WO2006072291A2 - Brennstoffzellensystem mit wenigstens einer brennstoffzelle - Google Patents

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Definitions

  • Fuel cell system with at least one fuel cell
  • the invention relates to a fuel cell system having at least one fuel cell, which has a cathode region and an anode region, wherein the cathode region and the anode region each have Zuströru ein and discharge lines.
  • a similar structure is also known from DE 100 24 570 Al.
  • the exhaust gases from the catalytic Further, combustion is supplied to an expansion machine to still use the residual energy contained therein.
  • a structure of the anode is described herein, in which the active area of the anode decreases in the flow direction of the fuel in at least one stage, so that the fuel is used to a higher proportion in the fuel cell.
  • a comparable approach of such a cascading in the construction of the anode is also evident from DE 197 21 181 Al.
  • the object of the invention is now to further simplify a fuel cell system having at least one fuel cell, which has a cathode region and an anode region, in such a way that the structure becomes more compact, simpler and less expensive with the best possible energy balance.
  • the fuel cell system according to the invention achieves a comparatively large amount of water in the cathode region in or. to hold at the PEM. Together with the humidified according to the invention fuel can thus be dispensed with a humidification of the oxidizing agent, typically air.
  • the humidifying device for the fuel may be formed very small unit, which is more compact and less expensive than it would be a humidifying device for the cathode air.
  • such a small humidifying device can be better accommodated in a tightly packed system, particularly necessary for powering and driving purposes in vehicles. This effect is further supported by the fact that the fuel, for. B.
  • the fuel cell system according to the invention can thus be constructed in a very simple, efficient, compact and cost-optimized manner.
  • the area with the catalytically active material is in fluid communication with a turbomachine.
  • the active area of the anode area is reduced from the inflow line in the direction of the outflow line.
  • the moistening device has inflow openings and outflow openings for two material streams which are separated by a membrane which is essentially permeable only to water or water vapor.
  • a membrane which is essentially permeable only to water or water vapor.
  • Such membranes which only water, typically in the form of water vapor, read through and the passage of hydrogen, oxygen, nitrogen, carbon dioxide, etc. prevent z. B. known from the above-mentioned WO 01/11216. They may be formed as flat membranes, hollow fibers or the like.
  • Adsorption humidifiers in which by two alternately flowed with Ab- or.
  • Adsorber spaces provided alternately to be humidified and the moisture-supplying gas stream flows, or humidifiers in which the gas flows through liquid water, make the membrane humidifier is a very compact, circuitry simple and efficient variant of humidification.
  • the moistening device is arranged so that it can be traversed on the one hand by the already existing moist exhaust gas from the cathode region and on the other hand by the fuel to be humidified.
  • the exhaust gas from the cathode region then first flows through the moistening device before it reaches the region containing the catalytically active material.
  • Fig. 1 is a schematic representation of a first
  • FIG. 2 is a schematic representation of a possible fuel cell system
  • FIG. 3 is a schematic representation of the anode-side
  • FIG. 4 is a schematic representation of an alternative
  • a fuel cell system 1 is shown schematically. This includes a fuel cell 2, which here as PEM fuel cell stack or. Stack should be composed of several individual cells.
  • the fuel cell 2 comprises a cathode region 3 and an anode region 4, which are separated from one another by a PEM 5. Both the cathode region 3 and the anode region 4 each have an inflow line 31, 41 as well as an outflow line 32, 42.
  • the anode region 4 is supplied during operation of the fuel cell by the inflow line 41, a fuel, for. B. almost pure hydrogen.
  • this fuel comes from a fuel source 6, z. B. a hydrogen pressure tank.
  • suitable valve devices 7 and pressure reducing devices 8 By means of suitable valve devices 7 and pressure reducing devices 8, the volume flow and the pressure of the fuel reaching the anode region 4 are set.
  • the cathode region 3 is supplied by means of a conveyor 9 through its inflow 31 air as the oxidant. This air comes from the environment of the fuel cell system 1 and is typically sucked by the conveyor 9 via an air filter 10 and possibly a Schalldämpf Rhein (not shown).
  • a heat exchanger 11 may be provided as a charge air cooler between the conveyor 9 and the cathode area 3 in a meaningful manner.
  • the air is then reacted together with the fuel in a conventional manner and conventional manner for generating electrical power.
  • the exhaust gases of this reaction leave the cathode or. Anode region 3, 4 through the respective discharge lines 32, 42.
  • the exhaust gases are then mixed together in the region of a merge 12 and fed to a region 13 with a catalytically active material, at which the residues of the fuel react with the residues of the oxidizing agent.
  • a catalytically active material at which the residues of the fuel react with the residues of the oxidizing agent.
  • hot exhaust gases are produced during this reaction. These hot exhaust gases are passed to the catalyst 13 in a turbomachine 14 and relaxed there.
  • the mechanical energy thus obtained from the hot exhaust gas is supplied to either a generator 15 and / or the conveyor 9. It is particularly favorable when the unit of turbomachine or.
