DE102021208094A1

DE102021208094A1 - Brennstoffzelleneinheit

Info

Publication number: DE102021208094A1
Application number: DE102021208094.4A
Authority: DE
Inventors: Tobias Falkenau; Timo Bosch
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2021-07-27
Filing date: 2021-07-27
Publication date: 2023-02-02

Abstract

Brennstoffzelleneinheit (1) zur elektrochemischen Erzeugung von elektrischer Energie, umfassend gestapelt angeordnete Brennstoffzellen (2) und die Brennstoffzellen (2) jeweils gestapelt angeordnete schichtförmige Komponenten umfassen und die Komponenten der Brennstoffzellen (2) Protonenaustauschermembranen, Anoden, Kathoden, Gasdiffusionsschichten und Bipolarplatten sind, so dass die gestapelten Brennstoffzellen (2) einen Brennstoffzellenstapel (40) bilden, in dem Brennstoffzellenstapel (40) integrierte Kanäle für Rezirkulationsbrennstoff, eine Rezirkulationsleitung (50) zur Rezirkulation des aus den Kanälen für Rezirkulationsbrennstoff ausgeleiteten Rezirkulationsbrennstoffes wieder zurück in die Kanäle (12) für Rezirkulationsbrennstoff, so dass in der Brennstoffzelleneinheit (1) ein Rezirkulationskreislauf mit rezirkulierendem Rezirkulationsbrennstoff gebildet ist, einen in die Rezirkulationsleitung (50) integrierten Wasserabscheider (51) zur Abscheidung von Wasser aus dem Rezirkulationsbrennstoff, einen Wärmeübertrager (58) zur Übertragung von Wärme von einem primären Fluid auf ein sekundäres Fluid zur Erwärmung von in die Rezirkulationsleitung (50) eingeleiteten Brennstoff als dem sekundären Fluid, wobei das primäre Fluid von dem Rezirkulationsbrennstoff gebildet ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennstoffzelleneinheit, ein Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzelleneinheit und ein Brennstoffzellensystem.
Stand der Technik
Brennstoffzelleneinheiten als galvanische Zellen wandeln mittels Redoxreaktionen an einer Anode und Kathode kontinuierlich zugeführten Brennstoff und Oxidationsmittels in elektrische Energie um. Brennstoffzellen werden in den unterschiedlichsten stationären und mobilen Anwendungen eingesetzt, beispielweise in Häusern ohne Anschluss an ein Stromnetz oder in Kraftfahrzeugen, im Schienenverkehr, in der Luftfahrt, in der Raumfahrt und in der Schifffahrt. In der Brennstoffzelleneinheit sind eine große Anzahl an Brennstoffzellen zu dem Brennstoffzellenstapel als Brennstoffzellenstack gestapelt. In den Brennstoffzellenstapel sind Kanäle zum Durchleiten von Rezirkulationsbrennstoff, Kanäle zum Durchleiten von Oxidationsmittel und Kanäle zum Durchleiten von Kühlmittel integriert. Der durch die Kanäle geleitete Rezirkulationsbrennstoff wird nicht vollständig verbraucht nach dem Durchleiten, sodass nach dem Ausleiten des Rezirkulationsbrennstoffes aus den Kanälen für Rezirkulationsbrennstoff dieser wieder mit einer Rezirkulationsleitung den Kanälen für Rezirkulationsbrennstoff zugeführt wird. Der, entsprechend der angeforderten Leistung der Brennstoffzelleneinheit verbrauchte Brennstoff, wird mit einem Injektor der Rezirkulationsleitung zugeführt. Je größer die Leistung der Brennstoffzelleneinheit ist, desto größer ist der Verbrauch an Brennstoff und dieser verbrauchte Brennstoff wird entsprechend mit dem Injektor zugeführt. Der Brennstoff, im Allgemeinen Wasserstoff, wird in einem Druckgasspeicher unter einem hohen Druck gespeichert. Während des Ausleiten des Brennstoffes aus dem Druckgasspeicher ist eine Expansion und eine Reduzierung des Druckes des Brennstoffes notwendig, sodass dadurch eine Reduzierung der Temperatur des Brennstoffes eintritt. Das Einleiten von Brennstoff in die Rezirkulationsleitung mit einer sehr geringen Temperatur von beispielsweise -20 °C wäre für den Betrieb der Brennstoffzelleneinheit nachteilig, sodass mit einem Wärmeübertrager Wärme von einem primären Fluid als dem Kühlmittel auf das sekundäre Fluid, nämlich den Brennstoff, übertragen wird. In dem Wärmeübertrager wird somit das primäre Fluid, nämlich das Kühlmittel welches durch die Kanäle für Kühlmittel in dem Brennstoffzellenstapel geleitet wird, zum Erwärmen des Brennstoffes eingesetzt. An dem Wärmeübertrager ist ein ausreichender elektrischer Isolationswiderstand zu dem Brennstoffzellenstapel notwendig, sodass die Leitung zum Leiten des Kühlmittels von dem Brennstoffzellenstapel zu dem Wärmeübertrager von einem langen Schlauch aus einem schlecht elektrisch leitfähigen Werkstoff, beispielsweise Kunststoff, gebildet ist. Aufgrund dieser großen Länge des Schlauches aus dem Werkstoff ist ein großer Bauraumbedarf in nachteiliger Weise notwendig. In dem aus dem Brennstoffzellenstapel ausgeleiteten Rezirkulationsbrennstoff tritt ein hoher Feuchtigkeitsgehalt auf, sodass mit einem mechanischen Wasserabscheider vor Wiedereinführung des Rezirkulationsbrennstoffes in den Brennstoffzellenstapel eine mechanische Abscheidung von Wasser ausgeführt wird. Aufgrund der lediglich mechanischen Abscheidung von Wasser ist ein sehr großer Abscheidungsströmungsraum in dem Wasserabscheider notwendig, sodass dieser in nachteiliger Weise einen großen Bauraum benötigt und teuer in der Herstellung ist.
Offenbarung der Erfindung
Vorteile der Erfindung
Erfindungsgemäße Brennstoffzelleneinheit zur elektrochemischen Erzeugung von elektrischer Energie, umfassend gestapelt angeordnete Brennstoffzellen und die Brennstoffzellen jeweils gestapelt angeordnete schichtförmige Komponenten umfassen und die Komponenten der Brennstoffzellen Protonenaustauschermembranen, Anoden, Kathoden, Gasdiffusionsschichten und Bipolarplatten sind, so dass die gestapelten Brennstoffzellen einen Brennstoffzellenstapel bilden, in dem Brennstoffzellenstapel integrierte Kanäle für Rezirkulationsbrennstoff, eine Rezirkulationsleitung zur Rezirkulation des aus den Kanälen für Rezirkulationsbrennstoff ausgeleiteten Rezirkulationsbrennstoffes wieder zurück in die Kanäle für Rezirkulationsbrennstoff, so dass in der Brennstoffzelleneinheit ein Rezirkulationskreislauf mit rezirkulierendem Rezirkulationsbrennstoff gebildet ist, einen in die Rezirkulationsleitung integrierten Wasserabscheider zur Abscheidung von Wasser aus dem Rezirkulationsbrennstoff, einen Wärmeübertrager zur Übertragung von Wärme von einem primären Fluid auf ein sekundäres Fluid zur Erwärmung von in die Rezirkulationsleitung eingeleiteten Brennstoff als dem sekundären Fluid, wobei das primäre Fluid von dem Rezirkulationsbrennstoff gebildet ist. In vorteilhafter Weise ist damit kein Wärmeübertrager notwendig, der in aufwendiger Weise bei einem hohen Bauraumbedarf elektrisch von dem Brennstoffzellenstapel isoliert ist.
