DE10063648B4 - Brennstoffzellensystem und Verfahren zum Betreiben des Brennstoffzellensystems - Google Patents

Brennstoffzellensystem und Verfahren zum Betreiben des Brennstoffzellensystems Download PDF

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Abstract

Brennstoffzellensystem mit einer Brennstoffzelleneinheit (1) mit einer anodenseitigen Zufuhr- und Abführleitung (4, 5) zur Zufuhr und Abfuhr eines wasserstoffhaltigen Mediums zu und von der Brennstoffzelleneinheit (1) und einer kathodenseitigen Zufuhr- und Abführleitung (2, 3) zur Zufuhr und Abfuhr eines sauerstoffhaltigen Mediums zu und von der Brennstoffzelleneinheit (1), sowie einem Brennmitteltank (6) zur Bevorratung eines Brennmittels, aus dem Wasserstoff zur Versorgung der Brennstoffzelleneinheit (1) in einem Gaserzeugungssystem (7) gewonnen wird, wobei im Brennstoffzellensystem zumindest ein Adsorbermittel (8) zum Adsorbieren von aus dem Brennmitteltank (6) ausgasenden Brennmitteldämpfen vorgesehen ist, und wobei eine Eingangsseite (9) des zumindest einen Adsorbermittels (8) mit dem Brennmitteltank (6) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine Ausgangsseite (11) des zumindest einen Adsorbermittels (8) zumindest zeitweise mit der kathodenseitigen Zufuhrleitung (2) der Brennstoffzelleneinheit (1) verbunden ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem gemäß dem Oberbegriff der Ansprüche 1 und 9 und ein Verfahren zum Betreiben des Brennstoffzellensystems gemäß dem Oberbegriff der Ansprüche 12 und 17.
  • Aus der DE 42 27 698 C2 ist bekannt, aus dem Kraftstofftank ausgasende Kraftstoffdämpfe mit Aktivkohlefiltern zu adsorbieren und der Brennkraftmaschine zuzuführen, indem das Aktivkohlefilter mit einer Ansaugleitung der Brennkraftmaschine verbunden wird und die adsorbierten Dämpfe durch den darin herrschenden Unterdruck herausgezogen werden. Dabei wird das Aktivkohlefilter auch regeneriert. Die Kraftstoffmengen, die auf diese Weise in das Versorgungssystem der Brennkraftmaschine zurückgeführt werden, sind relativ gering, so dass die Verbrennungseigenschaften der Brennkraftmaschine davon praktisch nicht beeinflusst werden.
  • Bei Brennstoffzellensystemen, welche nicht mit Wasserstoffgas betrieben werden, sondern mit Brennmitteln wie Methanol oder dergleichen, ist es ebenso gewünscht, leichtflüchtige Brennmitteldämpfe aus dem Brennmitteltank mit Adsorbern aufzufangen und nicht in die Umwelt gelangen zu lassen. Es ist auch bekannt, Aktivkohlefilter zum Adsorbieren von Methanoldämpfen bei Brennstoffzellenfahrzeugen einzusetzen. Problematisch ist dabei jedoch, den Adsorber im Brennstoffzellensystem zu regenerieren.
  • So kann das adsorbierte Brennmittel nicht einfach etwa in das Gaserzeugungssystem zugegeben werden, in dem Wasserstoff zum Betreiben der Brennstoffzelle aus dem Brennmittel gewonnen wird. Dies ist auch in geringen Mengen störend, da die jeweilig angebotene Brennmittelmenge etwa bei der Reformierungsreaktion und anderen Reaktionen im System ein wichtiger Betriebsparameter ist, der die Dynamik und den Wirkungsgrad des Brennstoffzellensystems stark beeinflussen kann. Eine Entsorgung in dem Brennmitteltank wiederum würde bedeuten, dass dieser als Drucktank ausgeführt werden müsste. Dies ist teuer und vor allem bei Brennstoffzellenfahrzeugen aus Preis-, Gewichts- und Kostengründen ungünstig.