  • Expander 14, conveyor 9 and generator resp. electric machine 15 is designed as an electric turbocharger so that depending on how much energy the expander 14 delivers the conveyor 9 operate either alone by the expander or by the electric machine 15 is supported in the engine operation. If the expander delivers more energy than the conveyor 9 requires, it can also be obtained by means of the electric machine 15 in the generator mode directly electrical energy.
  • anode region 4 and catalyst 13 through which the fuel flows has the positive effect that no unburnt fuel reaches the environment.
  • catalyst 13 with downstream flow machine 14 such a high exhaust gas temperature that no liquid water exits the system. This is very favorable, especially in mobile applications, since liquid water is not released either into the components of the exhaust gas system or into the environment. This could namely lead to safety problems in the road, because it is z. B. freeze and / or can damage the road surfaces.
  • the supplied fuel is moistened in a moistening device 16.
  • the moistening device 16 is designed as a membrane moistener.
  • the moistening device 16 has a schematically indicated membrane 17 and in each case two inflow openings 161, 163 and two outflow openings 162, 164.
  • the membrane 17 is made of a substantially only for water or. Water vapor permeable material formed. Such materials, such as. B. hydrophilic membranes or the like, are known in principle from the aforementioned WO 01/11216 A2.
  • the fuel now flows from the Fuel source 6 through the inflow opening 161 in the moistening device 16. There it flows along the membrane 17 and leaves the moistening device 16 through the discharge port 162 again to flow into the anode region 4 of the fuel cell.
  • moist exhaust gas flows out of the cathode area through the inflow openings 163 into the moistening device 16.
  • the moist exhaust gas gives water or. Water vapor through the membrane 17 to the fuel from and moistened so before it passes through the discharge opening 164 to the merge 12.
  • the moistening device 16 described here can be made much smaller and more compact for the fuel.
  • the interconnection of the moistening device 16 in such a way that the effluent exhaust gas used as the moisture supplier of the cathode region 3 enters the catalyst 13 is particularly favorable.
  • hydrogen as a fuel by the substantially only for water or. Namely, a certain proportion of the fuel (up to 5% of the same) will also diffuse to the other side of the membrane, permeable to water vapor.
  • hydrogen always gets at least in a small amount in the dehumidified exhaust gas from the cathode region 3. Since this j edoch but after the moistening device 16 is fed to the catalyst 13, there also this fuel can be implemented, so that its energy content is used and it is ensured that no unburned fuel reaches the environment.
  • the cathode region 3 is formed so that the inflow of air as an oxidant to the cathode region 3 in j e single cell at several different locations he follows .
  • a so-called flow field for the distribution of air over the cathode-side surface of the PEM 5 exemplified.
  • each of the gas guide channels 19, after a certain run length, has a further fluidic connection 20 between the gas guide channel 19 and the inflow line 31, through which fresh unconsumed oxidizing agent can pass into the gas guide channels 19.
  • the inflow of the air as an oxidizing agent to the cathode region 3 thus takes place as in each of the gas guide channels 19 at at least two different locations. This reduces the volume flow at each of the inflow points and thus reduces the risk of punctual dehydration of the PEM 5 that exists in the respective inflow region of the oxidizing agent. Ultimately, this means that water can be kept in the PEM 5 range. Further such structures result from the applications already mentioned above DE 100 55 253 B4, DE 103 46 594 and DE 10 2004 058 117 of the Applicant.
  • the fuel cell 2 can be operated safely and reliably.
  • other hitherto conventional measures for moistening by the combination of moistening device 16 for the fuel and appropriately designed oxidant distributor structure 18 has become unnecessary.
  • connection of the anode region 4 with the inflow and outflow line 41, 42 for the fuel is much simpler, more compact and therefore cheaper and more efficient than, for example, a so-called anode circuit (anode loop), in which the fuel is supplied in excess and with elaborate blowers is pumped via a return line from the discharge line 42 into the inflow line 41.
  • anode circuit anode loop
  • a certain amount of fuel will always reach the catalyst 13 without being consumed from the fuel cell 2. Since the energy yield in the fuel cell 2 is typically higher than in the structure of catalyst 13 and Turbomachine 14, the goal must be to keep this amount as low as possible.
  • a cascading of the anode region 4 is realized in the fuel cell system 1.
  • Such a construction is shown schematically in FIG. 3 indicated.
  • individual coextensive sections 43, 44, 45, 46, 47, 48 of the anode region 4 are arranged so that the fuel, coming from the inflow line 41, first flows parallel to a first number of sections 43, 44, 45. Thereafter, it also flows parallel through a further smaller number of sections 46, 47 and possibly even a further smaller number of sections 48.
  • FIG. 4 An alternative embodiment of the fuel cell system 1 is shown in FIG. 4 shown. This differs from the described embodiment only in that the heat exchanger 11 derived heat is also supplied to the turbomachine 14 with.
  • the exhaust gas flow is used prior to its entry into the catalyst 13 for cooling the compressed air in the heat exchanger 11. This allows higher temperatures of the exhaust gas to be achieved after the catalyst 13, which allow a higher energy yield of the turbomachine.
  • the significantly larger exhaust gas flow from the cathode area 3 is used in its volume. All other configurations and advantages are analogous to those already shown in FIG. 1 described fuel cell system 1 given.

