete Einrichtung zum Spülen der Brennstoffzellen gespült. Das kann beispielsweise über ein entsprechendes Spülgas, beispielsweise Sauerstoff oder dergleichen, geschehen. Durch den Spülvorgang werden die vergifteten, jedoch noch nicht irreversibel vergifteten Test-Brennstoffzellen 39 regeneriert, so daß sie im weiteren Betriebsverlauf des Sensorelements 30 erneut eingesetzt werden können.The test fuel cells 39 poisoned by the carbon monoxide are purged using a suitable device (not shown) for purging the fuel cells. This can be done using an appropriate purging gas, such as oxygen or the like. The purging process regenerates the poisoned, but not yet irreversibly poisoned test fuel cells 39, so that they can be used again in the further course of operation of the sensor element 30.

BezugszeichenlisteList of reference symbols

1010 BrennstoffzellensystemFuel cell system 1111 BrennstoffzelleFuel cell 1212 OxidationsmittelzuleitungOxidant supply line 1313 OxidationsmittelableitungOxidant discharge 1414 BrennstoffzuleitungFuel supply line 14a-f =14a-f = ZuleitungsteilbereicheSupply line sections 1515 BrennstoffableitungFuel discharge 1616 Anordnung zum Erzeugen/Aufbereiten einesArrangement for generating/preparing a BrennstoffsFuel 1717 HeizeinrichtungHeating device 1818 VentilValve 1919 Bypass-LeitungBypass line 2020 DruckreglerPressure regulator 2121 VentilValve 2222 LeitungLine 2323 SignalleitungSignal line 2424 ZweigleitungBranch management 3030 Sensorelement zur KonzentrationsbestimmungSensor element for concentration determination 3131 LichtquelleLight source 3232 VergleichsprobeComparison sample 3333 PhotometerPhotometer 3434 MonochromatorMonochromator 3535 Detektordetector 3636 Verstärkeramplifier 3737 AnzeigeeinrichtungDisplay device 3838 Infrarot-SpektrumInfrared spectrum 3939 Test-BrennstoffzelleTest fuel cell 4040 Lichtstrahllight beam 40a,b =40a,b = Teilstrahl des LichtstrahlsPartial beam of the light beam 4141 elektrische Leitungelectrical line 4242 UmschaltelementSwitching element

Claims

1. Fuel cell system, with at least one fuel cell ( 11 ), an arrangement ( 16 ) for producing/preparing a fuel, which is connected to the fuel cell ( 11 ) via a fuel supply line ( 14 ), and an oxidant supply line ( 12 ) for supplying oxidant to the fuel cell ( 11 ), wherein at least one sensor element ( 30 ) for detecting impermissible pollutant contents is provided in the fuel supply line ( 14 ) and/or the oxidant supply line ( 12 ), and a bypass line ( 19 ) bypassing the fuel cell ( 11 ) is connected to the supply line (14; 12) in which the sensor element ( 30 ) is arranged, and wherein the bypass line ( 19 ) is connected to the supply line ( 14 ; 12 ) in which the sensor element (30) is arranged via a valve ( 18 ), in particular an electrically actuatable three-way valve, to the supply line (14; 12). 14 ; 12 ) in which the sensor element ( 30 ) is arranged, characterized in that the sensor element ( 30 ) is designed as an infrared spectrometer or as a sensor element ( 30 ) for measuring the nuclear magnetic resonance of a substance or is formed from several test fuel cells ( 39 ) which are connected via respective supply line sections ( 14 a-f) to the supply line ( 14 ; 12 ) in which the sensor element ( 30 ) is provided.

2. Fuel cell system according to claim 1, characterized in that a switching element ( 42 ), in particular a valve, is provided, via which the supply line sections ( 14 a-f) are connected to the supply line ( 14 ; 12 ).

3. Fuel cell system according to claim 1 or 2, characterized in that the test fuel cells ( 39 ) are connected to a device for regenerating fuel cells.

4. Fuel cell system according to one of claims 1 to 3, characterized in that the fuel cells ( 39 ) are smaller and/or more sensitive than the fuel cell ( 11 ).

5. Fuel cell system according to one of claims 1 to 4, characterized in that the sensor element ( 30 ) comprises a measuring device for measuring the voltage curve in the test fuel cell or the test fuel cells ( 39 ).

6. Fuel cell system according to one of claims 1 to 5, characterized in that the bypass line ( 19 ) is further connected to a fuel discharge line ( 15 ) and/or an oxidizing agent discharge line ( 13 ).

7. Fuel cell system according to one of claims 1 to 6, characterized in that two or more fuel cells ( 11 ) are provided.

8. Vehicle with a fuel cell system ( 10 ) according to one of claims 1 to 7.