WO2007128018A2 - Brennstoffzellensystem - Google Patents

Brennstoffzellensystem Download PDF

Info

Publication number
WO2007128018A2
WO2007128018A2 PCT/AT2007/000209 AT2007000209W WO2007128018A2 WO 2007128018 A2 WO2007128018 A2 WO 2007128018A2 AT 2007000209 W AT2007000209 W AT 2007000209W WO 2007128018 A2 WO2007128018 A2 WO 2007128018A2
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
cathode
fuel cell
anode
liquid water
gas
Prior art date
Application number
PCT/AT2007/000209
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
WO2007128018A3 (de
Inventor
Volker Peinecke
Klaus Meitz
Peter Prenninger
Original Assignee
Avl List Gmbh
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from AT0080006A external-priority patent/AT501963B1/de
Priority claimed from AT0080106A external-priority patent/AT502009B1/de
Application filed by Avl List Gmbh filed Critical Avl List Gmbh
Priority to DE112007001085T priority Critical patent/DE112007001085A5/de
Publication of WO2007128018A2 publication Critical patent/WO2007128018A2/de
Publication of WO2007128018A3 publication Critical patent/WO2007128018A3/de

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H01M8/04119—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying
    • H01M8/04156—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying with product water removal
    • H01M8/04164—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying with product water removal by condensers, gas-liquid separators or filters
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H01M8/04097—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with recycling of the reactants
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H01M8/04119—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying
    • H01M8/04126—Humidifying
    • H01M8/04141—Humidifying by water containing exhaust gases
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/0438—Pressure; Ambient pressure; Flow
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/04492—Humidity; Ambient humidity; Water content
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04746—Pressure; Flow
    • H01M8/04753—Pressure; Flow of fuel cell reactants
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04746—Pressure; Flow
    • H01M8/04761—Pressure; Flow of fuel cell exhausts
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04828—Humidity; Water content
    • H01M8/04835—Humidity; Water content of fuel cell reactants
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04828—Humidity; Water content
    • H01M8/04843—Humidity; Water content of fuel cell exhausts
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M2008/1095—Fuel cells with polymeric electrolytes
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the invention relates to a fuel cell system with at least one low-temperature fuel cell, with a cathode-side supply line for an O 2 -phasel- tiges gas, preferably air, a discharge line for the cathode exhaust gas, an anode-side supply line for a H 2 - digitiziges fuel gas, a discharge line for the Anode exhaust, and a cathode-side Rezirkulationseinrich- device for the partial return of the cathode exhaust gas in the cathode circuit of the fuel cell. Furthermore, the invention relates to a method for operating a fuel cell system with at least one low-temperature fuel cell.
  • EP 0 654 182 B1 discloses a fuel cell, in particular a PEM fuel cell, and a method for humidifying the electrolyte of the fuel cell.
  • the fuel cell has both a cathode-side recirculation line and an anode-side recirculation line, in each of which gas compressors are arranged.
  • a portion of the discharged from the cathode of the PEM fuel cell amount of water and heat can be returned to the cathode.
  • an adjusting member of the recirculated portion of the exhaust gas is adjustable. The adjustment is made depending on the power output of the fuel cell.
  • EP 1 356 533 B1 describes fuel cells with integrated humidification and a method for humidifying fuel cell process gas.
  • a first humidification unit for the supplied air and a second humidification unit for the fuel gas will be described in connection with a PEM fuel cell.
  • Both humidification units have a heat exchanger and a condensate separator.
  • the separated water can the anode or cathode circuit via in each case in supplied to the supply lines for the fuel gas and arranged for the air Venturi nozzles.
  • the exhaust gas of the fuel cell is not recirculated here, but only supplied to the respective heat exchangers, to recycle the waste heat in the system.
  • WO 03/15204 A1 From WO 03/15204 A1 (MOTOROLA) it is further known to obtain water on the cathode side of a fuel cell and to supply it to the anode side.
  • a power generation system which comprises a fuel cell of conventional construction.
  • the major part of the application deals with a pressure swing adsorption system (PSA), which serves for oxygen enrichment in the cathode-side gas supply of the fuel cell.
  • PSA pressure swing adsorption system
  • FIG. 9 such a power generation system is schematically illustrated, which has a PSA system for supplying the fuel cell with a gas whose oxygen content is enriched.
  • the supply of the O 2 enriched gas via a line in the cathode channel, wherein a portion of the cathode exhaust gas discharged via the outlet and another part is returned via a return line in the cathode circuit.
  • a condensate separator is arranged, in which excess water is separated from the cathode exhaust gas.
  • the wet, recompressed cathode gas is mixed with the O 2 -enriched gas of the PSA system and fed to the cathode inlet.
  • the object of the invention is to produce a fuel cell system of the type described above with a cathode-side recirculation device for the partial return of the cathode exhaust gas simply and inexpensively, or to propose a method for operating such a fuel cell system, which can be reacted quickly to load changes, with simple system technology Even with small loads, a high gas flow is ensured and should be provided under all load conditions for adequate humidification of the fuel cell system.
  • a further object of the invention is to produce a fuel cell system of the type described in the introduction, in particular a system with PEM fuel cells, with cathode-side and anode-side exhaust gas recirculation simply and cost-effectively, or to propose a method for operating such a fuel cell system, in which corrosion-promoting operating conditions are avoided and ways to eliminate the accumulating in the fuel cell condensate (liquid water) are given.
  • the first object of the invention in a fuel cell system in which the cathode-side recirculation means comprises a separator for separating the cathode exhaust gas into a liquid-water-free gas phase and liquid water, is inventively achieved in that both components, the gas phase and the liquid water, separated and independently controlled in the Returned cathode cycle, possibly additionally a portion of the liquid water can be returned to the anode circuit.
  • a device for carrying out this method is characterized in that at least one separately controllable recirculation line is provided both for the liquid-water-free gas phase and for the liquid water.
  • the liquid-water-free gas phase of the cathode exhaust gas contains water vapor, wherein the concentration is limited by the saturation temperature in the separator upwards.
  • the device according to the invention or the method according to the invention allow a completely independent gas and water management on the cathode side, with all advantages to react quickly to changing operating states of the system.
  • a separator Directly at the cathode-side outlet from the stack, a separator, or a liquid water separator is installed.
  • liquid water can be separated, temporarily censored and added back to the circulation.
  • the pump in the liquid water recirculation can be designed exclusively for conveying water.
  • a fan for the gas recirculation can be used, which only has to deliver gases and no liquid water.
  • the recirculated gas is admixed, for example, in front of the stack inlet in a mixing section in the cathode-side supply line.
  • the recirculation line for the liquid water can consist of two separately controllable branches, wherein the first branch serves for the cathode-side and the second branch for the anode-side water return.
  • the first branch serves for the cathode-side and the second branch for the anode-side water return.
  • a portion of the deposited cathode water can be supplied to the fuel gas.
  • a heat exchanger / evaporator can then also be present (possibly after a mixing section).
  • controllable compressors, blowers, pumps and / or throttle valves are arranged for regulating the flow rate in the recirculation lines for the gas phase and the liquid water depending on the operating parameters of the fuel cell system.
  • the blower is primarily activated to advance the gas phase to increase the flow and pressure differential across the fuel cell stack; This automatically increases the humidity of the air entering the stack.
  • the total amount of fresh gas to be supplied to the system fresh air from outside
  • the minimum value of the return rate of the gas can be determined by a humidity measurement (humidity request) or by a flow measurement (flow request).
  • the liquid water return is mainly determined by the humidity requirement at high load.
  • the necessary heat of vaporization can passively be taken from the cooling system (heat exchanger: gas with liquid water vs. cooling liquid), or by cooling (due to evaporation) of the compressed fresh air in or after the compressor.
  • liquid water from the separator can be used to humidify the fresh fuel gas. Separate humidifiers on the anode side can be omitted.
  • the liquid water return is mainly determined by the humidity requirement at high load.
  • the necessary heat of evaporation can passively be taken from the cooling system (heat exchanger: gas with liquid water vs. cooling liquid).
  • the second object of the invention in a fuel cell system with a cathode-side recirculation line for the partial return of the cathode exhaust gas into the cathode circuit of the fuel cell and an anode-side recirculation line for the partial return of the anode exhaust gas in the anode circuit of the fuel cell is inventively achieved in that in the cathode-side and the anode-side recirculation line respectively a liquid water separator which can be activated or deactivated as a function of the operating parameters of the fuel cell system is arranged, so that in each case a liquid-free gas phase is present in the cathode-side and the anode-side recirculation line downstream of the activated liquid water separator.
  • An essential feature of this variant of the invention thus consists in that the liquid water separators arranged in the cathode-side and the anode-side recirculation line can be activated or deactivated independently of one another as a function of the operating parameters of the fuel cell system.
  • the recycled into the fuel cell amount of water targeted by activating the liquid water separator (no liquid Water in the recirculated gas stream) or deactivation of the liquid water separator (liquid water in the recirculated gas stream) are regulated, and it is also possible to temporarily recycle only the liquid-water-free gas phases, for example, to discharge condensate from the fuel cell.
  • controllable recirculators for example compressors, blower pumps or compressors, are arranged to regulate the flow rate in the recirculation lines for the cathode exhaust gas and the anode exhaust gas depending on the operating parameters of the fuel cell system, these being preferably arranged downstream of the liquid water separator in the recirculation lines ,
  • the blower or the compressor can be arranged in the direction of flow before the liquid water separator in the recirculation lines, as by the liquid water contained better internal sealing of the blower or the compressor and its efficiency can be increased ,
  • another liquid water separator may be arranged to recover the remaining water from the cathode exhaust gas and provide the water management of the fuel cell system.
  • a method for operating a fuel cell system with at least one low-temperature fuel cell, which is supplied with an O 2 -containing gas, preferably air, on the cathode side and an H 2 -containing fuel gas on the anode side is characterized in that in the recirculated cathode exhaust gas and / or in the recirculated anode exhaust gas depending on the operating parameters of the fuel cell system, a liquid water separator is activated or deactivated and the liquid water-free or liquid water having gas phases in the cathode circuit and the anode be recycled.
  • recirculation with or without liquid water also serves for optimum humidification.
  • the dew points in the recirculated cathode exhaust gas and in the recirculated anode exhaust gas during the deposition of the liquid water depending on the operating parameters of the fuel cell system can be preferably varied independently. It is also possible to activate the liquid water separator on the cathode side and to deactivate the anode side or vice versa.
  • the cathode-side and anode-side recirculated gas quantities are regulated as a function of the operating parameters of the fuel cell system.
  • the recirculators (compressors, blowers or pumps) in the two recirculation lines are always in operation when the fuel cell stack is supplied with reactants or still contains reactants, i. if there is still voltage at the stack, when working with load (current flowing), when operating without load ("idling", no current is flowing), during and after the shutdown and after the startup of the stack ,
  • Both gas flow rates (flows) in the recirculation can be controlled for each operating condition so that in each case at least the greater value of the following two flow rates is set:
  • the device according to the invention permits a substantially independent gas and water management, with all advantages to react rapidly to changing operating states of the system.
  • FIG. 1 shows a first embodiment of a fuel cell system according to the invention
  • FIGS. 2 to 4 show a second, third and fourth variant embodiment of the system according to the invention according to FIG. 1; such as
  • the fuel cell 2 has a cathode-side supply line 5 for an O 2 - digitizi- ges gas (for example, air), and a discharge line 6 for the cathode exhaust gas. Furthermore, an anode-side supply line 7 is provided for an H 2 -containing fuel gas and a discharge line 8 for the anode exhaust gas. All variants of the invention have in common that the recirculation device 3, a separator 9 for separating the cathode exhaust gas into a liquid-water-free gas phase and liquid water in the invention wherein at least one separately controllable recirculation line 10, 11 is provided for each of the two components.
  • the recirculation line 10 for the liquid water consists of two separately controllable branches 10a, 10k, the first branch 10k serving for the cathode-side water return and the second branch 10a for the anode-side water return.
  • the amount of water provided by the separator 9 can thus be divided depending on the operating state of the fuel cell system and partially supplied to the anode circuit and / or the cathode circuit.
  • the recirculation line 11 for the gas phase downstream of a controllable throttle valve 21 and upstream of the compressor 16 opens into the cathode-side supply line.
  • the fan 17 in the cathode-side recirculation device 3 can be dispensed with, whereby all partial flows (sucked fresh air or recirculated gas phase) of the cathode exhaust gas can be regulated independently of one another by the controllable throttle valves 19 and 21.
  • the first branch 10k of the recirculation line 10 for the liquid water upstream of the compressor 16 opens into the cathode-side supply line 5, whereby a water pump 18k in the recirculation line 10k can be dispensed with ,
  • the flow control for the liquid water then takes place through the throttle valve 20k. It is also possible that the liquid water is recycled directly into the compressor 16.
  • the recovered in the separator 9 on the output side of the cathode water can also be used for the humidification of the fuel gas.
  • a second branch 10a of the recirculation line 10 for the liquid water opens into the anode-side supply line 7, wherein optionally an evaporator 13 is arranged in the region of the junction of the recirculation line 10a.
  • the second branch 10a of the recirculation line 10 for the liquid water upstream of the blower 15 in the recirculation line 14 for the anode exhaust gas whereby a circulation pump in the return line 10a may be omitted if the anode side at a in the Compared to the cathode side is not operated at high pressure.
  • the flow rate is controlled by the throttle valve 20a in this embodiment. If the anode side of the fuel cell is operated at an average lower pressure level than the cathode side, due to the pressure gradient therewith, the liquid water originating from the cathode side can be fed in at any location of the anode circuit.
  • a compressor 16 for the fresh air, for the recirculation of the gas phase (cathode circuit) and for the recirculation of liquid water from the separator 9 into the cathode circuit,
  • the throttle valve 21 may also be omitted if the flow of fresh air is controlled directly on the power or speed of the compressor 16, and the flow of the recirculated Gäsphase, depending on the negative pressure upstream of the compressor 16, via the throttle 19.
  • the flow rate of the liquid water recirculation can also be regulated depending on the negative pressure upstream of the compressor 16 via the throttle valve 20k. At high recirculation rate, there is a feedback to the compressor output, because significantly more must be conveyed (fresh air and recirculated fluid).
  • Anode side of the fuel cell system can be very simple; Cathode-side operation with recirculation of the gas phase at sufficiently high gas flows prevents uneven distribution of the gases and thus prevents electrode corrosion;
  • the total amount of fresh gas to be supplied to the system can be kept low, ie the air stoichiometry is quite low both for large and small loads (eg 2.0-2.5). This saves compressor power; Cathode-side operation with recirculation of the gas phase allows improved humidification of the cathode gas at all loads and thus a reduction in membrane degradation, as well as an increase in membrane conductivity and cell performance; Cathode-side operation with recirculation of the liquid water allows improved humidification of the cathode gas primarily at high load; In some cases, an additional moistening unit can be completely dispensed with; anode-side operation with recirculation of the cathode liquid water enables improved humidification of the anode gas at all loads; in part, an additional moistening unit can be completely dispensed with on the anode side; very fast reaction or initiation of countermeasures upon reaching a critical state of the stack possible; Changing (increasing or decreasing) one of the two
  • the fuel cell system 1 shown in FIG. 5 is likewise equipped with at least one low-temperature fuel cell 2, wherein as a rule a plurality of such fuel cells are combined to form a so-called fuel cell stack.
  • the anode side is also marked here with A and the cathode side with K.
  • the system according to FIG. 5 can serve, for example, as a drive system for a vehicle not shown in further detail.
  • the cathode-side recirculation device 3 is used for the partial recycling of the cathode exhaust gas into the cathode circuit of the fuel cell 2, wherein, starting from the discharge line 6 for the cathode exhaust gas, a recirculation line 11 opening into the cathode-side supply line 5 is provided.
  • a recirculation line 11 opening into the cathode-side supply line 5 is provided.
  • To regulate the flow rate in the recirculation line 11 is a controllable from the operating parameters of the fuel cell system blower 17th
  • the recirculation device 4 is used for the partial recycling of the anode exhaust gas, which starting from the discharge line 8 for the anode exhaust gas recirculation line 14 opening into the anode-side supply line 7, wherein for regulating the flow rate of the operating parameters of the fuel cell system controllable fan 15 is provided in the recirculation line 14 ,
  • the fans 15, 17 downstream of the liquid water separator 30, 31 are arranged in the recirculation lines 11, 14, so that they can be designed essentially for the promotion of liquid-water-free gas phases.
  • the fuel gas is either made from a suitable fuel present in a container 22 by reforming (see reformer 23 with H 2 O and heat supply and aftertreatment device 24 for the reformate) or taken from an H 2 tank 25 and into the anode side Feed line 7 fed.
  • a suitable fuel present in a container 22 by reforming (see reformer 23 with H 2 O and heat supply and aftertreatment device 24 for the reformate) or taken from an H 2 tank 25 and into the anode side Feed line 7 fed.
  • air can be used as the O 2 -containing gas, which air is passed through a filter 26 to a compressor 16 and optionally to a heat exchanger 27 and fed into the cathode-side feed line 5.
  • the fuel cell stack 2 has a cooling circuit 34 through which a coolant flows.
  • liquid water can be used for the humidification of the reactants, as well as the recovered from the liquid water separator 32 in the discharge line 6 water.
  • the separated liquid water may also be supplied to the reformer 23 to produce the H 2 -containing fuel gas from a suitable fuel.
  • the supply of the fan 15, 17 with electrical energy can directly from the fuel cell stack 2 (when it is in operation), or from an energy storage 33 (battery, battery, etc., when the fuel cell stack 2 provides no energy) ,
  • the compressed fresh air can be sufficiently cooled by dilution or mixing with the recirculate.
  • the fresh air can be sufficiently cooled by dilution or mixing with recirculate and by evaporation of liquid water entrained in the recirculate
  • a liquid water separator which can be activated or deactivated as a function of the operating parameters of the fuel cell system is arranged in the cathode-side and the anode-side recirculation line, has the following advantages:
  • Operation with recirculation generally makes it possible to even out the conditions within the stack of the fuel cell system
  • liquid water can - without the usual blowing through with fresh gas - are separated by recirculation in liquid water separators (uniform water discharge);