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Abstract

Es wird ein Brennstoff zellensystem (1) mit wenigstens einer Brennstoffzelle (2) , welche einen Kathodenbereich (3) und einen Anodenbereich (4) aufweist, beschrieben. Dabei weisen der Kathodenbereich (3) und der Anodenbereich (4) jeweils Zuströmleitungen (31,41) und Abströmleitungen (32,42) auf . Ferner ist eine Zusammenführung (12) der Abströmleitungen (32,42) nach dem Anodenbereich (4) und dem Kathodenbereich (3) ausgebildet. Diese Zusammenführung (12) steht in fluidischer Verbindung mit einem Bereich (13) , welcher ein hinsichtlich einer Reaktion eines Brennstoffs für die Brennstoffzelle (2) mit einem Oxidationsmittel für die Brennstoffzelle (2) katalytisch aktives Material aufweist. Die Zuströmleitung (31) zu dem Kathodenbereich (3) ist so ausgebildet, dass diese in jeder der Brennstoffzellen (2) an wenigstens zwei verschiedenen Stellen (19,20) in fluidischer Verbindung mit dem Kathodenbereiσh (3) steht. Außerdem ist in der Zuströmleitung (41) zu dem Anodenbereich (4) eine Befeuchtungsvorrichtung (16) angeordnet.

Description

Brennstoffzellensystem mit wenigstens einer Brennstoffzelle
Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem mit wenigstens einer Brennstoffzelle, welche einen Kathodenbereich und einen Anodenbereich aufweist, wobei der Kathodenbereich und der Anodenbereich jeweils Zuströruleitungen und Abströmleitungen aufweisen .
Aus der US 6, 124 , 054 ist ein Brennstoffzellensystem bekannt, bei dem die aus dem Bereich der Anode und der Kathode austretenden Abgase zusammengeführt und einer katalytischen Umsetzung zugeführt werden . Die zentrale Problematik der Befeuchtung wird dabei nur in der hierin referenzierten US 5, 503 , 944 Al näher beschreiben . Dieser entsprechend erfolgt die Befeuchtung aus einem Reinstwasser (kühl) kreislauf durch die porös ausgebildeten Kathodenströmungsfelder hindurch . Die Zufuhr der Gase erfolgt dabei also trocken . Ein derartiger Reinstwasserkreislauf ist jedoch kaum gegen Frost zu schützen und daher mit erheblichen Nachteilen hinsichtlich seiner Tauglichkeit bei Temperaturen unter dem Gefrierpunkt verbunden . Bei mobilen Anwendungen wie z . B . in Fahrzeugen, ist eine derartige Befeuchtung somit sicherlich nicht denkbar .
Ein ähnlicher Aufbau ist auch aus der DE 100 24 570 Al bekannt . Hierbei werden die Abgase aus der katalytischen Verbrennung ferner einer Expansionsmaschine zugeführt, um die in ihnen enthaltene Restenergie noch zu nutzen . Ferner ist hierin ein Aufbau der Anode beschrieben, bei dem die aktive Fläche der Anode in Strömungsrichtung des Brennstoffes in zumindest einer Stufe abnimmt, so dass der Brennstoff zu einem höheren Anteil in der Brennstoffzelle genutzt wird . Ein vergleichbarer Ansatz einer derartigen Kaskadierung beim Aufbau der Anode ergibt sich auch aus der DE 197 21 181 Al .
In keiner der beiden zuletzt genannten genannten Schriften wird dabei die Problematik der Befeuchtung berücksichtigt, welche j edoch für den Betrieb einer PEM-Brennstoffzelle essentiell ist . Wird nämlich einer PEM-Brennstoffzelle ein Gasstrom zugeführt, welcher nicht befeuchtet ist, welcher also Wasser aus der PEM (protonenleitende Membran bzw . Polymer Elektrolytmembran) aufnehmen kann, so trocknet er die PEM aus . Diese wird dadurch nachhaltig geschädigt .
Aus der WO 01/11216 A2 ist daher die Befeuchtung der Gasströme mittel Membranbefeuchtungseinrichtungen bekannt . Diese sind j edoch, insbesondere für Luft als Oxidations- mittelstrom, wegen des vergleichsweise großen - auch inerte Anteile aufweisenden - zu befeuchtenden Volumens, sehr groß und aufwändig . Für kostengünstige kompakte Brennstoffzellen- systeme, wie sie z . B . für Energieversorgungs- und Antriebszwecke in Fahrzeugen notwendig sind, stellt dies einen erheblichen Nachteil dar .
