WO2005099012A1

WO2005099012A1 - Brennstoffzellensystem

Info

Publication number: WO2005099012A1
Application number: PCT/EP2005/003608
Authority: WO
Inventors: Herbert Damsohn; Wolfram Kaiser; Conrad Pfender
Original assignee: Behr Gmbh & Co. Kg
Priority date: 2004-04-07
Filing date: 2005-04-06
Publication date: 2005-10-20
Also published as: EP1735867A1

Abstract

Brennstoffzellensystem mit zumindest einer Brennstoffzelle, die einen kathodenseitigen und einen anodenseitigen Einlass sowie zumindest einen Auslass aufweist, mit einer mit dem kathodenseitigen Einlass verbindbaren kathodenseitigen Zuströmleitung, mit einer mit dem anodenseitigen Einlass verbindbaren anodenseitigen Zulströmleitung und mit zumindest einer mit einem Auslass und der Zuströmleitung verbindbaren Abströmleitung.

Description

Brennstoffzellensystem

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.

Die Umwandlung von chemischer in elektrische Energie mittels Brennstoff- zellen stellt eine effiziente und umweltfreundliche Methode zur Gewinnung von elektrischem Strom aus den Betriebsmedien Wasserstoff und Sauerstoff dar. Dabei finden üblicherweise zwei räumlich getrennte Elektrodenreaktionen statt, bei denen Elektronen freigesetzt bzw. gebunden werden. Ein Beispiel für zwei korrespondierende Elektrodenreaktionen in einer Festoxid- Brennstoffzelle (SOFC) sind folgende Reaktionen:

H₂ + O^2" => H₂0 + 2e^" (Anodische Reaktion I)

CO + O^2" => CO_{2 +} 2e^" (Anodische Reaktion II)

0₂ + 4e^" => 20^2" (Kathodische Reaktion)

Andere Brennstoffzellentypen weisen zum Teil andere Reaktionen auf. Ein weiteres Beispiel für zwei korrespondierende Elektrodenreaktionen sind folgende Reaktionen:

H₂ => 2H⁺ + 2e^" (Anodische Reaktion)

2H⁺ + 2e^" + ¹/₂ 0₂ => H₂0 (Kathodische Reaktion) Gemeinsam ist jeweils der Transport einer Spezies in elektrisch geladenem Zustand durch einen Elektrolyten und den parallel hierzu verlaufenden Transport von Elektronen durch einen äußeren Leiter, um die Spezies nach dem Transportvorgang in einen elektrisch neutralen Zustand zurückzuversetzen. Durch elektrische Verbindung der räumlich getrennten Reaktionszonen kann zumindest ein Teil der dabei umgesetzten Reaktionsenthalpie direkt als elektrischer Strom gewonnen werden. Üblicherweise werden mehrere elektrisch in Serie geschaltete Brennstoffzellen aufeinandergestapelt und ein Brennstoffzellenstapel als Stromquelle verwendet.

Eine Brennstoffzelle umfaßt dabei eine Elektrolyteinheit, welche die Reaktanden, insbesondere Wasserstoff beziehungsweise Kohlenmonoxid und Sauerstoff voneinander trennt und eine lonenleitfähigkeit, insbesondere eine Protonen- oder Sauerstoffionenleitfähigkeit, aufweist, sowie aus zwei mit Ka- talysatormaterial belegten Elektroden, die unter anderem zum Abgriff des von der Brennstoffzelle erzeugten elektrischen Stroms erforderlich sind.

Die Reaktanden Wasserstoff und Sauerstoff und das Reaktionsprodukt Wasser sowie gegebenenfalls ein Kühlmittel zum Abtransport überschüssi- ger Reaktionswärme strömen durch Fluidkanale, wobei die Reaktanden nicht notwendigerweise in reiner Form vorliegen müssen. Beispielsweise kann das Fluid auf der Kathodenseite Luft sein, deren Sauerstoff an der Reaktion teilnimmt. Insbesondere bei Verwendung eines Kühlmittels wird durch eine thermische Verbindung der jeweiligen Fluidkanale für einen ausreichenden Wärmeübertrag zwischen den jeweiligen Fluiden gesorgt.