In einer weiteren Variante ist der Wärmeübertrager in die Rezirkulationsleitung, insbesondere in den Wasserabscheider, integriert. Damit ist eine besonders einfache Wärmeübertragung von dem primären Fluid als dem Rezirkulationsbrennstoff auf das sekundäre Fluid als dem Brennstoff möglich. Bei der Integration des Wärmeübertragers in dem Wasserabscheider kann die notwendige Wärme zur Erwärmung des Brennstoffes auch zur Kondensation von Feuchtigkeit bzw. Wasserdampf aus dem Rezirkulationsbrennstoff in dem Wasserabscheider genutzt werden.
In einer ergänzenden Ausführungsform umfasst der Wasserabscheider einen Abscheidungsströmungsraum zum Durchleiten des Rezirkulationsbrennstoffes und zum Abscheiden von Wasser und/oder Feuchtigkeit aus dem Rezirkulationsbrennstoff.
In einer zusätzlichen Ausgestaltung fungiert der Abscheidungsströmungsraum des Wasserabscheiders zusätzlich als Strömungsraum für das primäre Fluid des Wärmeübertragers, so dass mittels des Übertragens von Wärme von dem primären Fluid als dem Rezirkulationsbrennstoff in dem Abscheidungsströmungsraum auf den Brennstoff in dem Wärmeübertrager zusätzlich eine Abscheidung von Feuchtigkeit in dem Rezirkulationsbrennstoff mittels Kondensation von Wasser ausführbar ist. Vorzugsweise ist Wärme von dem sekundären Fluid als dem Brennstoff auf das primäre Fluid als dem Rezirkulationsbrennstoff in dem Abscheidungsströmungsraum in dem Wärmeübertrager übertragbar, so dass ein Nachverdampfen von Flüssigwasser in dem Rezirkulationsbrennstoff in dem Abscheidungsströmungsraum ausführbar ist, falls die Temperatur des Brennstoffes größer ist als die Temperatur des Rezirkulationsbrennstoffes.
In einer weiteren Variante ist der Wärmeübertrager von wenigstens einer Wandung zur Begrenzung des Abscheidungsströmungsraumes des Wasserabscheiders gebildet. Die Wandung weist eine dem Abscheidungsströmungsraum zugewandte Innenseite und eine dem Abscheidungsströmungsraum abgewandte Außenseite auf. Die Innenseite der Wandung ist somit von dem Rezirkulationsbrennstoff angeströmt und die Außenseite der Wandung ist von dem Brennstoff angeströmt, sodass an der Innenseite der Wandung eine Kondensation von Wasserdampf bzw. Feuchtigkeit auftritt und die Wärme von der Innenseite zu der Außenseite geleitet wird. Beispielsweise ist somit die Wandung des Wasserabscheiders von einem Zusatzgehäuse oder einer Zusatzwandung umgeben und zwischen der Wandung des Wasserabscheiders und der Zusatzwandung oder dem Zusatzgehäuse wird der Brennstoff durchgeleitet.
Vorzugsweise ist der Wärmeübertrager, insbesondere die Rezirkulationsleitung und/oder Druckgasleitung, mäanderförmig, wendelförmig, schraubenlinienförmig, spiralförmig und/oder plattenförmig, insbesondere als Plattenwärmeübertrager und/oder Rohrwendelwärmeübertrager, ausgebildet. Vorzugsweise ist somit je ein Abschnitt der Rezirkulationsleitung und/oder Druckgasleitung als Wärmeübertrager mäanderförmig, wendelförmig, schraubenlinienförmig, spiralförmig und/oder plattenförmig, insbesondere als Plattenwärmeübertrager und/oder Rohrwendelwärmeübertrager, ausgebildet. In einem Plattenwärmeübertrager sind die Wandungen des Plattenwärmeübertragers bzw. die Platten im Wesentlichen vertikal ausgerichtet, sodass Kondenswasser sich unten sammeln kann und mit einer Ausleitungsöffnung in dem Plattenwärmeübertrager das Kondenswasser in die Umgebung ableitbar ist.
In einer zusätzlichen Ausgestaltung ist der Wärmeübertrager innerhalb des Wasserabscheiders, insbesondere innerhalb des Abscheidungsströmungsraumes des Wasserabscheiders, angeordnet. Vorzugsweise ist de Wärmeübertrager zu wenigstens 50%, 70% oder 90%, insbesondere vollständig, innerhalb des Abscheidungsströmungsraumes angeordnet.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst die Brennstoffzelleneinheit einen Injektor zur Zuführung von Brennstoff von einem Druckgasspeicher für Brennstoff in die Rezirkulationsleitung und eine Druckgasleitung zur Leitung von Brennstoff von dem Druckgasspeicher in den Injektor.
Zweckmäßig ist der Wärmeübertrager in der Druckgasleitung in Strömungsrichtung des Brennstoffes vor dem Injektor integriert.
Erfindungsgemäßes Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzelleneinheit mit einem Brennstoffzellenstapel und elektrochemische Energie aus einem Brennstoff in elektrische Energie umgewandelt wird mit den Schritten: Leiten von Oxidationsmittel durch einen Brennstoffzellenstapel, Leiten von Rezirkulationsbrennstoff in einem Rezirkulationskreislauf durch Kanäle für Rezirkulationsbrennstoff in dem Brennstoffzellenstapel und durch eine Rezirkulationsleitung zur Leitung von Rezirkulationsbrennstoff, Abscheiden von Wasser aus dem Rezirkulationsbrennstoff in einem Wasserabscheider, Dosieren von Brennstoff mit einem Injektor aus einem Druckgasspeicher für Brennstoff in die Rezirkulationsleitung, Übertragen von Wärme mit einem Wärmeübertrager von einem primären Fluid auf ein sekundäres Fluid zur Erwärmung des von dem Druckgasspeicher zu dem Injektor geleiteten Brennstoffes als dem sekundären Fluid, wobei das primäre Fluid von dem Rezirkulationsbrennstoff gebildet wird.
In einer weiteren Ausgestaltung wird das Übertragen der Wärme von dem primären Fluid als dem Rezirkulationsbrennstoff auf das sekundäre Fluid als dem Brennstoff mit dem Wärmeübertrager ausgeführt, so dass die Wärme in einem Abscheidungsströmungsraum des Wasserabscheiders von dem Rezirkulationsbrennstoff auf den Brennstoff übertragen wird und damit der Rezirkulationsbrennstoff abgekühlt wird, so dass Feuchtigkeit in dem Rezirkulationsbrennstoff aufgrund des aus der Wärmeübertragung resultierenden Abkühlens kondensiert und in dem Abscheidungsströmungsraum als Wasser abgeschieden wird.