Ferner sind aus der DE 100 55 253 B4 sowie den nicht vorveröffentlichten Anmeldungen DE 103 46 594 und DE 10 2004 058 117 der Anmelderin Aufbauten für die Kathode bekannt, bei denen durch geeignete Strömungsführung des Oxidationsmittels der Aufwand zu dessen Befeuchtung reduziert werden kann . Diese auch als „Inj ection Flow Field" bezeichneten Aufbauten der Oxidationsmittelverteilerstruktυren sehen es dabei vor, dass die Zuströmung des Oxidationsmittels zu der Kathode in j eder der Brennstoffzellen an wenigstens zwei verschiedenen Stellen erfolgt . Damit wird der Volumenstrom an j eder der Einströmstellen verringert und somit die im j eweiligen Einströmbereich des Oxidationsmittels bestehende Gefahr der punktuellen Austrocknung der PEM reduziert . Letztendlich kann damit also Wasser im Bereich der Kathode gehalten werden, so dass die Anforderungen an die Befeuchtung reduziert sind .
Die Aufgabe der Erfindung ist es nun, ein Brennstoffzellen- system mit wenigstens einer Brennstoffzelle, welche einen Kathodenbereich und einen Anodenbereich aufweist, dahingehend weiter zu vereinfachen, dass der Aufbau bei möglichst guter Energiebilanz kompakter, einfacher und kostengünstiger wird .
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst .
Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem schafft es durch die Verwendung der oben beschriebenen Inj ection Flow Fields eine vergleichsweise große Menge an Wasser im Kathodenbereich in bzw . bei der PEM zu halten . Zusammen mit dem gemäß der Erfindung befeuchteten Brennstoff kann so auf eine Befeuchtung des Oxidationsmittels , typischerweise Luft, gänzlich verzichtet werden . Die Befeuchtungsvorrichtung für den Brennstoff kann dabei sehr kleine Einheit ausgebildet sein, welche kompakter und kostengünstiger ist, als es eine Befeuchtungsvorrichtung für die Kathodenluft wäre . Außerdem kann eine solch kleine Befeuchtungsvorrichtung besser in einem auf engem Raum zusammengepackten System untergebracht werden, wie es insbesondere für Energieversorgungs- und Antriebszwecke in Fahrzeugen notwendig ist . Dieser Effekt wird ferner dadurch unterstützt, dass der Brennstoff, z . B . nahezu reiner Wasserstoff aus einem Speicher als Wasserstoffquelle, nicht wie häufig üblich in einem Anodenkreislauf geführt wird, sondern das nicht umgesetzte Reste des Brennstoffes den Anodenbereich unmittelbar verlassen . Diese Reste werden dann zusammen mit den Resten des Oxidationsmittels aus dem Kathodenbereich, z . B . an Sauerstoff abgereicherte Luft, einem Bereich mit dem katalytisch aktiven Material zugeführt . Dadurch wird einerseits vermieden, dass nicht umgesetzter Wasserstoff aus dem System in die Umgebung gelangt, andererseits wird die im Abgas enthaltene Restenergie zumindest thermisch genutzt . Gegenüber einem Anodenkreislauf wird dadurch der Volumenstrom des Brennstoffs deutlich reduziert . Dies ist wiederum mit der sehr vorteilhaften Reduktion der benötigten Größe der Befeuchtungsvorrichtung verbunden .
Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem kann somit sehr einfach, effizient, kompakt und kostenoptimiert aufgebaut werden .
Gemäß einer sehr vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems ist es vorgesehen, dass der Bereich mit dem katalytisch aktiven Material in fluidischer Verbindung mit einer Strömungsmaschine steht .
Typischerweise kommt es in dem Bereich mit dem katalytisch aktiven Material zu einer katalytischen Verbrennung der Reste des Brennstoffs mit den Resten des Oxidationsmittels . Dabei entsteht thermische Energie, welche primär in Form von heißen Abgasen vorliegend wird. Diese heißen Abgase lassen sich nun in der Strömungsmaschine entspannen . Die so gewonnene mechanische Energie kann entweder direkt z . B . zum zumindest unterstützenden Antrieb einer Fördereinrichtung für das Oxidationsmittels und/oder indirekt zur Gewinnung von elektrischer Energie mittels eines Generators genutzt werden .
In einer besonders günstigen Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass sich die aktive Fläche des Anodenbereichs von der Zuströmleitung in Richtung der Abströmleitung verringert .
Diese stetige oder in Stufen erfolgende Verringerung bzw . Kaskadierung der Anodenfläche in Strömungsrichtung des Brennstoffs bewirkt, dass für das (noch) vorhandene Brennstoffvolumen j e Volumenanteil im Anodenbereich immer die selbe aktive Fläche (Membran, Elektrokatalysator, Elektrode) zur Verfügung steht . Der eingesetzte Brennstoff kann so bei einem hinsichtlich Größen bzw . Fläche minimierten Anodenbereich dennoch weitgehend umgesetzt werden .
Typischerweise sind bei 2 bis 4 Stufen der Kaskadierung nicht umgesetzte Reste des Brennstoffs in der Größenordnung von weniger als 5% des ursprünglichen Brennstoffvolumens realistisch . Bei einem derart optimierten Volumenstrom des Brennstoffs reicht dann eine Befeuchtungsvorrichtung für den Brennstoff in der oben genannten Art aus , welche um den Faktor zehn kleiner ist als es eine luftseitige Befeuchtungsvorrichtung wäre .
