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Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem mit mehreren zu einem Stapel zusammengefassten Einzelbrennstoffstellen und einem Rezirkulationskreislauf, der einen von einer der Elektrodenseiten der Einzelbrennstoffstellen austretenden und Wasserstoff sowie Stickstoff enthaltenden Fluidstrom durch eine Einrichtung führt, mit welcher aus diesem abgeführten Fluidstrom Stickstoffmoleküle zumindest anteilig entfernbar sind, wonach dieser Fluidstrom ohne die entfernten Stickstoffmoleküle wieder eintrittsseitig zu den besagten Elektrodenseiten der Einzelbrennstoffzellen gelangt. Zum Stand der Technik wird auf die nicht vorveröffentlichte
deutsche Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen 10 2013 203 313.3 verwiesen, deren Inhalt durch Bezugnahme vollständig in die Offenbarung der vorliegenden Erfindung einbezogen wird.
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Bekanntlich wird bei Brennstoffzellensysteme der PEM-Bauart der sich auf den Anodenseiten der Einzelbrennstoffzellen ansammelnde Stickstoff, welcher von der Kathodenseite der jeweiligen Einzelbrennstoffzelle durch deren Membran hindurch diffundiert, über eine regelmäßige oder quasikontinuierliche Ausspülung mit zugeführtem Wasserstoff entfernt. Dabei wird entweder in gewissen Zeitabständen ein Teil des der Anodenseite zugeführten Wasserstoffs aus der Austrittsseite der Einzelbrennstoffzellen zusammen mit dem quasi mitgerissenem Stickstoff austretend letztlich in die Umgebung abgeführt oder es wird quasi kontinuierlich ein des Teil des zugeführten und aus der Austrittseite der Einzelbrennstoffzellen einschließlich des mitgenommenen Stickstoffs austretenden Wasserstoffs solange rezirkuliert, d. h., wieder den Eintrittsseiten der Einzelbrennstoffzellen zugeführt, bis die Stickstoffkonzentration in diesem rezirkulierten Fluidstrom derart hoch ist, dass eine Teilmenge dieses rezirkulierten und relativ stark mit Stickstoff angereicherten Wasserstoffstroms letztlich in die Umgebung abgeführt wird. Gemeinhin sowie vorliegend wird der letztgenannte und letztlich in die Umgebung abgeführte Spülgas-Strom auch als „Purge-Fluidstrom” bezeichnet. Dabei kann die durch die derartige Ausspülung praktisch verlorene Wasserstoffmenge einen Anteil von 1% und mehr des Gesamtwasserstoffverbrauchs eines Brennstoffzellensystems betragen, da im Purge-Fluidstrom lediglich zu einem Anteil von ca. 20% bis 30% Stickstoff enthalten ist, während der restliche Anteil des Purge-Gases, nämlich Wasserstoff, durch die Ausspülung verloren geht und somit den Gesamtsystemwirkungsgrad senkt. Andererseits ist ein solches Ausspülen zwingend erforderlich.
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Daher wurde bereits vorgeschlagen, aus dem besagten Purge-Fluidstrom, welcher im Oberbegriff des Anspruchs 1 allgemein als ein Wasserstoff und Stickstoff enthaltender Fluidstrom bezeichnet ist, Stickstoffmoleküle abzuscheiden und den danach verbleibenden und um die abgeschiedenen Stickstoffmoleküle reduzierten Fluidstrom dem Eintrittsbereich der besagten Elektrodenseiten der Einzelbrennstoffzellen zur Verbrennung wieder zuzuführen. Bei der soweit vorgeschlagenen Ausführungsform wird der besagte Fluidstrom mittels einer Venturidüse, die auf der Austrittsseite einer Einrichtung zum zumindest anteiligen Entfernen von Stickstoffmoleküle aus dem besagten Fluidstrom vorgesehen ist, durch die besagte Einrichtung hindurch gefördert. Das Druckpotential für die Venturidüsen-Fördervorrichtung liefert dabei der den Einzelbrennstoffzellen zum Spülen zugeführte Wasserstoff-Strom.
