DE102011109644A1 - Brennstoffzellensystem mit wenigstens einer Brennstoffzelle - Google Patents

Brennstoffzellensystem mit wenigstens einer Brennstoffzelle Download PDF

Info

Publication number
DE102011109644A1
DE102011109644A1 DE102011109644A DE102011109644A DE102011109644A1 DE 102011109644 A1 DE102011109644 A1 DE 102011109644A1 DE 102011109644 A DE102011109644 A DE 102011109644A DE 102011109644 A DE102011109644 A DE 102011109644A DE 102011109644 A1 DE102011109644 A1 DE 102011109644A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
fuel cell
cell system
water separator
supply air
water
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
DE102011109644A
Other languages
English (en)
Inventor
Holger Baur
Uwe Pasera
Hans-Jörg Pflugfelder
Karl Schaufler
Sven Schmalzriedt
Simon Steinhübl
Harald Teves
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Mercedes Benz Group AG
Original Assignee
Daimler AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Daimler AG filed Critical Daimler AG
Priority to DE102011109644A priority Critical patent/DE102011109644A1/de
Priority to PCT/EP2012/003090 priority patent/WO2013020647A1/de
Priority to US14/237,116 priority patent/US9252438B2/en
Publication of DE102011109644A1 publication Critical patent/DE102011109644A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H01M8/04119Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying
    • H01M8/04156Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying with product water removal
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H01M8/04119Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying
    • H01M8/04156Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying with product water removal
    • H01M8/04164Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying with product water removal by condensers, gas-liquid separators or filters
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04223Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids during start-up or shut-down; Depolarisation or activation, e.g. purging; Means for short-circuiting defective fuel cells
    • H01M8/04231Purging of the reactants
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H01M8/04111Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants using a compressor turbine assembly
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04223Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids during start-up or shut-down; Depolarisation or activation, e.g. purging; Means for short-circuiting defective fuel cells
    • H01M8/04253Means for solving freezing problems
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