  • Die DE 199 16 386 A1 beschreibt ein Brennstoffzellensystem mit einer Brennstoffzelle, einem Kraftstofftank und einem mit dem Kraftstofftank verbundenen Aktivkohlefilter zur Adsorption von aus dem Kraftstofftank freigesetzten Kohlenwasserstoffen. Zur Regeneration des Aktivkohlefilters wird ein aus der Brennstoffzelle austretender Kathodenabgasstrom durch den Filter hindurchgeleitet, wodurch die adsorbierten Kohlenwasserstoffe freigesetzt und von dem Abgasstrom mitgerissen werden. Der Abgasstrom wird anschließend einem katalytischen Brenner eines Gaserzeugungssystems zugeführt, in dem die Kohlenwasserstoffe verbrannt werden, bevor sie in die Atmosphäre austreten können.
  • Die DE 198 13 321 A1 offenbart eine Adsorptionsfiltereinrichtung für die Be- und Entlüftung eines Kraftstofftanks, bei der der Kraftstofftank über einen regenerierbares Filtermaterial enthaltenden Adsorptionsfilter mit der Atmosphäre verbunden ist. Zur Regeneration des Filters wird ein von einer Pumpe geförderter Regenerationsgasstrom über den Filter geleitet und schließlich einem Verbrennungsmotor zugeführt.
  • Aus der DE 19650 517 A1 ist eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Entlüftung eines mit einer Brennkraftmaschine verbundenen Kraftstofftanks bekannt, bei denen aus dem Kraftstofftank austretende Kraftstoffdämpfe in einem Adsorptionsbehälter zwischengespeichert und der Brennkraftmaschine in bestimmten Betriebsbereichen zugeführt werden. Um eine Spülung des Adsorptionsbehälters durchzuführen, ist in einer mit dem Adsorptionsbehälter verbundenen Regenerierungsleitung eine Überdruckpumpe angeordnet.
  • Die DE 198 54 997 A1 beschreibt eine Anordnung mit einem Kraftstofftank, der mit einem Druckbehälter zum Speichern von Gasen verbunden ist.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Brennstoffzellensystem mit einem Adsorber zum Adsorbieren von Brennmitteldämpfen sowie ein Verfahren zum Betreiben eines derartigen Brennstoffzellensystems anzugeben, bei denen eine Regeneration des Adsorbers auf einfache Art und Weise unabhängig von einem in einem Kathodenabgasstrom vorherrschenden Druck möglich ist.
  • Diese Aufgabe wird durch ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 oder des Anspruchs 9 und ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 12 oder des Anspruchs 17 gelöst.
  • Erfindungsgemäß ist eine Ausgangsseite eines zumindest einen Adsorbermittels mit der kathodenseitigen Zuführleitung eines sauerstoffhaltigen Mediums verbunden.
  • Der Vorteil ist, dass Brennmitteldämpfe des ausgasenden Brennmittels im Adsorber aufgefangen werden und in das Brennstoffzellensystem geführt werden, ohne die empfindliche Dosierung der kathodenseitigen und anodenseitigen Medien zu stören.
  • Besonders vorteilhaft ist es, die Brennmitteldämpfe beim Kaltstart des Brennstoffzellensystems einzusetzen, indem die Brennmitteldämpfe mit dem sauerstoffhaltigen Medium gemischt und zumindest kurzzeitig durch Kaltstartkomponenten geleitet wird. Damit kann der Katalysator in den Kaltstartkomponenten innerhalb weniger Sekunden auf eine erhöhte Temperatur gebracht werden und die eigentliche katalytische Umsetzung des Brennmittels bewirken. Die Kaltstartphase des Brennstoffzellensystems kann so verkürzt werden, und es fallen weniger unerwünschte Emissionen in dieser Phase an.
  • Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
  • Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung gehen aus den weiteren Ansprüchen und der Beschreibung hervor.