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Hiermit soll eine weitere insbesondere im Hinblick auf die Strömungsverhältnisse in/an der Einrichtung zum zumindest anteiligen Entfernen von Stickstoffmoleküle aus dem besagten Fluidstrom vorteilhafte Fördervorrichtung für besagten Fluidstrom aufgezeigt werden (= Aufgabe der Erfindung).
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Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich für ein Brennstoffzellensystem nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 mit einer stromauf der Einrichtung zum Entfernen von Stickstoffmolekülen vorgesehenen Fördervorrichtung für den Fluidstrom, welche beispielsweise oder vorzugsweise in Form einer Pumpe oder eines Lüfters (Gebläses, Ventilators) ausgeführt sein kann. Vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen sind Inhalt der Unteransprüche.
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Mit einer erfindungsgemäß vorgesehenen Fördervorrichtung liegt unter allen Umständen ein ausreichend hohes Druckniveau zum Fördern des Purge-Fluidstromes vor. Gegebenenfalls kann neben, d. h. zusätzlich zu einer solchen erfindungsgemäßen Fördervorrichtung auch noch die bereits früher vorgeschlagene Venturidüse auf der Austrittsseite einer Einrichtung zum zumindest anteiligen Entfernen von Stickstoffmoleküle aus dem besagten Fluidstrom vorgesehen sein. Gegebenenfalls kann auch auf eine spezielle Ansteuerung einer Fördereinheit für den den Anodenseiten der Einzelbrennstoffzellen zum Spülen zuzuführenden Wasserstoff verzichtet werden kann, d. h. die vollumfängliche Förderung des Purge-Fluidstromes erfolgt alleine durch die erfindungsgemäß stromab des Brennstoffzellen-Stacks sowie stromauf der Einrichtung zum zumindest anteiligen Entfernen von Stickstoffmolekülen vorgesehenen Fördervorrichtung.
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Zwar kann auch mit der bekannten stromab der besagten Einrichtung zum Entfernen von Stickstoffmolekülen vorgesehenen Venturidüse oder dgl. ein gewisser Strömungsimpuls für den Purge-Fluidstrom jedenfalls stromab der genannten Einrichtung erzielt werden, was auch stromauf dieser Einrichtung einen Strömungsimpuls für den Purge-Fluidstrom bewirkt, jedoch ist vorteilhafterweise mit einer erfindungsgemäß stromauf der besagten Einrichtung vorgesehenen Fördereinrichtung gewährleistet, dass auch die in der besagten Einrichtung abgetrennten Stickstoffmoleküle geeignet weiter transportiert werden bzw. dass in der besagten Einrichtung stets die Möglichkeit für ein weiteres erfolgreiches Abscheiden von Stickstoffmolekülen sicher gewährleistet ist. Ist beispielsweise die besagte Einrichtung zum Abscheiden von Stickstoffmolekülen in Form einer Filtereinheit ausgebildet, in der eine insbesondere Wasserstoff oder Wasserstoff und Wasser durchlassende Membran angeordnet ist, so könnte sich nämlich mit einer stromab dieser Einrichtung angeordneten Fördervorrichtung in Form einer Venturidüse abgetrennter Stickstoff vor bzw. an dieser Membran festsetzen, was mit einer erfindungsgemäßen Fördervorrichtung weniger wahrscheinlich ist. Es kann die Einrichtung zum zumindest anteiligen Entfernen von Stickstoffmolekülen eine Filtereinheit aufweisen, in der eine vorzugsweise Wasserstoff oder Wasserstoff und Wasser durchlassende und Stickstoff zurückhaltende Membran angeordnet ist. Damit staut sich der zurückgehaltene Stickstoff vor der Membran, wodurch das vor der Membran befindliche Gasvolumen mit Stickstoff angereichert ist. Sowohl bei einem weiter oben genannten quasi kontinuierlichen Spülvorgang als auch bei diskontinuierlicher Ausspülung von Stickstoff ist es dann erforderlich, den sich vor, d. h. stromauf der Filtereinheit bzw. Membran angesammelten Stickstoff ggf. zusammen mit einer geringen im besagten Gasvolumen befindlichen Wasserstoffmenge in gewissen Zeitintervallen gezielt und getaktet abzuführen, wofür vorzugsweise an die Filtereinheit eine geeignete Abfuhrleitung angeschlossen ist, die stromauf der besagten Membran in die Filtereinheit mündet.