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem (1) mit zumindest einer Niedertemperatur-Brennstoffzelle (2) mit einer kathodenseitigen Zuführleitung (5) für ein O2-hältiges Gas, vorzugsweise Luft, einer Abführleitung (6) für das Kathodenabgas, einer anodenseitigen Zuführleitung (7) für ein H2-hältiges Brennstoffgas, einer Abführleitung (8) für das Anodenabgas, sowie einer kathodenseitigen Rezirkulationseinrichtung (3) zur teilweisen Rückführung des Kathodenabgases in den Kathodenkreislauf der Brennstoffzelle (2). Um den Betrieb und die Regelungsmöglichkeiten zu verbessern weist die kathodenseitige Rezirkulationseinrichtung (3) einen Separator (9) zur Trennung des Kathodenabgases in eine flüssigwasserfreie Gasphase und Flüssigwasser auf, wobei für jede der beiden Komponenten zumindest eine separat regelbare Rezirkulationsleitung (10, 11) vorgesehen ist. Weiters kann in einer kathodenseitigen und einer anodenseitigen Rezirkulationsleitung (11, 14) jeweils ein in Abhängigkeit der Betriebsparameter des Brennstoffzellensystems aktivierbarer bzw. deaktivierbarer Flüssigwasser-Abscheider (30, 31) angeordnet sein.

