DE102012014610A1

DE102012014610A1 - Fuel cell system used in vehicle, has porous separator layer that is impervious for transmission of gaseous substance and liquid water

Info

Publication number: DE102012014610A1
Application number: DE201210014610
Authority: DE
Inventors: Harald Badowsky; Rolf-Peter Eßling; Andreas Knoop; Julia Kohlbecker; Wilfried Marx; Michael Oszcipok; Sven Schmalzriedt; Simon Steinhübl
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2012-07-24
Filing date: 2012-07-24
Publication date: 2014-01-30

Abstract

The system (1) has a device (8) that is provided for separating liquid water from a product gas current of a fuel cell (2). The device is provided with a porous separator layer (11) impervious for transmission of gaseous substance and liquid water. The porous separator layer is made from knitted fabric and polytetrafluoroethylene (PTFE). The separator layer is designed as selectively membrane from palladium, transmissive for hydrogen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem mit einer Vorrichtung zum Abscheiden von flüssigem Wasser aus wenigstens einem Produktgasstrom aus einer Brennstoffzelle.The invention relates to a fuel cell system with a device for separating liquid water from at least one product gas stream from a fuel cell.

Brennstoffzellensysteme sind aus dem allgemeinen Stand der Technik hinlänglich bekannt. Typischerweise wird einer Brennstoffzelle dabei Wasserstoffgas auf ihrer Anodenseite und Luft oder Sauerstoffgas auf ihrer Kathodenseite zugeführt. In der Brennstoffzelle entsteht dann elektrische Leistung, Wasser und ein entsprechender Abgasstrom, welcher außerdem das in der Brennstoffzelle entstehende Produktwasser mit sich führt.Fuel cell systems are well known in the art. Typically, a fuel cell is supplied with hydrogen gas on its anode side and air or oxygen gas on its cathode side. The fuel cell then produces electrical power, water and a corresponding exhaust gas flow, which also carries with it the product water produced in the fuel cell.

Um die gesamte zur Verfügung stehende aktive Fläche der Elektrodenräume einer Brennstoffzelle zu nutzen und diese sicher und zuverlässig mit dem entsprechenden Eduktgas zu versorgen, ist es dabei häufig, insbesondere auf der Seite des Anodenraums vorgesehen, die Produkte in einer Kreislaufführung vom Ausgang des Elektrodenraums zurück zum Eingang des Elektrodenraums zu führen, um so das zurückgeführte Abgas mit frischem Eduktgas vermischt dem Elektrodenraum erneut zuzuführen. Um Druckverluste auszugleichen ist dabei typischerweise eine geeignete Fördereinrichtung für das rückgeführte Abgas, beispielsweise eine Gasstrahlpumpe und/oder ein Gebläse vorgesehen. Nun ergibt sich aus der Anordnung mit einer Kreislaufführung um die Elektrodenräume notwendigerweise auch die Tatsache, dass sich die zugeführten Edukte mit den aus den Elektrodenräumen abströmenden Produkten vermischen. Dies kann sich in bestimmten Betriebsphasen als nachteilig herausstellen. Insbesondere das anfallende Produktwasser, das während des Betriebs der Brennstoffzelle des Brennstoffzellensystems entsteht, kann die Reaktandenversorgungen mit den Edukten negativ beeinflussen. Das Produktwasser entsteht zwar nur an einer der Elektroden der Brennstoffzelle, es kann aber unter bestimmten Bedingungen auch durch den Elektrolyt, der insbesondere als PEM-Brennstoffzelle ausgebildeten Brennstoffzelle, auf die Seite der anderen Elektrode diffundieren. Das Produktwasser kann somit in beiden Abgaskreisläufen, sofern diese in dem Brennstoffzellensystem vorhanden sind, auftreten. In ungünstigen Betriebsphasen kann dieses Produktwasser die gleichmäßige Versorgung der elektrochemisch aktiven Fläche der Brennstoffzelle mit Edukten stören oder in bestimmten Regionen auch punktuell verhindern. Dies kann zu einer irreversiblen Schädigung der Brennstoffzelle führen.In order to use the entire available active surface of the electrode spaces of a fuel cell and to supply them safely and reliably with the appropriate educt gas, it is often provided, especially on the side of the anode compartment, the products in a loop from the output of the electrode chamber back to Entrance of the electrode chamber, so as to supply the recirculated exhaust gas mixed with fresh reactant gas to the electrode space again. To compensate for pressure losses is typically provided a suitable conveyor for the recirculated exhaust gas, for example, a gas jet pump and / or a fan. Now arises from the arrangement with a circulation around the electrode spaces necessarily also the fact that the supplied educts mix with the effluent from the electrode chambers products. This may turn out to be detrimental in certain operating phases. In particular, the accumulated product water, which arises during operation of the fuel cell of the fuel cell system, can adversely affect the Reaktandenversorgungen with the reactants. Although the product water is produced only at one of the electrodes of the fuel cell, under certain conditions it can also diffuse to the side of the other electrode through the electrolyte, in particular a fuel cell designed as a PEM fuel cell. The product water can thus occur in both exhaust gas circuits, if they are present in the fuel cell system. In unfavorable operating phases, this product water can interfere with the uniform supply of the electrochemically active surface of the fuel cell with educts or even selectively prevent it in certain regions. This can lead to irreversible damage to the fuel cell.