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Alternativ kann die besagte Einrichtung mit einer Filtereinheit versehen sein, in der eine insbesondere Stickstoff durchlassende Membran angeordnet ist. In diesem Fall ist nach Durchführung eines durch entsprechende Ansteuerung der besagten Fördervorrichtung zeitlich begrenzten Spülstoßes der sich vor der Membran stauende Wasserstoff abzuführen, und zwar erfindungsgemäß zu rezirkulieren, d. h. der Einlassseite der Anodenseiten der Einzelbrennstoffzellen zuzuführen.
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Es kann die besagte Einrichtung zum zumindest anteiligen Entfernen von Stickstoffmolekülen aber auch als eine vorzugsweise Wasserstoff oder Wasserstoff und Wasser durchlassende Adsorbereinheit (oder Absorbereinheit) ausgebildet sein, in welcher der Stickstoff durch Adsorption bzw. Absorption zurückgehalten wird. Alternativ kann die besagte Einrichtung auch als eine vorzugsweise Stickstoff durchlassende Adsorber- oder Absorbereinheit ausgebildet sein, in welcher Wasserstoff zurückgehalten wird. Selbstverständlich ist es auch hiererforderlich, die Adsobereinheit in gewissen Zeitintervallen immer wieder zu entleeren, d. h. vom jeweils angelagerten Soff (Stickstoff oder Wasserstoff) zu befreien, wobei analog vorhergehendem Absatz angelagerter Stickstoff bei Durchführung eines quasi kontinuierlichen Spülvorgangs diskontinuierlich zusammen mit einer geringen Menge von Wasserstoff letztlich in die Umgebung abgeführt wird, während in der Adsorbereinheit angelagerter Wasserstoff dieser rezirkuliert, d. h. der Einlassseite der Anodenseiten der Einzelbrennstoffzellen wieder zugeführt wird.
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Eine solche Adsorber- bzw. Absorbereinheit bspw. für Stickstoff (alternativ Wasserstoff) ist mit einem Material gefüllt, welches in der Lage ist, selektiv Stickstoff (alternativ Wasserstoff) einzulagern, zu absorbieren, chemisch zu binden, umzusetzen oder sonst wie zurückzuhalten. In jedem Fall kann die Absorbereinheit aus einem einzigen Absorber bestehen, der optional von einer in dem Rezirkulationskreislauf angeordneten Bypassleitung umgangen werden kann; alternativ kann die Absorbereinheit auch zwei oder mehrere parallel (oder in Reihe) geschaltete Absorber aufweisen, was insbesondere dann vorteilhaft ist, wenn der Entladeprozess der Absorber-/Adsorbereinheit zeitlich nennenswert länger dauert als Anlagerung des zu absorbierenden Stoffes in der Adsorbereinheit. Bekanntlich kann für eine solche Regneration der Absorbereinheit (= Entladeprozess derselben) durch eine Änderung der äußeren Bedingungen, z. B. eine Druckerniedrigung oder eine Temperaturerhöhung der von dem Material der Adsorbereinheit absorbierte (bspw.) Stickstoff wieder in die Gasphase überführt werden. Dieses Gas kann über eine an die Adsorbereinheit angeschlossene Abfuhrleitung direkt in die Umgebung oder in eine Abgasleitung des Brennstoffzellensystems eingeleitet werden.