Description

Brennstoffzellensystem
Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem mit zumindest einer Niedertemperatur-Brennstoffzelle, mit einer kathodenseitigen Zuführleitung für ein O2-häl- tiges Gas, vorzugsweise Luft, einer Abführleitung für das Kathodenabgas, einer anodenseitigen Zuführleitung für ein H2-hältiges Brennstoffgas, einer Abführleitung für das Anodenabgas, sowie einer kathodenseitigen Rezirkulationseinrich- tung zur teilweisen Rückführung des Kathodenabgases in den Kathodenkreislauf der Brennstoffzelle. Weiters betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems mit zumindest einer Niedertemperatur-Brennstoffzelle.
Das Brennstoffzellensystem der eingangs beschriebenen Art weist bevorzugt mehrere zu einem sogenannten Brennstoffzellenstack zusammengefasste Brennstoffzellen, beispielsweise PEM-Brennstoffzellen, auf. Im Folgenden werden mit dem Begriff Kathodenabgas die ausgangs der Kathode anfallenden Produkte, hauptsächlich N2, O2 und H2O, zusammengefasst. Der Begriff Anodenabgas um- fast ausgangs der Anode anfallende Produkte, welche bei reinem Wasserstoffbetrieb im Wesentlichen aus N2, H2 und H2O bestehen, sowie bei Verwendung eines Reformats zusätzlich CO2 enthalten.
Aus der EP 0 654 182 Bl ist eine Brennstoffzelle, insbesondere eine PEM-Brenn- stoffzelle, und ein Verfahren zur Befeuchtung des Elektrolyten der Brennstoffzelle bekannt geworden. Wie aus der schematischen Darstellung gemäß Fig. 1 der EP 0 654 182 Bl erkennbar, weist die Brennstoffzelle sowohl eine kathodensei- tige Rezirkulationsleitung als auch eine anodenseitige Rezirkulationsleitung auf, in welchen jeweils Gasverdichter angeordnet sind. Über die kathodenseitige Rezirkulationsleitung kann ein Teil des aus der Kathode der PEM-Brennstoffzelle ausgetragenen Wassermenge und Wärme wieder der Kathode zugeführt werden. Mittels eines Einstellgliedes ist der rezirkulierte Anteil des Abgases einstellbar. Die Einstellung wird abhängig von der Leistungsabgabe der Brennstoffzelle vorgenommen.
Weiters werden in der EP 1 356 533 Bl Brennstoffzellen mit integrierter Befeuchtung sowie ein Verfahren zum Befeuchten von Brennstoffzellen-Prozessgas beschrieben. In diesem Dokument wird im Zusammenhang mit einer PEM-Brennstoffzelle eine erste Befeuchtungseinheit für die zugeführte Luft und eine zweite Befeuchtungseinheit für das Brennstoffgas beschrieben. Beide Befeuchtungseinheiten weisen einen Wärmetauscher sowie einen Kondensatabscheider auf. Das abgeschiedene Wasser kann dem Anoden- bzw. Kathodenkreis über jeweils in den Zufuhrleitungen für das Brennstoffgas sowie für die Luft angeordnete Ventu- ridüsen zugeführt werden. Das Abgas der Brennstoffzelle wird hier nicht rezirkuliert, sondern nur dem jeweiligen Wärmetauschern zugeführt, um die Abwärme in das System rückzuführen.
Aus der WO 03/15204 Al (MOTOROLA) ist es weiters bekannt, an der Kathodenseite einer Brennstoffzelle Wasser zu gewinnen und der Anodenseite zuzuführen.
Aus der WO 00/16425 Al ist ein Stromerzeugungssystem bekannt, welches eine Brennstoffzelle mit herkömmlichem Aufbau umfasst. Der Großteil der Anmeldung (siehe Fig. 1 bis Fig. 8) hat ein Druckwechsel-Adsorptionssystem (pressure swing adsporption System - PSA) zum Gegenstand, welches zur Sauerstoffanreicherung in der kathodenseitigen Gaszufuhr der Brennstoffzelle dient. So ist beispielsweise in Fig. 9 ein derartiges Stromerzeugungssystem schematisch dargestellt, welches ein PSA-System zur Versorgung der Brennstoffzelle mit einem Gas aufweist, dessen Sauerstoffgehalt angereichert wird. Die Zufuhr des O2 angereicherten Gases erfolgt über eine Leitung in den Kathodenkanal, wobei ein Teil des Kathodenabgases über den Auslass entlassen und ein anderer Teil über eine Rückführleitung in den Kathodenkreis rückgeführt wird. In der Rückführleitung ist ein Kondensat- Separator angeordnet, in welchem überschüssiges Wasser aus dem Kathodenabgas abgeschieden wird. Das feuchte, reziklierte Kathodengas wird mit dem O2 angereicherten Gas des PSA-Systems gemischt und dem Kathodeneinlass zugeführt.
Weiters ist aus der EP 0 341 189 Al eine Brennstoffzellenanordnung bekannt, bei welcher die kathodenseitige Abgasrückführung mit Hilfe eines Sauerstoffsensors geregelt wird, wobei der Sauerstoffgehalt im Kathodenabgas gemessen wird. Im Teillastbetrieb der Brennstoffzellenanordnung kann in Abhängigkeit der O2-Kon- zentration Abgas in den Kathodenkreislauf rückgeführt werden. Eine Abscheidung von Flüssigwasser ist hier nicht vorgesehen.
Ähnliches gilt für eine Brennstoffzelle gemäß US 5,543,238 A, welche sowohl eine kathodenseitige als auch eine anodenseitige Rezirkulationseinrichtung zur Rückführung des Kathodenabgases, bzw. des Anodenabgases aufweist, wobei hier ebenfalls ein Separator zur Wasserabscheidung fehlt.
Schließlich ist aus der US 5,366,818 A ist eine Festpolymer-Brennstoffzelle für die Erzeugung elektrischer Energie bekannt, welcher kathodenseitig Sauerstoff und anodenseitig Wasserstoff zugeführt wird. Weiters wird der Niedertemperaturbrennstoffzelle zur Kühlung und zur Befeuchtung der Reaktanden Wasser zugeführt. Das Anodenabgas wird bei jenen Ausführungsvarianten, bei welchen reiner Wasserstoff als Brenngas verwendet wird, in den Anodenkreislauf rückgeführt, wobei zuvor das mitgeführte Wasser aus dem Anodenabgas abgeschieden wird. Dieses gelangt gemeinsam mit dem austretenden Kühlwasser nach der Passage eines Wärmetauschers in einen Wasserbehälter, aus welchem über eine Zirkulationsleitung die Befeuchtungseinrichtung bzw. die Kühleinrichtung der Brennstoffzelle versorgt wird.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Brennstoffzellensystem der eingangs beschriebenen Art mit einer kathodenseitigen Rezirkulationseinrichtung zur teilweisen Rückführung des Kathodenabgases einfach und kostengünstig herzustellen, bzw. ein Verfahren zum Betrieb eines derartigen Brennstoffzellensystems vorzuschlagen, bei welchem rasch auf Lastwechsel reagiert werden kann, wobei bei einfacher Systemtechnik auch bei kleinen Lasten ein hoher Gasdurchfluss gewährleistet ist und bei allen Lastzuständen für eine ausreichende Befeuchtung des Brennstoffzellensystems gesorgt sein soll.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Brennstoffzellensystem der eingangs beschriebenen Art, insbesondere ein System mit PEM-Brennstoffzellen, mit kathodenseitiger und anodenseitiger Abgasrückführung einfach und kostengünstig herzustellen, bzw. ein Verfahren zum Betrieb eines derartigen Brennstoffzellensystems vorzuschlagen, bei welchem korrosionsfördemde Betriebsbedingungen vermieden werden und Möglichkeiten zur Beseitigung des in den Brennstoffzellen anfallenden Kondensats (flüssiges Wasser) gegeben sind.
Die erste Aufgabe der Erfindung bei einem Brennstoffzellensystem, bei welchem die kathodenseitige Rezirkulationseinrichtung einen Separator zur Trennung des Kathodenabgases in eine flüssigwasserfreie Gasphase und Flüssigwasser aufweist, wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass beide Komponenten, die Gasphase und das Flüssigwasser, getrennt und unabhängig voneinander geregelt in den Kathodenkreislauf rückgeführt werden, wobei ggf. zusätzlich ein Teil des Flüssigwassers in den Anodenkreislauf rückgeführt werden kann.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass sowohl für die flüssigwasserfreie Gasphase als auch für das Flüssigwasser zumindest eine separat regelbare Rezirkulationsleitung vorgesehen ist. Die flüssigwasserfreie Gasphase des Kathodenabgases enthält Wasserdampf, wobei die Konzentration durch die Sättigungstemperatur im Separator nach oben begrenzt ist.
Im Unterschied zur eingangs zitierten WO 00/16425 Al erlauben die erfindungsgemäße Vorrichtung, bzw. das erfindungsgemäße Verfahren kathodenseitig ein völlig unabhängiges Gas- und Wassermanagement, mit allen Vorteilen rasch auf sich ändernde Betriebszustände des Systems zu reagieren. Direkt beim kathodenseitigen Auslass aus dem Stack ist ein Separator, bzw. ein Flüssigwasser-Abscheider eingebaut. Hier kann flüssiges Wasser abgeschieden, kurzzeitig zwi- schengespeichert und wieder dem Kreislauf zugesetzt werden. Die Pumpe in der Flüssigwasser-Rezirkulation kann ausschließlich für Wasserförderung ausgelegt sein. Weiters kann ein Gebläse für die Gasrezirkulation verwendet werden, das nur Gase und kein flüssiges Wasser fördern muss. Das rezirkulierte Gas wird beispielsweise vor dem Stackeinlass in einer Mischstrecke in der kathodenseitigen Zuführleitung zugemischt.
Das flüssige Wasser kann beim kathodenseitigen Stackeinlass einem Wärmetauscher/Verdampfer zugeführt, und dort in die Luft hinein verdampft werden (es besteht dort zusätzlicher Wärmebedarf für die Verdampfung).
Erfindungsgemäß kann die Rezirkulationsleitung für das Flüssigwasser aus zwei separat regelbaren Zweigen bestehen, wobei der erste Zweig zur kathodenseitigen und der zweite Zweig zur anodenseitigen Wasserrückführung dient. Mittels einer zweiten, von der Kathodenseite unabhängig ansteuerbaren Flüssigwasserpumpe, kann ein Teil des abgeschiedenen Kathoden-Wassers dem Brennstoffgas zugeführt werden. Anodenseitig kann dann auch (eventuell nach einer Mischstrecke) ein Wärmetauscher/Verdampfer vorhanden sein.
Erfindungsgemäß sind zur Regelung der Durchflussrate in den Rezirkulationslei- tungen für die Gasphase und das Flüssigwasser abhängig von den Betriebsparametern des Brennstoffzellensystems regelbare Kompressoren, Gebläse, Pumpen und/oder Drosselventile angeordnet.