In einer weiteren Ausführungsform werden der Rezirkulationsbrennstoff und der Brennstoff durch den Wärmeübertrager im Gleichstrom durch den Wärmeübertrager geleitet. Damit wird die Bildung von Eis in dem Abscheidungsströmungsraum des Wasserabscheiders vermieden.
Insbesondere wird während des Übertragens von Wärme mit dem Wärmeübertrager von dem primären Fluid als dem Rezirkulationsbrennstoff auf das sekundäres Fluid als dem Brennstoff zur Erwärmung des von dem Druckgasspeicher zu dem Injektor geleiteten Brennstoffes die Feuchtigkeit in dem Rezirkulationsbrennstoff unter dem Taupunkt abgekühlt, so dass die Feuchtigkeit zu Wasser kondensiert und gleichzeitig Kondensationswärme abgegeben wird und die Kondensationswärme mittels des Wärmeübertragers auf des sekundäre Fluid als dem Brennstoff übertragen wird, so dass der Brennstoff mittels der Kondensationswärme erwärmt wird.
In einer ergänzenden Variante wird das Abscheiden von Wasser aus dem Rezirkulationsbrennstoff in dem Wasserabscheider als einem mechanischen Wasserabscheider mittels Sedimentation und/oder Drall ausgeführt. Bei einer Abscheidung mittels Drall wird beispielsweise in einem Zyklon der Rezirkulationsbrennstoff in eine Rotationsbewegung versetzt, sodass sich aufgrund der auftretenden Zentrifugalkräfte Wasser abscheidet.
Erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, umfassend eine Brennstoffzelleneinheit, einen Druckgasspeicher zur Speicherung von gasförmigem Brennstoff, eine Gasfördervorrichtung zur Förderung eines gasförmigen Oxidationsmittels zu den Kathoden der Brennstoffzellen, wobei die Brennstoffzelleneinheit als eine in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebene Brennstoffzelleneinheit ausgebildet ist und/oder mit dem Brennstoffzellensystem ein in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebenes Verfahren ausführbar ist.
In einer weiteren Variante wird das in dieser Schutzrechtsanmeldung beschrieben Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzelleneinheit mit der in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebenen Brennstoffzelleneinheit ausgeführt.
In einer ergänzenden Ausführungsform ist mit der in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebenen Brennstoffzelleneinheit das in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebene Verfahren ausführbar.
In einer weiteren Variante ist die Druckgasleitung in den Abscheidungsströmungsraum des Abscheiders eingebaut.
In einer zusätzlichen Ausgestaltung ist der Wärmeübertrager von der Druckgasleitung, insbesondere Mitteldruckleitung, für den Brennstoff gebildet und vorzugsweise ist der Wärmeübertrager als die Druckgasleitung innerhalb eines Abscheidungsströmungsraumes eines Wasserabscheiders angeordnet.
Vorzugsweise ist die Strömungsquerschnittsfläche des Abscheidungsströmungsraumes wenigstens um das 2-, 5-, 7-oder 10-fache größer als die Strömungsquerschnittsfläche der Rezirkulationsleitung für Rezirkulationsbrennstoff. Damit weist der Rezirkulationsbrennstoff in dem Abscheidungsströmungsraum eine wesentlich kleinere Strömungsgeschwindigkeit auf als in der Rezirkulationsleitung, sodass dadurch auch eine effektive mechanische Wasserabscheidung in dem Abscheidungsströmungsraum ausführbar ist.
In einer weiteren Variante ist in die Rezirkulationsleitung ein Ventil zur Abgabe von Rezirkulationsbrennstoff in die Umgebung ausgebildet. Bei einem sehr geringen Anteil von Brennstoff in dem Rezirkulationsbrennstoff, d. h. einer großen Anreicherung von anderen Stoffen und/oder Gasen als Brennstoff in dem Rezirkulationsbrennstoff, können diese Stoffe und/oder Gase in die Umgebung abgeleitet werden. Der Rezirkulationsbrennstoff umfasst somit vorzugsweise neben dem Brennstoff als Reinstoff auch andere Stoffe und/oder Gase.
In einer ergänzenden Ausführungsform umfasst die Brennstoffzelleneinheit ein Gehäuse und/oder eine Anschlussplatte.
In einer weiteren Variante umfasst die Brennstoffzelleneinheit wenigstens eine Verbindungsvorrichtung, insbesondere mehrere Verbindungsvorrichtungen, und Spannelemente.
In einer weiteren Ausgestaltung umfassen die Brennstoffzellen jeweils eine Protonenaustauschermembran, eine Anode, eine Kathode, wenigstens eine Gasdiffusionsschicht und wenigstens eine Bipolarplatte.
In einer weiteren Ausführungsform ist die Verbindungsvorrichtung als ein Bolzen ausgebildet und/oder ist stabförmig.
Zweckmäßig sind die Spannelemente als Spannplatten ausgebildet.
In einer weiteren Variante ist die Gasfördervorrichtung als ein Gebläse oder ein Kompressor ausgebildet.
Insbesondere umfasst die Brennstoffzelleneinheit wenigstens 3, 4, 5 oder 6 Verbindungsvorrichtungen.
In einer weiteren Ausgestaltung sind die Spannelemente plattenförmig und/oder scheibenförmig und/oder eben ausgebildet und/oder als ein Gitter ausgebildet.
Vorzugsweise ist der Brennstoff Wasserstoff, wasserstoffreiches Gas, Reformatgas oder Erdgas.
Zweckmäßig sind die Brennstoffzellen und/oder Komponenten im Wesentlichen eben und/oder scheibenförmig ausgebildet.
In einer ergänzenden Variante ist das Oxidationsmittel Luft mit Sauerstoff oder reiner Sauerstoff.
Vorzugsweise ist die Brennstoffzelleneinheit eine PEM-Brennstoffzelleneinheit mit PEM-Brennstoffzellen.
Figurenliste
Im Nachfolgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt:

1 eine stark vereinfachte Explosionsdarstellung eines Brennstoffzellensystems mit Komponenten einer Brennstoffzelle,
2 eine perspektivische Ansicht eines Teils einer Brennstoffzelle,
3 einen Längsschnitt durch eine Brennstoffzelle,
4 eine perspektivische Ansicht eines Brennstoffzellenstapel ohne Gehäuse und
5 einen Schnitt durch eine Brennstoffzelleneinheit mit Gehäuse.

In den 1 bis 3 ist der grundlegende Aufbau einer Brennstoffzelle 2 als einer PEM-Brennstoffzelle 3 (Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle 3) dargestellt. Das Prinzip von Brennstoffzellen 2 besteht darin, dass mittels einer elektrochemischen Reaktion elektrische Energie bzw. elektrischer Strom erzeugt wird. An eine Anode 7 wird Wasserstoff H₂ als gasförmiger Rezirkulationsbrennstoff geleitet und die Anode 7 bildet den Minuspol. An eine Kathode 8 wird ein gasförmiges Oxidationsmittel, nämlich Luft mit Sauerstoff, geleitet, d. h. der Sauerstoff in der Luft stellt das notwendige gasförmige Oxidationsmittel zur Verfügung. An der Kathode 8 findet eine Reduktion (Elektronenaufnahme) statt. Die Oxidation als Elektronenabgabe wird an der Anode 7 ausgeführt.