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Weiterhin kann ein irgendwie gearteter und über eine längere Zeitspanne einsetzbarer Speicher für die aus dem Fluidstrom abgeschiedenen Stickstoffmoleküle vorgesehen sein, welcher es ermöglicht, den in der besagten Einrichtung zum zumindest anteiligen Entfernen von Stickstoffmolekülen aus dem Purge-Fluidstrom abgeschiedenen Stickstoff zu anderen Zwecken einzusetzen. Ein bevorzugter solcher Zweck ist das Spülen zumindest einer der Elektrodenseiten der Einzelbrennstoffzellen, falls Bedarf nach Spülen mit einem Inertgas, als welches der Stickstoff dann fungiert, besteht. Hierzu wird der besagte Speicher dann im Bedarfsfall mit diesen mit einem Inertgas zu spülenden Elektrodenseiten verbunden. Insofern sei ausdrücklich darauf hingewiesen, dass anstelle eines Vorrichtungs-Patentanspruchs hier ebenso ein Verfahrens-Patentanspruch formuliert werden könnte, wonach der in der besagten Einrichtung zum zumindest anteiligen Entfernen von Stickstoffmolekülen aus dem Purge-Fluidstrom abgeschiedene Stickstoff als Inertgas zum bedarfsweisen Spülen einer Elektrodenseite der Einzelbrennstoffzellen verwendet wird (und zuvor in einem Speicher zwischengespeichert wird). Es kann somit der abgeschiedene Stickstoff in einem geeignete Behältnis, bspw. einer Gasflasche gespeichert werden und es kann dieser gespeicherte Stickstoff als Inertgas bspw. für Start und Shutdownvorgänge des Brennzoffzellensystems verwendet werden, indem der Stickstoff auf die Kathodenseiten der Einzelbrennstoffzellen geleitet wird und dort den Luftsauerstoff, der lebensdauerreduzierende Reaktionen im Brennstoffzellensystem verursacht, verdrängt.
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Weiterhin kann für den Fall, dass neben einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem beispielsweise in einem Kraftfahrzeug ein Speichersystem für den im Brennstoffzellensystem mit Luftsauerstoff reagierenden Wasserstoff vorgesehen ist, welches Wasserstoff-Speichersystem unter tiefkalten Temperaturen arbeitet und somit bspw. in Form eines Kryotanks oder Kryodrucktanks ausgebildet ist, vorgesehen sein, dass das Kältepotential dieses Wasserstoff-Speichersystems zur zumindest anteiligen Verflüssigung der in der besagten Einrichtung aus dem Purge-Fluidstrom abzuscheidenden bzw. abgeschiedenen Stickstoffmoleküle genutzt wird. Wenn zuvor im Purge-Fluidstrom bzw. in einem Stickstoff abführenden Fluidstrom enthaltenes Wasser abgeschieden wurde, kann somit bei Brennstoffzellensystemen, die mit einem Kryo- oder einem Kryodrucktank betrieben werden, der tief-kalte Wasserstoff verwendet werden, um den Stickstoff zu verflüssigen. Dies ermöglicht eine effiziente Abtrennung des Stickstoffs aufgrund der unterschiedlichen physikalischen Phase, so dass ein geeigneter Wärmetauscher zwischen dem Purge-Fluidstrom und dem Kältepotential des Wasserstoff-Speichersystems als Einrichtung zum zumindest anteiligen Entfernen von Stickstoffmolekülen aus einem Fluidstrom bzw. dem Purge-Fluidstrom fungieren kann. Da die Anoden des Brennstoffzellenstacks, von welchen der Purge-Fluidstrom herkommt, frei von Sauerstoff sind, ist dabei keine sicherheitskritische Kondensation von Sauerstoff zu befürchten. Vorteilhafterweise erfolgt durch die Verflüssigung des Stickstoffs ein insbesondere bei Kryodrucktanks bei Entnahme von Wasserstoff aus dem Tank erwünschter Wärmeeintrag in den Tank.