Landscapes

  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem (1) mit wenigstens einer Brennstoffzelle (2), welche einen Anodenraum (3) und einen Kathodenraum (4) aufweist, mit einer Rezirkulationseinrichtung (8), welche Anodenabgas zum Anodeneingang zurückführt, mit einer Ablassleitung (17) zum Ablassen von Flüssigkeit und/oder Gas aus dem Bereich der Rezirkulationseinrichtung (8) und mit einer Luftfördereinrichtung (10) zur Versorgung des Kathodenraums (4) mit einem Zuluftstrom (A). Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Luftfördereinrichtung (10) und dem Kathodenraum (4) im Bereich des Zuluftstroms (A) ein Wasserabscheider (21) angeordnet ist, welcher mit der Ablassleitung (17) verbunden ist, und welcher zumindest von einem Teil (a) des Zuluftstroms (A) durchströmt ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem mit wenigstens einer Brennstoffzelle nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.
  • Ein Aufbau eines Brennstoffzellensystems mit einer Rezirkulationseinrichtung zum Zurückführen des Anodenabgases in den Anodeneingang ist beispielsweise aus der DE 101 15 336 A1 bekannt. Bei derartigen Systemen reichert sich im Laufe der Zeit Stickstoff und Wasser in dem rezirkulierten Anodenabgas an. Daher ist es aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt und in der oben genannten Schrift auch so beschrieben, dass im Bereich der Rezirkulationsleitung Ventileinrichtungen angeordnet werden, welche von Zeit zu Zeit geöffnet werden, um den Stickstoff aus dem Bereich der Rezirkulationsleitung und dem Bereich des Anodenraums entsprechend abzublasen. Gemäß der DE 101 15 336 A1 kann die „Entsorgung” dieses Abgases aus dem Bereich des Anodenloop in verschiedene Bereiche erfolgen, welche typischerweise jeweils über eine katalytische Oberfläche verfügen oder in Verbindung mit einer weiteren Komponente stehen, welche eine solche katalytische Oberfläche aufweist. Dieser Aufbau ist deshalb üblich, weil zusammen mit dem Stickstoff immer auch eine geringe Menge an Wasserstoff in dem abgelassenen Gas sein wird, welche auf diese Art unschädlich gemacht werden kann. Um das im Bereich des Anodenabgases anfallende Produktwasser der Brennstoffzelle abführen zu können, ist in der DE 101 15 336 A1 ferner ein Wasserabscheider im Bereich der Rezirkulationsleitung beschrieben.
  • Aus der internationalen Anmeldung WO 2008/052578 A1 ist ebenfalls ein Brennstoffzellensystem mit einer Rezirkulationseinrichtung bekannt, welche hierin als Brennstoffkreis bezeichnet wird. Die Besonderheit bei diesem Aufbau besteht nun darin, dass die Funktionalität des Wasserabscheiders mit einem Ablassventil zum Ablassen des Wassers und die Funktionalität des Abblasventils zum Abblasen des stickstoffhaltigen Gases kombiniert werden. Der Aufbau sieht dabei vor, dass ein Wasserabscheider mit einer entsprechenden Ventileinrichtung versehen ist. Immer, wenn sich eine entsprechend große Menge an Wasser angesammelt hat, wird diese über die Ventileinrichtung aus dem Wasserabscheider abgelassen. Nachdem das Wasser abgelassen ist, tritt außerdem Gas aus der Rezirkulationseinrichtung über die Ventileinrichtung des Wasserabscheiders aus, ehe diese wieder geschlossen wird. Die Funktionalität, welche bei der oben genannten Schrift auf zwei eigene Bauteile verteilt war, wird dadurch in einem einzigen Bauteil integriert.
  • Die Problematik beim gemeinsamen Ablassen von Wasser und Gas tritt insbesondere dann auf, wenn das Ablassen, wie in der genannten WO-Schrift optional angedeutet, in den Kathodenraum der Brennstoffzelle erfolgt. Zwar kann dann der dort ohnehin vorhandene Katalysator genutzt werden, um eventuelle Wasserstoffemissionen zu vermeiden. Andererseits kann jedoch das ebenfalls aus dem Bereich der Rezirkulationseinrichtung abgeführte Wasser zu einer Beeinträchtigung der Funktionalität der Brennstoffzellen führen. Untersuchungen haben gezeigt, dass durch diesen Wassereintrag einzelne der Brennstoffzellen in ihrer Leistungsfähigkeit beeinträchtigt werden können, und dass so die Gesamtleistung der Brennstoffzelle nachteilig beeinflusst wird.
  • Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin, ein entsprechendes Brennstoffzellensystem derart weiterzuentwickeln, dass diese funktionalen Beeinträchtigungen bei weiterhin einfachem und hinsichtlich des benötigten Katalysatormaterials minimiertem Systemaufbau gewährleistet werden können.
  • Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems ergeben sich aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen.
  • Die erfindungsgemäße Lösung sieht es vor, dass ein Brennstoffzellensystem mit einer Rezirkulationseinrichtung vergleichbar dem Stand der Technik ausgebildet ist und über eine Ablassleitung Flüssigkeit und/oder Gas aus dem Bereich der Rezirkulationseinrichtung in den Bereich einer Zuluftleitung beziehungsweise eines Zuluftstroms zu dem Kathodenraum der Brennstoffzelle führt. Erfindungsgemäß ist zwischen der Luftfördereinrichtung und dem Kathodenraum ein Wasserabscheider angeordnet, welcher mit der Ablassleitung verbunden ist, und welcher zumindest von einem Teil des Zuluftstroms durchströmt ist. Dieser Wasserabscheider dient dazu, das durch die Ablassleitung geförderte Wasser aus dem Gemisch abzuscheiden und anderweitig aus dem Brennstoffzellensystem abzuführen, sodass flüssiges Wasser nicht in den Bereich des Kathodenraums gelangen kann. Andererseits soll aus dem Bereich des Wasserabscheiders der gasförmige durch die Ablassleitung strömende Anteil, welcher typischerweise einen Rest an Wasserstoff enthält, sicher und zuverlässig in den Bereich des Kathodenraums geführt werden, um Wasserstoffemissionen aus dem Brennstoffzellensystem an die Umgebung zu verhindern.