Aus dem allgemeinen Stand der Technik, ist es insbesondere in Anodenkreisläufen um die Brennstoffzelle eines Brennstoffzellensystems daher bekannt und üblich, Flüssigkeitsabscheider beziehungsweise Wasserabscheider vorzusehen, welche flüssiges Produktwasser aus den Gasströmen fluidmechanisch abtrennen, indem in den Abscheidern die Strömungsgeschwindigkeit des Zweiphasengemischs abgesenkt wird, sodass das flüssige Produktwasser ausfallen kann. Alternativ dazu kennt der allgemeine Stand der Technik bei Brennstoffzellensystemen außerdem Zyklonabscheider, welche anstelle einer Verringerung der Strömungsgeschwindigkeit auf die Fliehkraft zum Trennen der beiden Phasen der Zweiphasenströmung des Produktgasstroms setzen. Bei beiden Systemen ist es so, dass das abgeschiedene Wasser in einer Art Vorratsbehälter gespeichert werden muss. Bei kontinuierlichem Betrieb muss dieses Wasser dann von Zeit zu Zeit abgelassen werden. Die Drainage erfolgt üblicherweise mit Hilfe von mechanischen oder elektromechanischen Ventilen. Wäre die Drainage permanent geöffnet, so könnte es zu einem unerwünschten Austritt von Gasen kommen, was insbesondere auf der Anodenseite mit einem Energieverlust einerseits und gegebenenfalls einem Sicherheitsrisiko andererseits einhergehen würde. Eine weitere Problematik besteht darin, dass das Produktwasser sehr rein ist und damit bei Temperaturen um 0°C unmittelbar gefriert. Dies kann zu erheblichen Funktionsbeeinträchtigungen des Brennstoffzellensystems führen.From the general state of the art, it is therefore known and customary, in particular in anode circuits around the fuel cell of a fuel cell system, to provide liquid separators or water separators which fluidly separate liquid product water from the gas streams by lowering the flow velocity of the two-phase mixture in the separators, so that the liquid Product water can fail. Alternatively, the prior art in fuel cell systems also has cyclone separators which rely on centrifugal force to separate the two phases of the two-phase flow of product gas flow rather than a reduction in flow rate. In both systems it is the case that the separated water has to be stored in a kind of storage container. In continuous operation, this water must then be drained from time to time. The drainage is usually carried out by means of mechanical or electromechanical valves. If the drainage were permanently open, it could lead to an undesirable escape of gases, which would be accompanied on the anode side in particular with an energy loss on the one hand and possibly a security risk on the other hand. Another problem is that the product water is very pure and thus immediately freezes at temperatures around 0 ° C. This can lead to significant malfunction of the fuel cell system.

Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin, ein Brennstoffzellensystem anzugeben, welches eine verbesserte Vorrichtung zum Abscheiden von flüssigem Wasser aus wenigstens einem Produktgasstrom des Brennstoffzellensystems aufweist.The object of the present invention is now to provide a fuel cell system having an improved apparatus for separating liquid water from at least one product gas stream of the fuel cell system.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems ergeben sich aus den restlichen hiervon abhängigen Unteransprüchen.According to the invention this object is achieved by the features in the characterizing part of claim 1. Advantageous developments and refinements of the fuel cell system according to the invention emerge from the remaining dependent claims.

Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem weist im Bereich der Vorrichtung zum Abscheiden von flüssigem Wasser erfindungsgemäß eine poröse Separatorschicht auf, welche als hydrophobe Separatorschicht ausgebildet ist, und welche für wenigstens einen gasförmigen Stoff durchlässig und für flüssiges Wasser undurchlässig bzw. weitgehend undurchlässig ist. Über eine solche Vorrichtung mit einer porösen hydrophoben Separatorschicht, welche beispielsweise aus einem porösen Gewebe, insbesondere einem PTFE-Gewebe, bestehen kann, wird eine passive Trennung der Gase und des flüssigen Wassers mittels der Vorrichtung erreicht. Die unterschiedlichen Phasen und/oder Stoffe des Produktgasstroms nach der Vorrichtung können dann gezielt in den Teil des Brennstoffzellensystems weitergeführt werden, in dem diese entweder benötigt werden oder problemlos „entsorgt” werden können.The fuel cell system according to the invention has, in the region of the device for separating liquid water, a porous separator layer which is designed as a hydrophobic separator layer and which is permeable to at least one gaseous substance and impermeable or substantially impermeable to liquid water. About such a device with a porous hydrophobic separator layer, which may for example consist of a porous tissue, in particular a PTFE fabric, a passive separation of the gases and the liquid water is achieved by means of the device. The different phases and / or substances of the product gas stream downstream of the device can then be deliberately continued into the part of the fuel cell system in which they are either needed or can be disposed of without problems.

Beim beispielhaften Einsatz der Vorrichtung innerhalb eines Anodenkreislaufs des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems könnte es beispielsweise vorgesehen sein, die gasförmigen wasserstoffaufweisenden Stoffe zum Eingang des Anodenraums zurückzuführen, während das flüssige Wasser über einen Sammelbehälter und/oder eine Ablassleitung kontinuierlich oder diskontinuierlich aus dem System abgeführt und/oder zur Befeuchtung der Kathodenzuluft und/oder zur Abkühlung derselben dieser vorzugsweise unmittelbar nach einer Luftfördereinrichtung, zugeführt wird. By way of example, when using the device within an anode circuit of the fuel cell system according to the invention, it could be provided to recirculate the gaseous hydrogen-containing substances to the anode space inlet, while the liquid water is continuously or discontinuously discharged from the system via a sump and / or drain line and / or to the Humidification of the cathode feed air and / or for cooling the same of these preferably immediately after an air conveyor, is supplied.

Als poröse Schicht eignet sich beispielsweise ein Gewebe, ein Gestrick, ein Gewirke oder ein Netz, insbesondere aus einem hydrophoben Material wie beispielsweise PTFE. Ergänzend oder alternativ dazu können außerdem Materialien geeignet sein, welche zur Ausbildung einer speziell für Wasserstoff selektiv durchlässigen Membran, beispielsweise auf der Basis von Palladium, ausgebildet sind. Auch hier würde wenigstens ein gasförmiger Stoff, nämlich der Wasserstoff, durch die poröse Separatorschicht hindurchdringen und könnte unmittelbar wieder zum Eingang eines Anodenraums zurückgeführt werden, während andere Restgase, wie beispielsweise Stickstoff sowie dampfförmiges Wasser und flüssiges Wasser auf der anderen Seite der für Wasserstoff selektiv durchlässigen Membran verbleiben. Diese könnten dann aus dem System abgeführt, oder wie bereits erwähnt, der Kathodenzuluft zugeführt werden.As a porous layer, for example, a fabric, a knitted fabric, a knitted fabric or a net, in particular of a hydrophobic material such as PTFE is suitable. In addition or as an alternative, it is also possible to use materials which are designed to form a membrane which is selectively permeable to hydrogen, for example based on palladium. Again, at least one gaseous material, namely hydrogen, would pass through the porous separator layer and could be immediately returned to the entrance of an anode compartment while other residual gases, such as nitrogen and vaporous water and liquid water on the other side, are selectively permeable to hydrogen Membrane remain. These could then be removed from the system, or, as already mentioned, the cathode feed to be supplied.

Weitere bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems ergeben sich aus den restlichen abhängigen Unteransprüchen und werden anhand der Ausführungsbeispiele deutlich, welche nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben sind.Further preferred embodiments and further developments of the fuel cell system according to the invention will become apparent from the remaining dependent subclaims and will be apparent from the embodiments, which are described in more detail below with reference to the figures.