  • Die Erfindung ist nachstehend anhand einer Zeichnung näher beschrieben, wobei die Figuren zeigen:
  • 1 eine Prinzipdarstellung einer bevorzugten Anordnung des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems, bei der Brennmitteldämpfe der Saugleitung eines Kompressors und anschließend Kaltstartkomponenten zugeführt werden,
  • 2 eine weitere bevorzugte Anordnung des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems, bei der Brennmitteldämpfe katalytisch umgesetzt werden,
  • 3 ein Brennstoffzellensystem, bei dem Brennmitteldämpfe einem Vorbrenner/Nachbrenner zugeführt sind und das nicht Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist und
  • 4 ein Detail einer weiteren bevorzugten Anordnung des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems, bei dem Reformat zum Spülen des Adsorbermittels eingesetzt wird.
  • Die Erfindung ist besonders für den mobilen Einsatz von Brennstoffzellensystemen geeignet, insbesondere für Brennstoffzellenfahrzeuge.
  • In 1 ist ein Brennstoffzellensystem mit einer Brennstoffzelleneinheit 1 dargestellt. Die Brennstoffzelleneinheit 1 weist anodenseitig eine Zuführleitung 4 und eine Abführleitung 5 und kathodenseitig eine Zuführleitung 2 und eine Abführleitung 3 auf. Die Brennstoffzelleneinheit 1 kann aus einer Mehrzahl von einzelnen Brennstoffzellen bestehen, die elektrisch parallel und/oder seriell verschaltet sein können. Über die Zuführleitung 4 wird ein wasserstoffhaltiges Medium, vorzugsweise Wasserstoff, der Brennstoffzelleneinheit 1 zugeführt und über die Abführleitung 5 das anodenseitige Abgas abgeleitet. Über die Zuführleitung 2 wird ein sauerstoffhaltiges Medium, vorzugsweise Luft, der Brennstoffzelleneinheit 1 zugeführt und über die Abführleitung 3 das kathodenseitige Abgas abgeführt. Stromab kann das kathodenseitige und anodenseitige Brennstoffzellenabgas zusammengeführt sein und/oder im Gaserzeugungssystem als Heizmedium in an sich bekannter Weise verwendet werden, um Wärme einem Verdampfer, einem Reformer, einem Brenner und/oder einem katalytischen Brenner zuzuführen oder dort durch katalytische Umsetzung von Wasserstoff und/oder Kohlenmonoxid im Abgas zu erzeugen.
  • Ein Brennmittel, vorzugsweise Methanol oder ein anderer Alkohol oder ein Ether oder ein Kohlenwasserstoff, wird in einem Brennmitteltank 6 bevorratet und über eine Leitung 26 einem Gaserzeugungssystem 7 zugeführt. Die Verbindung zwischen Leitung 26 und dem Gaserzeugungssystem ist durch die Kontaktpunkte A angedeutet. Aus dem Brennmittel wird in dem Gaserzeugungssystem 7 vorzugsweise Wasserstoff zur Versorgung der Brennstoffzelleneinheit 1 gewonnen. Details des Gaserzeugungssystems 7, wie etwa Reformer, Gasreinigung, Kühlung und dergleichen, sind nicht dargestellt, lediglich eine Komponente 12 ist dargestellt, die eine direktbeheizte Komponente des Gaserzeugungssystems 7 mit einem oder mehreren Brennern darstellen soll. Der Brenner kann ein Brenner mit offener Flamme oder ein katalytischer Brenner sein. Es können mehrere Brenner vorhanden sein. Vorzugsweise ist ein Brenner ein Vorbrenner, der den Reformer des Gaserzeugungssystems 7 heizt. In einer weiteren bevorzugten Ausbildung kann zusätzlich auch ein Nachbrenner stromab des Reformers vorgesehen sein. Der oder die Brenner 12 werden vorzugsweise überwiegend mit Brennstoffzellenabgas betrieben. Die Brennmitteldämpfe können dem Brennmittelstrom auf der aktiven Seite der Komponenten zugegeben werden, diese Alternative ist nicht dargestellt, oder wie in der Figur dargestellt, auf der passiven Seite der Komponenten zugeführt werden.