  • In einer weiteren sehr vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems ist es dabei vorgesehen, dass der Wasserabscheider von einem Teilstrom des Zuluftstroms durchströmt wird. Gemäß einer sehr vorteilhaften Weiterbildung macht der Teilluftstrom dabei bis zu 25 Prozent, vorzugsweise ca. 10 Prozent, des Volumenstroms des Zuluftstroms aus. Dadurch, dass lediglich ein Teilluftstrom des Zuluftstroms durch den Wasserabscheider geführt wird, kann erreicht werden, dass eine vergleichsweise geringe Strömungsgeschwindigkeit des Teilluftstroms sowie des aus der Ablassleitung stammenden Gasgemischs im Bereich des Flüssigkeitsabscheiders bereits bei einer kleinen Baugröße erreicht wird. Eine solche geringe Strömungsgeschwindigkeit ist Voraussetzung für eine zuverlässige Abscheidung von Flüssigkeit aus dem Flüssigkeits-Gas-Gemisch. Dabei wird erreicht, dass das gesamte Gas in den Bereich des Kathodenraums gelangt und dort an dem katalytischen Material des Kathodenraums der in dem Gas befindliche Wasserstoff vollständig abreagiert, sodass Wasserstoffemissionen an die Umgebung verhindert werden.
  • Ein solcher lediglich mit einem Teilluftstrom durchströmter Wasserabscheider ermöglicht also eine kleine Baugröße bei sehr guter Abscheidung, sodass der Eintrag von Flüssigwasser in den Kathodenraum weitgehend verhindert werden kann und damit eine höhere Leistungsfähigkeit und eine höhere Lebensdauer der Brennstoffzelle ermöglicht wird. In einer weiteren sehr vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems ist es ferner vorgesehen, dass der Teilluftstrom vom Wasserabscheider aus in Richtung der Schwerkraft, beim bestimmungsgemäßen Betrieb, nach oben strömt und sich vor dem Kathodenraum mit dem Rest des Zuluftstroms, aus dem er abgezweigt wurde, wieder vermischt. Diese Anordnung, sodass der Teilluftstrom durch den und insbesondere nach dem Wasserabscheider zumindest ein Wegstück senkrecht nach oben strömt, verbessert nochmals die Abscheidung des Wassers.
  • In einer weiteren sehr günstigen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems kann es außerdem vorgesehen sein, dass im Bereich des Wasserabscheiders ein katalytisches Material angeordnet ist, welches die Reaktion von Wasserstoff mit Sauerstoff zu Wasser begünstigt. Ein solches katalytisches Material kann beispielsweise in Form einer Beschichtung oder dergleichen im Bereich des Wasserabscheiders angeordnet werden. Es kann dafür sorgen, dass Wasserstoff, welcher über die Ablassleitung in den Bereich des Wasserabscheiders gelangt, mit Sauerstoff aus dem Teilluftstrom des Zuluftstroms zu Wasser umgesetzt wird. Eine geeignete Mischung kann dabei durch eine geeignete Wahl der Größe des Zuluftstroms erzielt werden. So wird der Umsatz des Wasserstoffs zumindest teilweise schon außerhalb des Kathodenraums erzielt und das entstehende Wasser wird über den Wasserabscheider entsprechend abgeführt. Ein solches katalytisches Material im Bereich des Wasserabscheiders kann außerdem bei trockenem Wasserabscheider und geöffneter Ventileinrichtung in einer Wasserleitung zum Ableiten des Wassers dafür sorgen, dass auf diesem Wege kein oder nur eine sehr geringe Menge an Wasserstoff an die Umgebung gelangt, da der Wasserstoff durch das katalytische Material im Bereich des Wasserabscheiders mit dem Luftsauerstoff zumindest teilweise zu Wasser umgesetzt wird.
  • In einer weiteren sehr günstigen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems kann es dabei vorgesehen sein, dass der Wasserabscheider aktiv oder passiv beheizbar ist. Der Wasserabscheider kann aktiv beispielsweise über eine elektrische Beheizung oder dergleichen beheizt werden, weil er hinsichtlich eines Kaltstarts des Brennstoffzellensystems bei Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts gegebenenfalls kritisch hinsichtlich einfrierendem Wasser ist. Dieses könnte über eine solche aktive Beheizung dann aufgetaut werden. Prinzipiell wäre es selbstverständlich auch denkbar, die Beheizung andersartig zu realisieren, beispielsweise passiv, in dem der Wasserabscheider in thermischem Kontakt mit einem seinerseits beheizten Bauteil steht und/oder in thermischem Kontakt mit einem Bauteil steht, welches durch den beginnenden Betrieb der Brennstoffzelle erwärmt wird, beispielsweise in Kontakt zu dem Kühlwasser.
  • Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den restlichen Unteransprüchen und werden anhand des Ausführungsbeispiels deutlich, welches nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert wird.
  • Dabei zeigen:
  • 1 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems in einer möglichen Ausführungsform gemäß der Erfindung;
  • 2 ein Wasserabscheider gemäß der Erfindung; und
  • 3 ein Brennstoffzellensystem gemäß der Erfindung in einer alternativen Ausführungsform.
  • In der Darstellung gemäß 1 ist ein Brennstoffzellensystem 1 in einem für die hier vorliegende Erfindung relevanten Ausschnitt stark schematisiert angedeutet. Wichtigster Bestandteil des Brennstoffzellensystems 1 ist dabei eine Brennstoffzelle 2, welche typischerweise als Stapel von einzelnen Brennstoffzellen, als sogenannter Brennstoffzellenstack, ausgebildet ist. Die Brennstoffzelle 2 weist einen Anodenraum 3 und einen Kathodenraum 4 auf, welche in den hier dargestellten Ausführungsbeispielen jeweils durch eine protonenleitende Membran voneinander getrennt sein sollen. Bei der Brennstoffzelle 2 handelt es sich also um einen sogenannten PEM-Brennstoffzellenstack.