Dabei zeigen:Showing:

1 einen Ausschnitt aus einer ersten Ausführungsform eines Brennstoffzellensystems gemäß der Erfindung; und 1 a detail of a first embodiment of a fuel cell system according to the invention; and

2 einen Ausschnitt aus einer zweiten Ausführungsform eines Brennstoffzellensystems gemäß der Erfindung. 2 a section of a second embodiment of a fuel cell system according to the invention.

In der Darstellung der 1 ist ein für die Erfindung relevanter Ausschnitt aus einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems 1 in einer stark schematischen Darstellung zu erkennen. Den Kern des Brennstoffzellensystems 1 bildet dabei eine Brennstoffzelle 2, welche als Stapel aus einzelnen PEM-Brennstoffzellen als sogenannter Brennstoffzellenstack aufgebaut ist. In der symbolischen Darstellung ist dabei lediglich eine dieser Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstacks exemplarisch angedeutet. Die Brennstoffzelle 2 bzw. jede ihrer Einzelzellen weist einen Kathodenraum 3 und einen Anodenraum 4 auf. Der Kathodenraum 3 ist durch eine protonenleitende Membran 5, welche den Elektrolyt der Brennstoffzelle 2 bildet und deshalb auch als Elektrolyt-Membran bezeichnet wird, von dem Anodenraum 5 getrennt. Im Betrieb des Brennstoffzellensystems 1 wird dem Kathodenraum 3 Luft als Sauerstofflieferant über eine Luftfördereinrichtung 6 zugeführt. Nicht verbrauchte Abluft gelangt in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel unmittelbar wieder aus dem Brennstoffzellensystem 1. Dies ist rein beispielhaft zu verstehen. Genau so gut könnte die Abluft über weitere Komponenten wie beispielsweise Befeuchter, Brenner, eine Turbine zur Rückgewinnung von Energie und/oder dergleichen strömen.In the presentation of the 1 is a relevant to the invention section of a first embodiment of a fuel cell system according to the invention 1 to recognize in a highly schematic representation. The core of the fuel cell system 1 forms a fuel cell 2 , which is constructed as a stack of individual PEM fuel cells as a so-called fuel cell stack. In the symbolic representation, only one of these fuel cells of the fuel cell stack is indicated by way of example. The fuel cell 2 or each of its individual cells has a cathode space 3 and an anode room 4 on. The cathode compartment 3 is through a proton-conducting membrane 5 , which the electrolyte of the fuel cell 2 forms and is therefore also referred to as electrolyte membrane, from the anode compartment 5 separated. In operation of the fuel cell system 1 becomes the cathode compartment 3 Air as an oxygen supplier via an air conveyor 6 fed. Unused exhaust air passes in the embodiment shown here again directly from the fuel cell system 1 , This is to be understood as an example only. The exhaust air could flow just as well over other components such as humidifiers, burners, a turbine for the recovery of energy and / or the like.

Dem Anodenraum 4 der Brennstoffzelle 2 wird Wasserstoff als Edukt aus einem hier nicht dargestellten Druckgasspeicher zugeführt. Zur Regelung und Dosierung des Wasserstoffstroms ist dabei eine Ventileinrichtung 7 exemplarisch angedeutet. Der Wasserstoff wird dem Anodenraum 4 der Brennstoffzelle 2 dabei mit einem gewissen Überschuss zugeführt, sodass die gesamte elektrochemisch aktive Fläche der Protonenaustauschmembran 5 ideal ausgenutzt wird. Überschüssiger Restwasserstoff gelangt aus dem Anodenraum 4 über eine später noch näher beschriebene Vorrichtung 8 zum Abscheiden von Flüssigkeit, eine Rezirkulationsleitung 9 und eine Rezirkulationsfördereinrichtung 10 zurück zum Eingang des Anodenraums 4 und wird diesem vermischt mit frischem Wasserstoff erneut zugeführt. Dieser Aufbau wird im allgemeinen Stand der Technik auch als Anodenrezirkulation, Anodenkreislauf oder Anodenloop bezeichnet.The anode compartment 4 the fuel cell 2 hydrogen is fed as educt from a compressed gas storage, not shown here. For regulating and metering the hydrogen flow is a valve device 7 indicated by way of example. The hydrogen becomes the anode compartment 4 the fuel cell 2 supplied with a certain excess, so that the entire electrochemically active surface of the proton exchange membrane 5 ideally exploited. Excess residual hydrogen passes out of the anode compartment 4 via a later described device 8th for separating liquid, a recirculation line 9 and a recirculation conveyor 10 back to the entrance of the anode room 4 and is added to this mixed with fresh hydrogen again. This construction is also referred to in the general state of the art as anode recirculation, anode circuit or anode loop.