Erfindungsgemäß ergeben sich folgende Vorteile:
• Anodenseite und Kathodenseite können grundsätzlich unabhängig voneinander betrachtet werden
Kathodenseite:
• Die Rückführung von Gasphase und flüssigem Wasser wird getrennt durchgeführt, d.h. eine separate Regelung ist möglich und vorteilhaft.
• Bei kleinen Lasten wird primär das Gebläse zur Förderung der Gasphase aktiviert, um den Durchfluss und die Druckdifferenz über den Brennstoffzellenstack zu erhöhen; damit wird automatisch auch die Feuchte der in den Stack eintretenden Luft erhöht. Die dem System insgesamt zuzuführende Frischgasmenge (Frischluft von außen) kann gering gehalten werden, d.h. die Luftstöchiometrie ist sowohl bei großen auch bei kleinen Lasten recht gering (z.B. 2,0 - 2,5). Damit kann Kompressorleistung eingespart werden. • Der Minimalwert der Rückführungsrate des Gases kann von einer Feuchtemessung (Feuchteanforderung) oder von einer Durchflussmessung (Durchflussanforderung) bestimmt werden.
• Die Flüssigwasser-Rückführung wird hauptsächlich von der Feuchteanforderung bei hoher Last bestimmt.
• Die notwendige Verdampfungswärme kann passiv aus dem Kühlsystem übernommen werden (Wärmetauscher: Gas mit flüssigem Wasser vs. Kühlflüssigkeit), oder auch durch Kühlung (wegen Verdampfung) der komprimierten Frischluft im bzw. nach dem Kompressor.
Anodenseite:
• Zusätzlich zur Rückführung des Anodenabgases (falls vorhanden) oder zur Befeuchtung in einem separaten Befeuchter (falls vorhanden) kann Flüssigwasser aus dem Separator zur Befeuchtung des frischen Brennstoffgases genutzt werden. Separate Befeuchter auf der Anodenseite können dadurch entfallen.
• Die Flüssigwasser-Rückführung wird hauptsächlich von der Feuchteanforderung bei hoher Last bestimmt.
• Die notwendige Verdampfungswärme kann passiv aus dem Kühlsystem übernommen werden (Wärmetauscher: Gas mit flüssigem Wasser vs. Kühlflüssigkeit).
Die zweite Aufgabe der Erfindung bei einem Brennstoffzellensystem mit einer kathodenseitigen Rezirkulationsleitung zur teilweisen Rückführung des Kathodenabgases in den Kathodenkreislauf der Brennstoffzelle und einer anodenseitigen Rezirkulationsleitung zur teilweisen Rückführung des Anodenabgases in den Anodenkreislauf der Brennstoffzelle wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass in der kathodenseitigen und der anodenseitigen Rezirkulationsleitung jeweils ein in Abhängigkeit der Betriebsparameter des Brennstoffzellensystems aktivierbarer bzw. deaktivierbarer Flüssigwasser-Abscheider angeordnet ist, sodass in der kathodenseitigen und der anodenseitigen Rezirkulationsleitung stromabwärts der aktivierten Flüssigwasser-Abscheider jeweils eine flüssigwasserfreie Gasphase vorliegt.
Ein wesentliches Merkmal dieser Erfindungsvariante besteht somit darin, dass die in der kathodenseitigen und der anodenseitigen Rezirkulationsleitung angeordneten Flüssigwasserabscheider in Abhängigkeit der Betriebsparameter des Brennstoffzellensystems unabhängig voneinander aktivierbar bzw. deaktivierbar sind. Durch diese Maßnahme kann die in die Brennstoffzelle rückgeführte Wassermenge gezielt durch Aktivieren der Flüssigwasser-Abscheider (kein flüssiges Wasser im rückgeführten Gasstrom) bzw. Deaktivieren der Flüssigwasser-Abscheider (flüssiges Wasser im rückgeführten Gasstrom) geregelt werden, wobei es auch möglich ist, zeitweise ausschließlich die flüssigwasserfreien Gasphasen rückzuführen, um beispielsweise Kondensat aus der Brennstoffzelle auszutragen.
Dabei ist es von Vorteil, wenn die Flüssigwasser-Abscheider temperierbar ausgeführt sind (beispielsweise durch eine zugeordnete Kühl- und/oder Heizeinrichtung), so dass im jeweiligen Rezirkulations-Kreislauf der Taupunkt des rezirkulierten Abgases definiert eingestellt und die Einstellung auch zeitlich variiert werden kann. Bei aktiviertem Flüssigwasser-Abscheider ist die rückgeführte Wassermenge um den Flüssigwasser-Anteil verringert und hängt zudem von der eingestellten Temperatur und damit vom Taupunkt des Gases ab. Damit kann die Brennstoffzelle langsam und gleichmäßig getrocknet werden, auch dann wenn schon kein flüssiges Wasser mehr vorliegt. Dies dient z.B. dem schonenden Trocknen beim Shut-Down der Brennstoffzelle bzw. des Brennstoffzellen-Stacks.
Erfindungsgemäß sind zur Regelung der Durchflussrate in den Rezirkulationslei- tungen für das Kathodenabgas und das Anodenabgas abhängig von den Betriebsparametern des Brennstoffzellensystems regelbare Rezirkulatoren, beispielsweise Verdichter, Gebläse Pumpen oder Kompressoren angeordnet, wobei diese bevorzugt stromabwärts der Flüssigwasser-Abscheider in den Rezirkula- tionsleitungen angeordnet sind.
Insbesondere auf der Kathodenseite kann das Gebläse bzw. der Verdichter auch in Strömungsrichtung vor dem Flüssigwasser-Abscheider in den Rezirkulations- leitungen angeordnet sein, da durch das enthaltene flüssige Wasser eine bessere interne Abdichtung des Gebläses bzw. des Verdichters erfolgt und dessen Wirkungsgrad erhöht werden kann.
Schließlich kann in der Abführleitung für das Kathodenabgas stromabwärts der Abzweigung der kathodenseitigen Rezirkulationsleitung ein weiterer Flüssigwasser-Abscheider angeordnet sein, um auch das restliche Wasser aus dem Kathodenabgas zu gewinnen und dem Wassermanagement des Brennstoffzellensystems zur Verfügung zu stellen.
Eine erfindungsgemäßes Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems mit zumindest einer Niedertemperatur-Brennstoffzelle, welcher kathodenseitig ein O2-hältiges Gas, vorzugsweise Luft, und anodenseitig ein H2-hältiges Brennstoffgas zugeführt wird, ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, dass im rezirkulierten Kathodenabgas und/oder im rezirkulierten Anodenabgas in Abhängigkeit der Betriebsparameter des Brennstoffzellensystems ein Flüssigwasserabscheider aktiviert bzw. deaktiviert wird und die flüssigwasserfreien bzw. Flüssigwasser aufweisenden Gasphasen in den Kathodenkreislauf und den Anoden- kreislauf rückgeführt werden. Neben der Erhöhung der Durchflussmenge, dient die Rezirkulation mit bzw. ohne flüssigem Wasser (bei aktivierter Wasserabschei- dung) auch der optimalen Befeuchtung.
Gemäß einer vorteilhaften Variante des Verfahrens, können die Taupunkte im rezirkulierten Kathodenabgas und im rezirkulierten Anodenabgas während der Abscheidung des Flüssigwassers in Abhängigkeit der Betriebsparameter des Brennstoffzellensystems vorzugsweise unabhängig voneinander variiert werden. Es ist auch möglich den Flüssigwasserabscheider kathodenseitig zu aktivieren und anodenseitig zu deaktivieren bzw. umgekehrt vorzugehen.
Folgende Betriebszustände können jeweils anodenseitig und kathodenseitig unterschieden werden:
a) Wasserabscheider deaktiviert:
= > Flüssigwasser wird gefördert,
= > maximale (sehr hohe) Befeuchtung,
= > eventuell auch Kühlung des O2-hältigen Gases durch Wasserverdampfung am Kathodeneinlass (nur Kathode).
b) Wasserabscheider aktiviert:
= > Flüssigwasser wird nicht gefördert (nur Gasphase), = > mittlere Befeuchtung,
= > keine Kühlung des O2-hältigen Gases durch Wasserverdampfung am Kathodeneinlass (nur Kathode),
= > Erhöhung des Gasflusses durch den Brennstoffzellen-Stack,
= > Vergleichmäßigung der Gasflüsse durch die Einzelzellen im Brennstoffzellen-Stack.
c) Wasserabscheider aktiviert und temperiert (z.B. gekühlt):
= > Flüssigwasser wird nicht gefördert (nur Gasphase),
= > Taupunkt wird abgesenkt,
= > mittlere bis geringe Befeuchtung,
= > dadurch z.B. schonende Trocknung der Brennstoffzellen möglich,
= > Feuchteregelung unabhängig von Durchflussregelung,
= > Erhöhung des Gasflusses durch den Brennstoffzellen-Stack, = > Vergleichmäßigung der Gasflüsse durch die Einzelzellen im Brennstoffzellen-Stack.
Erfindungsgemäß werden die kathodenseitig und anodenseitig rezirkulierten Gasmengen in Abhängigkeit der Betriebsparameter des Brennstoffzellensystems geregelt. Die Rezirkulatoren (Kompressoren, Gebläse oder Pumpen) in den beiden Rezirkulationsleitungen sind immer im Betrieb, wenn der Brennstoffzellen- Stack mit Reaktanden versorgt ist oder noch Reaktanden enthält, d.h. wenn am Stack noch eine Spannung anliegt, bei Betrieb mit Last (Strom fließt), bei Betrieb ohne Last ("Leerlauf"; kein Strom fließt), sowie während und nach dem "Shut- Down" und nach Beginn des "StartUp" des Stacks.
Beide Gasmengenströme (Durchflüsse) in den Rezirkulationsleitungen können für jeden Betriebszustand so geregelt werden, dass jeweils mindestens der größere Wert der beiden folgenden Mengenströme eingestellt wird:
• Bereitstellung von Reaktanden-Mengenströmen oberhalb des kritischen Wertes für die zwei Brennstoffzellen-Reaktionen (Stöchiometrien deutlich größer 1,0; anodenseitig und kathodenseitig);
• Bereitstellung von Reaktanden-Volumenströmen oberhalb des kritischen Wertes für die anodenseitigen und kathodenseitigen Druckverluste im Stack (beide Druckverluste oberhalb des kritischen bzw. minimalen Wertes);