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems kann es ferner vorgesehen sein, dass die Befeuchtungsvorrichtung Zuströmöffnungen und Abströmöffnungen für zwei durch eine im wesentlichen nur für Wasser oder Wasserdampf durchlässige Membran getrennte Stoffströme aufweist . Derartige Membranen, welche nur Wasser, typischerweise in Form von Wasserdampf, hindurch lasen und den Durchtritt von Wasserstoff, Sauerstoff, Stickstoff, Kohlendioxid usw . verhindern, sind z . B . aus der oben genanten WO 01/11216 bekannt . Sie können als Flachmembranen, Hohlfasern oder dergleichen ausgebildet sein .
Neben auch denkbaren zyklischen Ab- bzw . Adsorbtionsbe- feuchtern, bei denen durch zwei wechselweise durchströmte mit Ab- bzw . Adsorbern versehene Räume abwechselnd der zu befeuchtende und der die Feuchte liefernde Gasstroms strömt, oder Befeuchtern, bei denen das Gas durch flüssiges Wasser strömt, stellen die Membranbefeuchter eine sehr kompakte , verschaltungstechnisch einfache und effiziente Variante an Befeuchtungsvorrichtungen dar .
In einer günstigen Weiterbildung hiervon kann es vorgesehen sein, dass die Befeuchtungsvorrichtung so angeordnet ist, dass diese einerseits von dem ohnehin vorhandenen feuchten Abgas aus dem Kathodenbereich und andererseits von dem zu befeuchtenden Brennstoff durchströmt werden kann . Dabei strömt das Abgas aus dem Kathodenbereich dann zuerst durch die Befeuchtungsvorrichtung, ehe es in den Bereich mit dem katalytisch aktiven Material gelangt .
Dies hat den Vorteil , dass eine evtl . Undichtheit der Membran gegenüber dem Brennstoff, und bei Wasserstoff sind aufgrund der kleinen Molekühlgrößen geringe Leckageraten sicherlich nicht ganz auszuschließen, unkritisch ist, da der zur Luftseite hindurchdiffundierende Brennstoff anschließend noch dem Bereich mit dem katalytisch aktiven Material zugeführt und dort mit umgesetzt wird. Der Brennstoff gelangt also weder an die Umgebung, noch bleibt sein Energieinhalt ungenutzt . Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich ferner aus den weiteren abhängigen Ansprüchen und aus den nachfolgend anhand der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen .
Dabei zeigen :
Fig . 1 eine schematische Darstellung einer ersten
Ausführungsform des erfindungsgemäßen
BrennstoffZeilensystems ; Fig . 2 eine schematische Darstellung einer möglichen
Ausgestaltung einer Oxidationsmittelverteiler- struktur in den einzelnen Zellen der
Brennstoffzelle ; Fig . 3 eine schematische Darstellung der anodenseitigen
Verschaltung der Brennstoffzelle ; und Fig . 4 eine schematische Darstellung einer alternativen
Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Brennstoffzellensystems .
In Fig . 1 ist ein Brennstoffzellensystem 1 schematisch dargestellt . Dieses umfasst eine Brennstoffzelle 2 , welche hier als PEM-Brennstoffzellenstapel bzw . -Stack aus mehreren Einzelzellen zusammengefügt sein soll . Die Brennstoffzelle 2 umfasst einen Kathodenbereich 3 und einem Anodenbereich 4 , welche durch eine PEM 5 voneinander getrennt sind . Sowohl der Kathodenbereich 3 als auch der Anodenbereich 4 weisen j eweils eine Zuströmleitung 31 , 41 als auch eine Abströmleitung 32 , 42 auf .
Dem Anodenbereich 4 wird während des Betriebs der Brennstoffzelle durch die Zuströmleitung 41 ein Brennstoff zugeführt, z . B . nahezu reiner Wasserstoff . In dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel stammt dieser Brennstoff aus einer Brennstoffquelle 6 , z . B . einen Wasserstoffdrύck- tank . Über geeignete Ventileinrichtungen 7 und Druckreduktionseinrichtungen 8 werden der Volumenstrom und der Druck des zum Anodenbereich 4 gelangenden Brennstoffs eingestellt . Dem Kathodenbereich 3 wird mittels einer Fördereinrichtung 9 durch seine Zuströmleitung 31 Luft als Oxidationsmittel zugeführt . Diese Luft stammt aus der Umgebung des Brennstoffzellensystems 1 und wird typischerweise über einen Luftfilter 10 sowie gegebenenfalls eine Schalldämpfeinrichtung (nicht dargestellt) von der Fördereinrichtung 9 angesaugt . Zwischen der Fördereinrichtung 9 und dem Kathodenbereich 3 kann in sinnvoller Weise außerdem ein Wärmetauscher 11 als Ladekluftkühler vorgesehen sein .
