DE10147680A1

DE10147680A1 - Fuel cell system comprises dosing arrangement for introducing starting material into liquid arranged between separator and valve arrangement, and further dosing arrangement and sensor for starting material

Info

Publication number: DE10147680A1
Application number: DE10147680A
Authority: DE
Inventors: Ray Mack; Uwe Pasera
Original assignee: Ballard Power Systems AG; Siemens VDO Electric Drives Inc
Current assignee: Mercedes Benz Fuel Cell GmbH
Priority date: 2001-09-27
Filing date: 2001-09-27
Publication date: 2003-04-10

Abstract

Fuel cell system comprises a dosing arrangement (6) for introducing a starting material (CH3OH) into a liquid (H2O) arranged between an separator (1) and a valve arrangement (4); and a further dosing arrangement (10) and a sensor (11) for the starting material arranged after the collection of all volume streams leaving the valve arrangement. An Independent claim is also included for a process for operating a fuel cell system.

Description

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art sowie ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems nach der im Oberbegriff von Anspruch 10 näher definierten Art. The invention relates to a fuel cell system according to in the preamble of claim 1 defined in more detail Art as well as a method for operating a Fuel cell system according to the preamble of Claim 10 closer defined type.

In einem Brennstoffzellensystem mit einer Brennstoffzelle, welche eine protonenleitende Membran aufweist, und insbesondere in Systemen, in denen Wasserstoff zum Betreiben der Brennstoffzelle mittels eines Reformierungsprozesses in einem Gaserzeugungssystem gewonnen wird, spielt der Wasserhaushalt des Systems eine wichtige Rolle. Besonders bei der mobilen Verwendung eines Brennstoffzellensystems ist das Mitführen von großen Wassermengen zur Befeuchtung des Systems ungünstig, und es wird angestrebt, Wasser aus dem System möglichst wieder zurückzugewinnen. Ein solches System ist in der DE 197 07 814 C1 beschrieben. In a fuel cell system with a Fuel cell, which has a proton-conducting membrane, and especially in systems where hydrogen is used for Operating the fuel cell by means of a Reforming process won in a gas generating system the system's water balance plays one important role. Especially in the mobile use of a Fuel cell system is carrying large Amounts of water to moisten the system unfavorable, and it seeks to get water out of the system to regain as much as possible. Such a system is described in DE 197 07 814 C1.

Dabei wird bei der elektrochemischen Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff in der Brennstoffzelle erzeugtes-Wasser durch den Reformierungsprozeß in dem Gaserzeugungssystem wiederverwendet. Bei diesem Reformierungsprozeß wird Wasser und ein kohlenstoff- und wasserstoffhaltiger Ausgangsstoff, beispielsweise ein Kohlenwasserstoffderivat, verdampft und in Wasserstoff und Kohlendioxid umgewandelt. Dieses wasserstoffhaltige Gas wird dann der Brennstoffzelle zugeführt, welche den darin enthaltenen Wasserstoff zusammen mit Sauerstoff, beispielsweise aus der Luft, in einem katalytischen Prozeß in elektrische Energie und Wasser umwandelt. It is in the electrochemical reaction of Hydrogen and oxygen in the fuel cell produced water through the reforming process in the Reused gas generation system. In this Reforming process becomes water and a carbon and hydrogen-containing starting material, for example a Hydrocarbon derivative, evaporated and in hydrogen and converted to carbon dioxide. This Hydrogen-containing gas is then supplied to the fuel cell, which the hydrogen contained in it together with Oxygen, for example from the air, in one catalytic process into electrical energy and water transforms.

Aus der WO 99/60646 A1 ist ein Brennstoffzellensystem bekannt, bei welchem Wasser aus einem Abgasstrom einer Kathode und einer Anode der Brennstoffzelle zurückgewonnen wird, indem das Wasser aus den Abgasströmen auskondensiert und abgeschieden wird. In dem Gaserzeugungssystem befindet sich zwischen der Reformierungseinheit und der Brennstoffzelle eine selektive Oxidationseinheit zur Oxidation von Kohlenmonoxid, in welche Wasser zur Reaktion und zur Kühlung des wasserstoffhaltigen Gases eingespritzt wird, sowie ein Kondensator, welcher das wasserstoffhaltige Gas vor dem Eintritt in die Brennstoffzelle wieder abkühlt und den in ihm enthaltenen Wasserdampf zumindest teilweise entfernt. From WO 99/60646 A1 is a fuel cell system known, in which water from an exhaust stream of a Cathode and an anode of the fuel cell is recovered by removing the water from the exhaust gas streams is condensed out and separated. In that Gas generating system is located between the Reforming unit and the fuel cell a selective Oxidation unit for the oxidation of carbon monoxide, in which water for the reaction and the cooling of the hydrogen-containing gas is injected, as well as a Capacitor containing the hydrogen-containing gas before Entry into the fuel cell cools down again and the Water vapor contained in it at least partially away.