In der DE 100 15 360 A1 wird eine Separatorplatte für Brennstoffzellen beschrieben, die aus zwei geprägten Platten besteht. Eine Fläche der geprägten Platten weist jeweils eine positive Kanalstruktur auf und eine andere Flä- ehe weist eine korrespondierende negative Kanalstruktur auf. Durch Verbin- den beider Platten ergibt sich ein platteninneres Kanalsystem für ein Kühlmittel und an den Außenflächen jeder Platte ein Kanalsystem für Gasströme.

Da die lonenleitfähigkeit der bei Brennstoffzellen verwendeten Elektrolyten gewissen physikalischen Randbedingungen unterworfen ist (beispielsweise einer Betriebstemperatur von > ca. 600°C bei einer Festoxidbrennstoffzelle (SOFC) beziehungsweise einem definierten Befeuchtungszustand bei einer Polymerelektrolytbrennstoffzelle), muss insbesondere eine SOFC in einen Temperaturbereich gebracht werden, in dem der Elektrolyt eine ausreichend hohe Leitfähigkeit aufweist und zum anderen die Reaktionsgase hinsichtlich ihrer Eintrittstemperatur in die Brennstoffzelle entsprechend konditionierbar sind.

Üblicherweise werden Festoxidbrennstoffzellen bei einer Temperatur von ca. 650..1000°C betrieben, wobei von Kathodengaseingang zu Kathodengas- ausgang ein Temperaturanstieg von 100..150°C stattfindet. Unter anderem für eine Temperierung von SOFCs wird die Kathode mit einem Luftstrom beaufschlagt, der deutlich grösser ist, als für die Versorgung der Brennstoffzellenreaktion mit Sauerstoff erforderlich wäre. Häufig verwendet man Luftstöchiometrien von 10-20, um die entstehende Abwärme über den Luftstrom auszutragen. Eine Luftstöchiometrie von 10 bedeutet hierbei beispielsweise, daß die Brennstoffzelle mit 10 Mal so viel Sauerstoff beaufschlagt wird wie bei der Brennstoffzellenreaktion verbraucht wird.

Zur gewünschten Temperierung des Kathodeneingangs-Luftstroms ist es bekannt, Frischluft mit Hilfe von Wärmeübertragern, die aufgrund des Temperaturniveaus in der Regel aus Edelstahl oder anderen chromhaltigen Materialien hergestellt werden, vorzuwärmen. Fig. 3 zeigt ein Brennstoffzellensystem 11 , mit einer Brennstoffzelle 12, der über eine Zuströmleitung 14 mit einer Fluidfördervorrichtung P und einen kathodenseitigen Einlaß 15 ein Flu- id zuführbar ist. Ein Kathodenabgas wird über einen kathodenseitigen Aus- laß 16 und eine Abströmleitung 17 durch einen Wärmeübertrager WÜ geleitet, um das frische Fluid vorzuheizen. Das Kathodenabgas ist dem Wärmeübertrager WÜ entweder direkt (A) oder indirekt über einen zwischengeschalteten Brenner V, der das Kathodenabgas mit einem Anodenabgas aus einer anodenseitigen Abströmleitung 18 nachverbrennt (B), zuführbar. Nach dem Durchströmen des Wärmeübertragers WÜ wird das Abgas zumeist an die Umgebung abgegeben.

Bei den erforderlichen Temperaturen findet ein verstärktes Abdampfen von Chromverbindungen aus der Wärmeübertrageroberfläche statt, das zu einem Eintrag von Chrom beziehungsweise Chromverbindungen in die Brennstoffzelle und zu einer Ablagerung von Chrom oder Chromverbindungen in fester Form in der Nähe der sogenannten Dreiphasengrenze führt. Unter Umständen wird dadurch beispielsweise in SOFCs das Anlagern und der Einbau von Sauerstoff in den Elektrolyten behindert und der Wirkungsgrad der Zelle dauerhaft beeinträchtigt.

Eine Aufgabe der Erfindung ist es, ein Brennstoffzellensystem mit gesteigertem Gesamtwirkungsgrad und/oder verringertem Platzbedarf bereitzustellen. Insbesondere ist es eine Aufgabe der Erfindung, einen Eintrag von Chrom bzw. Chromverbindungen in die Brennstoffzelle zu verringern. Ebenso ist es insbesondere eine Aufgabe der Erfindung, ein Brennstoffzellensystem mit verringertem Frischluft- und/oder Energiebedarf bereitzustellen.