  • Der Anodenraum 3 der Brennstoffzelle 2 wird aus einer Wasserstoffspeichereinrichtung 5 über ein Dosierventil 6 sowie ein Leitungselement mit Wasserstoff aus der Wasserstoffspeichereinrichtung 5 versorgt. Im Bereich des Anodenraums 3 nicht umgesetzter Wasserstoff gelangt über eine Rezirkulationsleitung 7 einer Rezirkulationseinrichtung 8 zurück in den Bereich, in dem der frische Wasserstoff über das Dosierventil 6 zu dem Anodenraum 3 strömt. Die Rezirkulationsleitung 7 führt damit in an sich bekannter Weise unverbrauchtes Gas im Anodenabgas aus dem Bereich des Anodenraums 3 zurück zum Anodeneingang, wobei sich das Gas mit frischem Wasserstoff aus der Wasserstoffspeichereinrichtung 5 vermischt. Um den Druckverlust im Anodenraum 3 auszugleichen, ist im Bereich der Rezirkulationsleitung 7 außerdem eine Rezirkulationsfördereinrichtung 9 als Teil der Rezirkulationseinrichtung 8 angeordnet, welche für die Rückführung des unverbrauchten Gases aus dem Anodenraum 3 sorgt. Die Rezirkulationsfördereinrichtung 9 kann dabei als Wasserstoffrezirkulationsgebläse ausgebildet sein, so wie dies in 1 angedeutet ist. Ergänzend oder alternativ hierzu wäre auch eine Gasstrahlpumpe denkbar, welche durch den Wasserstoff aus der Wasserstoffspeichereinrichtung 5 angetrieben wird, und das Gas aus dem Bereich der Rezirkulationsleitung 7 entsprechend ansaugt, mit dem frischen Wasserstoff vermischt und dem Anodenraum 3 zuführt.
  • Der Kathodenraum 4 der Brennstoffzelle 2 wird im hier dargestellten Ausführungsbeispiel mit Luft versorgt. Der in der Luft enthaltende Sauerstoff dient als Oxidationsmittel für die chemische Reaktion im Inneren der Brennstoffzelle 2 und bildet zusammen mit dem Wasserstoff in an sich bekannter Weise Wasser, wobei elektrische Leistung frei wird, welche an der Brennstoffzelle 2 entsprechend abgegriffen werden kann. Die Luft für den Kathodenraum 4 wird dabei über eine Luftfördereinrichtung 10 entsprechend verdichtet und über eine Zuluftleitung 11 dem Eingang 12 des Kathodenraums 4 zugeführt. Zur Aufbereitung der Luft können dabei weitere Komponenten, wie beispielsweise Luftfilter oder dergleichen vorhanden sein, auf deren Darstellung hier zur Vereinfachung verzichtet wurde. Die Luftfördereinrichtung 10 kann dabei als Kompressor, beispielsweise als Schraubenkompressor, ausgebildet sein. Im hier dargestellten Ausführungsbeispiel soll die Luftfördereinrichtung 10 jedoch als Strömungsverdichter ausgebildet sein, welcher über eine Welle mit einer elektrischen Maschine 13 sowie einer Turbine 14 kombiniert ist. Dieser aus dem Stand der Technik ebenfalls bekannte Aufbau wird auch als elektrischer Turbolader (ETC = Electric Turbo Charger) bezeichnet. Über die Turbine 14 kann in dem Abgas aus dem Kathodenraum 4 vorhandene Energie in Form von Druck und Wärme entsprechend zurückgewonnen werden. Die Luftfördereinrichtung 10 kann dann über die Turbine 14 betrieben werden oder der Betrieb kann zumindest über die Turbine 14 unterstützt werden. Die weitere verbleibende Energie, oder falls die Turbine 14 keine Energie liefert die gesamte Energie zum Antrieb der Luftfördereinrichtung 10, kann außerdem über die elektrische Maschine 13 zur Verfügung gestellt werden. Wenn die Turbine 14 einen Energieüberschuss liefert, sodass mehr Energie an der Turbine 14 anfällt als zum Betrieb des Luftverdichters 10 benötigt wird, dann kann die elektrische Maschine 13 als auch als Generator betrieben werden, um diese anfallende mechanische Energie in elektrische Energie umzuwandeln, welche dann z. B. in einer Batterie des Brennstoffzellensystems 1 entsprechend eingespeichert wird und/oder anderen elektrisch betriebenen Nebenaggregaten zur Verfügung gestellt werden kann.
  • Im Bereich der Rezirkulationsleitung 7 ist außerdem ein Wasserabscheider 15 vorgesehen, welcher während des Betriebs flüssiges Wasser, welches sich im Bereich des Anodenraums 3 ansammelt und über die Rezirkulationsleitung 7 entsprechend ausgetragen wird, sammelt. Dieses flüssige Wasser kann somit Gaskanäle und dergleichen im Bereich des Anodenraums 3 nicht verstopfen, sodass anodenseitig ein sicherer und zuverlässiger Betrieb garantiert werden kann. Im Bereich des Wasserabscheiders 15 ist zum Ablassen dieses Wassers eine Ventileinrichtung 16 im Auslassbereich des Wasserabscheiders 15, typischerweise also in Richtung der Schwerkraft unten, vorgesehen. An die Ventileinrichtung 16 schließt sich eine Ablassleitung 17 an, welche im Bereich einer später noch näher erläuterten Komponente 18 in den Bereich der Zuluftleitung 11 mündet. Wie aus dem Stand der Technik bekannt, wird über diese Ablassleitung 17 nun Wasser und Abgas aus dem Anodenraum 3 der Brennstoffzelle 2 in den Bereich der Komponente 18 geführt. Aus dem Bereich der Komponente 18 führt eine Wasserleitung 19 mit einer Ventileinrichtung 20 in den Bereich eines Abgasstroms nach der Turbine 14.
  • In der Darstellung der 2 ist die Komponente 18 nun im Detail zu erkennen. Sie besteht in der hier dargestellten bevorzugten Ausführungsform aus einem Wasserabscheider 21, in welchen die Ablassleitung 17 mündet. Über die Ventileinrichtung 20 und die Wasserleitung 19 kann das sich in dem Wasserabscheider 21 ansammelnde Wasser dann in den Bereich der Abluft aus dem Brennstoffzellensystem 1 eingetragen werden. Alternative Möglichkeiten zur Entsorgung des Wassers sind selbstverständlich ebenso denkbar und möglich.