Die Redoxgleichungen der elektrochemischen Vorgänge lauten:

Kathode: O₂ + 4 H⁺ + 4 e^- --» 2 H₂O
Anode: 2 H₂ --» 4 H⁺ + 4 e^-
Summenreaktionsgleichung von Kathode und Anode: 2 H₂ + O₂ --» 2 H₂O

Die Differenz der Normalpotentiale der Elektrodenpaare unter Standardbedingungen als reversible Brennstoffzellenspannung oder Leerlaufspannung der unbelasteten Brennstoffzelle 2 beträgt 1,23 V. Diese theoretische Spannung von 1,23 V wird in der Praxis nicht erreicht. Im Ruhezustand und bei kleinen Strömen können Spannungen über 1,0 V erreicht werden und im Betrieb mit größeren Strömen werden Spannungen zwischen 0,5 V und 1,0 V erreicht. Die Reihenschaltung von mehreren Brennstoffzellen 2, insbesondere eine Brennstoffzelleneinheit 1 mit einem Brennstoffzellenstapel 40 von mehreren übereinander angeordneten Brennstoffzellen 2, weist eine höhere Spannung auf, welche der Zahl der Brennstoffzellen 2 multipliziert mit der Einzelspannung je einer Brennstoffzelle 2 entspricht.
Die Brennstoffzelle 2 umfasst außerdem eine Protonenaustauschermembran 5 (Proton Exchange Membrane, PEM), welche zwischen der Anode 7 und der Kathode 8 angeordnet ist. Die Anode 7 und Kathode 8 sind schichtförmig bzw. scheibenförmig ausgebildet. Die PEM 5 fungiert als Elektrolyt, Katalysatorträger und Separator für die Reaktionsgase. Die PEM 5 fungiert außerdem als elektrischer Isolator und verhindert einen elektrischen Kurzschluss zwischen der Anode 7 und Kathode 8. Im Allgemeinen werden 12 µm bis 150 µm dicke, protonenleitende Folien aus perfluorierten und sulfonierten Polymeren eingesetzt. Die PEM 5 leitet die Protonen H⁺ und sperrt andere Ionen als Protonen H⁺ im Wesentlichen, so dass aufgrund der Durchlässigkeit der PEM 5 für die Protonen H⁺ der Ladungstransport erfolgen kann. Die PEM 5 ist für die Reaktionsgase Sauerstoff O₂ und Wasserstoff H₂ im Wesentlichen undurchlässig, d. h. sperrt die Strömung von Sauerstoff O₂ und Wasserstoff H₂ zwischen einem Gasraum 31 an der Anode 7 mit Rezirkulationsbrennstoff Wasserstoff H₂ und dem Gasraum 32 an der Kathode 8 mit Luft bzw. Sauerstoff O₂ als Oxidationsmittel. Die Protonenleitfähigkeit der PEM 5 vergrößert sich mit steigender Temperatur und steigenden Wassergehalt.
Auf den beiden Seiten der PEM 5, jeweils zugewandt zu den Gasräumen 31, 32, liegen die Elektroden 7, 8 als die Anode 7 und Kathode 8 auf. Eine Einheit aus der PEM 5 und Anode 7 sowie Kathode 8 wird als Membranelektrodenanordnung 6 (Membran Electrode Assembly, MEA) bezeichnet. Die Elektroden 7, 8 sind mit der PEM 5 verpresst. Die Elektroden 7, 8 sind platinhaltige Kohlenstoffpartikel, die an PTFE (Polytetrafluorethylen), FEP (Fluoriertes Ethylen-Propylen-Copolymer), PFA (Perfluoralkoxy), PVDF (Polyvinylidenfluorid) und/oder PVA (Polyvinylalkohol) gebunden sind und in mikroporösen Kohlefaser-, Glasfaser- oder Kunststoffmatten heißverpresst sind. An den Elektroden 7, 8 sind auf der Seite zu den Gasräumen 31, 32 hin normalerweise jeweils eine Katalysatorschichten 30 aufgebracht (nicht dargestellt). Die Katalysatorschicht 30 an dem Gasraum 31 mit Rezirkulationsbrennstoff an der Anode 7 umfasst nanodisperses Platin-Ruthenium auf grafitierten Rußpartikeln, die an einem Bindemittel gebunden sind. Die Katalysatorschicht 30 an dem Gasraum 32 mit Oxidationsmittel an der Kathode 8 umfasst analog nanodisperses Platin. Als Bindemittel werden beispielsweise Nation®, eine PTFE-Emulsion oder Polyvinylalkohol eingesetzt.
Abweichend hiervon sind die Elektroden 7, 8 aus einem lonomer, beispielsweise Nation®, platinhaltigen Kohlenstoffpartikeln und Zusatzstoffen aufgebaut. Diese Elektroden 7, 8 mit dem lonomer sind aufgrund der Kohlenstoffpartikel elektrisch leitfähig und leiten auch die Protonen H⁺ und fungieren zusätzlich auch als Katalysatorschicht 30 wegen der platinhaltigen Kohlenstoffpartikel. Membranelektrodenanordnungen 6 mit diesen Elektroden 7, 8 umfassend das lonomer bilden Membranelektrodenanordnungen 6 als CCM (catalyst coated membran).
Auf der Anode 7 und der Kathode 8 liegt eine Gasdiffusionsschicht 9 (Gas Diffusion Layer, GDL) auf. Die Gasdiffusionsschicht 9 an der Anode 7 verteilt den Rezirkulationsbrennstoff aus Kanälen 12 für Rezirkulationsbrennstoff gleichmäßig auf die Katalysatorschicht 30 an der Anode 7. Die Gasdiffusionsschicht 9 an der Kathode 8 verteilt das Oxidationsmittel aus Kanälen 13 für Oxidationsmittel gleichmäßig auf die Katalysatorschicht 30 an der Kathode 8. Die GDL 9 zieht außerdem Reaktionswasser in umgekehrter Richtung zur Strömungsrichtung der Reaktionsgase ab, d. h. in einer Richtung je von der Katalysatorschicht 30 zu den Kanälen 12, 13. Ferner hält die GDL 9 die PEM 5 feucht und leitet den Strom. Die GDL 9 ist beispielsweise aus einem hydrophobierten Kohlepapier und einer gebundenen Kohlepulverschicht aufgebaut.