Diese Aufgabe wird durch einen Brennstoffzellenstapel mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Grundgedanke der Erfindung ist es, ein von einer Brennstoffzelle abströmendes Fluid einem der Brennstoffzelle zuströmenden Fluid beizumischen. Dadurch wird unter Umständen zumindest eine physikalische Größe des der Brennstoffzelle zuströmenden Fluids, beispielsweise dessen Temperatur oder die Konzentration eines oder mehrerer dessen Bestandteile, vorteilhaft beeinflußt. Insbesondere wird das zuströmende Fluid erfindungsgemäß aufgewärmt, so daß der Aufwand für dessen Vorwärmung reduzierbar ist.

Ein Fluid im Sinne der vorliegenden Erfindung ist eine strömfähige Substanz, wie beispielsweise ein unter- oder überkritisches Gas oder eine Flüssigkeit. Ein mögliches Fluid ist ein Element, eine Verbindung, ein Gemisch aus Elementen und/oder Verbindungen, die unter Umständen jeweils in unterschiedlichen Aggregatzuständen vorliegen.

Ein Brennstoffzellensystem gemäß der Erfindung weist zumindest eine Brennstoffzelle mit einem kathodenseitigen und einem anodenseitigen Einlaß für die der Brennstoffzelle zuzuführenden Fluide sowie zumindest einen Auslaß auf. Bevorzugt weist die Brennstoffzelle einen kathodenseitigen und einen anodenseitigen Auslaß auf. Ferner weist das Brennstoffzellensystem eine kathodenseitige und eine anodenseitige Zuströmleitung auf, die für eine Zuführung der Fiuide mit dem kathodenseitigen beziehungsweise mit dem anodenseitigen Einlaß verbindbar sind. Für eine Abführung zumindest eines der Brennstoffzelle abzuführenden Fluids ist zumindest eine Abströmleitung vorgesehen, die mit dem zumindest einen Auslaß verbindbar ist. Vorzugsweise ist jeder Auslaß mit einer ihm zugeordneten Abströmleitung verbindbar.