In der Brennstoffzelle 2 wird dann die Luft zusammen mit dem Brennstoff in an sich bekannter und üblicher Art und Weise zur Erzeugung von elektrischer Leistung umgesetzt . Die Abgase dieser Umsetzung verlassen den Kathoden- bzw . Anodenbereich 3, 4 durch die j eweiligen Abströmleitungen 32 , 42. Die Abgase werden dann im Bereich einer Zusammenführung 12 miteinander vermischt und einem Bereich 13 mit einem katalytisch aktiven Material zugeführt, an welchem die Reste des Brennstoffes mit den Resten des Oxidationsmittel abreagieren . In dem nachfolgend kurz als Katalysator bezeichneten Bereich 13 entstehen dabei heiße Abgase dieser Umsetzung . Diese heißen Abgase werden nach dem Katalysator 13 in eine Strömungsmaschine 14 geleitet und dort entspannt . Die so aus dem heißen Abgas gewonnene mechanische Energie wird entweder einem Generator 15 und/oder der Fördereinrichtung 9 zugeführt . Besonders günstig ist es dabei, wenn die Einheit aus Strömungsmaschine bzw . Expander 14 , Fördereinerichtung 9 und Generator bzw . elektrischer Maschine 15 als elektrischer Turbolader so ausgebildet ist, dass j e nachdem wie viel Energie der Expander 14 liefert die Fördereinrichtung 9 entweder alleine durch den Expander betreiben oder durch die elektrische Maschine 15 im motorischen Betrieb unterstützt wird. Wenn der Expander mehr Energie liefert als die Fördereinrichtung 9 benötigt, so kann mittels der elektrischen Maschine 15 im generatorischen Betrieb außerdem unmittelbar elektrische Energie gewonnen werden .
Außerdem hat die Kombination aus von dem Brennstoff durch- strömtem Anodenbereich 4 und Katalysator 13 den positiven Effekt, dass kein unverbrannter Brennstoff an die Umgebung gelangt . Ferner kann durch die Umsetzung in Katalysator 13 mit nach geschalteter Strömungsmaschine 14 eine so hohe Abgastemperatur erreicht werden, dass kein flüssiges Wasser aus den System austritt . Dies ist insbesondere bei mobilen Anwendungen sehr günstig, da weder in die Bauteile des Abgasstrangs noch die Umgebung flüssiges Wasser abgegeben wird. Dieses könnte nämlich im Straßenverkehr zu Sicherheitsproblemen führen, da es z . B . gefrieren und/oder die Straßenbeläge schädigen kann .
Beim Betrieb der Brennstoffzelle 2 kommt es bekanntermaßen zu Austrocknungseffekten an der PEM 5. Diesen wird bei dem hier dargestellten Brennstoffzellensystem 1 auf zweierlei Art sehr effektiv entgegengewirkt . Zum einen wird der zugeführte Brennstoff in einer Befeuchtungseinrichtung 16 befeuchtet . In dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Befeuchtungsvorrichtung 16 dabei als Membranbefeuchter ausgebildet . Die Befeuchtungsvorrichtung 16 weist eine schematisch angedeutete Membran 17 sowie j eweils zwei Zuströmöffnungen 161 , 163 und zwei Abströmöffnungen 162 , 164 auf . Die Membran 17 ist dabei aus einem im Wesentlichen lediglich für Wasser bzw . Wasserdampf durchlässigen Material ausgebildet . Derartige Materialien, wie z . B . hydrophile Membranen oder dergleichen, sind prinzipiell aus der eingangs genannten WO 01/11216 A2 bekannt . Der Brennstoff strömt nun von der Brennstoffquelle 6 durch die Zuströmöffnung 161 in die Befeuchtungsvorrichtung 16. Dort strömt er entlang der Membran 17 und verlässt die Befeuchtungsvorrichtung 16 durch die Abströmöffnung 162 wieder, um in den Anodenbereich 4 der Brennstoffzelle zu strömen . Gleichzeitig, z . B . im Gegenstrom dazu, strömt feuchtes Abgas aus dem Kathodenbereich durch die Zuströmöffnungen 163 in die Befeuchtungsvorrichtung 16. Dabei gibt das feuchte Abgas Wasser bzw . Wasserdampf durch die Membran 17 hindurch an den Brennstoff ab und befeuchtet so diesen, ehe es durch die Abströmöffnung 164 zu der Zusammenführung 12 gelangt .
Entgegen üblicher Befeuchtungsvorrichtungen für den deutlich größeren Zustrom an Luft zu dem Kathodenbereich 4 , kann die hier beschriebene Befeuchtungsvorrichtung 16 für den Brennstoff sehr viel kleiner und kompakter ausgeführt werden .