  • Im Brennstoffzellensystem ist zumindest ein Adsorbermittel 8 zum Adsorbieren von aus dem Brennmitteltank 6 ausgasenden Brennmitteldämpfen vorgesehen. Das Adsorbermittel 8 weist zweckmäßigerweise einen Sensor 22 auf, der den Beladezustand des Adsorbers anzeigt.
  • Eine Eingangsseite 9 des zumindest einen Adsorbermittels 8 ist mit dem Brennmitteltank 6 verbunden. Eine Ausgangsseite 11 des zumindest einen Adsorbermittels 8 kann mit der kathodenseitigen Zuführleitung 2 des sauerstoffhaltigen Mediums verbunden sein. Dazu ist stromab eine Leitung 13 zwischen dem Absorbermittel 8 und einem Kompressor 19 vorgesehen.
  • Die Ausgangsseite 11 kann zusätzlich oder alternativ stromauf mit Brennerkomponenten 12 verbunden sein.
  • Zum Spülen des Adsorbers 8 ist vorzugsweise eine Spülleitung 18 vorgesehen, die stromauf des Adsorbers 8 mit einem Ventil 16 und stromab mit einem Ventil 15 abschließbar ist. Ebenso ist es günstig, zwischen Brennmitteltank 6 und Adsorber 8 ein Ventil 14 anzuordnen, um Brennmitteltank 6 und Adsorber 8 voneinander zu trennen. Stromab des Ventils 15 kann in einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung die Verbindungsleitung 13 angeschlossen sein, die mit der Luftansaugleitung 28 des Kompressors 19 verbunden ist, der die Kathodenseite der Brennstoffzelleneinheit 1 mit sauerstoffhaltigem Medium versorgt. Der Kompressor 19 kann die Luft durch den Adsorber 8 und/oder über die weitere Ansaugleitung 28 ansaugen. Die Ansaugleitung 13 kann mit einem Ventil 27 absperrbar sein. Sind Ventil 15 und Ventil 27 geöffnet, können die Brennmitteldämpfe über den Kompressor 19 aus dem Adsorber 8 gesaugt und dieser auf diese Weise regeneriert werden.
  • Stromauf des Ventils 16 kann auch eine Pumpe 20 angeordnet sein, mittels welcher die adsorbierten Brennmitteldämpfe aus dem Adsorber 8 gespült werden können. Dazu wird das Ventil 16 und das Ventil 15 geöffnet. Ventil 14 wird dann zweckmäßigerweise geschlossen, um den Brennmitteltank nicht einem zu hohen Druck auszusetzen. Die Brennmitteldämpfe werden aus dem Adsorber 8 herausgespült und können vorzugsweise den Brenner-Komponenten 12 im Gaserzeugungssystem 7 zugeführt werden und/oder dem Kompressor 19 zugeführt werden.
  • Statt der Pumpe 20 kann die Luft aus dem Kompressor 19 oder eines Hochdruckverdichters zum Ausspülen des Adsorbers 8 verwendet werden. Dazu kann eine nicht dargestellte Bypassleitung von der Hochdruckseite des Kompressors 19 zum Eingang 10 des Adsorbers 8 vorgesehen sein.
  • Es kann auch eine weitere Pumpe 21 in der Spülleitung 18 stromab des Adsorbers 8 vorgesehen sein, welche die Brennmitteldämpfe aus dem Adsorber 8 heraussaugt.
  • In einer alternativen Ausgestaltung ist es auch möglich, den Adsorber 8 mittels jenem Dosierluftstrom zu spülen, welcher zur Sauerstoffversorgung einer nicht dargestellten Kohlenmonoxid-Entfernungseinheit im Gaserzeugungssystem 7 vorgesehen ist, oder auch zur Versorgung einer Heizkomponente für einen Reformierungsreaktor, etwa einem katalytischen Brenner, oder einem Reaktor zur partiellen Oxidation von Kohlenmonoxid oder einer Luftspülung der Brennstoffzelleneinheit für einen sogenannten Air Bleed. Dazu sollte der Adsorber druckfest ausgelegt sein, da das Druckniveau dieser Dosierluft gegenüber Normaldruck erhöht ist. Der Druck kann mehrere bar betragen. Diese Anordnung ist sehr günstig, da die Maßnahme zu Beginn der Reaktionskette im Gaserzeugungssystem 7 eingreift.