Die Aufgabe der Erfindung wird vorzugsweise dadurch gelöst, daß zumindest eine Abströmleitung mit einer Zuströmleitung verbindbar ist, so daß ein Fluid von der Abströmleitung in die Zuströmleitung oder umgekehrt leitbar ist. Dadurch ist unter Umständen zumindest eine physikalische Größe des der Brennstoffzelle zuströmenden Fluids, beispielsweise dessen Temperatur oder die Konzentration eines oder mehrerer dessen Bestandteile, vorteilhaft beeinflußbar. Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist eine kathodenseitige Abströmleitung mit einer kathodenseitigen Zuströmleitung und/oder eine anodenseitige Abströmleitung mit einer anodenseitigen Zuströmleitung verbindbar. Hierdurch wird unter Umständen ermöglicht, daß ein für die Brennstoffzellenreaktion als Edukt vorgesehener Bestandteil eines der Fluide, der in der Brennstoffzelle nicht oder nicht vollständig verbraucht wurde, der Brennstoffzelle erneut zuführbar ist. Unter Umständen ist dadurch ein energetischer oder konstruktiver Aufwand für eine Bereitstellung des jeweiligen Edukts reduzierbar. Insbesondere ist in einer Zuströmleitung eine Fluid- fördereinrichtung mit verringerter Förderleistung anordbar. Unter Umständen ist ein Verbrauch des bereitzustellenden Edukts reduzierbar.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform ist in der kathodenseitigen und/oder in der anodenseitigen Zuströmleitung ein Wärmeübertrager anord- bar. Dadurch ist ein oder mehrere Edukte unter Umständen zusätzlich temperierbar, was sich insbesondere während einer Warmlaufphase der Brennstoffzelle beziehungsweise des Brennstoffzellensystems vorteilhaft auswirkt. Beispielsweise ist die Warmlaufphase verkürzbar.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform ist eine Strömung eines Fluids von der Abströmleitung zu der Zuströmleitung mittels eines Strömungsverstärkers verstärkbar. Hierdurch wird unter Umständen ein gegebenenfalls vorhandener Druckunterschied zwischen der Abströmleitung und der Zuströmleitung, der beispielsweise unter anderem durch einen Druckabfall der Brennstoffzelle hervorgerufen wird, überbrückbar.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform ist ein durch die Abströmleitung strömendes Fluid mit einem durch die mit der Abströmleitung strömungsver- bindbare Zuströmleitung strömenden Fluid stromaufwärts der Fluidfördervor- richtung und/oder stromaufwärts des Wärmeübertragers mischbar. Eine Strömungsverbindung der Abströmleitung mit einer Saugseite der Fluidför- dervorrichtung erleichtert unter Umständen eine Fluidströmung von der Abströmleitung zu der Zuströmleitung. Eine Mischung der beiden Fluide stromaufwärts des Wärmeübertragers ermöglicht unter Umständen eine genauere Temperierung des in die Brennstoffzelle eintretenden Fluidgemisches.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform ist ein durch die Abströmleitung strömendes Fluid mit einem durch die mit der Abströmleitung strömungsver- bindbare Zuströmleitung strömenden Fluid stromabwärts der Fluidfördervor- richtung und/oder stromabwärts des Wärmeübertragers mischbar. Bei- spielsweise bei einer Mischung eines kalten Fluids in der Zuströmleitung mit einem heißen Fluid in der Abströmleitung ist eine Beaufschlagung der Fluid- fördervorrichtung mit dem kalten Fluid anstelle des warmen Gemisches unter Umständen deshalb vorteilhaft, weil eine thermische Belastung der Fluidför- dervorrichtung reduzierbar ist, so daß deren Lebensdauer erhöhbar und/oder der konstruktive Aufwand für deren Herstellung verringerbar ist. Eine Beaufschlagung des Wärmeübertragers mit einem kalten Fluid anstelle eines warmen Gemisches bewirkt unter Umständen einen vergrößerten Temperaturgradienten in dem Wärmeübertrager und damit eine Anhebung dessen Wirkungsgrads.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform ist ein durch die Abströmleitung strömendes Fluid mit einem durch die mit der Abströmleitung strömungsver- bindbare Zuströmleitung strömendes Fluid innerhalb des Strömungsverstärkers oder am Strömungsverstärker mischbar. Durch eine Integration von Mi- schung und Strömungsverstärkung wird unter Umständen eine Reduzierung eines Platzbedarfs des Brennstoffzellensystems ermöglicht. Besonders vorteilhaft ist eine Ausgestaltung des Strömungsverstärkers als Coanda- Strömungsverstärker oder als Venturi-Düse.

Besonders bevorzugt ist das durch die Abströmleitung strömende Fluid nur innerhalb des Strömungsverstärkers oder am Strömungsverstärker mit dem durch die Zuströmleitung strömenden Fluid mischbar. Dadurch ist eine Einsparung von weiteren Zuströmleitungen und gegebenenfalls Fluidförderein- richtungen ermöglicht.

Gemäß einer vorteilhaften Variante ist das durch die Abströmleitung strömende Fluid nur außerhalb des Strömungsverstärkers mit dem durch die Zuströmleitung strömenden Fluid mischbar, indem der Verdichter ohne Zu- mischfunktion eines weiteren Fluids ausgebildet ist. Dadurch ist eine einzige Zuströmleitung für das betreffende Fluid ausreichend, so dass eine Einspa- rung von weiteren Zuströmleitungen und gegebenenfalls Fluidfördereinrich- tungen ermöglicht ist. Besonders vorteilhaft ist eine Ausgestaltung des Strömungsverstärkers als Axial-, Halbaxial oder Radialgebläse.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform weist der Strömungsverstärker ein Gehäuse auf, dessen Inneres durch ein in dem Gehäuse beweglich angeordnetes Druckübertragungselement, insbesondere einen Kolben, in eine Antriebskammer und eine Abtriebskammer unterteilt ist. Hierdurch wird gegebenenfalls eine Strömungsverstärkung nach einem Druckkolbenprinzip ermöglicht. Bevorzugt sind die Antriebs- und die Abtriebskammer durch ei- nen Faltenbalg gegeneinander abgedichtet.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Antriebskammer mit der kathodenseitigen beziehungsweise anodenseitigen Zuströmleitung verbunden, besonders bevorzugt über ein erstes Ventil. Die Abtriebskammer ist bevor- zugt mit der kathodenseitigen beziehungsweise anodenseitigen Abströmleitung verbunden ist, besonders bevorzugt über ein zweites Ventil. Bevorzugt ist die Abtriebskammer mit der kathodenseitigen beziehungsweise anodenseitigen Zuströmleitung verbunden ist, besonders bevorzugt über ein drittes Ventil. Darüberhinaus ist die Antriebskammer vorteilhafterweise mit einer Ausströmöffnung verbunden, bevorzugt über ein viertes Ventil. Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform enthält das durch die katho- denseitige Zuströmleitung strömende Fluid Luft. Besonders vorteilhaft ist das Fluid Luft.