Die Verschaltung der Befeuchtungsvorrichtung 16 in der Art, dass das abströmende als Feuchtelieferant genutzte Abgas des Kathodenbereichs 3 in den Katalysator 13 gelangt, ist dabei besonders günstig . Bei der Verwendung von Wasserstoff als Brennstoff wird durch die im Wesentlichen nur für Wasser bzw . Wasserdampf durchlässige Membran nämlich immer auch ein gewisser Anteil des Brennstoffs (bis zu 5% desselben) auf die andere Seite der Membran diffundieren . Somit gelangt also immer auch Wasserstoff zumindest in geringer Menge in das entfeuchtete Abgas aus dem Kathodenbereich 3. Da diese j edoch erst nach der Befeuchtungsvorrichtung 16 dem Katalysator 13 zugeführt wird, kann dort auch dieser Brennstoff mit umgesetzt werden, so dass sein Energieinhalt genutzt wird und sichergestellt ist, dass kein unverbrannter Brennstoff an die Umgebung gelangt . Um zusammen mit der Befeuchtung des Brennstoffs auf die viel aufwändigere Befeuchtung der zu dem Kathodenbereich 3 strömenden Luft gänzlich verzichten zu können, ist der Kathodenbereich 3 so ausgebildet, dass die Zuströmung der Luft als Oxidationsmittel zu dem Kathodenbereich 3 in j eder Einzelzelle an mehreren verschiedenen Stellen erfolgt . In Fig . 2 ist eine derart ausgebildete Oxidationsmittel- verteilerstruktur 18 , ein so genanntes Flow Field, zur Verteilung der Luft über die kathodenseitige Fläche der PEM 5 exemplarisch dargestellt . Von der Zuströmleitung 31 zweigen in üblicher Art und Weise einer oder mehrere hier als Mäander ausgeführte Gasführungskanäle 19 ab . Zusätzlich weist j eder der Gasführungskanäle 19 nach einer gewissen Lauflänge ein weitere fluidische Verbindung 20 zwischen dem Gasführungskanal 19 und der Zuströmleitung 31 auf, durch welche frisches unverbrauchtes Oxidationsmittel in die Gasführungskanäle 19 gelangen kann . Die Zuströmung der Luft als Oxidationsmittel zu dem Kathodenbereich 3 erfolgt somit als in j edem der Gasführungskanäle 19 an wenigstens zwei verschiedenen Stellen . Damit wird der Volumenstrom an j eder der Einströmstellen verringert und somit die im j eweiligen Einströmbereich des Oxidationsmittels bestehende Gefahr der punktuellen Austrocknung der PEM 5 reduziert . Letztendlich kann damit also Wasser im Bereich der PEM 5 gehalten werden . Weitere derartige Aufbauten ergeben sich aus den eingangs bereits genannten Anmeldungen DE 100 55 253 B4 , DE 103 46 594 und DE 10 2004 058 117 der Anmelderin .
Zusammen mit der Befeuchtung des Brennstoffs in der Befeuchtungsvorrichtung 16 kann die Brennstoffzelle 2 sicher und zuverlässig betrieben werden . Somit sind weitere bisher übliche Maßnahmen zur Befeuchtung durch die Kombination von Befeuchtungsvorrichtung 16 für den Brennstoff und entsprechend ausgestalteter Oxidationsmittelverteilerstruktur 18 entbehrlich geworden .
Die Verschaltung des Anodenbereiches 4 mit der Zuström- und der Abströmleitung 41 , 42 für den Brennstoff ist sehr viel einfacher, kompakter und damit kostengünstiger und effizienter als beispielsweise ein so genannter Anodenkreislauf (Anodenloop) , bei dem der Brennstoff im Überschuss zugeführt und mit aufwändigen Gebläsen über eine Rückführleitung von der Abströmleitung 42 in die Zuströmleitung 41 umgepumpt wird. Allerdings wird bei der hier dargestellten „offenen" Verschaltung des Anodenbereiches 4 immer eine gewisse Menge an Brennstoff unverbraucht aus der Brennstoffzelle 2 in den Katalysator 13 gelangen . Da die Energieausbeute in der Brennstoffzelle 2 j edoch typischerweise höher ist als in dem Aufbau aus Katalysator 13 und Strömungsmaschine 14 muss es das Ziel sein, diese Menge so gering wie möglich zu halten .
Um dies zu erreichen und dennoch eine gute Funktionsweise der Brennstoffzelle 2 sicher zu stellen, wird bei dem Brennstoffzellensystem 1 eine Kaskadierung des Anodenbereichs 4 realisiert . Ein derartiger Aufbau ist schematisch in Fig . 3 angedeutet . Bei der Kaskadierung sind einzelnen flächengleichen Abschnitte 43, 44 , 45 , 46, 47 , 48 des Anodenbereichs 4 so angeordnet sind, dass der Brennstoff von der Zuströmleitung 41 kommend zuerst eine erste Anzahl von Abschnitten 43, 44 , 45 parallel anströmt . Danach durchströmt er ebenfalls parallel eine weitere kleinere Anzahl an Abschnitten 46, 47 sowie gegebenenfalls noch eine weitere noch kleinere Anzahl an Abschnitten 48. Durch diese Kaskadierung einzelnen Abschnitte 43 , 44 , 45 , 46, 47 , 48 des Anodenbereichs 4 der Brennstoffzelle 2 kann erreicht werden, dass bei sehr guter Performance der Brennstoffzelle 2 nur ein minimaler Gesamtüberschuss an Brennstoff benötigt wird, da die aktive Fläche des Anodenbereichs 4 j e Volumenanteil an Brennstoff über den gesamten Anodenbereich 4 hinweg annähernd gleich bleibt . Damit steht j edem der Abschnitte 43 , AA , 45 , 46, 47 , 48 ein ausreichend hoher Überschuss an Brennstoff zur Umsetzung zur Verfügung . Dennoch wird der Gesamtüberschuss und damit die Menge an nicht umgesetztem Brennstoff minimiert . Werte in der Größenordnung von weniger als 5% des aus der Brennstoffquelle 6 entnommenen Brennstoffs als nicht umgesetzte Restmenge scheinen nach ersten Berechungen und Versuchen realistisch zu sein .