Des weiteren ist durch die nicht vorveröffentlichte DE 100 32 667 ein Brennstoffzellensystem beschrieben, bei dem ebenfalls im Bereich des Gaserzeugungssystems Abscheider zum Abscheiden von Wasser bzw. Flüssigkeit vorgesehen sind, wobei diese Abscheider durch ihre Lage in dem Gaserzeugungssystem und dem dort vorhandenen Druckniveau deutliche Vorteile gegenüber den eingangs beschriebenen Abscheidern aufweisen. Furthermore, by the not previously published DE 100 32 667 describes a fuel cell system, at also in the area of the gas generation system Separator for separating water or liquid are provided, these separators by their Location in the gas generating system and the existing there Pressure level distinct advantages over the beginning having described separators.

Eine derartige Rückgewinnung von Wasser bringt erhebliche Vorteile bei dem Betreiben des Gaserzeugungssystems mit sich, da, insbesondere beim bevorzugten Einsatzfall des Brennstoffzellensystems in einem Kraftfahrzeug, auf ein Nachtanken von Wasser weitgehend verzichtet werden kann. Allerdings treten mit dem oben genannten System auch erhebliche Probleme auf, insbesondere dann, wenn das Kraftfahrzeug in Regionen betrieben wird in denen es häufiger Temperaturen unter 0°C ausgesetzt ist. Sämtliche nach dem Abstellen des Kraftfahrzeugs mit Wasser befüllten Teile, wie die Abscheider, Leitungselemente, Vorratstanks oder dergleichen, sowie mit Feuchtigkeit behaftete Teile, wie beispielsweise Membranen, Katalysatoren, usw., sind dann der Gefahr des Einfrierens und gegebenenfalls einer Zerstörung durch die Ausdehnung des Wassers beim Einfrieren ausgesetzt. Such recovery of water brings significant advantages in operating the Gas generating system with it, there, especially in the preferred Application of the fuel cell system in one Motor vehicle, on a refueling of water can largely be dispensed with. However, join the above system also presents significant problems especially if the motor vehicle in regions is operated in which there are more frequent temperatures 0 ° C is exposed. All after turning off the Motor vehicle filled with water parts, such as Separators, line elements, storage tanks or the like, as well as moistened parts, such as For example, membranes, catalysts, etc., are then the risk of freezing and possibly one Destruction by the expansion of the water during Freezing exposed.

Es ist daher die Aufgabe der oben genannten Erfindung ein Brennstoffzellensystem und ein Verfahren zum Betreiben desselben zu schaffen, welches die oben genannten Nachteile vermeidet und welches die bestmöglichste Wiederverwendung der abgeschiedenen Flüssigkeit in dem Gaserzeugungssystem, mit minimalem Aufwand an Bauteilen und Bauraum sicherstellt. It is therefore the object of the above invention a fuel cell system and a method for To operate the same, which is the above avoid mentioned disadvantages and which the Best possible reuse of the separated Liquid in the gas generating system, with minimal effort on components and installation space.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die ihn kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst. According to the invention, this object is achieved by him characterizing part of claim 1 features solved.

Ein Verfahren, welches die oben genannte Aufgabe ebenfalls zu lösen vermag, ist durch den kennzeichnenden Teil des Anspruchs 10 beschrieben. A method which has the above object is also able to solve is by the characterizing Part of claim 10 described.

In die Leitungslängen, welche zwischen jedem der Abscheider und den Vorratstanks verlaufen, wird bereits bei der Entleerung jedes der Abscheider der Ausgangsstoff eindosiert. Dadurch wird erreicht, daß sich in den Leitungen ein Gemisch aus der Flüssigkeit, welche im allgemeinen Wasser sein wird, und dem Ausgangsstoff, welcher beispielsweise ein Kohlenwasserstoffderivat sein kann, befindet. In den Leitungslängen liegt somit ein Gemisch vor, welches für die üblicherweise auftretenden Minustemperaturen ausreichend frostsicher ist. In the line lengths, which between each of the Separator and the storage tanks run, is already when emptying each of the separators of the Feedstock dosed. This ensures that in the lines a mixture of the liquid, which In general, water will be, and that Starting material, which for example a Hydrocarbon derivative may be located. In the cable lengths is thus a mixture, which for the usual occurring low temperatures sufficiently frost-proof is.

Um einen reinen Wassertank in dem Fahrzeug zu vermeiden wird nach einer Zusammenführung all dieser Volumenströme, welche aus dem Bereich der Abscheider kommen eine weitere Dosierung für den Ausgangsstoff angeordnet, so daß hier über eine Regelung mit einem entsprechenden Sensor für den Ausgangsstoff das endgültige für den Betrieb des Gaserzeugungssystems benötigte Gemisch aus Flüssigkeit und Ausgangsstoff, beispielsweise Wasser und einem Kohlenwasserstoffderivat hergestellt werden kann. Durch den Sensor kann dabei eine unmittelbare Regelung der Dosierung erfolgen, so daß sichergestellt ist, daß das Gemisch das richtige Verhältnis λ von Ausgangsstoff zu Flüssigkeit, also beispielsweise Methanol zu Wasser, aufweist. Des weiteren kann so in einem Vorratstank ausschließlich dieser sogenannte Premix bevorratet werden, welcher frostsicher ist. To get a clean water tank in the vehicle too will avoid after merging all of these Volume flows, which from the area of the separator come another dosage for the starting material arranged so that here via a scheme with a corresponding sensor for the starting material that final needed for the operation of the gas generating system Mixture of liquid and starting material, for example, water and a hydrocarbon derivative can be produced. Through the sensor can be a direct regulation of the dosage take place, so that it is ensured that the mixture is the right one Ratio λ of starting material to liquid, ie for example, methanol to water. Furthermore can so in a storage tank exclusively this so-called premix be stored, which frost-proof is.