  • Um in dem Wasserabscheider 21 eine hohe Abscheiderate zu erreichen, sind entsprechend geringe Strömungsgeschwindigkeiten im Bereich des Wasserabscheiders notwendig. Um ihn nun dennoch entsprechend klein ausbilden zu können, ist bei dem hier beschriebenen Aufbau der Wasserabscheider 21 nicht in den Bereich der Zuluftleitung 11 integriert, sondern lediglich über zwei Leitungen 22, 23 an die Zuluftleitung 11 angebunden. Hierdurch wird erreicht, dass nicht der gesamte in der Darstellung der 2 mit A bezeichnete Zuluftstrom durch den Wasserabscheider 21 strömt. Vielmehr wird durch die aus der Zuluftleitung 11 abzweigende Leitung 22 ein Teilstrom a des Zuluftstroms A in den Wasserabscheider 21 strömen. Der Teilluftstrom a strömt also über das Leitungselement 22 in den Bereich des Wasserabscheiders 21 ein und wird dort mit dem über die Ablassleitung 17 in den Bereich des Wasserabscheiders 21 einströmenden Gemisch b aus Wasser und Abgas des Anodenraums 3 vermischt. Durch den vergleichsweise kleinen Teilluftstrom a, welcher insbesondere in der Größenordnung von ca. 10 Prozent des gesamten Zuluftstroms A beträgt, wird trotz einem vergleichsweise klein aufgebauten Wasserabscheider 21 eine entsprechend geringe Strömungsgeschwindigkeit im Bereich des Wasserabscheiders 21 erzielt. Dadurch kann das über die Ablassleitung 17 eingetragene Wasser sehr gut abgeschieden werden. Es sammelt sich in dem Wasserabscheider 21 und kann über die Ventileinrichtung 20 oder alternativ dazu einer Blende und die Wasserleitung 19 in die Abluft des Brennstoffzellensystems 1 abgegeben werden. Der Teilluftstrom a vermischt sich mit dem Gasanteil b', welcher durch die Ablassleitung 17 in den Wasserabscheider 21 geströmt ist, und verlässt den Wasserabscheider 21 vorzugsweise in Richtung der Schwerkraft nach oben, um eventuell noch in dem Gemisch verbleibende Wassertröpfen durch die Schwerkraft abzuscheiden. Der Gasstrom aus dem Teilluftstrom a und dem Gasanteil b' aus der Ablassleitung 17 ist in der 2 mit a + b' bezeichnet. Er strömt über die Leitung 23 zurück in den Bereich der Zuluftleitung 11 und vermischt sich dort, bevor diese am Eingang 12 des Kathodenraums 4 anlangt mit dem Rest des Zuluftstroms (A – a) zu dem in 2 mit A + b' bezeichneten Gasstrom, welcher dann in den Kathodenraum 4 strömt.
  • Bei dem Aufbau des Brennstoffzellensystems 1, wie es in der Darstellung der 1 zu erkennen ist, wäre selbstverständlich zusätzlich der Einsatz eines an sich bekannten Befeuchters, typischerweise im Bereich vor der Komponente 18, denkbar und möglich. Da dies dem allgemeinen Stand der Technik entspricht wird zur Vereinfachung der Darstellung hierauf nicht weiter eingegangen.
  • In der Darstellung der 3 ist eine besonders bevorzugte Ausgestaltung des Brennstoffzellensystems 1 zu erkennen. Im Gegensatz zur Ausgestaltung des Brennstoffzellensystems 1 in der Darstellung der 1 weist dieses im Bereich der Rezirkulationseinrichtung 8 keinen Wasserabscheider 15 mehr auf, sondern lediglich eine Blende 24, welche für einen kontinuierlichen Abstrom von Wasser und Gas durch die Ablassleitung 17 in den Bereich des Wasserabscheiders 21 sorgt. Dies ist hinsichtlich des Aufwands an Komponenten und Bauraum sehr günstig. Außerdem lässt sich der Steuerungsaufwand minimieren. Alternativ dazu wäre selbstverständlich auch der Einsatz der Ventileinrichtung 16 jedoch ohne den Wasserabscheider 15 anstelle der Blende 24 denkbar.
  • Die Komponente 18 bei dem bevorzugten Aufbau des Brennstoffzellensystems 1 gemäß 3 ist dabei identisch zum bisher beschriebenen Aufbau und insbesondere zur Darstellung in 2 aufgebaut.
  • Alternativ dazu wäre es selbstverständlich auch denkbar, anstelle des Ventils 20 zwischen dem Wasserabscheider 21 und der Wasserleitung 19 eine feste Blende vorzusehen und so einen kontinuierlichen Abstrom des angefallenen Wassers in den Bereich der Abluft des Brennstoffzellensystems 1 zu gewährleisten. Die Auslegung und/oder die Ansteuerung des Ventils 16 im Bereich der Ablassleitung 17 müsste dann so realisiert werden, dass eine Wasserstoffkonzentration im Bereich der Abluft, auch in Störungsfällen des Brennstoffzellensystems 1, möglichst unter 4 Prozent bleibt, um keine sicherheitskritischen Zustände zu erreichen. Vorzugsweise ist dabei in der Ablassleitung 17 oder der Wasserleitung 19 eine Blende und in der jeweils anderen Leitung eine Ventileinrichtung vorgesehen, um den Austritt von Wasserstoff notfalls sicher stoppen zu können.
  • Da der Wasserabscheider 21 mit im Bereich der Brennstoffzelle 2 entstandenem Reinstwasser in Kontakt kommt, kann dieses Wasser bei Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts sehr leicht einfrieren und die Funktionalität der Komponente 18 beeinträchtigen. Der Wasserabscheider 21 kann daher so ausgestaltet sein, dass dieser aktiv beheizt werden kann, was in der Darstellung der 2 durch eine elektrische Widerstandsheizung 25 prinzipmäßig angedeutet ist. Ergänzend oder alternativ dazu wäre es selbstverständlich auch denkbar, die Beheizung durch thermischen Kontakt mit einer ohnehin beheizten oder sich selbst erwärmenden Komponente und/oder dem Kühlwasser vorzunehmen.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 10115336 A1 [0002, 0002, 0002]
    • WO 2008/052578 A1 [0003]