• bei Stillstand des Stacks (Stack unter Spannung) jeweils Überschreiten eines Minimalwertes, abgeleitet aus Gaspermeations- und Diffusions-Eigenschaften der Komponenten der Brennstoffzelle.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung, bzw. das erfindungsgemäße Verfahren erlauben kathodenseitig und anodenseitig ein im Wesentlichen unabhängiges Gas- und Wassermanagement, mit allen Vorteilen rasch auf sich ändernde Betriebs- zustände des Systems zu reagieren.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von schematischen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine erste Ausführungsvariante eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems;
Fig. 2 bis Fig. 4 eine zweite, dritte und vierte Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Systems gemäß Fig. 1; sowie
Fig. 5 ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem mit kathodenseitigen und anodenseitigen Rückführleitungen. Die in den Figuren 1 bis 4 dargestellten Brennstoff zellensysteme 1 sind mit zumindest einer Niedertemperatur-Brennstoffzelle 2 ausgestattet, wobei in der Regel mehrere derartige Brennstoffzellen zu einem sogenannten Brennstoffzellenstack zusammengefasst sind. An der Brennstoffzelle 2 (bzw. dem Brennstoffzellenstack) ist mit A die Anodenseite und mit K die Kathodenseite gekennzeichnet. Alle Ausführungsvarianten der Erfindung weisen unterschiedlich ausgeführte kathodenseitige Rezirkulationseinrichtungen 3 auf, welche die Rezirkulationslei- tungen 10a, 10k und 11 aufweisen, wobei - wie dargestellt - auch eine einfache anodenseitige Rezirkulationseinrichtung 4 vorgesehen sein kann. Die erfindungsgemäßen Vorteile gelten auch für Brennstoffzellensysteme 1 gemäß Fig. 1 bis Fig. 3 ohne anodenseitige Rezirkulationseinrichtung 4.
Die Brennstoffzelle 2 weist eine kathodenseitige Zuführleitung 5 für ein O2-hälti- ges Gas (beispielsweise Luft) auf, sowie eine Abführleitung 6 für das Kathodenabgas. Weiters ist eine anodenseitige Zuführleitung 7 für ein H2-hältiges Brennstoffgas und eine Abführleitung 8 für das Anodenabgas vorgesehen. Die kathodenseitige Rezirkulationseinrichtung 3 dient bei der Erfindung zur teilweisen Rückführung der flüssigwasserfreien Gasphase und des Flüssigwassers in den Kathodenkreislauf der Brennstoffzelle 2. Allen Ausführungsvarianten der Erfindung ist gemeinsam, dass die Rezirkulationseinrichtung 3 einen Separator 9 zur Trennung des Kathodenabgases in eine flüssigwasserfreie Gasphase und in flüssiges Wasser aufweist, wobei für jede der beiden Komponenten zumindest eine separat regelbare Rezirkulationsleitung 10, 11 vorgesehen ist. Die Rezirkulati- onsleitung 10 für das Flüssigwasser besteht aus zwei separat regelbaren Zweigen 10a, 10k, wobei der erste Zweig 10k zur kathodenseitigen Wasserrückführung und der zweite Zweig 10a zur anodenseitigen Wasserrückführung dient. Die vom Separator 9 zur Verfügung gestellte Wassermenge kann somit je nach Betriebszustand des Brennstoffzellensystems aufgeteilt und teilweise dem Anodenkreislauf und/oder dem Kathodenkreislauf zugeführt werden.
Zur Regelung der Durchflussrate in den Rezirkulationsleitungen 10, 11 für die Gasphase und das Flüssigwasser sind in den einzelnen Ausführungsvarianten unterschiedliche Einrichtungen, wie der Kompressor 16 beim Lufteinlass, die Gebläse 15 und 17 im Anodenkreis und im Kathodenkreis, die Pumpen 18k und 18a für das Flüssigwasser, sowie die Drosselventile 19, 20k, 20a und 21 vorgesehen, mit welchen abhängig von den Betriebsparametern des Brennstoffzellensystems die jeweilige Durchflussrate geregelt werden kann.
Wie bereits weiter oben ausgeführt, kann im Anodenkreislauf eine einfache Rezirkulationseinrichtung 4 zur teilweisen Rückführung des Anodenabgases angeordnet sein, welche ausgehend von der Abführleitung 8 für das Anodenabgas eine in die anodenseitige Zuführleitung 7 mündende Rezirkulationsleitung 14 aufweist, wobei zur Regelung der Durchflussrate ein von den Betriebsparametern des Brennstoffzellensystems regelbares Gebläse 15 in der Rezirkulationsleitung 14 vorgesehen ist.
Das Brennstoffgas wird entweder aus einem geeigneten Brennstoff, der in einem Behälter 22 vorliegt durch Reformierung (siehe Reformer 23 mit H2O- und Wärmezufuhr, sowie Nachbehandlungseinrichtung 24 für das Reformat) hergestellt oder einem H2-Behälter 25 entnommen und in die anodenseitige Zuführleitung 7 eingespeist. Als O2-hältiges Gas kann beispielsweise Luft verwendet werden, welche über ein Filter 26 einen Kompressor 16 und ggf. einen Wärmetauscher 27 geführt und in die kathodenseitige Zuführleitung 5 eingespeist wird.
Wie in Fig. 1 dargestellt, kann gemäß einer Ausführungsvariante der Erfindung die Rezirkulationsleitung 11 für die Gasphase und ein erster Zweig 10k der Rezirkulationsleitung 10 für das Flüssigwasser in die kathodenseitige Zuführleitung 5 münden, wobei im Bereich der Einmündung der Rezirkulationsleitung 10k ein Verdampfer 12 angeordnet sein kann.
Gemäß den in den Figuren 2, 3 und 4 dargestellten Varianten der Erfindung ist es auch möglich, dass die Rezirkulationsleitung 11 für die Gasphase stromabwärts eines regelbaren Drosselventils 21 und stromaufwärts des Kompressors 16 in die kathodenseitige Zuführleitung einmündet. Durch diese Variante kann das Gebläse 17 in der kathodenseitigen Rezirkulationseinrichtung 3 entfallen, wobei durch die regelbaren Drosselventile 19 und 21 alle Teilströme (angesaugte Frischluft bzw. rückgeführte Gasphase) des Kathodenabgases unabhängig voneinander geregelt werden können.
Wie in den Figuren 3 und 4 weiters dargestellt, ist es auch möglich, dass zusätzlich der erste Zweig 10k der Rezirkulationsleitung 10 für das Flüssigwasser stromaufwärts des Kompressors 16 in die kathodenseitige Zuführleitung 5 einmündet, wodurch auf eine Wasserpumpe 18k in der Rezirkulationsleitung 10k verzichtet werden kann. Die Durchflussregelung für das Flüssigwasser erfolgt dann durch das Drosselventil 20k. Es ist auch möglich, dass das Flüssigwasser direkt in den Kompressor 16 rückgeführt wird.
Das im Separator 9 auf der Ausgangsseite der Kathode gewonnene Wasser kann auch für die Befeuchtung des Brennstoffgases verwendet werden. Wie in den Figuren 1 bis 3 dargestellt, mündet dazu ein zweiter Zweig 10a der Rezirkulationsleitung 10 für das Flüssigwasser in die anodenseitige Zuführleitung 7, wobei im Bereich der Einmündung der Rezirkulationsleitung 10a ggf. ein Verdampfer 13 angeordnet ist. Gemäß der in Fig. 4 dargestellten Ausführungsvariante der Erfindung kann der zweite Zweig 10a der Rezirkulationsleitung 10 für das Flüssigwasser stromaufwärts des Gebläses 15 in die Rezirkulationsleitung 14 für das Anodenabgas münden, wodurch eine Zirkulationspumpe in der Rückführleitung 10a entfallen kann, falls die Anodenseite bei einem im Vergleich zur Kathodenseite nicht zu hohen Druck betrieben wird. Die Durchflussmenge wird bei dieser Ausführungsvariante durch das Drosselventil 20a geregelt. Falls die Anodenseite der Brennstoffzelle auf einem durchschnittlich niedrigeren Druckniveau betrieben wird als die Kathodenseite, kann aufgrund des damit vorliegenden Druckgefälles das von der Kathodenseite stammende Flüssigwasser an einem beliebigen Ort des Anodenkreises eingespeist werden.
Es ergeben sich somit vier Hauptvarianten der Erfindung :
Variante 1 (Fig. 1)
System mit fünf "Pumpen"
- ein Kompressor 16 für die Frischluft,
- zwei Gebläse 15, 17 für die Rezirkulation der Gasphasen (Anodenkreislauf, Kathodenkreislauf),
- zwei Pumpen 18k, 18a für die kathodenseitige und anodenseitige Rezirkulation von Flüssigwasser aus dem Separator 9.
Variante 2 (Fig. 2)
System mit vier "Pumpen" und zwei Drosselklappen
- ein Kompressor 16 für die Frischluft und für die Rezirkulation der Gasphase (Kathodenkreislauf),
- ein Gebläse 15 für die Rezirkulation des Anodenabgases,
- zwei Pumpen 18k, 18a für die kathodenseitige und anodenseitige Rezirkulation von Flüssigwasser aus dem Separator 9,
- eine Drosselklappe 21 in der kathodenseitigen Zuführleitung 5 für Frischluft,
- eine Drosselklappe 19 in der Rezirkulationsleitung 11 für das Gasphasen- Rezirkulat (Kathodenkreislauf). Variante 3 (Fig. 3)
System mit drei "Pumpen" und drei Drosselklappen
- ein Kompressor 16 für die Frischluft, für die Rezirkulation der Gasphase (Kathodenkreislauf) und für die Rezirkulation von Flüssigwasser aus dem Separator 9 in den Kathodenkreislauf,
- ein Gebläse 15 für die Rezirkulation des Anodenabgases,
- eine Pumpe 18a für die anodenseitige Rezirkulation von Flüssigwasser aus dem Separator 9,
- eine Drosselklappe 21 in der kathodenseitigen Zuführleitung 5 für Frischluft,
- eine Drosselklappe 19 in der Rezirkulationsleitung 11 für die Gasphase (Kathodenkreislauf),
- eine Drosselklappe 20k in der Rezirkulationsleitung 10k für das Flüssigwasser (Kathodenkreislauf).
Variante 4 (Fig. 4)
System mit 2 "Pumpen" und vier Drosselklappen
- ein Kompressor 16 für Frischluft, für die Rezirkulation der Gasphase (Kathodenkreislauf) und für die Rezirkulation von Flüssigwasser aus dem Separator 9 in den Kathodenkreislauf,
- ein Gebläse 15 für Rezirkulation des Anodenabgases und für die Rezirkulation von Flüssigwasser aus dem Separator 9 in den Anodenkreislauf,
- eine Drosselklappe 21 in der kathodenseitigen Zuführleitung 5 für Frischluft,
- eine Drosselklappe 19 in der Rezirkulationsleitung 11 für die Gasphase (Kathodenkreislauf),
- eine Drosselklappe 20k in der Rezirkulationsleitung 10k für das Flüssigwasser (Kathodenkreislauf),
- eine Drosselklappe 20a in der Rezirkulationsleitung 10a für das Flüssigwasser (Anodenkreislauf).