Ansonsten ist lediglich ein weiterer Tank für den mitgeführten Ausgangsstoff notwendig. Da der Ausgangsstoff im allgemeinen auch frostsicher ist, kann so sichergestellt werden, daß die Wiederverwendung der zurückgewonnenen Flüssigkeit mit minimalem Aufwand geschieht, da unmittelbar nach dem Zurückgewinnen aus der Flüssigkeit und dem Ausgangsstoff bereits wieder der für das Gaserzeugungssystem erforderliche Premix hergestellt wird. Außerdem kann durch das Vorliegen von Premix oder im Bereich zwischen den Abscheidern und der weiteren Dosierstelle, einem Gemisch aus Ausgangsstoff und Flüssigkeit, welches gegenüber dem Premix einen geringeren Anteil an Ausgangsstoff aufweist, sichergestellt werden, daß kein Einfrieren der Anlage auftritt. Otherwise, just another tank for the entrained starting material necessary. Since the Starting material in general is also frost-proof, so can ensure that the reuse of the recovered liquid with minimal effort happens, since immediately after recovering the liquid and the starting material already again the premix required for the gas generating system will be produced. In addition, by the presence of premix or in the area between the separators and the other metering point, a mixture of Starting material and liquid, which compared to the Premix has a lower proportion of starting material, be ensured that no freezing of the plant occurs.

In einer besonders günstigen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann es dabei vorgesehen sein, daß beim Abstellen des Brennstoffzellensystems die Ventileinrichtung an jedem der Abscheider geschlossen wird, wonach eine Menge an Ausgangsstoff in jeden der Bereiche zwischen dem Abscheider und der Ventileinrichtung dosiert wird, so daß sich in dem Abscheider ein Gemisch aus der Flüssigkeit und dem Ausgangsstoff, im allgemeinen also Wasser und ein Kohlenwasserstoffderivat bildet, welches bei üblicherweise auftretenden Außentemperaturen nicht einfrieren wird. In a particularly favorable embodiment of the The method according to the invention can be provided that when parking the fuel cell system the Valve device closed at each of the separator which requires an amount of starting material in each of the Areas between the separator and the Valve device is metered so that in the separator a mixture of the liquid and the starting material, generally so water and a Hydrocarbon derivative forms, which occurs in commonly occurring Outdoor temperatures will not freeze.

Damit ist sichergestellt, daß nicht nur die Leitungslängen, sondern auch die Abscheider selbst beim Abstellen des Systems frostsicher sind. Durch ein Ablassen des Gemischs bei der Wiederinbetriebnahme der Anlage über die Ablaßventile und die weitere Dosiereinrichtung, wird aus dem beim abgestellten System zum Frostschutz dienenden Gemisch in den Abscheidern wieder Premix mit dem gewünschten Verhältnis an Ausgangsstoff hergestellt, welcher dann in den Vorratstank gelangt und von dort dem Gaserzeugungssystem wieder zur Verfügung gestellt werden kann. This ensures that not only the Line lengths, but also the separator itself at Shut down the system are frost resistant. Through a Discharge of the mixture when restarting the Plant via the drain valves and the others Dosiereinrichtung, is from the parked system for Antifreeze mixture in the separators again premix with the desired ratio Produced starting material, which then in the storage tank arrives and from there to the gas generating system again Can be made available.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den restlichen Ansprüchen und den anhand der Zeichnung nachfolgend dargestellten Ausführungsbeispielen. Further advantageous embodiments of the invention arise from the remaining claims and the with reference to the drawing below Embodiments.

Es zeigt: It shows:

Fig. 1 eine erste mögliche Ausführungsform eines Teils eines Brennstoffzellensystems mit Einrichtungen zur Aufbearbeitung von abgeschiedener Flüssigkeit in einer prinzipmäßigen Darstellung; Fig. 1 shows a first possible embodiment of a part of a fuel cell system with means for Aufbearbeitung separated liquid in a moderate principle representation;

Fig. 2 eine zweite mögliche Ausführungsform des Teils des Brennstoffzellensystems mit Einrichtungen zur Aufbearbeitung der abgeschiedenen Flüssigkeit in einer prinzipmäßigen Darstellung; und 2 shows a second possible embodiment of the part of the fuel cell system with means for Aufbearbeitung of the separated liquid in a principle representation even. and

Fig. 3 eine dritte mögliche Ausführungsform des Teils des Brennstoffzellensystems mit Einrichtungen zur Aufbearbeitung der abgeschiedenen Flüssigkeit in einer prinzipmäßigen Darstellung. Fig. 3 shows a third possible embodiment of the part of the fuel cell system with means for processing the deposited liquid in a schematic representation.