Bei rein theoretischer Betrachtung der Brennstoffzellen wäre es nun so, dass der Produktgasstrom aus dem Anodenraum 4 lediglich unverbrauchten Restwasserstoff enthalten würde. In der Praxis kommt es jedoch in zahlreichen Betriebssituationen dazu, dass Produktwasser der Brennstoffzelle 2, welches normalerweise im Kathodenraum 3 entsteht, durch die Protonenaustauschmembran 4 hindurchdiffundiert und sich im Anodenraum 4 bzw. in dem aus dem Anodenraum 4 ausgetragenen Produktgasstrom sowohl in flüssiger als auch in gasförmiger Form sammelt. Außerdem diffundieren inerte Gase, insbesondere Stickstoff, aus der dem Kathodenraum 3 zugeführten Luft durch die Protonenaustauschmembran 5 in den Anodenraum 4. Diese gesamten Vorgänge sind in der Darstellung der 1 durch Pfeile, welche durch die Protonenaustauschmembran 5 hindurch vom Kathodenraum 3 in den Anodenraum 4 eingezeichnet sind, symbolisiert.In a purely theoretical view of the fuel cell, it would now be the case that the product gas flow from the anode compartment 4 would contain only unused residual hydrogen. In practice, however, it comes in many operating situations that product water of the fuel cell 2 which is usually in the cathode compartment 3 arises through the proton exchange membrane 4 diffused through and in the anode compartment 4 or in which from the anode compartment 4 discharged product gas stream in both liquid and gaseous form. In addition, inert gases, in particular nitrogen, diffuse out of the cathode space 3 supplied air through the proton exchange membrane 5 in the anode compartment 4 , These entire processes are in the representation of 1 by arrows passing through the proton exchange membrane 5 through from the cathode compartment 3 in the anode compartment 4 are symbolized.

Nun ist es so, dass das Wasser sich mit der Zeit in dem Anodenkreislauf anreichert, ebenso wie die inerten Gase. Dies führt zu einigen negativen Auswirkungen. Zuerst einmal sinkt die Wasserstoffkonzentration in dem Anodenkreislauf ab, da dessen Volumen konstant ist und bei einem vergleichsweise großen vorhandenen Volumen an Wasser und inerten Gasen zwangsläufig das für den Wasserstoff zur Verfügung stehende Volumen sinkt. Eine weitere Problematik rührt insbesondere von dem flüssigen Wasser in dem Anodenkreislauf her, da dieses Teile des Anodenraums 4, und hier insbesondere Teile einer in dem Anodenraum 4 zur Verteilung des Wasserstoffs auf die Membran 5 angeordneten Gasverteilungseinrichtung blockieren kann. Diese Gasverteilungseinrichtung, welche auch als Flowfield bezeichnet wird, umfasst eine Vielzahl von Kanälen, welche bei zu hohem Anteil an Wasser in dem Gemisch aus Wasserstoff und Produktgas blockiert werden können. Hierdurch kommt es zu einer punktuellen Unterversorgung der Membran 5 mit Wasserstoff, was diese bzw. die in ihrem Bereich vorhandenen Katalysatoren nachhaltig schädigen kann. Um dieser Problematik entgegenzuwirken, ist in dem Anodenkreislauf die Vorrichtung 8 zum Abscheiden von flüssigem Wasser aus dem Produktgasstrom vorgesehen. Diese Vorrichtung 8 besteht im Wesentlichen aus einer porösen Separatorschicht 11, welche als hydrophobe Separatorschicht ausgebildet ist und beispielsweise als Netz, Geflecht oder Gestrick aus einem hydrophoben Material, beispielsweise aus PTFE, ausgebildet sein kann. Andersartige Textilien, gegebenenfalls mit einer entsprechenden Beschichtung, sind jedoch ebenso geeignet. Now, the water accumulates over time in the anode cycle, as does the inert gases. This leads to some negative effects. First of all, the hydrogen concentration in the anode circuit drops because its volume is constant and, given a comparatively large volume of water and inert gases present, the volume available for the hydrogen inevitably drops. Another problem arises in particular from the liquid water in the anode circuit ago, since this part of the anode compartment 4 , and in particular parts of one in the anode compartment 4 for distributing the hydrogen to the membrane 5 can block arranged gas distribution device. This gas distribution device, which is also referred to as flowfield, comprises a multiplicity of channels, which can be blocked if the proportion of water in the mixture of hydrogen and product gas is too high. This leads to a punctual undersupply of the membrane 5 with hydrogen, which can permanently damage these or their existing catalysts in their area. To counteract this problem, the device is in the anode circuit 8th for separating liquid water from the product gas stream. This device 8th consists essentially of a porous separator layer 11 , which is designed as a hydrophobic separator layer and, for example, as a network, mesh or knitted fabric of a hydrophobic material, such as PTFE, may be formed. However, other types of textiles, optionally with a corresponding coating, are also suitable.