  • Energetisch besonders günstig ist, die aus dem Adsorber 8 ausgespülten Brennmitteldämpfe den Brenner-Komponenten 12 zuzuführen.
  • Der Vorteil ist, daß der Adsorber 8 regeneriert werden kann, ohne daß er aus dem System entfernt werden muß. Dies ist besonders bei der Verwendung einer Anordnung gemäß der Erfindung in Brennstoffzellenfahrzeugen sehr vorteilhaft, da eine on-Bord Regenerierung ermöglicht wird.
  • Werden die Brennmitteldämpfe dem Kompressor 19 zugeführt, können diese entweder unverändert der Kathodenzuluft zugeführt werden oder in einer weiteren günstigen Weiterbildung der Erfindung katalytisch umgesetzt werden und dann erst der Kathodenzuluft zugemischt werden. Im ersten Fall ist die Kathodenzuluft mit einer geringen Menge von Brennmitteldämpfen versetzt. Die Brennmitteldämpfe werden einfach der Saugleitung 28 des Kompressors 19 zugegeben, wobei sie durch den Unterdruck auf der Kompressorsaugseite aus dem Adsorber 8 herausgesaugt werden können. Dazu sind die Ventile 15, 16, 25, 27 geöffnet, Ventil 14, 23 sind geschlossen. Da die Luftmenge, die angesaugt wird, sehr groß ist, stellen die Brennmitteldämpfe nur einen sehr kleinen Anteil, unterhalb von 1 vol%, der gesamten, der Brennstoffzelleneinheit 1 kathodenseitig zugeführten Menge des oxidierenden Mediums dar. Eine solche Menge Brennmitteldämpfe in der Kathodenzuluft kann die Brennstoffzelleneinheit 1 tolerieren.
  • Im anderen Fall ist zusätzlich stromauf des Kompressors 19 in der Verbindungsleitung 13 zwischen Adsorbermittel 8 und Kompressor 19 eine zusätzliche katalytische Komponente 17 vorgesehen, um Brennmitteldämpfe, die aus dem Adsorber 8 in das System gelangen, katalytisch umzusetzen und das vorzugsweise zu oxidierende Produkt der Kathodenzuluft beizumischen. Zwar kann der Wirkungsgrad des Kompressors 19 dadurch etwas verringert werden, da die Temperatur der Zuluft erhöht wird, jedoch ist diese Lösung besonders einfach und leicht umzusetzen. Die Kathodenseite der Brennstoffzelleneinheit 1 wird dann nicht mit geringen Mengen von Brennmitteldämpfen in der Kathodenzuluft beaufschlagt.
  • In 2 ist eine weitere bevorzugte Anordnung des Brennstoffzellensystems dargestellt. Die Anordnung entspricht weitgehend der Anordnung der 1.
  • Bevorzugt werden die ausgespülten oder aus dem Adsorbermittel 8 gesaugten Brennmitteldämpfe stromauf von katalytisch aktiven Komponenten des Gaserzeugungssystems 7, besonders bevorzugt Kaltstartkomponenten des Brennstoffzellensystems, die im wesentlichen in der Startphase des Brennstoffzellensystems zum Einsatz kommen, zugeführt. Kaltstartkomponenten sind vorzugsweise solche, die eine geringe thermische Masse aufweisen, so daß Temperaturänderungen der Komponenten schnell erfolgen können. Besonders bevorzugt sind solche Kaltstartkomponenten in der Gasreinigungsstufe des Brennstoffzellensystems vorgesehen.