Die Erfindung eignet sich besonders für Brennstoffzellensysteme in mobilen Einheiten, wie etwa durch Brennstoffzellen betriebene Kraftfahrzeuge, sie ist aber auch für stationäre Systeme, wie etwa Blockheizkraftwerke, geeignet. Die Erfindung ist nachfolgend anhand eines mit einem Kohlenwasserstoffderivat, insbesondere Methanol, betriebenen Brennstoffzellensystems dargestellt, soll aber nicht auf diese Ausführung beschränkt sein. The invention is particularly suitable for Fuel cell systems in mobile units, such as through Fuel cell powered vehicles, but it is also for stationary systems, such as Combined heat and power plants, suitable. The invention is described below one with a hydrocarbon derivative, in particular Methanol fuel cell system operated shown, but not on this version be limited.

In Fig. 1 ist ein Teil eines in seiner Gesamtheit nicht dargestellten Brennstoffzellensystems mit einem Gaserzeugungssystem und einer Brennstoffzelle, welche ebenfalls nicht erkennbar ist, prinzipmäßig wiedergegeben. Der dargestellte Teil des Brennstoffzellensystems dient der Aufbereitung einer aus dem Brennstoffzellensystem über Abscheider 1, im hier dargestellten Fall zwei Abscheider 1, zurückgewonnenen Flüssigkeit gemäß dem oben dargestellten Ausführungsbeispiel, insbesondere Wasser (H₂O). Das Wasser sammelt sich dabei in den Abscheidern 1, welche beispielsweise zwischen einer Reformierungseinrichtung und einer selektiven Oxidationseinrichtung des Gaserzeugungssystems und/oder unmittelbar vor dem Einströmen des wasserstoffhaltigen Gases in einen Anodenraum der Brennstoffzelle oder gegebenenfalls auch nach der Brennstoffzelle angeordnet sind. Über jeweils zwei Füllstandssensoren 2 wird der Wasserstand des in den Abscheidern 1 befindlichen Wassers erfaßt. Zeigen diese nun ein vorbestimmtes Niveau an, so kann das Wasser über Leitungselemente 3 und in denselben angeordneten Ventileinrichtungen 4 abgelassen werden. In Fig. 1, a part of a fuel cell system not shown in its entirety with a gas generating system and a fuel cell, which is also not recognizable, reproduced in principle. The illustrated part of the fuel cell system serves to treat a liquid recovered from the fuel cell system via separator 1 , in the case illustrated here two separators 1 , according to the embodiment illustrated above, in particular water (H ₂ O). The water collects in the separators 1 , which are arranged, for example, between a reformer and a selective oxidizer of the gas generating system and / or immediately before the flow of the hydrogen-containing gas into an anode compartment of the fuel cell or optionally also after the fuel cell. About two level sensors 2 , the water level of the water contained in the separators 1 is detected. If these indicate a predetermined level, the water can be drained off via line elements 3 and valve devices 4 arranged in the same.

In einem Bereich 5 zwischen dem Abscheider 1 und der jeweiligen Ventileinrichtung 4 ist jeweils eine Dosiereinrichtung 6 vorgesehen, über welche der kohlenstoff- und wasserstoffhaltige Ausgangsstoff, hier das Methanol (CH₃OH), in das Wasser eindosiert werden kann. Die Dosiereinrichtungen 6 können dabei insbesondere als Einspritzventile ausgebildet sein. In a region 5 between the separator 1 and the respective valve device 4 is in each case a metering device 6 is provided, via which the carbon and hydrogen-containing starting material, here the methanol (CH ₃ OH), can be metered into the water. The metering devices 6 can be designed in particular as injectors.

Die Menge des im Bereich der Dosiereinrichtungen 6 eindosierten Methanols richtet sich dabei nach dem Durchfluß an Wasser durch den Bereich 5, also letztendlich nach dem Druck im Abscheider 1, bzw. dem Volumenstrom an der Stelle 5. Die Menge des zudosierten Methanols wird dabei so gewählt, daß das nach der Dosiereinrichtung 6 vorliegende Gemisch aus Wasser und Methanol einerseits frostsicher ist, andererseits ein geringeres Verhältnis λ an in ihm enthaltenen Methanol aufweist, als ein Premix mit welchem das Gaserzeugungssystem betrieben wird. The amount of methanol metered in the region of the metering devices 6 depends on the flow of water through the region 5 , ie ultimately after the pressure in the separator 1 , or the volume flow at the point 5 . The amount of the metered methanol is chosen so that the present after the metering device 6 mixture of water and methanol on the one hand frost-proof, on the other hand, a lower ratio λ of methanol contained in it, as a premix with which the gas generating system is operated.