In der Darstellung der 1 wird der Produktgasstrom, welcher ein Zweiphasengemisch aus Wasserstoff, inerten Gasen, dampfförmigen Wasser sowie flüssigem Wasser ist, unterhalb der porösen Separatorschicht 11 in die Vorrichtung 8 eingeleitet. Oberhalb der porösen Separatorschicht 11 befindet sich der Anschluss der Rezirkulationsleitung 9, welche über die Rezirkulationsfördereinrichtung 10 zurück zum Eingang des Anodenraums 3 führt. Im regulären Betrieb wird nun der gasförmige Teil des Produktgasstroms die poröse Separatorschicht 11 passieren und kann so mit dem enthaltenen Restwasserstoff zum Anodenraum 3 zurückgeführt werden, sodass der Restwasserstoff dort entsprechend umgesetzt werden kann. Das flüssige Wasser kann die hydrophobe poröse Separatorschicht 11 nicht oder nur zu einem minimalen Anteil passieren und wird sich in einem Sammelbereich 12 unterhalb der porösen Separatorschicht 11 sammeln. Aus diesem Bereich kann das flüssige Wasser, welches in schwarzer Farbe und durch ein seine Oberfläche symbolisierendes Dreieck in der Darstellung der 1 angedeutet ist, über eine Ablassleitung 13 und ein Ablassventil 14 beispielsweise an die Umgebung abgelassen werden. Je nach Anordnung der Ablassleitung 13 kann diese so positioniert sein, dass lediglich flüssiges Wasser abgelassen wird, insbesondere indem die Ablassleitung 13 an der tiefsten Stelle des Sammelbereichs 12 positioniert ist. Erst nachdem das Wasser vollständig abgelassen ist, gelangen dann auch Gase an die Umgebung, sodass über die Ventileinrichtung 14 und die Ablassleitung 13 nicht nur das Wasser, sondern auch sich mit der Zeit in dem Anodenkreislauf anreichernde Inertgase abgelassen werden können, um so immer für eine ausreichend hohe Wasserstoffkonzentration im Bereich des Anodenkreislaufs zu sorgen. Alternativ dazu ist es auch möglich, dass die Ablassleitung 13 so in dem Sammelbereich 12 mündet, dass Wasser und Gase je nach Wasserstand gemeinsam abgelassen werden können. In einer weiteren hier nicht dargestellten Ausführungsvariante wäre es außerdem möglich, zwei getrennte Ablassleitungen 13 vorzusehen, eine für Wasser und eine andere für Gase, wobei die Zweite nicht zwingend im Bereich der Vorrichtung 8 angeordnet sein müsste.In the presentation of the 1 For example, the product gas stream, which is a two-phase mixture of hydrogen, inert gases, vaporous water, and liquid water, is below the porous separator layer 11 into the device 8th initiated. Above the porous separator layer 11 is the connection of the recirculation line 9 , which via the recirculation conveyor 10 back to the entrance of the anode room 3 leads. In regular operation, the gaseous portion of the product gas stream now becomes the porous separator layer 11 can happen and so can with the contained residual hydrogen to the anode compartment 3 be recycled, so that the residual hydrogen can be implemented there accordingly. The liquid water may be the hydrophobic porous separator layer 11 not or only to a minimal extent will happen and will be in a collection area 12 below the porous separator layer 11 collect. From this range, the liquid water, which in black color and by a surface symbolizing its triangle in the representation of the 1 is indicated via a drain line 13 and a drain valve 14 for example, be discharged to the environment. Depending on the arrangement of the drain line 13 This may be positioned so that only liquid water is discharged, in particular by the drain line 13 at the lowest point of the collection area 12 is positioned. Only after the water is completely drained, then also get gases to the environment, so on the valve device 14 and the drainage line 13 Not only the water, but also with time in the anode circuit enriching inert gases can be discharged so as to always ensure a sufficiently high concentration of hydrogen in the anode circuit. Alternatively, it is also possible that the drain line 13 so in the collection area 12 opens that water and gases can be drained together depending on the water level. In another embodiment, not shown here, it would also be possible to have two separate discharge lines 13 provide one for water and another for gases, the second not mandatory in the area of the device 8th should be arranged.