  • Besonders im Kaltstartfall ist es vorteilhaft, der Saugseite des Kompressors 19 Brennmitteldämpfe zuzuführen und das Gemisch im Kaltstartfall zum Zünden der katalytischen Reaktion kurzzeitig durch katalytische Bereiche von Kaltstartkomponenten, vorzugsweise Komponenten mit katalytisch aktiven Bereichen, im Gaserzeugungssystem 7 zu leiten.
  • Die Zugabe erfolgt so, daß entweder die Luft über den Adsorber 8 angesaugt wird oder der Kompressor 19 über seine weitere Ansaugleitung 28 Frischluft ansaugt und die Brennmitteldämpfe durch eine der oben beschriebenen Maßnahmen aus dem Adsorber 8 ausgespült und in die Ansaugleitung des Kompressors zugemischt werden. Ventil 25 ist geschlossen und Ventil 23 geöffnet, so daß das Luft/Brennmitteldampf-Gemisch über die Leitung 24 den entsprechenden Kaltstartkomponenten des Gaserzeugungssystems 7 zugeführt wird. Nachdem das Zündgemisch eine vorgegebene Zeit oder bis zur Erreichung einer vorgegebenen Temperatur von Kaltstartkomponenten durch diese Komponenten geleitet wurde, kann der Medienstrom umgeleitet werden, um durch die Kathodenseite der Brennstoffzelleneinheit 1 zu fließen. Dazu wird Ventil 23 geschlossen und Ventil 25 geöffnet.
  • Wegen der großen angesaugten Luftmenge sind nur sehr geringe Mengen Brennmitteldämpfe, höchstens bis zu 1 vol%, im Luftstrom enthalten. Dies ist jedoch ausreichend, um innerhalb weniger Sekunden einen Katalysator, z.B. Platin, in den Kaltstartkomponenten auf eine erhöhte Temperatur, etwa 200°C, zu erwärmen. Beim üblichen Kaltstart ist unter anderem der Verdampfer noch nicht einsatzbereit, der das Brennmittel aus dem Brennmitteltank 6 verdampfen soll. So könnte in der Startphase flüssiges Brennmittel in das kalte Gaserzeugungssystem 7 gelangen, welches nur mit sehr schlechtem Wirkungsgrad umgesetzt werden kann.
  • Werden jedoch Brennmitteldämpfe aus dem Adsorber 8 verwendet, um katalytische Komponenten, insbesondere von Kaltstartkomponenten im Brennstoffzellensystem, vorzugsweise im Gaserzeugungssystem 7, zu zünden, ist bereits der geringe Anteil Brennmitteldämpfe im Kompressor-Luftstrom ausreichend, um die Startzeit der Komponenten deutlich zu verkürzen. Die katalytischen Komponenten sind jetzt soweit betriebsbereit, dass auch flüssiges Betriebsmittel mit verbessertem Wirkungsgrad umgesetzt werden kann, da der Verdampfer und die weiteren Komponenten nunmehr sehr schnell ihre Betriebstemperaturen erreichen können. Üblicherweise ist es ausreichend, das Gemisch aus Kompressor-Ansaugluft und Brennmitteldämpfen bis zu 5 Sekunden durch die Kaltstartkomponenten zu leiten. Dies ist für den Zündimpuls der Katalysatoren ausreichend. Anschließend werden die Medienströme entsprechend den normalen Betriebsbedingungen des Systems geleitet.
  • Zweckmäßigerweise wird der Adsorber 8 entsprechend dem verwendeten Brennmittel ausgewählt. Vorzugsweise wird ein Aktivkohlefilter für Methanol als Brennmittel verwendet. Der Adsorber 8 kann auch ein Druckspeicher sein oder ein anderes physikalisch oder chemisch geeignetes Speichermedium.
  • In 3 ist ein Brennstoffzellensystem dargestellt. Die Anordnung entspricht wieder weitgehend der in den 1 und 2 beschriebenen Anordnungen. Gleiche Elemente sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Die Brennmitteldämpfe aus dem Adsorber 8 werden stromab der Brennstoffzelleneinheit 1 in das kathodenseitige und/oder anodenseitige Brennstoffzellenabgas 3, 5 geleitet, welches vorzugsweise im Gaserzeugungssystem 7 der Heizseite eines katalytischen Brenners im Abgasstrom zugeführt wird. Dieser kann entweder direkt beheizt sein oder ein heißgasbeheizter Brenner im Abgasstrom sein.