In den Varianten 2 bis 4 kann die Drosselklappe 21 auch entfallen, wenn der Durchfluss der frischen Luft direkt über die Leistung bzw. Drehzahl des Kompressors 16 geregelt wird, und der Durchfluss der rezirkulierten Gäsphase, abhängig vom Unterdruck vor dem Kompressor 16, über die Drosselklappe 19. In den Va- rjanten 3 und 4 kann der Durchfluss des Flüssigwasser-Rezirkulats ebenfalls abhängig vom Unterdruck vor dem Kompressor 16 über die Drosselklappe 20k geregelt werden Bei hoher Rezirkulationsrate ergibt sich eine Rückkoppelung auf die Kompressorleistung, weil deutlich mehr gefördert werden müss (Frischluft und Rezirkulat).
Das erfindungsgemäße System in der Variante mit den separat regelbaren Rezir- kulationsleitungen für die flüssigwasserfreie Gasphase und das Flüssigwasser zeichnet sich durch folgende Vorteile aus:
gute Befeuchtung beider Reaktanden bei allen Lastzuständen, sowie großer Durchfluss bei kleinen Lasten;
einfacher Aufbau der Kathodenseite des Brennstoffzellensystems; sehr dynamischer Betrieb des Brennstoffzellensystems möglich; auf Speicherung von flüssigem Wasser und komplexes Flüssigwasser-Management kann verzichtet werden (außer temporärer Speicherung kleiner Mengen im Separator);
Anodenseite des Brennstoffzellensystems kann sehr einfach aufgebaut sein; kathodenseitiger Betrieb mit Rezirkulation der Gasphase bei ausreichend hohen Gasdurchflüssen verhindert Ungleichverteilung der Gase und verhindert damit Elektroden-Korrosion;
Die dem System insgesamt zuzuführende Frischgasmenge (Frischluft von außen) kann gering gehalten werden, d.h. die Luftstöchiometrie ist sowohl bei großen auch bei kleinen Lasten recht gering (z.B. 2,0 - 2,5). Damit wird Kompressorleistung eingespart; kathodenseitiger Betrieb mit Rezirkulation der Gasphase ermöglicht eine verbesserte Befeuchtung des Kathodengases bei allen Lasten und damit eine Verringerung der Membran-Degradation, sowie eine Erhöhung der Membranleitfähigkeit und der Zellleistung ; kathodenseitiger Betrieb mit Rezirkulation des Flüssigwassers ermöglicht verbesserte Befeuchtung des Kathodengases primär bei hoher Last; zum Teil kann auf eine zusätzliche Befeuchtungseinheit ganz verzichtet werden; anodenseitiger Betrieb mit Rezirkulation des Kathoden-Flüssigwassers ermöglicht verbesserte Befeuchtung des Anodengases bei allen Lasten; zum Teil kann anodenseitig auf eine zusätzliche Befeuchtungseinheit ganz verzichtet werden; sehr schnelle Reaktion bzw. Einleitung von Gegenmaßnahmen bei Erreichen eines kritischen Zustandes des Stacks möglich; Änderung (Erhöhung oder Verringerung) von einer der beiden (oder beiden) Kathoden-Rezirkulationsraten für Gasphase und flüssiges Wasser; dadurch völlig unabhängiger, dynamischer Betrieb der beiden Kathoden-Rezirkulati- onen möglich;
Änderung (Erhöhung oder Verringerung) der Rezirkulationsrate von flüssigem Wasser in den Anodenkreislauf; auf kathodenseitigen Gaskühler nach Kompression der Luft kann zum Teil verzichtet werden da die Kühlung der komprimierten "Frischluft" durch Verdampfung von Flüssigwasser-Rezirkulat möglich ist.
Das in Fig. 5 dargestellte Brennstoffzellensystem 1 ist ebenfalls mit zumindest einer Niedertemperatur-Brennstoffzelle 2 ausgestattet, wobei in der Regel mehrere derartige Brennstoffzellen zu einem sogenannten Brennstoffzellenstack zu- sammengefasst sind. An der Brennstoffzelle 2 (bzw. dem Brennstoffzellenstack) ist auch hier mit A die Anodenseite und mit K die Kathodenseite gekennzeichnet. Das System gemäß Fig. 5 kann beispielsweise als Antriebssystem für ein nicht weiter dargestelltes Fahrzeug dienen.
Das Brennstoffzellensystem 1 weist eine kathodenseitige Rezirkulationseinrich- tungen 3, sowie eine im Wesentlichen gleichartig aufgebaute anodenseitige Re- zirkulationseinrichtung 4 auf. Die Brennstoffzelle 2 ist mit einer kathodenseitigen Zuführleitung 5 für ein O2-hältiges Gas (beispielsweise Luft), sowie einer Abführleitung 6 für das Kathodenabgas (im Wesentlichen N2, O2 und H2O) ausgestattet. Weiters ist eine anodenseitige Zuführleitung 7 für ein H2-hältiges Brennstoffgas und eine Abführleitung 8 für das Anodenabgas (im Wesentlichen N2, H2 und H2O sowie ggf. CO2) vorgesehen. Die kathodenseitige Rezirkulationseinrichtung 3 dient zur teilweisen Rückführung des Kathodenabgases in den Kathodenkreislauf der Brennstoffzelle 2, wobei ausgehend von der Abführleitung 6 für das Kathodenabgas eine in die kathodenseitige Zuführleitung 5 mündende Rezirkulations- leitung 11 vorgesehen ist. Zur Regelung der Durchflussrate in der Rezirkula- tionsleitung 11 dient ein von den Betriebsparametern des Brennstoffzellensystems regelbares Gebläse 17.
Die Rezirkulationseinrichtung 4 dient zur teilweisen Rückführung des Anodenabgases, welche ausgehend von der Abführleitung 8 für das Anodenabgas eine in die anodenseitige Zuführleitung 7 mündende Rezirkulationsleitung 14 aufweist, wobei zur Regelung der Durchflussrate ein von den Betriebsparametern des Brennstoffzellensystems regelbares Gebläse 15 in der Rezirkulationsleitung 14 vorgesehen ist.
Zur Regelung der rückgeführten Wassermenge ist in der kathodenseitigen und der anodenseitigen Rezirkulationsleitung 11, 14 jeweils ein deaktivierbarer und temperierbarer Flüssigwasser-Abscheider 30, 31 angeordnet. Bevorzugt sind dabei die Gebläse 15, 17 stromabwärts der Flüssigwasser-Abscheider 30, 31 in den Rezirkulationsleitungen 11, 14 angeordnet, sodass diese im Wesentlichen für die Förderung von flüssigwasserfreien Gasphasen ausgelegt sein können.
In der Abführleitung 6 für das Kathodenabgas, stromabwärts der Abzweigung der kathodenseitigen Rezirkulationsleitung 11, ist ein weiterer Flüssigwasser-Abscheider 32 angeordnet
Das Brennstoffgas wird entweder aus einem geeigneten Brennstoff, der in einem Behälter 22 vorliegt, durch Reformierung (siehe Reformer 23 mit H2O- und Wärmezufuhr, sowie Nachbehandlungseinrichtung 24 für das Reformat) hergestellt oder einem H2-Behälter 25 entnommen und in die anodenseitige Zuführleitung 7 eingespeist. Als O2-hältiges Gas kann beispielsweise Luft verwendet werden, welche über ein Filter 26 einen Kompressor 16 und ggf. einen Wärmetauscher 27 geführt und in die kathodenseitige Zuführleitung 5 eingespeist wird. Im dargestellten Beispiel weist der Brennstoffzellen-Stack 2 einen von einem Kühlmittel durchströmten Kühlkreislauf 34 auf.
Das aus dem rezirkulierten Kathodenabgas und Anodenabgas in den Flüssigwasser-Abscheidern 30, 31 abgeschiedene Flüssigwasser kann für die Befeuchtung der Reaktanden verwendet werden, ebenso das vom Flüssigwasser-Abscheider 32 in der Abführleitung 6 gewonnene Wasser. Das abgeschiedene Flüssigwasser kann auch dem Reformer 23 zugeführt werden, um das H2-hältige Brennstoffgases aus einem geeigneten Brennstoff herzustellen.
Die Versorgung der Gebläse 15, 17 mit elektrischer Energie kann direkt aus dem Brennstoffzellen-Stack 2 (wenn dieser in Betrieb ist), bzw. aus einem Energiespeicher 33 (Batterie, Akku etc., wenn der Brennstoffzellen-Stack 2 keine Energie liefert) erfolgen.
Auf der Kathodenseite nach dem Luftkompressor 16 kann eventuell auf einen Gaskühler verzichtet werden, wenn der Betriebsdruck des Stacks (Druck der Luft), und damit die Temperatur nach der Kompression, niedrig gehalten wird, oder wenn der "Frischluft-Strom" wegen der Rezirkulation des Kathodenabgases sehr klein gehalten wird (Frischluft-Stöchiometrie < 2). Dadurch kann die komprimierte Frischluft durch Verdünnung bzw. Mischung mit dem Rezirkulat ausreichend gekühlt werden.
Bei deaktiviertem Wasserabscheider 30 kann die Frischluft durch Verdünnung bzw. Mischung mit Rezirkulat und durch Verdampfung von im Rezirkulat mitgeführtem flüssigem Wasser ausreichend gekühlt werden Das erfindungsgemäße Systemvariante, bei welcher in der kathodenseitigen und der anodenseitigen Rezirkulationsleitung jeweils ein in Abhängigkeit der Betriebsparameter des Brennstoffzellensystems aktivierbarer bzw. deaktivierbarer Flüssigwasser-Abscheider angeordnet ist, zeichnet sich durch folgende Vorteile aus:
einfacher Aufbau des Brennstoffzellensystems;
Betrieb mit Rezirkulation bei ausreichend hohen Gasdurchflüssen' verhindert Ungleichverteilung der Gase und verhindert dadurch Korrosion;
Betrieb mit Rezirkulation ermöglicht generell eine Vergleichmäßigung der Bedingungen innerhalb des Stacks des Brennstoffzeilensystems
(überschüssiges) Flüssigwasser kann - ohne das sonst übliche Durchblasen mit Frischgas - durch Rezirkulation in Flüssigwasser-Abscheidern abgetrennt werden (gleichmäßiger Wasseraustrag);
Wasserabscheider sind temperierbar => gleichmäßig, langsame Trocknung (günstig für z.B. ShutDown-Prozedur) sehr schnelle Einleitung von Gegenmaßnahmen ist bei Überschreitung eines kritischen Zustandes des Stacks möglich; rasche und einfache Erhöhung der Rezirkulationsrate bei kritisch niedrigem Durchfluss, bei kritisch niedrigem Druckverlust, bei zu niedriger Befeuchtung bzw. zu niedriger Gasfeuchte sowie bei Vorhandensein von überflüssigem Wasser im Stack; ausreichende Befeuchtung auf der Anodenseite für alle Betriebszustände wird ermöglicht; ausreichende Befeuchtung auf Kathodenseite für die meisten Betriebszustände wird ermöglicht; guter Wasserhaushalt bzw. gute Versorgung des Stacks mit Gasfeuchte im wesentlichen mit Eigenbefeuchtung der Gase durch Rezirkulation; auf Gaskühler nach der Kompression der Luft kann eventuell verzichtet werden, da eine Kühlung der komprimierten "Frischluft" durch das Rezirkulat möglich ist.