Auf der GDL 9 liegt eine Bipolarplatte 10 auf. Die elektrisch leitfähige Bipolarplatte 10 dient als Stromkollektor, zur Wasserableitung und zur Leitung der Reaktionsgase durch eine Kanalstruktur 29 und/oder ein Flussfeld 29 und zur Ableitung der Abwärme, welche insbesondere bei der exothermischen elektrochemischen Reaktion an der Kathode 8 auftritt. Zum Ableiten der Abwärme sind in die Bipolarplatte 10 Kanäle 14 zur Durchleitung eines flüssigen oder gasförmigen Kühlmittels eingearbeitet. Die Kanalstruktur 29 an dem Gasraum 31 für Rezirkulationsbrennstoff ist von Kanälen 12 gebildet. Die Kanalstruktur 29 an dem Gasraum 32 für Oxidationsmittel ist von Kanälen 13 gebildet. Als Material für die Bipolarplatten 10 werden beispielsweise Metall, leitfähige Kunststoffe und Kompositwerkstoffe oder Grafit eingesetzt. Die Bipolarplatte 10 umfasst somit die drei Kanalstrukturen 29, gebildet von den Kanälen 12, 13 und 14, zur getrennten Durchleitung von Rezirkulationsbrennstoff, Oxidationsmittel und Kühlmittel. In einer Brennstoffzelleneinheit 1 mit Brennstoffzellenstapel 40 und/oder einem Brennstoffzellenstack 40 sind mehrere Brennstoffzellen 2 fluchtend gestapelt angeordnet (4). Die Brennstoffzellen 2 und die Komponenten 5, 6, 7, 8, 9, 10 der Brennstoffzellen 2 sind schichtförmig und/oder scheibenförmig ausgebildet und spannen fiktive Ebenen 37 (3) auf. Die Komponenten 5, 6, 7, 8, 9, 10 der Brennstoffzellen 2 sind Protonenaustauschermembranen 5, Anoden 7, Kathoden 8, Gasdiffusionsschichten 9 und Bipolarplatten 10.
In 1 ist eine Explosionsdarstellung von zwei gestapelt angeordneten Brennstoffzellen 2 abgebildet. Eine Dichtung 11 dichtet die Gasräume 31, 32 fluiddicht ab. In einem Druckgasspeicher 21 (1) ist Wasserstoff H₂ als Brennstoff mit einem Druck von beispielsweise 350 bar bis 800 bar gespeichert. Aus dem Druckgasspeicher 21 wird der Brennstoff durch eine Hochdruckleitung 18 zu einem Druckminderer 20 geleitet zur Reduzierung des Druckes des Brennstoffes in einer Mitteldruckleitung 17 von ungefähr 10 bar bis 20 bar. Aus der Mitteldruckleitung 17 wird der Brennstoff zu einem Injektor 19 geleitet. An dem Injektor 19 wird der Druck des Brennstoffes auf einen Einblasdruck zwischen 1 bar und 3 bar reduziert. Von dem Injektor 19 wird der Brennstoff einer Zufuhrleitung 16 für Rezirkulationsbrennstoff (1) zugeführt und von der Zufuhrleitung 16 den Kanälen 12 für Rezirkulationsbrennstoff, welche die Kanalstruktur 29 für Rezirkulationsbrennstoff bilden. Der Rezirkulationsbrennstoff durchströmt dadurch den Gasraum 31 für den Rezirkulationsbrennstoff. Der Gasraum 31 für den Rezirkulationsbrennstoff ist von den Kanälen 12 und der GDL 9 an der Anode 7 gebildet. Nach dem Durchströmen der Kanäle 12 wird der nicht in der Redoxreaktion an der Anode 7 verbrauchte Brennstoff und gegebenenfalls Wasser aus einer kontrollieren Befeuchtung der Anode 7 durch eine Abfuhrleitung 15 aus den Brennstoffzellen 2 abgeleitet.
Eine Gasfördereinrichtung 22, beispielsweise als ein Gebläse 23 oder ein Kompressor 24 ausgebildet, fördert Luft aus der Umgebung als Oxidationsmittel in eine Zufuhrleitung 25 für Oxidationsmittel. Aus der Zufuhrleitung 25 wird die Luft den Kanälen 13 für Oxidationsmittel, welche eine Kanalstruktur 29 an den Bipolarplatten 10 für Oxidationsmittel bilden, zugeführt, so dass das Oxidationsmittel den Gasraum 32 für das Oxidationsmittel durchströmt. Der Gasraum 32 für das Oxidationsmittel ist von den Kanälen 13 und der GDL 9 an der Kathode 8 gebildet. Nach dem Durchströmen der Kanäle 13 bzw. des Gasraumes 32 für das Oxidationsmittel 32 wird das nicht an der Kathode 8 verbrauchte Oxidationsmittel und das an der Kathode 8 aufgrund der elektrochemischen Redoxreaktion entstehenden Reaktionswasser durch eine Abfuhrleitung 26 aus den Brennstoffzellen 2 abgeleitet. Eine Zufuhrleitung 27 dient zur Zuführung von Kühlmittel in die Kanäle 14 für Kühlmittel und eine Abfuhrleitung 28 dient zur Ableitung des durch die Kanäle 14 geleiteten Kühlmittels. Die Zu- und Abfuhrleitungen 15, 16, 25, 26, 27, 28 sind in 1 aus Vereinfachungsgründen als gesonderte Leitungen dargestellt und sind konstruktiv tatsächlich am Endbereich in der Nähe der Kanäle 12, 13, 14 als fluchtende Fluidöffnungen (nicht dargestellt) am Endbereich der aufeinander liegenden Membranelektrodenanordnungen 6 ausgebildet. Analog sind auch an plattenförmigen Verlängerungen (nicht dargestellt) der Bipolarplatten 10 Fluidöffnungen (nicht dargestellt) ausgebildet und die Fluidöffnungen in den plattenförmigen Verlängerungen der Bipolarplatten 10 fluchten mit den Fluidöffnungen (nicht dargestellt) an den Membranelektrodenanordnungen 6 zur teilweisen Ausbildung der Zu- und Abfuhrleitungen 15, 16, 25, 26, 27, 28. Die Brennstoffzelleneinheit 1 zusammen mit dem Druckgasspeicher 21 und der Gasfördereinrichtung 22 bildet ein Brennstoffzellensystem 4.
In der Brennstoffzelleneinheit 1 sind die Brennstoffzellen 2 zwischen zwei Spannelementen 33 als Spannplatten 34 angeordnet. Eine obere Spannplatte 35 liegt auf der obersten Brennstoffzelle 2 auf und eine untere Spannplatte 36 liegt auf der untersten Brennstoffzelle 2 auf. Die Brennstoffzelleneinheit 1 umfasst ungefähr 200 bis 400 Brennstoffzellen 2, die aus zeichnerischen Gründen nicht alle in 4 bis 5 dargestellt sind. Die Spannelemente 33 bringen auf die Brennstoffzellen 2 eine Druckkraft auf, d. h. die obere Spannplatte 35 liegt mit einer Druckkraft auf der obersten Brennstoffzelle 2 auf und die untere Spannplatte 36 liegt mit einer Druckkraft auf der untersten Brennstoffzelle 2 auf. Damit ist der Brennstoffzellenstapel 40 verspannt, um die Dichtheit für den Brennstoff, das Oxidationsmittel und das Kühlmittel, insbesondere aufgrund der elastischen Dichtung 11, zu gewährleisten und außerdem den elektrischen Kontaktwiderstand innerhalb des Brennstoffzellenstapels 40 möglichst klein zu halten. Zur Verspannung der Brennstoffzellen 2 mit den Spannelementen 33 sind an der Brennstoffzelleneinheit 1 vier Verbindungsvorrichtungen 38 als Bolzen 39 ausgebildet, welche auf Zug beansprucht sind. Die vier Bolzen 39 sind mit den Spannplatten 34 fest verbunden.