Hinsichtlich der Steuerung der Ventileinrichtungen 4 und der Dosiereinrichtungen 6 kann beispielsweise so vorgegangen werden, daß in einem zeitlichen Ablauf die einzelnen Abscheider 1 über ihre Füllstandssensoren 2 abgefragt werden, ob in ihnen Wasser steht. Sollte dies der Fall sein, so wird die Ventileinrichtung 4 des jeweiligen Abscheiders 1 geöffnet und gleichzeitig die Dosiereinrichtung 6 in Betrieb genommen, so daß eine zu der Durchflußmenge bzw. dem Abfluß des Volumenstroms des jeweiligen Abscheiders 1 passende Menge an Methanol eindosiert wird. Das Ablassen kann dann entweder nach einer vorgegebenen Zeit oder nach der Entleerung, welche durch einen der Füllstandssensoren 2 angezeigt wird, durch Schließen der Ventileinrichtung 4 und der Dosiereinrichtung 6 beendet werden. With regard to the control of the valve devices 4 and the metering devices 6 , for example, it is possible to proceed in such a way that the individual separators 1 are queried via their fill level sensors 2 in a time sequence as to whether there is any water in them. If this is the case, then the valve device 4 of the respective separator 1 is opened and at the same time the metering device 6 is put into operation, so that an appropriate to the flow rate and the outflow of the volume flow of the respective separator 1 amount of methanol is metered. Discharge may then be terminated either by a predetermined time or after emptying, which is indicated by one of the level sensors 2 , by closing the valve device 4 and the metering device 6 .

Das Gemisch aus Wasser und Methanol aus allen Abscheidern 1, insbesondere können hier selbstverständlich auch mehr als die dargestellten zwei Abscheider 1 vorgesehen sein, gelangt dann zu einer Zusammenführung 7, in deren Bereich sämtliche Volumenströme gesammelt werden. Nach der Zusammenführung 7 gelangt der Volumenstrom aus Wasser und Methanol gemäß dem Ausführungsbeispiel in Fig. 1 über ein Leitungselement 8 in einen Vorratstank 9, in dem der Premix mit dem geforderten Verhältnis λ von Methanol zu Wasser bevorratet wird, mit welchem das Gaserzeugungssystem dann das wasserstoffhaltige Gas produziert. The mixture of water and methanol from all the separators 1 , in particular, may of course also be provided more than the illustrated two separators 1 , then passes to a junction 7 , in the area of which all volume flows are collected. After the merger 7 , the volume flow of water and methanol according to the embodiment in Fig. 1 via a line element 8 in a storage tank 9 , in which the premix is stored with the required ratio λ of methanol to water, with which the gas generating system then the hydrogen-containing Gas produced.

Im Bereich des Leitungselementes 8 sind in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel eine weitere Dosiereinrichtung 10 sowie ein Sensor 11 für das Verhältnis λ von Methanol zu Wasser angeordnet. Die Dosiereinrichtung 10 kann auch in diesem Fall in bevorzugter Weise ein Einspritzventil sein. Bei dem Sensor 11 für das Verhältnis λ kann es sich um einen kapazitiven Sensor zum Erfassen der Methanolkonzentration in dem Volumenstrom handeln, wie er allgemein bekannt und üblich ist. In the region of the line element 8 , a further metering device 10 and a sensor 11 for the ratio λ of methanol to water are arranged in the embodiment shown here. The metering device 10 may also be an injection valve in this case in a preferred manner. The ratio λ sensor 11 may be a capacitive sensor for detecting the methanol concentration in the volume flow, as is well known and common.

Eine derartige Einrichtung zum Aufbereiten des aus dem Brennstoffzellensystem über die Abscheider 1 rückgewonnenen Wassers funktioniert nun so, daß wie oben bereits erwähnt, über die Dosiereinrichtungen 6 so viel Methanol in den Volumenstrom eindosiert wird, daß in den Leitungen 3 bis zur Zusammenführung 7 ein Gemisch vorliegt, welches bei den üblicherweise auftretenden Temperaturen, im allgemeinen bis ca. -40°C, frostsicher ist. Nach der Zusammenführung 7 gelangt dieses Gemisch dann in den Bereich der weiteren Dosiereinrichtung 10. An die Dosiereinrichtung 10 schließt sich dann der durchströmte Sensor 11 an, welcher "inline" das aktuelle Verhältnis λ des Methanols in dem Volumenstrom erfaßt. Wird nun die weitere Dosiereinrichtung 10 in Abhängigkeit dieses gemessenen Verhältnisses λ betätigt, so kann erreicht werden, daß sich in dem Leitungselement 8 das vorgegebene Verhältnis λ einstellt, das für den Premix, welcher dann in dem Vorratstank 9 bis zur Verwendung in dem Gaserzeugungssystem bevorratet wird, erforderlich ist. Such a device for processing the recovered from the fuel cell system via the separator 1 water now works so that, as already mentioned, is metered through the metering 6 as much methanol in the flow that in the lines 3 to the merger 7 is a mixture , which is frost-resistant at the commonly occurring temperatures, generally up to about -40 ° C. After the merger 7 , this mixture then reaches the area of the further metering device 10 . The metering device 10 is then followed by the flow-through sensor 11 , which "inline" detects the current ratio λ of the methanol in the volume flow. Now, if the other metering device 10 is actuated in response to this measured ratio λ, it can be achieved that sets in the line element 8, the predetermined ratio λ, which is for the premix, which is then stored in the storage tank 9 until used in the gas generating system , is required.