In der Darstellung der 2 ist nun ein vergleichbarer Ausschnitt einer alternativen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems 1 zu erkennen. So weit die Bauteile identisch sind, sind sie mit denselben Bezugszeichen versehen und werden im Detail nicht nochmals erläutert. Der wesentliche Unterschied zwischen der Ausführungsform gemäß 1 und der Ausführungsform gemäß 2 besteht nun darin, dass die Ablassleitung 13 keine Ventileinrichtung 14 aufweist, sondern als an der tiefsten Stelle des Sammelbereichs 12 angeordnete Abgasleitung 13 mit einer im bestimmungsgemäßen Gebrauch in Richtung der Schwerkraft darunterliegenden Leitung 15 zur Zufuhr von Zuluft zu dem Kathodenraum 3 der Brennstoffzelle 2 angeordnet ist. Das aus dem Anodenkreislauf abgeschiedene Wasser kann also unmittelbar zur Befeuchtung der Zuluft zu dem Kathodenraum 3 der Brennstoffzelle 2 eingesetzt werden. Auf einen zusätzlichen weiteren Befeuchter, beispielsweise einen Gas/Gas-Befeuchter, wie er aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt ist, kann dann typischerweise verzichtet werden. Falls ein solcher dennoch vorhanden ist, wäre typischerweise darauf zu achten, dass die Ablassleitung 13 in Strömungsrichtung vor einem solchen Befeuchter in die Zuluftleitung zum Kathodenraum 3 mündet. Außerdem wäre darauf zu achten, dass die Ablassleitung 13 idealerweise nach der Luftfördereinrichtung 6 in die Zuluftleitung zu dem Kathodenraum 3 mündet, da hier ein durch die Verdichtungsarbeit in der Luftfördereinrichtung erhitzter Zuluftstrom vorliegt, in welchem das Wasser sehr gut verdampfen kann, um so vor allem feuchte Kathodenzuluft in die Brennstoffzelle 3 zu führen und flüssiges Wasser weitgehend daran zu hindern, zusammen mit der Zuluft als Edukt in die Brennstoffzelle 2 einzuströmen.In the presentation of the 2 is now a comparable section of an alternative embodiment of the fuel cell system according to the invention 1 to recognize. As far as the components are identical, they are provided with the same reference numerals and will not be explained again in detail. The main difference between the embodiment according to 1 and the embodiment according to 2 is now that the drain line 13 no valve device 14 but at the lowest point of the collection area 12 arranged exhaust pipe 13 with a line under normal use in the direction of gravity 15 for supplying supply air to the cathode compartment 3 the fuel cell 2 is arranged. The separated from the anode circuit water can therefore directly to the humidification of the supply air to the cathode compartment 3 the fuel cell 2 be used. An additional additional humidifier, for example a gas / gas humidifier, as is known from the general state of the art, can then typically be dispensed with. If such is still present, however, care should be taken to ensure that the drain line 13 in the flow direction in front of such a humidifier in the supply air to the cathode compartment 3 empties. In addition, it should be ensured that the drain line 13 ideally after the air conveyor 6 in the supply air line to the cathode compartment 3 opens, since here is a heated by the compression work in the air conveyor supply air, in which the water can evaporate very well, so especially moist Kathodenzuluft into the fuel cell 3 and largely to prevent liquid water, together with the supply air as reactant in the fuel cell 2 to flow.