Der Brennstoffzellenstapel 40 ist in einem Gehäuse 42 (5) angeordnet. Das Gehäuse 42 weist eine Innenseite 43 und eine Außenseite 44 auf. Zwischen dem Brennstoffzellenstapel 40 und dem Gehäuse 42 ist ein Zwischenraum 41 ausgebildet. Das Gehäuse 42 ist außerdem von einer Anschlussplatte 47 aus Metall, insbesondere Stahl, gebildet. Das übrige Gehäuse 42 ohne der Anschlussplatte 47 ist mit Fixierungselementen 48 als Schrauben 49 an der Anschlussplatte 47 befestigt. In der Anschlussplatte 47 sowie in der unteren Spannplatte 36 ist eine Öffnung 45 zum Einleiten von Rezirkulationsbrennstoff in die Kanäle 12 für Rezirkulationsbrennstoff ausgebildet. Außerdem ist in der Anschlussplatte 47 sowie in der unteren Spannplatte 36 eine Öffnung 46 zum Ausleiten von Rezirkulationsbrennstoff aus den Kanälen 12 für Rezirkulationsbrennstoff ausgebildet. In der Anschlussplatte 47 und der unteren Spannplatte 36 als dem Spannelemente 33 sind weitere, nicht dargestellte Öffnungen ausgebildet zum Einleiten von Oxidationsmittel, zum Ausleiten von Oxidationsmittel, zum Einleiten von Kühlmittel und zum Ausleiten von Kühlmittel. Damit sind in der Anschlussplatte 47 und der unteren Spannplatte 36 insgesamt 6 Öffnungen ausgebildet.
Der Rezirkulationsbrennstoff als Rezirkulationswasserstoff wird durch die Kanäle 12 für Rezirkulationsbrennstoff und damit auch durch den Gasraum 31 für Rezirkulationsbrennstoff geleitet. Eine Rezirkulationsleitung 50 dient zur Rezirkulation des aus den Kanälen 12 für Rezirkulationsbrennstoff ausgeleiteten Rezirkulationsbrennstoffes, d. h. der aus den Kanälen 12 für Rezirkulationsbrennstoff ausgeleitete Rezirkulationsbrennstoff wird mit der Rezirkulationsleitung 50 wieder den Kanälen 12 für Rezirkulationsbrennstoff und damit auch dem Gasraum 31 für Rezirkulationsbrennstoff zugeführt. Die Abfuhrleitung 15 für Rezirkulationsbrennstoff und die Zufuhrleitung 16 für Rezirkulationsbrennstoff fungieren damit auch teilweise als die Rezirkulationsleitung 50. In die Rezirkulationsleitung 50 ist ein Wasserabscheider 51 integriert. Der Wasserabscheider 51 (5) ist somit in die Rezirkulationsleitung 50 eingebaut und ist außerdem auch als ein mechanischer Wasserabscheider 52 ausgebildet mit einem Abscheidungsströmungsraum 53. In 1 ist der Wasserabscheider 51 und der Wärmeübertrager 58 nicht dargestellt. Der Abscheidungsströmungsraum 53 weist eine wesentlich größere Strömungsquerschnittsfläche auf als die Rezirkulationsleitung 50, sodass dadurch die Strömungsgeschwindigkeit des Rezirkulationsbrennstoffes in dem Abscheidungsströmungsraum 53 wesentlich kleiner ist als in der Rezirkulationsleitung 50 und damit kleine Wassertröpfchen in dem Rezirkulationsbrennstoff in dem Abscheidungsströmungsraum 53 mittels Sedimentation abgeschieden werden, sodass damit ein mechanischer Wasserabscheider 53 vorliegt. Der Abscheidungsströmungsraum 53 ist von Wandungen 54 des Wasserabscheiders 51 begrenzt. In dem Abscheidungsströmungsraum 53 ist eine Wasserableitungsöffnung 57 eingebaut, sodass dadurch in dem Abscheidungsströmungsraum 53 abgeschiedenes Wasser durch die Wasserableitungsöffnung 57 in die Umgebung abgeleitet werden kann. Optional ist an der Wasserableitungsöffnung 57 ein nicht dargestelltes Ventil ausgebildet, sodass dadurch das abgeschiedene Wasser zunächst in dem Abscheidungsströmungsraum 53 gesammelt und gezielt in die Umgebung abgegeben werden kann. Hierzu ist optional zusätzlich an dem Wasserabscheider 51 ein nicht dargestellter Sensor zur Erfassung des Wasserstandes in dem Abscheidungsströmungsraum 53 vorhanden, sodass damit mittels des nicht dargestellten Ventiles automatisch und selbsttätig eine Öffnung des Ventiles bei dem Erreichen eines vorgegebenen Wasserstandes in dem Abscheidungsströmungsraum 53 aktiviert wird in Abhängigkeit von einem weiteren Parameter, beispielsweise dem Standort eines Kraftfahrzeuges. In dem Wasserabscheider 51 ist eine Einleitungsöffnung 55 zum Einleiten des Rezirkulationsbrennstoffes in den Abscheidungsströmungsraum 53 ausgebildet und eine Ausleitungsöffnung 56 zum Ableiten des Rezirkulationsbrennstoffes aus dem Abscheidungsströmungsraum 53. Die Rezirkulationsleitung 50 mündet in die Einleitungsöffnung 55 und die Ausleitungsöffnung 56.