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Die beigefügte einzige Figur zeigt in einer Prinzipskizze ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem 1, wobei stellvertretend für wie übliche eine Vielzahl von zu einem Stack übereinander gestapelte Einzelbrennstoffzellen eine aus einer Kathode 2, einer Anode 3 und einer dazwischen liegenden Elektrolytmembran 4 bestehende Brennstoffzelleneinheit lediglich symbolhaft dargestellt ist Die Kathode 2 ist mit einer nicht gezeigten Luftversorgung verbunden, während an die Anode 3 über eine Wasserstoffzuführung 14 Wasserstoff herangeführt wird. Dabei ist die Anode 3 in einen Rezirkulationskreislauf 6 eingebunden, wobei die Bezugsziffer 6 genaugenommen auf eine Purge-Leitung gerichtet ist, durch die ein Fluidstrom von der Anode 3 abgeführt wird. Dieser auch Purge-Fluidstrom genannte Fluidstrom enthält wie weiter oben erläutert neben Wasserstoff auch Stickstoff, wobei letzterer mittels des über die Wasserstoffzuführung 14 an die Anode herangeführtem Wasserstoffs quasi von der Oberfläche der Anode 3 weggerissen wird.
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Bestandteil des Rezirkulationskreislaufs 6 ist eine Einrichtung 15, in welcher die im besagten Purge-Fluidstrom enthaltenen und zuvor von der Anodenseite des Brennstoffzellensystems 1 abgeführten Stickstoffmoleküle aus dem Purge-Fluidstrom zumindest anteilig, idealerweise im wesentlichen vollständig abgeschieden bzw. entfernt werden. Beispielsweise enthält diese Einrichtung 15 eine Trennwand in Form einer für Stickstoffmoleküle undurchlässigen, aber für Wasserstoff durchlässigen Membran 16. Stromauf dieser Einrichtung 15 ist eine Fördervorrichtung 13 (bspw. in Form einer Pumpe) für den Purge-Fluidstrom vorgesehen und stromauf dieser ein übliches und dem Fachmann bekanntes Purge-Ventil 12, welches ggf. entfallen kann, wenn dessen Funktion, nämlich ein ggf. erforderliches Absperren oder Öffnen der genannten Purge-Leitung, von der Fördervorrichtung 15 übernommen werden kann.
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Mittels der Fördervorrichtung 13 gelangt der Purge-Fluidstrom bei geöffnetem Purge-Ventil 12 in die Einrichtung 15, in welcher die Stickstoffmoleküle des Purge-Fluidstroms an der Membran 16 zurückgehalten werden, während der aufgrund des Druckpotentials der Fördervorrichtung 13 durch die Membran 16 hindurch tretende Wasserstoff der Wasserstoff-Zuführung 14 zugeführt wird und somit im Sinne eines bzw. des Rezirkulationskreislaufs 6 im Brennstoffzellensystem 1 „verbrannt”, d. h. oxidiert werden kann.
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Ebenfalls unter Nutzung des Druckpotentials der Fördervorrichtung 13 wird der sich in der Einrichtung 15 stromauf der Membran 16 ansammelnde, da an dieser Membran 16 abgeschiedene Stickstoff über eine Abfuhrleitung 9, in der ein von einer elektronischen Steuereinheit geeignet angesteuertes Sperrventil 10 vorgesehen sein kann, gezielt abgeführt, beispielsweise einem o. g., hier jedoch nicht figürlich dargestellten Speicher zugeführt. Vorzugsweise wird im Falle eines weiter oben genannten quasi-kontinuierlichen Spülen der Anoden 3 dieses Purge-Ventil 12 dann kurzzeitig geschlossen, wenn das Sperrventil 9 geöffnet wird, um den Verlust von wasserstoff so gerimng als möglich zu halten. Vorteilhafterweise kann die Fördervorrichtung 13 ausgelegt sein, die abgetrennten Stickstoffmoleküle im besagten Speicher zumindest geringfügig zu komprimieren und somit bereits ein Druckpotential für ein späteres Nutzen dieses gespeicherten Stickstoffs beispielsweise als Inertgas zum Spülen der Kathodenseite 2 des Brennstoffzellensystems 1 aufzubauen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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