Neben dem bisher beschriebenen Aufbau einer hydrophoben porösen Separatorschicht, welche insbesondere für alle gasförmigen Bestandteile durchlässig und für flüssiges Wasser weitgehend undurchlässig ist, wäre es auch denkbar, die poröse Separatorschicht 11 so auszubilden, dass diese selektiv für Wasserstoff durchlässig ist und sowohl für die inerten Gase als auch für das flüssige und dampfförmige Wasser in dem Produktgasstrom undurchlässig ist. Derartige poröse Separatorschichten 11, welche für Wasserstoff selektiv durchlässig sind, sind aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt und werden typischerweise in Form von Palladium-Membranen realisiert. Ein solcher Aufbau separiert aus dem Produktgasstrom nicht nur das flüssige Wasser, sondern sorgt dafür, dass über die Rezirkulationsleitung 9 lediglich Wasserstoff zurückgeführt wird. Hierdurch wird ein Ablassen von inerten Gasen von Zeit zu Zeit aus dem Anodenkreislauf, wie es bei den bisher beschriebenen Ausführungsvarianten auch weiterhin notwendig ist, überflüssig.In addition to the previously described construction of a hydrophobic porous separator layer, which is permeable in particular to all gaseous components and largely impermeable to liquid water, it would also be conceivable to use the porous separator layer 11 such that it is selectively permeable to hydrogen and impermeable to both the inert gases and the liquid and vapor water in the product gas stream. Such porous separator layers 11 which are selectively permeable to hydrogen are known in the art and are typically realized in the form of palladium membranes. Such a structure not only separates the liquid water from the product gas stream, but also ensures that via the recirculation line 9 only hydrogen is recycled. In this way, a discharge of inert gases from time to time from the anode circuit, as is also necessary in the previously described embodiments, superfluous.

Der bevorzugte Einsatzzweck eines derartigen Brennstoffzellensystems, welches entsprechend einfach und kompakt aufgebaut werden kann, liegt dabei in der Anwendung in einem Fahrzeug, in dem es zur Bereitstellung von elektrischer Leistung, insbesondere elektrischer Antriebsleistung, vorgesehen werden kann.The preferred application of such a fuel cell system, which can be constructed correspondingly simple and compact, is in the application in a vehicle in which it can be provided for the provision of electrical power, in particular electrical drive power.

Claims

Fuel cell system ( 1 ) with a device ( 8th ) for separating liquid water from a product gas stream of a fuel cell ( 2 ), characterized in that the device ( 8th ) a porous separator layer ( 11 ), which is permeable to at least one gaseous substance and impermeable to liquid water.

Fuel cell system ( 1 ) according to claim 1, characterized in that the product gas stream through the porous separator layer ( 11 ) is guided.

Fuel cell system ( 1 ) according to claim 1 or 2, characterized in that the porous separator layer ( 11 ) comprises a knitted fabric, a knitted fabric or a woven fabric, in particular of PTFE.

Fuel cell system ( 1 ) according to claim 1 or 2, characterized in that the porous separator layer ( 11 ) is designed as a hydrogen-selectively permeable membrane, in particular of palladium.

Fuel cell system ( 1 ) according to one of claims 1 to 4, characterized in that the device ( 8th ) in a recycling of at least one product gas stream around an electrode space ( 3 . 4 ) of the fuel cell ( 2 ) is trained.

Fuel cell system ( 1 ) according to claim 5, characterized in that the device ( 8th ) is disposed in an anode recirculation circuit.

Fuel cell system ( 1 ) according to one of claims 1 to 6, characterized in that on the side of the porous separator layer ( 11 ) to which the product gas stream is fed, a collection area ( 12 ) is arranged for water and optionally residual gases.

Fuel cell system ( 1 ) according to claim 7, characterized in that the collecting area with a drain line ( 13 ) connected is.

Fuel cell system ( 1 ) according to claim 8, characterized in that in the discharge line ( 13 ) a valve device ( 14 ) is arranged

Fuel cell system ( 1 ) according to claim 8 or 9, characterized in that the discharge line ( 13 ) in one of the educt gas streams, in particular in the supply air flow to a cathode space ( 3 ) of the fuel cell ( 2 ), opens.