  • In 4 ist ein Detail einer weiteren günstigen Möglichkeit gezeigt, das Adsorbermittel 8 zu spülen. Der Übersichtlichkeit wegen sind nur einige Elemente gezeigt. Dem Gaserzeugungssystem 7 ist ein Druckhalteventil 7.1 zugeordnet, welches verschiedene Druckniveaus des Gaserzeugungssystems 7 von der Brennstoffzelleneinheit 1 trennt. Der Druck im Gaserzeugungssystem 7, bzw. der Druck im Bereich der Reformierung des Brennmittels, ist höher als in der Brennstoffzelleneinheit 1. Im Bereich der Abgasreinigung der Brennstoffzelleneinheit 1 und/oder der Beheizung des Gaserzeugungssystems 7 ist das Druckniveau vorzugsweise niedriger als in der Brennstoffzelleneinheit 1. Der Druckgradient entlang des Strömungswegs des wasserstoffhaltigen und/oder sauerstoffhaltigen Mediums kann vorteilhaft zum Spülen des Adsorbermittels 8 genutzt werden. Dabei wird im Bereich hohen Drucks, also etwa stromauf des Druckhalteventils 7.1, etwas Reformat abgezweigt und dem Adsorbermittel 8 zugeführt. Dieses ist ausgangsseitig vorzugsweise mit dem Anoden- und/oder Kathodenabgas verbunden, welches sich auf niedrigerem Druck befindet als das abgezweigte Reformat. Durch die treibende Kraft des Druckgefälles kann dadurch eine Pumpe zum Spülen des Adsorbermittels 8 eingespart werden. Das Kathoden- und/oder Anodenabgas kann über die Abgasleitungen 3, 5 der Abgasreinigung 12 zugeführt werden.
  • Die verschiedenen Ausgestaltungen der Erfindung können auch einzeln oder zu mehreren miteinander kombiniert werden.

Claims (17)

  1. Brennstoffzellensystem mit einer Brennstoffzelleneinheit (1) mit einer anodenseitigen Zufuhr- und Abführleitung (4, 5) zur Zufuhr und Abfuhr eines wasserstoffhaltigen Mediums zu und von der Brennstoffzelleneinheit (1) und einer kathodenseitigen Zufuhr- und Abführleitung (2, 3) zur Zufuhr und Abfuhr eines sauerstoffhaltigen Mediums zu und von der Brennstoffzelleneinheit (1), sowie einem Brennmitteltank (6) zur Bevorratung eines Brennmittels, aus dem Wasserstoff zur Versorgung der Brennstoffzelleneinheit (1) in einem Gaserzeugungssystem (7) gewonnen wird, wobei im Brennstoffzellensystem zumindest ein Adsorbermittel (8) zum Adsorbieren von aus dem Brennmitteltank (6) ausgasenden Brennmitteldämpfen vorgesehen ist, und wobei eine Eingangsseite (9) des zumindest einen Adsorbermittels (8) mit dem Brennmitteltank (6) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine Ausgangsseite (11) des zumindest einen Adsorbermittels (8) zumindest zeitweise mit der kathodenseitigen Zufuhrleitung (2) der Brennstoffzelleneinheit (1) verbunden ist.
  2. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die kathodenseitige Zufuhrleitung (2) derart mit einer katalytisch aktiven Komponente (12) im Gaserzeugungssystem (7) verbunden ist, dass der katalytisch aktiven Komponente (12) des Gaserzeugungssystems (7) aus dem Adsorbermittel (8) abgeführte Brennmitteldämpfe zumindest zeitweise zuführbar sind.
  3. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Spülleitung (18) zum Spülen des Adsorbermittels (8) vorgesehen ist.
  4. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Spülleitung (18) zum Spülen mit Luft aus einem Kompressor (19) und/oder einem Hochdruckverdichter und/oder einer Pumpe (20) versorgt ist.