Die Mitteldruckleitung 17 und die Hochdruckleitung 18 werden als Oberbegriff auch mit Druckgasleitung 59 für Brennstoff bezeichnet. Die Druckgasleitung 59 ist durch den Abscheidungsströmungsraum 53 des Wasserabscheiders 51 geführt. Zur Vergrößerung der Fläche der Druckgasleitung 59 in dem Abscheidungsströmungsraum 53 ist die Druckgasleitung 59 in dem Abscheidungsströmungsraum 53 mäanderförmig oder schraubenlinienförmig ausgebildet. Der Rezirkulationsbrennstoff wird beispielsweise mit einer Temperatur von 75 °C aus dem Brennstoffzellenstapel 40 ausgeleitet, d. h. wird anschließend mit der Temperatur von ungefähr 75 °C durch die Einleitungsöffnung 55 in den Abscheidungsströmungsraum 53 eingeleitet. Der Brennstoff ist in dem Druckgasspeicher 21 unter einem sehr großen Druck von beispielsweise 400 oder 800 bar gespeichert. Aufgrund der Druckminderung des Brennstoffes an dem Druckminderer 20 tritt eine Reduzierung der Temperatur des Brennstoffes nach der Reduzierung des Druckes in der Mitteldruckleitung 17 auf, sodass damit der Brennstoff beispielsweise in der Mitteldruckleitung 17 eine Temperatur von - 20 °C aufweist. Eine Dosierung des Brennstoffes mit dem Injektor 19 in die Rezirkulationsleitung 50 mit dieser niedrigen Temperatur wäre für den Betrieb der Brennstoffzelleneinheit 1 nachteilig, sodass mit einem Wärmeübertrager 58 die Wärme aus dem Rezirkulationsbrennstoff als einem primären Fluid auf den Brennstoff als einem sekundären Fluid übertragen wird. Die Druckgasleitung 59 ist, wie bereits beschrieben, mäanderförmig oder schraubenlinienförmig durch den Abscheidungsströmungsraum 53 geleitet, sodass dadurch die Druckgasleitung 59, welche innerhalb des Abscheidungsströmungsraumes 53 aus Metall, beispielsweise Edelstahl, ausgebildet ist, als der Wärmeübertrager 58 fungiert. In den Kanälen 13 für Oxidationsmittel bildet sich aufgrund der elektrochemischen Reaktion Wasser bzw. Feuchtigkeit. Dieses Wasser bzw. die Feuchtigkeit gelang dabei auch in die Kanäle 12 für den Rezirkulationsbrennstoff, sodass der aus dem Brennstoffzellenstapel 40 austretende Rezirkulationsbrennstoff und der in den Abscheidungsströmungsraum 53 eingeleitete Rezirkulationsbrennstoff eine sehr hohe relative Feuchtigkeit und auch eine sehr hohe absolute Feuchtigkeit aufweist aufgrund der hohen Temperatur des Rezirkulationsbrennstoffes. In dem Abscheidungsströmungsraum 53 wird somit mittels des Brennstoffes, welches durch die Druckgasleitung 59 geleitet wird als dem Wärmeübertrager 58, der Rezirkulationsbrennstoff unterhalb des Taupunktes der Feuchtigkeit als Wasserdampf abgekühlt und damit zusätzlich in Ergänzung zur mechanischen Wasserabscheidung mittels Sedimentation auch eine Wasserabscheidung mit Kondensation ausgeführt wird.
In vorteilhafter Weise tritt bei der Koordination von Feuchtigkeit bzw. Wasserdampf zu Wasser eine hohe Kondensationswärme auf, welche auf den Brennstoff in der Druckgasleitung 59 übertragen wird. Aufgrund der großen auftretenden Kondensationswärme tritt eine nur sehr geringe Abkühlung des Rezirkulationsbrennstoffes in dem Abscheidungsströmungsraum 53 auf, d. h. beispielsweise von 75 °C auf 70 oder 60 °C. Die Kondensation von Wasserdampf bzw. Feuchtigkeit des Rezirkulationsbrennstoffes kann damit im Wesentlichen mit einer isothermen Durchleitung des Rezirkulationsbrennstoffes durch den Abscheidungsströmungsraum 53 ausgeführt werden. Nach der Abscheidung von Feuchtigkeit bzw. Wasserdampf aus dem Rezirkulationsbrennstoff wird der Rezirkulationsbrennstoff durch die Ausleitungsöffnung 56 mit der Rezirkulationsleitung 50 wieder den Kanälen 12 für Rezirkulationsbrennstoff des Brennstoffzellenstapels 40 zugeführt und vorher mittels des Injektors 19 der in dem Wärmeübertrager 58 erwärmte Brennstoff dem Rezirkulationsbrennstoff in Abhängigkeit von der Leistung der Brennstoffzelleneinheit 1 zugeführt. Der Volumenstrom des durch den Wasserabscheider 51 geleiteten Rezirkulationsbrennstoffes ist im Wesentlichen konstant, weil einerseits bei einer hohen Leistung der Brennstoffzelleneinheit 1 zwar ein großer Volumenstrom an Brennstoff mit dem Injektor 19 zugeführt wird, jedoch auch ein hoher Verbrauch an Brennstoff in der Brennstoffzelleneinheit 1 auftritt und andererseits bei einer geringen Leistung der Brennstoffzelleneinheit 1 zwar ein kleiner Volumenstrom an Brennstoff mit dem Injektor 19 in die Rezirkulationsleitung 50 zugeführt wird und dabei lediglich ein kleiner Verbrauch an Brennstoff in der Brennstoffzelleneinheit 1 notwendig ist. Die Kondensationswärme der Feuchtigkeit bzw. des Wasserdampfes in dem Rezirkulationsbrennstoff ist in sämtlichen Betriebszuständen der Brennstoffzelleneinheit 1 wesentlich größer als die notwendige Wärme zum Erwärmen des durch den Wärmeübertrager 58 geleiteten Volumenstromes an Brennstoff. Damit ist an dem Wärmeübertrager 58 stets eine ausreichende Wärmemenge vorhanden zum Erwärmen des Brennstoffes auf die notwendige Temperatur von beispielsweise ungefähr 70 °C an dem Injektor 19.
Insgesamt betrachtet sind mit der erfindungsgemäßen Brennstoffzelleneinheit 1, dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben der Brennstoffzelleneinheit 1 und dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem 4 wesentliche Vorteile verbunden. Die Kondensationswärme des Rezirkulationsbrennstoffes wird in dem Abscheidungsströmungsraum 53 des Wasserabscheiders 51 mittels des Wärmeübertragers 58 als der Druckgasleitung 59 auf den zu erwärmenden Brennstoff übertragen. Damit wird in vorteilhafter Weise die Wasserabscheidung in dem Wasserabscheider 51 erhöht, weil die Wasserabscheidung nicht nur mechanisch, sondern auch mittels Kondensation ausgeführt wird. In vorteilhafter Weise kann damit der Wasserabscheider 51 mit einem kleineren Bauraumbedarf ausgeführt werden. Der Wärmeübertrager 58 zum Erwärmen des Brennstoffes wird nicht von dem Kühlmittel des Brennstoffzellenstapels 40 durchströmt, sodass der Wärmeübertrager 58 auch in einem sehr geringen räumlichen Abstand zu dem Brennstoffzellenstapel 40 ohne elektrische Isolation des Kühlmittels ausgebildet werden kann, d. h. in einer Baueinheit der Wasserabscheider 51 mit integrierten Wärmeübertrager 58 beispielsweise in unmittelbarer Nähe an der Unterseite der Anschlussplatte 47 befestigt werden kann und damit insgesamt die Brennstoffzelleneinheit 1 einen geringen Bauraumbedarf aufweist. Dies ist insbesondere bei der Verwendung der Brennstoffzelleneinheit 1 in einem Kraftfahrzeug vorteilhaft.