Gemäß unterschiedlichen Ausgestaltungen der Erfindung ist die zumindest eine Brennstoffzelle eine Hochtemperatur-Brennstoffzelle, eine Festoxid- Brennstoffzelle oder eine Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzelle.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Schema eines Brennstoffzellensystems gemäß der vorliegenden Erfindung,

Fig. 2 eine Auftragung des Frischluftstöchiometrieäquivalents eines Abgas- Frischluft-Gemisches über dessen Mischungsverhältnis,

Fig. 3 ein Schema eines Brennstoffzellensystems aus dem Stand der Technik und

Fig. 4 ein Schema eines Brennstoffzellensystems gemäß der vorliegenden Erfindung.

Bei dem in Fig. 1 schematisch dargestellten Brennstoffzellensystem 1 wird die Tatsache ausgenutzt, daß der durch die Kathodenseite 3 einer Brennstoffzelle 2 geleitete Luftstrom zum Zwecke deren Kühlung unter üblichen Betriebsbedingungen oft größer ist als alleine für die elektrochemische Brennstoffzellenreaktion erforderlich wäre. Eine Temperierung der Kathodeneintrittsluft auf die gewünschte Eintrittstemperatur wird bei dem Brenn- stoffzellensystem 1 daher anstelle durch Aufwärmung einer großen Menge sauerstoffreicher Frischluft durch Rückführung zumindest eines Teiles des heißen Kathodenabgases und Mischung mit kalter Frischluft oder in einem Wärmeübertrager WÜ vorgewärmter Frischluft bewerkstelligt.

Die Frischluft wird mit Hilfe einer Fluidfördervorrichtung P über eine Zuström- leitung 4 einem kathodenseitigen Einlaß 5 der Brennstoffzelle zugeführt. Der Wärmeübertrager WÜ dient einer Vorwärmung der Frischluft. Beim Durchströmen der Brennstoffzelle 2 erfährt das Kathodengas eine Erwärmung, so daß heißes Abgas die Brennstoffzelle 2 über den kathodenseitigen Auslaß 6 in die Abströmleitung 7 verläßt. Die Abströmleitung 7 ist über Verbindungslei- tungen 8, 8a, 8b mit der Zuströmleitung 4 verbunden. Mit Hilfe eines Ventils 9 kann dabei das Abgas selektiv entweder durch die Verbindungsleitung 8a oder durch die Verbindungsleitung 8b oder durch beide Verbindungsleitungen 8a, 8b der Zuströmleitung 4 zugeführt werden. Ein gegebenenfalls auftretender Druckunterschied zwischen der Abströmleitung 7 und der Zuström- leitung 4, den das Kathodengas während des Durchströmens der Brennstoffzelle 2 erfährt, wird mit Hilfe eines Strömungsverstärkers S kompensiert.

Während eines Normalbetriebes des Brennstoffzellensystems 1 strömt ein Teil des Abgases über die Verbindungsleitungen 8 und 8a von der Abström- leitung 7 stromabwärts der Fluidfördervorrichtung P und des Wärmeübertragers WÜ in die Zuströmleitung 4. Dort wird das Abgas mit der Frischluft, die in dem Wärmeübertrager WÜ vorgewärmt wurde gemischt und das Gemisch mit der gewünschten Eintrittstemperatur der Brennstoffzelle 2 kathodenseitig zugeführt.

