DE102004055158A1

DE102004055158A1 - Brennstoffzellensystem und Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems

Info

Publication number: DE102004055158A1
Application number: DE102004055158A
Authority: DE
Inventors: Torsten Dipl.-Ing. Schwarz; Sven Dr.-Ing. Schmitz; Christoph Dr.-Ing. Maume
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2004-11-16
Filing date: 2004-11-16
Publication date: 2006-05-18
Anticipated expiration: 2024-11-17
Also published as: DE102004055158B4; US7736775B2; US20060105224A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem sowie ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems, umfassend einen Brennstoffzellenstapel (10) aus einer Mehrzahl von Brennstoffzellen mit einer Kathodenseite mit einem Kathodeneingang (12) und einem Kathodenausgang (14) sowie einer Anodenseite mit einem Anodeneingang (11) und einem Anodenausgang (13), wobei der Anodenseite ein wasserstoffhaltiges Medium und der Kathodenseite ein sauerstoffhaltiges Medium zuführbar ist und wobei Anodenabgas wenigstens teilweise der Kathodenseite zuführbar ist. Eine anodenseitige Abgasleitung (19) mündet erfindungsgemäß auf einer Saugseite (22) eines Verdichters (21) an einer Einmündung (24) in eine Zuführleitung (20) des sauerstoffhaltigen Mediums.

Description

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem und ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems gemäß den Oberbegriffen des Patentanspruchs 1 und des Patentanspruchs 5.
Für den automotiven Einsatz sind Niedertemperatur-Brennstoffzellensysteme wegen ihrer günstigen Betriebstemperaturen besonders geeignet. Elektrische Energie kann gewonnen werden, wenn anodenseitig Wasserstoff und kathodenseitig Sauerstoff in an sich bekannter Weise einer Brennstoffzelle zur Brennstoffzellenreaktion zugeführt werden. In einem Brennstoffzellenstapel werden Wasserstoff und Sauerstoff über Gasverteilungsstrukturen den einzelnen Brennstoffzellen zugeführt. Als Sauerstoffquelle wird häufig Umgebungsluft eingesetzt. Als Wasserstoffquelle kann ein organischer Kraftstoff oder auch Wasserstoffgas eingesetzt werden. Es sind einerseits Systeme mit Reformierungsstufen bekannt, bei denen wasserstoffreiches Reformat aus dem organischen Kraftstoff gewonnen wird und andererseits Systeme, die mit reinem Wasserstoffgas betrieben werden. Erstere sind wegen der notwendigen Reformierungsstufen relativ komplex aufgebaut und zu betreiben, letztere zeichnen sich durch einen entsprechend weniger komplexen Aufbau aus. Bei den letzteren Systemen wird häufig Anodenabgas zu dem Anodeneingang zurückgeführt und mit frischem Wasserstoff gemischt der Anode wieder zugeführt. Daher erfordern diese Systeme in Abständen ein so genanntes „Purgen", wodurch Wassertropfen und inerte Gase aus der Gasverteilungsstruktur der Brennstoffzellen ausgetrieben werden. Dabei wird sauberes und trocknes Wasserstoffgas mit höherem Durchfluss und/oder stoßweise durch die Gasverteilungsstruktur geblasen.
Um das Wasserstoffgas nicht in die Umgebung abzugeben, ist beispielsweise bekannt, Anodenabgas über so genannte TGC-Einheiten (Tail Gas Combustor) katalytisch zu verbrennen.

Aus der DE 101 15 336 A1 ist bekannt, das Anodenabgas stattdessen der Kathodenseite zuzuführen und mit von einem Kompressor komprimierter Luft zu mischen und dem Brennstoffzellenstapel zuzuführen, am brennstoffzelleneigenen Katalysator umzusetzen und das Reaktionsprodukt Wasser über das Kathodenabgas abzuführen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Brennstoffzellensystem und ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems zu schaffen, mit der Anodenabgas einer Brennstoffzelle effizienter und sicherer entsorgt werden kann.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und des Patentanspruchs 5 gelöst.

Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem umfassend einen Brennstoffzellenstapel aus einer Mehrzahl von Brennstoffzellen mit einer Kathodenseite mit einem Kathodeneingang und einem Kathodenausgang sowie einer Anodenseite mit einem Anodeneingang und einem Anodenausgang, wobei der Anodenseite ein wasserstoffhaltiges Medium und der Kathodenseite ein sauerstoffhaltiges Medium zuführbar ist und wobei Anodenabgas wenigstens teilweise der Kathodenseite zuführbar ist, weist erfindungsgemäß das Merkmal auf, dass eine anodenseitige Abgasleitung auf einer Saugseite eines Verdichters an einer Einmündung in eine Zuführleitung des sauerstoffhaltigen Mediums mündet. Eine Wasserstofffreisetzung bei einem Purge-Vorgang kann vollständig vermieden werden. Bis zum Erreichen der Kathode des Brennstoffzellenstapels wird das Anodenabgas ausreichend mit dem sauerstoffhaltigen Medium, vorzugsweise Luft, vermischt und dann am Kathodenkatalysator umgesetzt. Der für die katalytische Oxidation notwendige Sauerstoff wird der Kathodenzuluft entzogen. Da hier üblicherweise mit einem Luftüberschuss gearbeitet wird, ist bei einem geringen Purgevolumen kein Luftmangel für den Brennstoffzellenstapel zu erwarten. Eine Entzündung des Wasserstoffs bei üblichen Verdichtertemperaturen ist nicht zu erwarten, da die Zündtemperatur unter Atmosphärendruck bei etwa 560°C liegt.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in Unteransprüchen angegeben.

Sind im Brennstoffzellensystem höhere Purgevolumenströme notwendig oder erwünscht, kann in der Abgasleitung ein Behälter zum Sammeln von Anodenabgas angeordnet sein, in dem Anodenabgas zwischengespeichert werden kann. Bevorzugt ist in der Abgasleitung zwischen dem Behälter und der Einmündung der Abgasleitung eine Drossel ange ordnet, die es ermöglicht, über einen längeren Zeitraum geringe Mengen Anodenabgas der Kathodenzuluft an der Saugseite des Verdichters beizumischen.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems umfassend einen Brennstoffzellenstapel aus einer Mehrzahl von Brennstoffzellen mit einer Kathodenseite mit einem Kathodeneingang und einem Kathodenausgang sowie einer Anodenseite mit einem Anodeneingang und einem Anodenausgang, wobei der Anodenseite ein wasserstoffhaltiges Medium und der Kathodenseite ein sauerstoffhaltiges Medium zugeführt wird und wobei Anodenabgas wenigstens teilweise der Kathodenseite zugeführt wird, wird Anodenabgas über eine Abgasleitung wenigstens zeitweise einer Saugseite eines Verdichters in einer Zuführleitung des sauerstoffhaltigen Mediums zugeführt.

Anodenabgas wird vorzugsweise in der Abgasleitung in einem Behälter gesammelt.

Anodenabgas kann über einen längeren Zeitraum über eine Drossel dosiert der Saugseite zugeführt werden.

Weitere Ausbildungsformen und Aspekte der Erfindung werden unabhängig von einer Zusammenfassung in den Patentansprüchen ohne Beschränkung der Allgemeinheit im Folgenden anhand einer Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen

1 eine erste bevorzugte Ausgestaltung eines Brennstoffzellensystems;

2 eine weitere bevorzugte Ausgestaltung eines Brennstoffzellensystems mit einem Zwischenspeicher für Anodenabgas.

1 zeigt zur Veranschaulichung der Erfindung eine erste bevorzugte Ausgestaltung eines schematisch dargestellten Brennstoffzellensystems. Ein Brennstoffzellenstapel 10 bestehend aus einer Mehrzahl von einzelnen Brennstoffzellen weist anodenseitig einen Anodeneingang 11, über den Wasserstoff über eine Zuführleitung 16 aus einem Vorratstank 15 zugeführt wird, sowie einen Anodenausgang 13 mit einer Abgasleitung 19 für das Anodenabgas auf. Zwischen dem Anodenausgang 13 und der Einmündung 24 ist ein Ventil 18 vorgesehen, mit dem ein Purgevolumen beim Spülen der Anodenseite des Brennstoffzellenstapels 10 mit Wasserstoff eingestellt werden kann. Weiterhin ist zwischen dem Vorratstank 15 und dem Anodeneingang 11 ein Ventil 17 angeordnet.