Bei einem derartigen Brennstoffzellensystem liegt dann sowohl in den Leitungen 3 als auch in dem Leitungselement 8 jeweils ein Gemisch aus Wasser und Methanol vor, so daß diese Elemente nach dem Abstellen des Brennstoffzellensystems nicht einfrieren können. Um diesen Frostschutz auch im Bereich der Abscheider 1 sicherzustellen, kann jeweils über die Dosiereinrichtung 6 bei geschlossener Ventileinrichtung 4 Methanol dosiert werden. Dieses Methanol wird sich dann im Bereich 5 und in dem Abscheider 1 ausbreiten und sich mit dem dort befindlichen Wasser vermischen, so daß auch hier ein frostsicheres Gemisch entsteht. In such a fuel cell system is then present in both the lines 3 and in the line element 8 in each case a mixture of water and methanol, so that these elements can not freeze after stopping the fuel cell system. To this antifreeze also ensure, in the region of the separator 1, 4 methanol may be dosed in each case via the metering device 6 in the closed valve means. This methanol will then spread in area 5 and in the separator 1 and mix with the water located there, so that a frost-proof mixture is formed here.

Fig. 2 zeigt nun eine weitere Ausführungsform, bei welcher lediglich die endgültige Aufbereitung des Premix auf das gewünschte Verhältnis λ anders ausgebildet ist. Fig. 2 shows a further embodiment in which only the final preparation of the premix at the desired ratio λ is designed differently.

Nach der Zusammenführung 7 gelangen die Volumenströme bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 in eine Mischkammer 12. In der Mischkammer 12 befindet sich dabei der Sensor 11, welcher auch hier wieder als kapazitiver Sensor ausgeführt ist. In dem vorliegenden Fall wird der Sensor 11 jedoch nicht durchströmt, sondern ist lediglich in der Mischkammer 12 in einem Volumen angeordnet, in welchem keine nennenswerte Strömung vorliegt. Des weiteren weist die Mischkammer 12 die weitere Dosiereinrichtung 10 sowie einige Einbauten 13 auf, welche als statische Mischer dienen und die Mischung der einströmenden Medien begünstigen. Die Mischung des Premix mit dem für den endgültigen Betrieb des Gaserzeugungssystems vorgesehenen Verhältnis λ, erfolgt bei dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel in der Mischkammer 12. After the merger 7 , the volume flows in the embodiment of FIG. 2 in a mixing chamber 12th In the mixing chamber 12 is the sensor 11 , which is again designed as a capacitive sensor. In the present case, however, the sensor 11 is not flowed through, but is arranged only in the mixing chamber 12 in a volume in which there is no appreciable flow. Furthermore, the mixing chamber 12, the further metering device 10 and some internals 13 , which serve as a static mixer and favor the mixture of the inflowing media. The mixing of the premix with the ratio λ provided for the final operation of the gas generating system takes place in the mixing chamber 12 in the exemplary embodiment shown in FIG. 2.

Erst nach erfolgter Mischung gelangt der Premix dann in den Vorratstank 9. Der Aufwand hinsichtlich der Komponenten steigt gegenüber dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel etwas an, jedoch wird die Regelung auf das vorgegebene Verhältnis λ erleichtert, da das Volumen der Mischkammer 12 als Puffer für die Regelung dient. Only after mixing the premix then enters the storage tank. 9 The complexity with regard to the components increases slightly compared to the embodiment described above, but the control is facilitated to the predetermined ratio λ, since the volume of the mixing chamber 12 serves as a buffer for the control.

Statt der einen dargestellten weiteren Dosiereinrichtung 10 könnten auch mehrere derartige Dosiereinrichtungen vorgesehen sein, welche insbesondere dafür sorgen könnten, daß die Durchmischung in der Mischkammer 12 verbessert wird, damit sich die Regelung auf das Verhältnis λ nochmals erleichtert. Instead of the one shown further metering device 10 , a plurality of such metering devices could also be provided, which could in particular ensure that the mixing in the mixing chamber 12 is improved, so that the control again facilitates the ratio λ.

In Fig. 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel dargestellt, bei dem der Aufbau bis zur Zusammenführung 7 ebenfalls identisch ausgebildet ist. In Fig. 3, another embodiment is shown, in which the structure is also identical to the merge 7 .

Von der Zusammenführung 7 aus strömt der Volumenstrom jedoch unmittelbar in den Vorratstank 9. Selbstverständlich wäre es auch hier denkbar die Zusammenführung 7 in den Vorratstank 9 zu verlegen, sollte dies hinsichtlich der Leitungsführung, der verwendeten Leitungslängen oder dergleichen Vorteile bieten. From the merger 7 , however, the volume flow flows directly into the storage tank 9 . Of course, it would also be conceivable here to lay the combination 7 in the storage tank 9 , this should offer advantages in terms of routing, the cable lengths used or the like.