Während einer Startphase des Brennstoffzellensystems 1 strömt ein Teil des Abgases über die Verbindungsleitungen 8 und 8b von der Abströmleitung 7 stromaufwärts des Wärmeübertragers WÜ in die Zuströmleitung 4. Auf diese Weise kann das Gemisch in dem Wärmeübertrager vorgewärmt werden, wodurch unter Umständen ein schnelleres Aufheizen der Brennstoffzelle 2 und damit eine Verkürzung der Startphase des Brennstoffzellensystems 1 ermöglicht wird.

Durch die Beimischung von Abgas zur Frischluft wird eine Verringerung des von der Fluidfördervorrichtung P bereitzustellenden Luftvolumenstroms erreicht. Unter Umständen wird dadurch eine Fluidfördervorrichtung mit geringerem Herstellaufwand verwendbar. Desweiteren ist auch die erforderliche Wärmeleistung des Wärmeübertragers WÜ reduziert, so daß unter Umständen ein Wärmeübertrager mit geringerem Herstellaufwand, geringerem Platzbedarf, geringerem Strömungsdruckverlust und/oder geringerem Energiebedarf verwendbar ist. Unter Umständen kann sogar ein Wärmeübertrager eingespart werden. Hierdurch wird unter Umständen die Menge der durch Abdampfung in die Zelle eingetragenen Chromverbindungen beziehungsweise des eingetragenen Chroms reduziert.

Besonders bevorzugt wird die Frischluft in dem Wärmeübertrager WÜ nur bis zu einem Temperaturniveau vorgewärmt, bei dem das - stark temperaturabhängige - Abdampfen von Chrom bzw. Chromverbindungen aus Wandungen von chromhaltigen Bauteilen, die mit dem Frischluftstrom in Kontakt kommen, noch tolerierbar ist. Vorteilhafterweise beträgt deshalb die Lufttemperatur in dem Wärmeübertrager WÜ nicht mehr als 400°C, besonders vorteilhaft nicht mehr als 250°C. Die Abgastemperatur am kathodenseitigen Auslaß beträgt dabei insbesondere 850°C, wobei dann vorteilhafterweise Frischluft mit 25°C verwendet wird.

In Fig. 2 ist das Frischluftstöchiometrieäquivalent λ eines Abgas-Frischluft- Gemisches über dessen Mischungsverhältnis v aufgetragen. Das Mischungsverhältnis ist dabei durch den Quotienten aus beigemischter Abgasmenge und Gesamtmenge (des Gemisches) und das Frischluftstöchio- metrieäquivalent durch das Verhältnis der im Gemisch enthaltenen Sauerstoffmenge zu der für die Brennstoffzellenreaktion benötigten Sauerstoff- menge definiert. Dies bedeutet, daß beispielsweise bei einem Frischluftstö- chiometrieäquivalent kleiner 1 die Brennstoffzelle nicht optimal betreibbar ist.

Für eine gegebene Frischluftstöchiometrie (abzulesen am Schnittpunkt der zugehörigen Kurve mit der Ordinate, das heißt v = 0) fällt das Frischluftstö- chiometrieäquivalent λ mit steigendem Mischungsverhältnis v erst langsam, dann immer steiler ab und fällt bei v = 1 - 1/λ unter λ = 1. Aus Fig. 2 läßt sich gemäß der vorliegenden Erfindung schließen, daß - bei einer Frischluftstöchiometrie größer als 5 - das Frischluftstöchiometrieäquivalent für 0 < v < 0,8 nahezu konstant ist und deshalb selbst bei einem großen Abgasanteil von über 80% am Gemisch gewährleistet ist, daß der Brennstoffzelle genügend Sauerstoff zugeführt wird. Als vorteilhaft hat sich eine Frischluftstöchiometrie zwischen 1,1 und 9 und ein Mischungsverhältnis von 0,1 bis 0,9 herausgestellt.

Nicht nur für das hier beschriebene Ausführungsbeispiel ist ein Mischungsverhältnis zwischen 0,5 und 0,9, insbesondere von 0,6 bis 0,8 besonders vorteilhaft. Ein größeres Mischungsverhältnis bringt grundsätzlich eine effektivere Temperierung des der Brennstoffzelle zuzuführenden Fluids mit sich.