  5. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgangsseite (11) des zumindest einen Adsorbermittels (8) mit dem Luft-Ansaugbereich eines in der kathodenseitigen Zufuhrlei tung (2) angeordneten Kompressors (19) verbunden ist.
  6. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Katalysator (17) zur Umsetzung der Brennmitteldämpfe stromauf des Kompressors (19) vorgesehen ist.
  7. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Pumpe (21) vorgesehen ist, um die Brennmitteldämpfe aus dem Adsorbermittel (8) zu saugen.
  8. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die katalytisch aktive Komponente (12) ein katalytischer Brenner zum Beheizen eines Reformers im Gaserzeugungssystem (7) und/oder eine katalytisch aktive Komponente zur Oxidation von Kohlenmonoxid und/oder eine autotherme Reformierungseinheit und/oder ein Nachbrenner im Abgasstrom ist.
  9. Brennstoffzellensystem mit einer Brennstoffzelleneinheit (1) mit einer anodenseitigen Zufuhr- und Abführleitung (4, 5) zur Zufuhr und Abfuhr eines wasserstoffhaltigen Mediums zu und von der Brennstoffzelleneinheit (1) und einer kathodenseitigen Zufuhr- und Abführleitung (2, 3) zur Zufuhr und Abfuhr eines sauerstoffhaltigen Mediums zu und von der Brennstoffzelleneinheit (1), sowie einem Brennmitteltank (6) zur Bevorratung eines Brennmittels, aus dem Wasserstoff zur Versorgung der Brennstoffzelleneinheit (1) in einem Gaserzeugungssystem (7) gewonnen wird, wobei im Brennstoffzellensystem zumindest ein Adsorbermittel (8) zum Adsorbieren von aus dem Brennmitteltank (6) ausgasenden Brennmitteldämpfen vorgesehen ist, wobei eine Eingangsseite (9) des zumindest einen Adsorbermittels (8) mit dem Brennmitteltank (6) verbunden ist, und wobei eine Ausgangsseite des zumindest einen Adsorbermittels (8) mit der anoden- und/oder kathodenseitigen Abführleitung (5, 3) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Adsorbermittel (8) ferner über eine Zufuhrleitung mit einer Hochdruckseite des Gaserzeugungssystems (7) verbunden ist.
  10. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Adsorbermittel (8) ein Aktivkohlefilter ist.
  11. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Adsorbermittel (8) ein Druckspeicher ist.
  12. Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennmitteldämpfe mit einem oxidierenden Medium gemischt und der Kathodenseite (2) der Brennstoffzelleneinheit (1) zugeführt werden.
  13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass dem der Brennstoffzelleneinheit (1) kathodenseitig zugeführten oxidierenden Medium bis zu 1% Brennmitteldämpfe zugemischt werden.
  14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das bis zu 1% Brennmitteldämpfe enthaltende oxidierende Medium im Kaltstartfall zum Zünden einer katalytischen Reaktion kurzzeitig durch katalytisch aktive Bereiche von Kaltstartkomponenten im Brennstofffzellensystem geleitet wird.
  15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das bis zu 1% Brennmitteldämpfe enthaltende oxidierende Medium bis zu 5 Sekunden durch die Kaltstartkomponenten geleitet wird.
  16. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennmitteldämpfe mit einer Pumpe (21) aus dem Adsorbermittel (8) gesaugt oder mit Luft aus dem Kompressor (19) oder einem Hochdruckverdichter oder einer Pumpe (20) aus dem Adsorbermittel (8) gespült werden.
  17. Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems nach Anspruch 9, wobei die Brennmitteldämpfe der anoden- und/oder kathodenseitigen Abführleitung (5, 3) zugeführt werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennmitteldämpfe durch über die mit der Hochdruckseite des Gaserzeugungssystems (7) verbundene Zufuhrleitung in das Adsorbermittel (8) zugeführtes Reformat aus dem Adsorbermittel (8) gespült werden.
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