Um nun sicherzustellen, daß in dem Vorratstank 9 immer der Premix mit dem gewünschten Verhältnis λ vorliegt, weist der Vorratstank 9 ein Leitungselement 14 und eine Fördereinrichtung 15 auf, über welche der Inhalt des Vorratstanks 9 umwälzbar ist. In order to ensure that always the premix having the desired ratio λ is present in the storage tank 9, the storage tank 9, a conductor member 14 and a conveyor 15, via which the contents of the storage tank 9 is circulated.

In dem Leitungselement 14 ist außerdem der Sensor 11, welcher hier wieder als durchströmter kapazitiver Sensor ausgebildet ist, angeordnet. In Strömungsrichtung nach dem Sensor ist die weitere Dosiereinrichtung 10 angeordnet, so daß diese entsprechend der vom Sensor 11 gemessenen Werte Methanol nachdosieren kann, falls dies erforderlich ist. Um eine gleichbleibende Messung des Verhältnisses λ durch den Sensor 11 und damit eine möglichst genaue Regelung sicherzustellen, wird der Druck im Bereich der Dosiereinrichtung 10 und des Sensors 11 über eine Druckhalteeinrichtung 16, beispielsweise ein Druckhalteventil, gegen welches die Fördereinrichtung 15 fördert, konstant gehalten. In the conduit member 14 , the sensor 11 , which is again formed here as a flow-through capacitive sensor, also arranged. In the direction of flow after the sensor, the further metering device 10 is arranged so that it can replenish methanol according to the values measured by the sensor 11 , if necessary. In order to ensure a constant measurement of the ratio λ by the sensor 11 and thus the most accurate control, the pressure in the region of the metering device 10 and the sensor 11 via a pressure-maintaining device 16 , for example, a pressure-holding valve, against which the conveyor 15 promotes kept constant.

Von den hier dargestellten Ausführungsbeispielen ist das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 sicherlich das, das den meisten Aufwand hinsichtlich der Bauteile verursacht. Dadurch, daß der in dem Vorratstank 9 befindliche Premix jedoch ständig von der Fördereinrichtung 15 durch den Sensor 11 gepumpt wird, kann das Mischungsverhältnis in dem Vorratstank ständig gemessen werden. Über die Druckhalteeinrichtung 16 kann der Druck im Bereich des Sensors 11 immer auf einen konstanten Wert geregelt werden. Damit sind die Meßergebnisse des Sensors 11 sehr genau. Die gegebenenfalls erforderliche Dosierung des Methanols durch die Dosiereinrichtung 10 erfolgt erst nach dem Sensor 11, so daß über den in Fig. 3 dargestellten Aufbau eine sehr genaue Regelung des Verhältnisses λ an Methanol in dem Premix erzielt werden kann. Of the embodiments shown here, the embodiment of FIG. 3 is certainly the one that causes the most effort in terms of components. However, because the premix contained in the storage tank 9 is constantly pumped by the conveyor 15 through the sensor 11 , the mixing ratio in the storage tank can be continuously measured. The pressure in the region of the sensor 11 can always be regulated to a constant value via the pressure-retaining device 16 . Thus, the measurement results of the sensor 11 are very accurate. The optionally required dosage of the methanol by the metering device 10 takes place only after the sensor 11 , so that over the structure shown in Fig. 3, a very accurate control of the ratio λ of methanol in the premix can be achieved.

Durch die für diese sehr exakte Regelung erforderliche Umwälzung des in dem Vorratstank 9 befindlichen Premix durch das Leitungselement 14 wird außerdem erreicht, daß sämtlicher in dem Vorratstank 9 vorliegender Premix ständig durchmischt wird, so daß sich eine sehr homogene Verteilung der Konzentrationen in dem Vorratstank 9 einstellt. By required for this very precise control circulation of the present in the storage tank 9 premix through the conduit member 14 is also achieved that all existing in the storage tank 9 premix is constantly mixed, so that sets a very homogeneous distribution of concentrations in the storage tank 9 ,

Die an den beiden anderen Ausführungsbeispielen bereits genannten Möglichkeiten hinsichtlich des optimalen Frostschutzes der gesamten Anlage bleiben selbstverständlich auch hier bestehen. The at the other two embodiments already mentioned options regarding the optimum frost protection of the entire system remain of course also exist here.

Neben sämtlichen hier erwähnten Komponenten können natürlich auch andere in derartigen Gemischaufbereitungseinrichtungen, wie beispielsweise Ionenaustauscher oder dergleichen, vorgesehen sein, wobei hier sicherlich ein Einbau im Bereich nach der Zusammenführung 7 sinnvoll wäre. In addition to all the components mentioned here, it is of course also possible to provide others in such mixture preparation devices, such as, for example, ion exchangers or the like, in which case installation in the region after the merger 7 would certainly be expedient.