Claims (10)

  1. Brennstoffzellensystem (1) mit wenigstens einer Brennstoffzelle (2), welche einen Anodenraum (3) und einen Kathodenraum (4) aufweist, mit einer Rezirkulationseinrichtung (8), welche Anodenabgas zum Anodeneingang zurückführt, mit einer Ablassleitung (17) zum Ablassen von Flüssigkeit und/oder Gas aus dem Bereich der Rezirkulationseinrichtung (8) und mit einer Luftfördereinrichtung (10) zur Versorgung des Kathodenraums (4) mit einem Zuluftstrom (A), dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Luftfördereinrichtung (10) und dem Kathodenraum (4) im Bereich des Zuluftstroms (A) ein Wasserabscheider (21) angeordnet ist, welcher mit der Ablassleitung (17) verbunden ist, und welcher zumindest von einem Teil (a) des Zuluftstroms (A) durchströmt ist.
  2. Brennstoffzellensystem (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wasserabscheider (21) von einem Teilstrom (a) des Zuluftstroms (A) durchströmt ist.
  3. Brennstoffzellensystem (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Teilstrom (a) bis zu 25 Prozent des Volumenstroms des Zuluftstroms (A) ausmacht.
  4. Brennstoffzellensystem (1) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Teilstrom (a) ca. 10 Prozent des Volumenstroms des Zuluftstroms (A) ausmacht.
  5. Brennstoffzellensystem (1) nach Anspruch 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Teilstrom (a) vom Wasserabscheider (21) aus in Richtung der Schwerkraft, beim bestimmungsgemäßen Betrieb, nach oben strömt, und sich vor dem Kathodenraum (4) mit dem Rest (A – a) des Zuluftstroms (A), aus dem er abgezweigt wurde, wieder vermischt.
  6. Brennstoffzellensystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Wasserabscheider (21) über eine Wasserleitung (19) für die abgeschiedene Flüssigkeit mit einer Blende und/oder Ventileinrichtung (20) mit einem Abgasstrom aus dem Brennstoffzellensystem (1) verbunden ist.
  7. Brennstoffzellensystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich des Wasserabscheiders (21) ein katalytisches Material angeordnet ist, welches die Reaktion von Wasserstoff mit Sauerstoff zu Wasser begünstigt.
  8. Brennstoffzellensystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Wasserabscheider (21) beheizbar ist.
  9. Brennstoffzellensystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Ablassleitung (17) eine Blende (24) und/oder eine Ventileinrichtung (16) aufweist.
  10. Brennstoffzellensystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Ablassleitung (17) im Bereich der Rezirkulationseinrichtung (8) im Bereich wenigstens eines Wasserabscheiders (15) angeordnet ist.
DE102011109644A 2011-08-05 2011-08-05 Brennstoffzellensystem mit wenigstens einer Brennstoffzelle Withdrawn DE102011109644A1 (de)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102011109644A DE102011109644A1 (de) 2011-08-05 2011-08-05 Brennstoffzellensystem mit wenigstens einer Brennstoffzelle
PCT/EP2012/003090 WO2013020647A1 (de) 2011-08-05 2012-07-21 Brennstoffzellensystem mit wasserabscheider
US14/237,116 US9252438B2 (en) 2011-08-05 2012-07-21 Fuel cell system comprising a water separator