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Brennstoffzellensystem (1) mit zumindest einer Niedertemperatur-Brenn- stoffzelle (2) mit einer kathodenseitigen Zuführleitung (5) für ein Ölhaltiges Gas, vorzugsweise Luft, einer Abführleitung (6) für das Kathodenabgas, einer anodenseitigen Zuführleitung (7) für ein H2-hältiges Brennstoffgas, einer Abführleitung (8) für das Anodenabgas, sowie einer kathodenseitigen Rezirkulationseinrichtung (3) zur teilweisen Rückführung des Kathodenabgases in den Kathodenkreislauf der Brennstoffzelle (2), wobei die kathodenseitige Rezirkulationseinrichtung (3) einen Separator (9) zur Trennung des Kathodenabgases in eine flüssigwasserfreie Gasphase und Flüssigwasser aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl für die flüssigwasserfreie Gasphase als auch für das Flüssigwasser zumindest eine separat regelbare Rezirkulationsleitung (10, 11) vorgesehen ist.
2. Brennstoffzellensystem (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Rezirkulationsleitung (10) für das Flüssigwasser aus zwei separat regelbaren Zweigen (10k, 10a) besteht, wobei der erste Zweig (10k) zur kathodenseitigen und der zweite Zweig (10a) zur anodenseitigen Wasserrückführung dient
3. Brennstoffzellensystem (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Regelung der Durchflussrate in den Rezirkulationslei- tungen (10, 11) für die flüssigwasserfreie Gasphase und das Flüssigwasser abhängig von den Betriebsparametern des Brennstoffzellensystems regelbare Kompressoren (16), Gebläse (17), Pumpen (18k, 18a) und/oder Drosselventile (19, 20k, 20a, 21) angeordnet sind.
4. Brennstoffzellensystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass im Anodenkreislauf eine Rezirkulationseinrichtung (4) zur teilweisen Rückführung des Anodenabgases in die Brennstoffzelle (2) angeordnet ist, welche eine in die anodenseitige Zuführleitung (7) mündende Rezirkulationsleitung (14) für das Anodenabgas aufweist, wobei zur Regelung der Durchflussrate in der Rezirkulationsleitung (14) ein von den Betriebsparametern des Brennstoffzellensystems regelbares Gebläse (15) angeordnet ist.
5. Brennstoffzellensystem (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Rezirkulationsleitung (11) für die flüssigwas¬ serfreie Gasphase und ein erster Zweig (10k) der Rezirkulationsleitung (10) für das Flüssigwasser in die kathodenseitige Zuführleitung (5) mün- den, wobei im Bereich der Einmündung der Rezirkulationsleitung (10k) für das Flüssigwasser ggf. ein Verdampfer (12) angeordnet ist.
6. Brennstoffzellensystem (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Rezirkulationsleitung (11) für die flüssigwasserfreie Gasphase stromabwärts eines regelbaren Drosselventils (21) und stromaufwärts eines Kompressors (16) in die kathodenseitige Zuführleitung (5) mündet.
7. Brennstoffzellensystem (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Zweig (10k) der Rezirkulationsleitung (10) für das Flüssigwasser stromaufwärts eines Kompressors (16) oder im Kompressor (16) in die kathodenseitige Zuführleitung (5) mündet.
8. Brennstoffzellensystem (1) nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweiter Zweig (10a) der Rezirkulationsleitung (10) für das Flüssigwasser in die anodenseitige Zuführleitung (7) mündet, wobei im Bereich der Einmündung der Rezirkulationsleitung (10a) ggf. ein Verdampfer (13) angeordnet ist.
9. Brennstoffzellensystem (1) nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweiter Zweig (10a) der Rezirkulationsleitung (10) für das Flüssigwasser stromaufwärts eines Gebläses (15) in die Rezirkulationsleitung (14) für das Anodenabgas mündet.
10. Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems mit zumindest einer Niedertemperatur-Brennstoffzelle, wobei das Kathodenabgas zumindest teilweise rezirkuliert wird, wobei das rezirkulierte Kathodenabgas in eine flüssig wasserfreie Gasphase und in Flüssigwasser getrennt wird, dadurch gekennzeichnet, dass beide Komponenten, die Gasphase und das Flüssigwasser, getrennt und unabhängig voneinander geregelt in den Kathodenkreislauf rückgeführt werden.
11. Verfahren nach Anspruch 10 , dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil des Flüssigwassers in den Anodenkreislauf rückgeführt wird.
12. Brennstoffzellensystem (1) mit zumindest einer Niedertemperatur-Brennstoffzelle (2) mit einer kathodenseitigen Zuführleitung (5) für ein O2-hälti- ges Gas, vorzugsweise Luft, einer Abführleitung (6) für das Kathodenabgas, einer anodenseitigen Zuführleitung (7) für ein H2-hältiges Brennstoffgas, einer Abführleitung (8) für das Anodenabgas, sowie einer kathodenseitigen Rezirkulationsleitung (11) zur teilweisen Rückführung des Kathodenabgases in den Kathodenkreislauf der Brennstoffzelle (2) und einer anodenseitigen Rezirkulationsleitung (14) zur teilweisen Rückführung des Anodenabgases in den Anodenkreislauf der Brennstoffzelle (2), dadurch gekennzeichnet, dass in der kathodenseitigen und der anodenseitigen Rezirkulationsleitung (11, 14) jeweils ein in Abhängigkeit der Betriebsparameter des Brennstoffzellensystems aktivierbarer bzw. deaktivierbarer Flüssigwasser-Abscheider (30, 31) angeordnet ist, sodass in der kathodenseitigen und der anodenseitigen Rezirkulationsleitung (11, 14) stromabwärts der aktivierten Flüssigwasser-Abscheider (30, 31) jeweils eine flüssigwasserfreie Gasphase vorliegt .
13. Brennstoffzellensystem (1) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigwasser-Abscheider (30, 31) temperierbar ausgeführt sind.
14. Brennstoffzellensystem (1) nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekenn- zeichnet, dass zur Regelung der Durchflussrate in den Rezirkulationslei- tungen (11, 14) für das Kathodenabgas und das Anodenabgas abhängig von den Betriebsparametern des Brennstoffzellensystems (1) regelbare Rezirkulatoren, beispielsweise Verdichter, Gebläse (15, 17) oder Pumpen, angeordnet sind.
15. Brennstoffzellensystem (1) nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Gebläse (15, 17) stromabwärts der Flüssigwasser-Abscheider (30, 31) in den Rezirkulationsleitungen (11, 14) angeordnet sind.
16. Brennstoffzellensystem (1) nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass in der Abführleitung (6) für das Kathodenabgas, stromabwärts der Abzweigung der kathodenseitigen Rezirkulationsleitung (11), ein weiterer Flüssigwasser-Abscheider (32) angeordnet ist.
17. Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems mit zumindest einer Niedertemperatur-Brennstoffzelle, welcher kathodenseitig ein O2-hältiges Gas, vorzugsweise Luft, und anodenseitig ein H2-hältiges Brennstoffgas zugeführt wird, wobei das Kathodenabgas und das Anodenabgas der Brennstoffzelle teilweise rezirkuliert werden, dadurch gekennzeichnet, dass im rezirkulierten Kathodenabgas und/oder im rezirkulierten Anodenabgas in Abhängigkeit der Betriebsparameter des Brennstoffzellensystems ein Flüssigwasserabscheider aktiviert bzw. deaktiviert wird und die flüssigwasserfreien bzw. Flüssigwasser aufweisenden Gasphasen in den Kathodenkreislauf und den Anodenkreislauf rückgeführt werden.
18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet dass die Taupunkte im rezirkulierten Kathodenabgas und im rezirkulierten Anodenabgas während der Abscheidung des Flüssigwassers in Abhängigkeit der Be- triebsparameter des Brennstoffzellensystems vorzugsweise unabhängig voneinander variiert werden.
19. Verfahren nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass die kathodenseitig und anodenseitig rezirkulierten Gasmengen in Abhängigkeit der Betriebsparameter des Brennstoffzellensystems geregelt werden.
20. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass das aus dem rezirkulierten Kathodenabgas und Anodenabgas abgeschiedene Flüssigwasser für die Befeuchtung der Reaktand'en verwendet wird.
21. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 20 dadurch gekennzeichnet, dass das aus dem rezirkulierten Kathodenabgas und Anodenabgas abgeschiedene Flüssigwasser einem Reformer zur Herstellung des Hz-hältigen Brennstoffgases aus einem geeigneten Brennstoff verwendet wird.
PCT/AT2007/000209 2006-05-09 2007-05-03 Brennstoffzellensystem WO2007128018A2 (de)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE112007001085T DE112007001085A5 (de) 2006-05-09 2007-05-03 Brennstoffzellensystem