Die in Fig. 2 aufgetragenen Werte des Frischluftstöchiometrieäquivalents gelten für einen Gleichgewichtszustand, der sich bei konstantem Betrieb des Brennstoffzellensystems einstellt (Der Sauerstoffanteil des beispielsweise kathodenseitig in dem Brennstoffzellensystem zirkulierenden Fluids nimmt beispielsweise während einer Startphase nach und nach bis auf den dargestellten Wert, der sich aus der ständig zudosierten Frischluftmenge ergibt, ab). Unter Umständen ist es vorteilhaft, das zirkulierende Fluid in gewissen Abständen auszutauschen, um zumindest zeitweise ein höheres Sauerstoffniveau und gegebenenfalls günstigere elektrochemische Konzentrationsbe- dingungen. Ein solcher Austausch wird beispielsweise durch ein Schließen des Ventils 9 in Fig. 1 bewerkstelligt. Fig. 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel für ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem 20 mit einem Brennstoffzellenstapel 25, einer kathodenseitigen Zuströmleitung 29, einer kathodenseitigen Abströmleitung 30 und einer ka- thodenseitigen Rückführleitung 31. In der Zuströmleitung 29 ist ein Zuströmventil 22, in der Abströmleitung 30 ein Abströmventil 28 angeordnet.

In der Rückführleitung 31 ist ein Strömungsverstärker 32 mit einem Gehäuse 33, einer Antriebskammer 34 und einer Abtriebskammer 24 angeordnet. Das Gehäuse 33 nimmt in seinem Inneren ein beispielsweise als Kolben 35 ausgebildetes Druckübertragungselement auf, das die Antriebskammer 34 und die Abtriebskammer 24 insbesondere zusammen mit einem Faltenbalg 37 voneinander trennt.

Die Antriebskammer 34 ist über ein erstes Ventil 21 mit der Zuströmleitung 29 verbunden. Die Abtriebskammer 24 ist über ein zweites Ventil 23 mit der Abströmleitung 30 und über ein drittes Ventil 27 mit der Zuströmleitung 29 verbunden. Darüberhinaus ist die Antriebskammer 34 des Strömungsverstärkers 32 über ein viertes Ventil 26 mit einer Ausströmöffnung 36 verbun- den.

In einem ersten Betriebszustand sind die Ventile 21 , 27 und 28 geschlossen, die Ventile 22, 23 und 26 dagegen geöffnet. Von der Pumpe P gefördertes Fluid strömt in den Brennstoffzellenstapel 25, von dem Brennstoffzellensta- pel abströmendes Fluid wird in der Antriebskammer 24 gesammelt, wobei in der Antriebskammer 34 befindliches Fluid gegebenenfalls durch die Ausströmöffnung 36 entweicht. Der Faltenbalg 37 zieht sich gegebenenfalls zusammen, während sich der Kolben 35 in Fig. 4 nach oben bewegt. In dem ersten Betriebszustand wird der Brennstoffzellenstapel also von der Pumpe P versorgt, der Strömungsverstärker 32 wird „aufgeladen". ln einem zweiten Betriebszustand sind die Ventile 21, 27 und 28 geöffnet, die Ventile 22, 23 und 26 dagegen geschlossen. Von der Pumpe P gefördertes Fluid strömt über das erste Ventil 21 in die Antriebskammer 34, so dass der Kolben nach unten bewegt wird. In der Antriebskammer 24 gesammeltes Fluid wird über das dritte Ventil 27 dem Brennstoffzellenstapel 25 zugeführt. Von dem Brennstoffzellenstapel 25 abströmendes Fluid entweicht über das Abströmventil 28. In dem zweiten Betriebszustand wird der Brennstoffzellenstapel also von dem Strömungsverstärker 32 versorgt, der von der Pumpe P angetrieben wird, so daß keine weitere Fluidfördervorrichtung erforderlich ist.