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102011109644A DE102011109644A1 (de) 2011-08-05 2011-08-05 Brennstoffzellensystem mit wenigstens einer Brennstoffzelle

Publications (1)

Publication Number Publication Date
DE102011109644A1 true DE102011109644A1 (de) 2013-02-07

Family

ID=46583947

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE102011109644A Withdrawn DE102011109644A1 (de) 2011-08-05 2011-08-05 Brennstoffzellensystem mit wenigstens einer Brennstoffzelle

Country Status (3)

Country Link
US (1) US9252438B2 (de)
DE (1) DE102011109644A1 (de)
WO (1) WO2013020647A1 (de)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102016213836A1 (de) * 2016-07-27 2018-02-01 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Verfahren zum Beheizen eines Wasserabscheiders sowie Wasserabscheider für ein Brennstoffzellensystem eines Kraftfahrzeugs
DE102019205809A1 (de) * 2019-04-24 2020-10-29 Audi Ag Flussfeldplatte, Brennstoffzellenstapel mit einer Flussfeldplatte und Brennstoffzellensystem

Families Citing this family (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102014212835A1 (de) * 2014-07-02 2016-01-07 Volkswagen Aktiengesellschaft Brennstoffzellenvorrichtung mit Wasser übertragendem Anodengaspfad und Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzelle
JP6547770B2 (ja) * 2017-01-18 2019-07-24 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム
JP6776216B2 (ja) * 2017-11-22 2020-10-28 本田技研工業株式会社 燃料電池システム及び燃料電池システムの制御方法
JP7028742B2 (ja) * 2018-08-23 2022-03-02 本田技研工業株式会社 燃料電池システム
KR102070515B1 (ko) * 2018-09-21 2020-04-01 주식회사 두산 기액 분리 장치
JP6986047B2 (ja) * 2019-05-31 2021-12-22 本田技研工業株式会社 燃料電池システム
JP7141380B2 (ja) * 2019-10-08 2022-09-22 本田技研工業株式会社 燃料電池システム

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE10115336A1 (de) 2001-03-28 2002-10-31 Gen Motors Corp Intellectual P Brennstoffzellensystem sowie Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems
WO2008052578A1 (de) 2006-10-31 2008-05-08 Daimler Ag Brennstoffkreis eines brennstoffzellensystems und verfahren zum betreiben eines brennstoffzellensystems