Claims

A fuel cell system comprising a gas generating system and at least one fuel cell, the gas generating system providing a hydrogen-containing gas from water and a liquid source containing carbon and hydrogen, wherein at least one location of the gas generating system and / or after the fuel cell, a separator for separating Liquid from the media, which flow through the fuel cell system is arranged, and wherein the liquid originating from the separator for the operation of the gas generating system is reusable, characterized in that between each of the separator ( 1 ) and a valve device ( 4 ), for draining the liquid (H ₂ O) from the respective separator ( 1 ), a metering device ( 6 ), for introducing the starting material (CH ₃ OH) in the liquid (H ₂ O), is arranged, and that after a merge ( 7 ) all of the valve means ( 6 ) coming from the volumetric flows Liquid (H ₂ O) and the starting material (CH ₃ OH) a further metering device ( 10 ) and a sensor ( 11 ) for the starting material (CH ₃ OH) is arranged.

2. Fuel cell system according to claim 1, characterized in that the sensor ( 11 ) in a conduit element ( 8 ) in the flow direction after the further metering device ( 10 ) is arranged.

3. Fuel cell system according to claim 2, characterized in that the volume flow passes after flowing through the conduit element ( 8 ) in a storage tank ( 9 ).

4. Fuel cell system according to claim 1, characterized in that after the merging ( 7 ) of the volume flows a mixing chamber ( 12 ) is arranged, which has the further metering device ( 10 ) and the sensor ( 11 ).

5. Fuel cell system according to claim 4, characterized in that the volume flow passes to the mixing chamber ( 12 ) in a storage tank ( 9 ).

6. Fuel cell system according to claim 4 or 5, characterized in that the mixing chamber ( 12 ) serving as static mixing elements internals ( 13 ).

7. Fuel cell system according to claim 1, characterized in that after the merging ( 7 ) of the volume flows a storage tank ( 9 ) is arranged, which is provided with a conduit element ( 14 ) and a conveyor ( 15 ), so that the tank contents is circulated, wherein in the line member ( 14 ) in the flow direction successively the sensor ( 11 ), the further metering device ( 10 ) and a pressure holding device ( 16 ) are arranged.

8. Fuel cell system according to one of claims 1 to 7, characterized in that the further metering device ( 10 ) is designed as an injection valve.

9. Fuel cell system according to one of claims 1 to 8, characterized in that the sensor ( 11 ) is designed as a capacitive sensor.

10. A method for operating a fuel cell system with a gas generating system and at least one fuel cell, wherein in the gas generating system of water and a liquid starting material containing carbon and hydrogen, a hydrogen-containing gas is generated, wherein at least one point of the fuel cell system via a separator liquid the media flowing through the fuel cell system is separated and the liquid from the separator is reused to operate the fuel cell system, characterized in that between the separator ( 1 ) and a valve means ( 4 ) for discharging the liquid ( H ₂ O) from the respective separator ( 1 ), a predetermined amount of the starting material (CH ₃ OH) is introduced into the liquid (H ₂ O), wherein after a merger ( 7 ) of all the valve devices ( 4 ) coming from the flow rates Liquid (H ₂ O) and the Starting material (CH ₃ OH) via a sensor ( 11 ) for the starting material (CH ₃ OH) controlled dosage (dosing device 10 ) of the starting material (CH ₃ OH) is carried in the flow, so that a predetermined ratio (2) of the starting material (CH ₃ OH) is adjusted in the volume flow.

11. The method according to claim 10, characterized in that the measurement of the concentration of the starting material (CH ₃ OH) via the sensor ( 11 ) and the dosage of the starting material (CH ₃ OH) in a flow-through line element ( 8 , 14 ).

12. The method according to claim 10, characterized in that the measurement of the concentration of the starting material (CH ₃ OH) via the sensor ( 11 ) and the dosage of the starting material (CH ₃ OH) in a volume (mixing chamber 12 ), in which no or no significant flow exists.

13. The method according to any one of claims 10 to 12, characterized in that the at least one separator ( 1 ) in a predetermined time sequence in terms of its level (level sensors 2 ) is queried, wherein in existing liquid (H ₂ O) in the separator ( 1 ) opens the valve device ( 4 ) and at the same time the starting material (CH ₃ OH) is metered into the effluent (H ₂ O), the amount of dosed starting material (CH ₃ OH) depending on the known outflow of the liquid (H ₂ O) from the separator ( 1 ) per unit time is specified.

14. The method according to any one of claims 10 to 13, characterized in that when switching off the fuel cell system, the valve means ( 4 ) at each of the separator ( 1 ) is closed, after which a predetermined amount of starting material (CH ₃ OH) in each of the areas ( 5 ) between the separator ( 1 ) and the valve device ( 4 ) is metered, so that in the separator ( 1 ) a mixture of the liquid (H ₂ O) and the starting material (CH ₃ OH) forms, which usually occurs Outdoor temperatures will not freeze.

15. Use of a fuel cell system after a the claims given above in one Motor vehicle.

16. Use of a method for operating a Fuel cell system according to one of the above specified claims in a motor vehicle.