Durch Einsatz eines weiteren Strömungsverstärkers mit ähnlichem oder gleichem Aufbau ist grundsätzlich das über die Ausströmöffnung 36 abgelassene Fluid wieder verwendbar, indem es in einer Antriebskammer des weiteren Strömungsverstärkers aufgefangen und im Betrieb zwischen den Antriebs- kammern hin- und hergefördert wird. Die Ausströmöffnung 36 und das vierte Ventil 26 können dann gegebenenfalls entfallen.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e

1. Brennstoffzellensystem, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, mit zumindest einer Brennstoffzelle, die einen kathodenseitigen und einen anodenseitigen Einlaß sowie zumindest einen Auslaß aufweist, mit ei- ner mit dem kathodenseitigen Einlaß verbindbaren kathodenseitigen Zuströmleitung, mit einer mit dem anodenseitigen Einlaß verbindbaren anodenseitigen Zuströmleitung, mit zumindest einer mit einem Auslaß verbindbaren Abströmleitung, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest eine Abströmleitung mit der kathodenseitigen und/oder der ano- denseitigen Zuströmleitung strömungsverbindbar ist, insbesondere über eine Rückführleitung.

2. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die mit einer Zuströmleitung strömungsverbindbare Abströmlei- tung eine kathodenseitige Abströmleitung ist.

3. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die mit einer Zuströmleitung strömungsverbindbare Abströmleitung eine anodenseitige Abströmleitung ist.

4. Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in der kathodenseitigen und/oder in der anodenseitigen Zuströmleitung eine Fluidfördervorrichtung anordbar ist.

5. Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in der kathodenseitigen und/oder in der anodenseitigen Zuströmleitung ein Wärmeübertrager anordbar ist.

6. Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Strömung eines Fluids von der Abströmleitung zu der Zuströmleitung mittels eines Strömungsverstärkers verstärkbar ist.

7. Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein durch die Abströmleitung strömendes Fluid und ein durch die mit der Abströmleitung strömungsverbindbare Zuströmleitung strömendes Fluid stromaufwärts der Fluidförder- Vorrichtung und/oder stromaufwärts des Wärmeübertragers miteinander mischbar sind.

8. Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein durch die Abströmleitung strömen- des Fluid und ein durch die mit der Abströmleitung strömungsverbindbare Zuströmleitung strömendes Fluid stromabwärts der Fluidfördervorrichtung und/oder stromabwärts des Wärmeübertragers miteinander mischbar sind.

9. Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein durch die Abströmleitung strömendes Fluid und ein durch die mit der Abströmleitung strömungsverbindbare Zuströmleitung strömendes Fluid innerhalb des Strömungsverstärkers oder am Strömungsverstärker miteinander mischbar sind.

10. Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein durch die Abströmleitung strömendes Fluid und ein durch die mit der Abströmleitung strömungsverbindbare Zuströmleitung strömendes Fluid nur innerhalb des Strömungs- Verstärkers oder am Strömungsverstärker miteinander mischbar sind.

11. Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Strömungsverstärker als Coanda- Strömungsverstärker ausgebildet ist.

12. Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Strömungsverstärker als Venturi- Düse ausgebildet ist.

13. Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Strömungsverstärker als Verdichter ohne Zumischfunktion eines weiteren Fluids ausgebildet ist.

14. Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Strömungsverstärker als Verdichter, insbesondere als Axial-, Halbaxial- oder Radialgebläse ausgebildet ist.

15. Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Strömungsverstärker ein Gehäuse aufweist, dessen Inneres durch ein in dem Gehäuse beweglich angeordnetes Druckübertragungselement in eine Antriebskammer und eine Abtriebskammer unterteilt ist.

16. Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Druckübertragungselement als Kolben ausgebildet ist.

17. Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebs- und die Abtriebskammer durch einen Faltenbalg gegeneinander abgedichtet sind.

18. Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebskammer mit der kathodenseitigen beziehungsweise anodenseitigen Zuströmleitung verbunden ist, insbesondere über ein erstes Ventil.

19. Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtriebskammer mit der kathodenseitigen beziehungsweise anodenseitigen Abströmleitung verbunden ist, insbesondere über ein zweites Ventil.

20. Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtriebskammer mit der kathodenseitigen beziehungsweise anodenseitigen Zuströmleitung verbunden ist, insbesondere über ein drittes Ventil.

21. Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebskammer mit einer Ausströmöffnung verbunden ist, insbesondere über ein viertes Ventil.

22. Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das durch die kathodenseitige Zuströmleitung strömende Fluid Luft enthält, insbesondere Luft ist.

23. Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zumindest eine Brennstoffzelle eine Hochtemperatur-Brennstoffzelle, insbesondere eine Festoxid- Brennstoffzelle ist.

24. Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zumindest eine Brennstoffzelle eine Polymerelektrolytmembran aufweist.