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1296402A1 (de) * 2001-09-25 2003-03-26 Ballard Power Systems AG Brennstoffzellensystem und Betriebsverfahren dafür
DE10357198A1 (de) * 2003-12-08 2005-07-07 Proton Motor Fuel Cell Gmbh System und Verfahren zur Entfernung von Wasserstoff aus Brennstoffzellen-Abgasen
DE102004056952A1 (de) * 2004-11-25 2006-06-08 Nucellsys Gmbh Brennstoffzellensystem mit Flüssigkeitsabscheider
DE102009014590A1 (de) * 2009-03-24 2010-09-30 Daimler Ag Brennstoffzellensystem mit wenigstens einer Brennstoffzelle
DE102009014592A1 (de) * 2009-03-24 2010-09-30 Daimler Ag Brennstoffzellensystem mit wenigstens einer Brennstoffzelle
DE102010007977A1 (de) 2010-02-15 2011-08-18 Daimler AG, 70327 Brennstoffzellensystem mit wenigstens einer Brennstoffzelle

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE10115336A1 (de) 2001-03-28 2002-10-31 Gen Motors Corp Intellectual P Brennstoffzellensystem sowie Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems
WO2008052578A1 (de) 2006-10-31 2008-05-08 Daimler Ag Brennstoffkreis eines brennstoffzellensystems und verfahren zum betreiben eines brennstoffzellensystems

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102016213836A1 (de) * 2016-07-27 2018-02-01 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Verfahren zum Beheizen eines Wasserabscheiders sowie Wasserabscheider für ein Brennstoffzellensystem eines Kraftfahrzeugs
DE102019205809A1 (de) * 2019-04-24 2020-10-29 Audi Ag Flussfeldplatte, Brennstoffzellenstapel mit einer Flussfeldplatte und Brennstoffzellensystem

Also Published As

Publication number Publication date
WO2013020647A1 (de) 2013-02-14
US9252438B2 (en) 2016-02-02
US20140178779A1 (en) 2014-06-26

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE102011109644A1 (de) Brennstoffzellensystem mit wenigstens einer Brennstoffzelle
DE10304657B4 (de) Brennstoffzellenstapel sowie -system und Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems mit einem solchen Brennstoffzellenstapel
DE102011111742A1 (de) Brennstoffzellensystem
EP2502300B1 (de) Brennstoffzellensystem mit einem flüssigkeitsabscheider im anodenkreislauf
WO2009121560A1 (de) Brennstoffzelleneinrichtung und verfahren zum betreiben einer brennstoffzelleneinrichtung
DE102011114797A1 (de) Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems
DE102009009675A1 (de) Brennstoffzellensystem mit wenigstens einer Brennstoffzelle
DE102010046012A1 (de) Brennstoffzellensystem
DE102012023682A1 (de) Flüssigkeitsabscheider für ein Brennstoffzellensystem
DE102009014743A1 (de) Brennstoffzellensystem mit einer Niedertemperatur-Brennstoffzelle
EP2583341A1 (de) Vorrichtung zur befeuchtung von anodengas
DE102017215495A1 (de) Wasserabscheider für ein Brennstoffzellensystem, Brennstoffzellensystem sowie Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems
DE102013003599A1 (de) Brennstoffzellensystem
WO2010108606A1 (de) Brennstoffzellensystem mit anodenseitiger auslassöffnung
DE102011113020A1 (de) Abscheidevorrichtung für ein Brennstoffzellensystem, Brennstoffzellensystem mit der Abscheidevorrichtung sowie Verfahren zum Betrieb der Abscheidevorrichtung
DE102016010450A1 (de) Flüssigkeitsabscheider und seine Verwendung
WO2011101009A1 (de) Brennstoffzellensystem mit wenigstens einer brennstoffzelle
WO2016146302A1 (de) Brennstoffzellensystem mit einem befeuchteten oxidationsmittelstrom
DE102013011373A1 (de) Vorrichtung zum Einbringen von flüssigem Wasser in einen Gasstrom
DE102019003386A1 (de) Vorrichtung zur Rezirkulation von Abgas
WO2010108605A2 (de) Brennstoffzellensystem mit wenigstens einer brennstoffzelle
DE102018210187A1 (de) Befeuchtungssystem und Brennstoffzellensystem
DE102020113991A1 (de) Brennstoffzellensystem mit einem kathodenseitigen Flüssigkeitsreservoir und Kraftfahrzeug
DE102013014952A1 (de) Gas/Gas-Befeuchter
DE102011116856A1 (de) Gasversorgungsvorrichtung

Legal Events

Date Code Title Description
R005 Application deemed withdrawn due to failure to request examination
R079 Amendment of ipc main class

Free format text: PREVIOUS MAIN CLASS: H01M0008040000

Ipc: H01M0008041190