Claims

Brennstoffzelleneinheit (1) zur elektrochemischen Erzeugung von elektrischer Energie, umfassend - gestapelt angeordnete Brennstoffzellen (2) und die Brennstoffzellen (2) jeweils gestapelt angeordnete schichtförmige Komponenten (5, 6, 7, 8, 9, 10) umfassen und die Komponenten (5, 6, 7, 8, 9, 10) der Brennstoffzellen (2) Protonenaustauschermembranen (5), Anoden (7), Kathoden (8), Gasdiffusionsschichten (9) und Bipolarplatten (10) sind, so dass die gestapelten Brennstoffzellen (2) einen Brennstoffzellenstapel (40) bilden, - in dem Brennstoffzellenstapel (40) integrierte Kanäle (12) für Rezirkulationsbrennstoff, - eine Rezirkulationsleitung (50) zur Rezirkulation des aus den Kanälen (12) für Rezirkulationsbrennstoff ausgeleiteten Rezirkulationsbrennstoffes wieder zurück in die Kanäle (12) für Rezirkulationsbrennstoff, so dass in der Brennstoffzelleneinheit (1) ein Rezirkulationskreislauf mit rezirkulierendem Rezirkulationsbrennstoff gebildet ist, - einen in die Rezirkulationsleitung (50) integrierten Wasserabscheider (51) zur Abscheidung von Wasser aus dem Rezirkulationsbrennstoff, - einen Wärmeübertrager (58) zur Übertragung von Wärme von einem primären Fluid auf ein sekundäres Fluid zur Erwärmung von in die Rezirkulationsleitung (50) eingeleiteten Brennstoff als dem sekundären Fluid, dadurch gekennzeichnet, dass das primäre Fluid von dem Rezirkulationsbrennstoff gebildet ist.
Brennstoffzelleneinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeübertrager (58) in die Rezirkulationsleitung (50), insbesondere in den Wasserabscheider (51), integriert ist.
Brennstoffzelleneinheit nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Wasserabscheider (51) einen Abscheidungsströmungsraum (53) zum Durchleiten des Rezirkulationsbrennstoffes und zum Abscheiden von Wasser und/oder Feuchtigkeit aus dem Rezirkulationsbrennstoff umfasst.
Brennstoffzelleneinheit nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Abscheidungsströmungsraum (53) des Wasserabscheiders (51) zusätzlich als Strömungsraum für das primäre Fluid des Wärmeübertragers (58) fungiert, so dass mittels des Übertragens von Wärme von dem primären Fluid als dem Rezirkulationsbrennstoff in dem Abscheidungsströmungsraum (53) auf den Brennstoff in dem Wärmeübertrager (58) zusätzlich eine Abscheidung von Feuchtigkeit in dem Rezirkulationsbrennstoff mittels Kondensation von Wasser ausführbar ist.
Brennstoffzelleneinheit nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeübertrager (58) von wenigstens einer Wandung (54) zur Begrenzung des Abscheidungsströmungsraumes (53) des Wasserabscheiders (51) gebildet ist.
Brennstoffzelleneinheit nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeübertrager (58), insbesondere die Rezirkulationsleitung (50) und/oder die Druckgasleitung (59), mäanderförmig, wendelförmig, schraubenlinienförmig, spiralförmig und/oder plattenförmig, insbesondere als Plattenwärmeübertrager (58) und/oder Rohrwendelwärmeübertrager (58), ausgebildet ist.
Brennstoffzelleneinheit nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeübertrager (58) innerhalb des Wasserabscheiders (51), insbesondere innerhalb des Abscheidungsströmungsraumes (53) des Wasserabscheiders (51), angeordnet ist.
Brennstoffzelleneinheit nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzelleneinheit (1) einen Injektor (19) zur Zuführung von Brennstoff von einem Druckgasspeicher (21) für Brennstoff in die Rezirkulationsleitung (50) und eine Druckgasleitung (59) zur Leitung von Brennstoff von dem Druckgasspeicher (21) in den Injektor (19) umfasst.
Brennstoffzelleneinheit nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeübertrager (58) in der Druckgasleitung (59) in Strömungsrichtung des Brennstoffes vor dem Injektor (19) integriert ist.
Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzelleneinheit (1) mit einem Brennstoffzellenstapel (40) und elektrochemische Energie aus einem Brennstoff in elektrische Energie umgewandelt wird mit den Schritten: - Leiten von Oxidationsmittel durch einen Brennstoffzellenstapel (40), - Leiten von Rezirkulationsbrennstoff in einem Rezirkulationskreislauf durch Kanäle (12) für Rezirkulationsbrennstoff in dem Brennstoffzellenstapel (40) und durch eine Rezirkulationsleitung (50) zur Leitung von Rezirkulationsbrennstoff, - Abscheiden von Wasser aus dem Rezirkulationsbrennstoff in einem Wasserabscheider (51), - Dosieren von Brennstoff mit einem Injektor (19) aus einem Druckgasspeicher (21) für Brennstoff in die Rezirkulationsleitung (50), - Übertragen von Wärme mit einem Wärmeübertrager (58) von einem primären Fluid auf ein sekundäres Fluid zur Erwärmung des von dem Druckgasspeicher (21) zu dem Injektor (19) geleiteten Brennstoffes als dem sekundären Fluid, dadurch gekennzeichnet, dass das primäre Fluid von dem Rezirkulationsbrennstoff gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Übertragen der Wärme von dem primären Fluid als dem Rezirkulationsbrennstoff auf das sekundäre Fluid als dem Brennstoff mit dem Wärmeübertrager (58) ausgeführt wird, so dass die Wärme in einem Abscheidungsströmungsraum (53) des Wasserabscheiders (51) von dem Rezirkulationsbrennstoff auf den Brennstoff übertragen wird und damit der Rezirkulationsbrennstoff abgekühlt wird, so dass Feuchtigkeit in dem Rezirkulationsbrennstoff aufgrund des aus der Wärmeübertragung resultierenden Abkühlens kondensiert und in dem Abscheidungsströmungsraum (53) als Wasser abgeschieden wird.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Rezirkulationsbrennstoff und der Brennstoff durch den Wärmeübertrager im Gleichstrom durch den Wärmeübertrager (58) geleitet werden.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass während des Übertragens von Wärme mit dem Wärmeübertrager (58) von dem primären Fluid als dem Rezirkulationsbrennstoff auf das sekundäres Fluid als dem Brennstoff zur Erwärmung des von dem Druckgasspeicher (21) zu dem Injektor (19) geleiteten Brennstoffes die Feuchtigkeit in dem Rezirkulationsbrennstoff unter dem Taupunkt abgekühlt wird, so dass die Feuchtigkeit zu Wasser kondensiert und gleichzeitig Kondensationswärme abgegeben wird und die Kondensationswärme mittels des Wärmeübertragers (58) auf des sekundäre Fluid als dem Brennstoff übertragen wird, so dass der Brennstoff mittels der Kondensationswärme erwärmt wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Abscheiden von Wasser aus dem Rezirkulationsbrennstoff in dem Wasserabscheider (51) als einem mechanischen Wasserabscheider (52) mittels Sedimentation und/oder Drall ausgeführt wird.
Brennstoffzellensystem (4), insbesondere für ein Kraftfahrzeug, umfassend - eine Brennstoffzelleneinheit (1), - einen Druckgasspeicher (21) zur Speicherung von gasförmigem Brennstoff, - eine Gasfördervorrichtung (22) zur Förderung eines gasförmigen Oxidationsmittels zu den Kathoden (8) der Brennstoffzellen (2), dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzelleneinheit (1) als eine Brennstoffzelleneinheit (1) nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9 ausgebildet ist und/oder mit dem Brennstoffzellensystem (4) ein Verfahren gemäß einem oder mehrerer der Ansprüche 10 bis 14 ausführbar ist.