Eine alternative Ausführungsform des Brennstoffzellensystems 1 ist in Fig . 4 dargestellt . Diese unterscheidet sich gegenüber der beschriebenen Ausführungsform lediglich dadurch, dass die Wärmetauscher 11 stammende Wärme ebenfalls der Strömungsmaschine 14 mit zugeführt wird . Dazu wird zur Kühlung der verdichteten Luft in dem Wärmetauscher 11 der Abgasstrom vor seinem Eintritt in den Katalysator 13 genutzt . Damit lassen sich höherer Temperaturen des Abgases nach dem Katalysator 13 erzielen, welche eine höhere Energieausbeute der Strömungsmaschine ermöglichen . Neben der hier dargestellten Ausführung, kann zur Kühlung der verdichteten Luft auch lediglich einer der Abgasströme, z . B . der in seinem Volumen deutlich größere Abgasstrom aus dem Kathodenbereich 3 genutzt werden . Alle anderen Ausgestaltungen und Vorteile sind analog dem bereits zu dem in Fig . 1 beschriebenen Brennstoffzellensystem 1 gegeben .

Claims

Patentansprüche
1. Brennstoffzellensystem ( 1 ) mit wenigstens einer Brennstoffzelle (2 ) , welche einen Kathodenbereich ( 3 ) und einen Anodenbereich ( 4 ) aufweist, wobei der Kathodenbereich (3) und der Anodenbereich ( 4 ) j eweils Zuströmleitungen (31 , 41 ) und Abströmleitungen ( 32 , 43 ) aufweisen, wobei eine Zusammenführung ( 12 ) der Abströmleitungen ( 32 , 42 ) nach dem Anodenbereich ( 4 ) und dem Kathodenbereich ( 3) ausgebildet ist, wobei die Zusammenführung ( 12 ) in fluidischer Verbindung mit einem Bereich ( 13) steht, welcher ein hinsichtlich einer Reaktion eines Brennstoffs für die Brennstoffzelle (2 ) mit einem Oxidationsmittel für die Brennstoffzelle (2 ) katalytisch aktives Material aufweist, wobei die Zuströmleitung ( 31 ) zu dem Kathodenbereich ( 3 ) so ausgebildet ist, dass diese in j eder der Brennstoffzellen an wenigstens zwei verschiedenen Stellen in fluidischer Verbindung mit dem Kathodenbereich ( 3 ) steht, und wobei in der Zuströmleitung ( 41 ) zu dem Anodenbereich ( 4 ) eine Befeuchtungsvorrichtung ( 16) angeordnet ist .
2. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Bereich ( 13 ) mit dem katalytisch aktiven Material in fluidischer Verbindung mit einer Strömungsmaschine ( 14 ) steht .
3. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1 oder 2 , dadurch gekennzeichnet, dass sich die aktive Fläche (Abschnitte 43 , 44 , 45 , 46, 47 , 48 ) des Anodenbereichs ( 4 ) von der Zuströmleitung ( 41 ) in Richtung der Abströmleitung ( 42 ) verringert .
4. Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Befeuchtungsvorrichtung ( 16) Zuströmöffnungen ( 161 , 163 ) und Abströmöffnungen ( 162 , 164 ) für zwei durch eine im wesentlichen nur für Wasser oder Wasserdampf durchlässige Membran (17 ) getrennte Stoffströme aufweist .
5. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 4 , dadurch gekennzeichnet, dass die eine Zuströmöffnung ( 161 ) mit einer Brennstoffquelle ( 6 ) verbunden ist, wobei die mit dieser Zuströmöffnung ( 161 ) in fluidischer Verbindung stehende Abströmöffnung ( 162 ) mit der Zuströmleitung (41 ) des Anodenbereichs (4 ) verbunden ist, und dass die andere Zuströmöffnung ( 163 ) mit der Abströmleitung ( 32 ) des Kathodenbereichs ( 3 ) verbunden ist, wobei die mit dieser Zuströmöffnung ( 163 ) in fluidischer Verbindung stehende Abströmöffnung ( 164 ) mit der Zusammenführung ( 12 ) verbunden ist .
6. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 5 , dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffquelle ( 6) ein WasserstoffSpeicher ist .
7. Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche , dadurch gekennzeichnet, dass dem Kathodenbereich ( 3 ) durch die Zuströmleitung ( 31 ) mittels einer Fördereinrichtung ( 9 ) ein Oxidationsmittel , insbesondere Luft, zuführbar ist .
8. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 7 , dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Fördereinrichtung ( 9 ) und dem Kathodenbereich ( 3) ein Wärmetauscher ( 11 ) angeordnet ist, welcher von dem verdichteten Oxidationsmittel einerseits und von zumindest einem der zu dem Bereich ( 13) mit dem katalytisch aktiven Material strömenden Abgasen andererseits durchströmbar ist .
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