Kathodenseitig ist ein sauerstoffhaltiges Medium, beispielsweise Luft, einem Kathodeneingang 12 über eine Zuführleitung 20 zuführbar und aus dem Brennstoffzellenstapel 10 über einen Kathodenausgang 14 und eine Abgasleitung 23 abführbar. In der Zuführleitung ist ein Verdichter 21 angeordnet, der einen Luftmassenstrom Fördert und die Luft auf ein notwendiges Druckniveau verdichtet.

Die Abgasleitung 19 des Anodenabgases mündet in einer Einmündung 24 stromauf vor einer Saugseite 24 des Verdichters in die Zuführleitung der Kathodenzuluft.

Die bevorzugte Ausgestaltung in 2 zeigt eine Weiterentwicklung des in 1 gezeigten Systems. Die Bezugszeichen in 2 entsprechen denen in der 1 für gleiche oder vergleichbare Komponenten. Um Widerholungen zu vermeiden, wird für übereinstimmende Komponenten auf deren Beschreibung in der 1 verwiesen.

Zusätzlich weist in der Ausgestaltung nach 2 das Brennstoffzellensystem in der Abgasleitung 19 des Anodenabgases einen Behälter 25 auf, dem eine Drossel 26 nachgeschaltet ist. Damit kann bei höheren Volumenströmen beim Purge-Vorgang Anodenabgas gesammelt werden und in geringeren Mengen über einen längeren Zeitraum verteilt über die Drossel 26 der Kathodenzuluft saugseitig des Verdichters 21 beigemischt werden.

10: Brennstoffzellenstapel
11: Anodeneingang
12: Kathodeneingang
13: Anodenausgang
14: Kathodenausgang
15: Wasserstofftank
16: Zuführleitung
17: Ventil
18: Ventil
19: Abgasleitung Anode
20: Zuführleitung
21: Verdichter
22: Saugseite
23: Abgasleitung Kathode
24: Einmündung
25: Behälter
26: Drossel

Claims

Brennstoffzellensystem umfassend einen Brennstoffzellenstapel (10) aus einer Mehrzahl von Brennstoffzellen mit einer Kathodenseite mit einem Kathodeneingang (12) und einem Kathodenausgang (14) sowie einer Anodenseite mit einem Anodeneingang (11) und einem Anodenausgang (13), wobei der Anodenseite ein wasserstoffhaltiges Medium und der Kathodenseite ein sauerstoffhaltiges Medium zuführbar ist und wobei Anodenabgas wenigstens teilweise der Kathodenseite zuführbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine anodenseitige Abgasleitung (19) auf einer Saugseite (22) eines Verdichters (21) an einer Einmündung (24) in eine Zuführleitung (20) des sauerstoffhaltigen Mediums mündet.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der Abgasleitung (19) ein Behälter (25) zum Sammeln von Anodenabgas angeordnet ist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass in der Abgasleitung (19) zwischen dem Behälter (25) und der Einmündung (15) der Abgasleitung (19) eine Drossel (16) angeordnet ist.
Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems umfassend einen Brennstoffzellenstapel (10) aus einer Mehrzahl von Brennstoffzellen mit einer Kathodenseite mit einem Kathodeneingang (12) und einem Kathodenausgang (14) sowie einer Anodenseite mit einem Anodeneingang (11) und einem Anodenausgang (13), wobei der Anodenseite ein wasserstoffhaltiges Medium und der Kathodenseite ein sauerstoffhaltiges Medium zugeführt wird und wobei Anodenabgas wenigstens teilweise der Kathodenseite zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass Anodenabgas über eine Abgasleitung (19) wenigstens zeitweise einer Saugseite (22) eines Verdichters (21) in einer Zuführleitung (20) des sauerstoffhaltigen Mediums zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass Anodenabgas in der Abgasleitung (19) in einem Behälter (25) gesammelt wird.
Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass Anodenabgas über einen längeren Zeitraum über eine Drossel (26) dosiert der Saugseite (22) zugeführt wird.