Applications Claiming Priority (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
AT0080006A AT501963B1 (de) 2006-05-09 2006-05-09 Brennstoffzellensystem, sowie verfahren zum betrieb eines brennstoffzellensystems
ATA800/2006 2006-05-09
ATA801/2006 2006-05-09
AT0080106A AT502009B1 (de) 2006-05-09 2006-05-09 Brennstoffzellensystem, sowie verfahren zum betrieb eines brennstoffzellensystems

Publications (2)

Publication Number Publication Date
WO2007128018A2 true WO2007128018A2 (de) 2007-11-15
WO2007128018A3 WO2007128018A3 (de) 2008-01-10

Family

ID=38327060

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/AT2007/000209 WO2007128018A2 (de) 2006-05-09 2007-05-03 Brennstoffzellensystem

Country Status (2)

Country Link
DE (1) DE112007001085A5 (de)
WO (1) WO2007128018A2 (de)

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102016118346A1 (de) 2016-09-28 2018-03-29 Audi Ag Kathodenversorgung für eine Brennstoffzelle
DE102018101437A1 (de) * 2018-01-23 2019-07-25 Proton Motor Fuel Cell Gmbh Ventilvorrichtung ausgebildet zur Führung von Luft und/oder Kühlflüssigkeit einer Brennstoffzellenanordnung, Brennstoffzellenanordnung und Brennstoffzellenantrieb mit einer solchen Ventilvorrichtung
WO2021190933A1 (de) * 2020-03-27 2021-09-30 Robert Bosch Gmbh Lageranordnung für eine achswelle eines turbokompressors
AT525058B1 (de) * 2021-10-06 2022-12-15 Avl List Gmbh Erkennungsverfahren für ein Erkennen von flüssigem Wasser in einem Strömungsabschnitt in einem Brennstoffzellensystem
WO2023208714A1 (de) * 2022-04-28 2023-11-02 Robert Bosch Gmbh Brennstoffzellensystem und trocknungsverfahren zum trocknen von brennstoffzellen eines brennstoffzellensystems

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO1999065090A2 (en) * 1998-05-19 1999-12-16 International Fuel Cells Corporation System and method of water management in the operation of a fuel cell
DE20210130U1 (de) * 2002-07-01 2004-03-04 Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg Gemeinnützige Stiftung Testanlage für Brennstoffzellen
WO2005064730A2 (en) * 2003-12-24 2005-07-14 Ener1, Inc. Fuel cell with integrated feedback control

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO1999065090A2 (en) * 1998-05-19 1999-12-16 International Fuel Cells Corporation System and method of water management in the operation of a fuel cell
DE20210130U1 (de) * 2002-07-01 2004-03-04 Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg Gemeinnützige Stiftung Testanlage für Brennstoffzellen
WO2005064730A2 (en) * 2003-12-24 2005-07-14 Ener1, Inc. Fuel cell with integrated feedback control

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102016118346A1 (de) 2016-09-28 2018-03-29 Audi Ag Kathodenversorgung für eine Brennstoffzelle
DE102018101437A1 (de) * 2018-01-23 2019-07-25 Proton Motor Fuel Cell Gmbh Ventilvorrichtung ausgebildet zur Führung von Luft und/oder Kühlflüssigkeit einer Brennstoffzellenanordnung, Brennstoffzellenanordnung und Brennstoffzellenantrieb mit einer solchen Ventilvorrichtung
WO2021190933A1 (de) * 2020-03-27 2021-09-30 Robert Bosch Gmbh Lageranordnung für eine achswelle eines turbokompressors
AT525058B1 (de) * 2021-10-06 2022-12-15 Avl List Gmbh Erkennungsverfahren für ein Erkennen von flüssigem Wasser in einem Strömungsabschnitt in einem Brennstoffzellensystem
AT525058A4 (de) * 2021-10-06 2022-12-15 Avl List Gmbh Erkennungsverfahren für ein Erkennen von flüssigem Wasser in einem Strömungsabschnitt in einem Brennstoffzellensystem
WO2023208714A1 (de) * 2022-04-28 2023-11-02 Robert Bosch Gmbh Brennstoffzellensystem und trocknungsverfahren zum trocknen von brennstoffzellen eines brennstoffzellensystems

Also Published As

Publication number Publication date
DE112007001085A5 (de) 2009-04-09
WO2007128018A3 (de) 2008-01-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE102007026331B4 (de) Brennstoffzellensystem mit verbessertem Feuchtemanagement und dessen Verwendung in einem Fahrzeug
DE102006019114B4 (de) Brennstoffzellensystem zur verbesserten Wasserstoff- und Sauerstoffverwendung
DE102006022863B4 (de) Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems
DE102007026330B4 (de) Brennstoffzellensystem und Verfahren zum Begrenzen der Wasserstoffkonzentration im gemischten Abgas eines Brennstoffzellenstapels
DE102013101826B4 (de) Verfahren und System zum Spülen von Wasser aus einem Brennstoffzellenstapel
DE10328856A1 (de) Steuerung und Diagnose von Abgasemissionen
DE19701560A1 (de) Brennstoffzellensystem
DE112004002279T5 (de) Brennstoffzellensystem und Verfahren zum Starten desselben
DE102007046056A1 (de) Verbesserung des Wasserübertragungswirkungsgrades in einem Membranbefeuchter durch Reduzierung einer Trockenlufteinlasstemperatur
DE102007026332B4 (de) Brennstoffzellensystem und Verfahren zur Kathodenübergangsfeuchtesteuerung in einem Brennstoffzellensystem
DE102007024838A1 (de) Steuerung mehrerer Druckregimes, um RF-Abweichungen bei Übergängen zu minimieren
DE10328583A9 (de) Brennstoffzelle und Verfahren zum Steuern/Regeln derselben
DE102016111219B4 (de) Brennstoffzellensystem
WO2016124575A1 (de) Brennstoffzellensystem und verfahren zum betrieb eines solchen
DE102014224135B4 (de) Verfahren zum Abschalten eines Brennstoffzellenstapels sowie Brennstoffzellensystem
DE102015215927A1 (de) Brennstoffzellensystem sowie Verfahren zum Betreiben eines solchen
DE102004038633B4 (de) Brennstoffzellensystem mit Ladeluftbefeuchtung
WO2007128018A2 (de) Brennstoffzellensystem
DE102009050934B4 (de) Verfahren und System für Abhilfemassnahmen in dem Fall des Ausfalls eines Kathodenbypassventils in einem Brennstoffzellensystem
DE102016201611A1 (de) Verfahren zum Trocknen eines Brennstoffzellensystems, Verfahren zum Abschalten eines Brennstoffzellensystems und Brennstoffzellensystem zum Durchführen dieser Verfahren
DE102017102354A1 (de) Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems und zum Einstellen einer relativen Feuchte eines Kathodenbetriebsgases während einer Aufheizphase
DE102018124717A1 (de) Brennstoffzellensystem
EP1427046B1 (de) Brennstoffzelle mit Regulierung des Wassergehalts der Reaktanden
AT501963B1 (de) Brennstoffzellensystem, sowie verfahren zum betrieb eines brennstoffzellensystems
AT502009B1 (de) Brennstoffzellensystem, sowie verfahren zum betrieb eines brennstoffzellensystems

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 07718423

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A2

REF Corresponds to

Ref document number: 112007001085

Country of ref document: DE

Date of ref document: 20090409

Kind code of ref document: P

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 07718423

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A2