WO2012034636A1 - Brennstoffzellensystem - Google Patents

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WO2012034636A1
WO2012034636A1 PCT/EP2011/004248 EP2011004248W WO2012034636A1 WO 2012034636 A1 WO2012034636 A1 WO 2012034636A1 EP 2011004248 W EP2011004248 W EP 2011004248W WO 2012034636 A1 WO2012034636 A1 WO 2012034636A1
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water
cell system
water separator
anode
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PCT/EP2011/004248
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Cosimo Mazzotta
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Daimler Ag
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Publication date
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    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the fuel cell system The fuel cell system
  • the invention relates to a fuel cell system with at least one fuel cell according to the closer defined in the preamble of claim 1.
  • Fuel cell systems are known from the general state of the art. Often, these fuel cell systems, especially if they have a stack of PEM fuel cells, operated so that they on the anode side fresher
  • Hydrogen is supplied in a larger amount than is absolutely necessary for operation of the fuel cell. This facilitates the uniform distribution of hydrogen in the anode compartment of the fuel cell, thus making it possible to make optimum use of the active materials of the membrane and of the electrodes over the entire available area. An exhaust gas flowing out of the anode compartment then contains
  • Hydrogen are returned to the anode compartment of the fuel cell.
  • This structure with a so-called anode circuit or anode loop also requires a water separator to separate the accumulating in the anode circuit water.
  • the gas should be from the
  • Anodenniklauf be discharged either continuously with minimal flow or from time to time with a correspondingly larger volume flow to purge the nitrogen and other inert gases from the anode circuit, so as to ensure that the hydrogen concentration during operation of the fuel cell in the anode circuit is always sufficiently high.
  • Cathode space or the cathode compartment separating from the anode compartment membrane are wetted with water. This can make it punctual
  • a further water separator is provided, which is arranged in the supply air line.
  • the water separator serves to separate via the drain line of the water separator from the anode circuit registered water from the supply air to the cathode compartment of the fuel cell. This water can then be deliberately drained off, while those along with the water in the area of
  • Supply air line registered gases can flow largely separated from this water in the cathode compartment of the fuel cell.
  • Electrocatalysts can then abreact the residual hydrogen contained therein, so as to avoid hydrogen emissions from the fuel cell system.
  • the further water separator in the supply air line in front of the cathode compartment provides the decisive advantage that, regardless of the current operating state of the system and regardless of the amount of supply air to the system, whenever the system is in operation, draining water and anode exhaust gas can be carried out.
  • the strategy for discharging anode exhaust gas and water can thus be largely
  • Fuel cell system if this is operated in the start / stop, should be dispensed with a discharge of water and gas, since then no oxygen is available to in the field of electrocatalysts of the cathode compartment the registered Implement hydrogen accordingly.
  • the discharge of water and gas can be realized because the amount of
  • the further water separator is connected via a water outlet with an exhaust duct of the cathode compartment.
  • the water is entered in a relatively direct way in the region of an exhaust duct of the cathode compartment. Since in the exhaust air of the cathode compartment anyway a large part of the resulting product water in the fuel cell is contained, the additional water can be removed here easily and efficiently with. Any measures to prevent liquid water from leaking out of the fuel cell system can thus be used not only for the product water from the cathode compartment, but also without further constructive measures, for the product water from the anode compartment, if so desired.
  • the water from the area of the further water separator can be introduced either before or after this into the exhaust air line. It can evaporate so in the comparatively warm air and possibly still to
  • Throttling points and / or valve devices for influencing the flow are conceivable both for the water drainage and for the drainage line.
  • a throttle point can be realized via a throttle point, a continuous effluent and / or a controllable valve means a controllable drain, for example, timed or depending on the amount of water that has accumulated in the water or the other water separator can be realized.
  • Combinations of valve devices and throttle points, for example, by a permanent bypass is arranged around a valve device, which allows a continuous outflow, are of course conceivable.
  • controllable valve devices present are at least one of the water separator has a device for detecting the water level, wherein the valve device is then controlled or regulated in the flow direction after this water separator depending on the water level.
  • a device for detecting the water level which either via at least one level sensor, via a computer unit for determining the
  • Water level can be realized on the basis of operating parameters of the fuel cell or via a flow measurement from the water to another water separator, it is then possible to control the valve device based on the water level in the water. This ensures that at least whenever a corresponding water level is reached, a discharge takes place. In particular, in the case of the further water separator in the region of the supply air line, it can moreover be ensured that only water is discharged into the region of the exhaust air line, and the valve device is always closed when there is still a residue of water in the water separator.
  • the sole attached figure shows a section of a fuel cell system.
  • a fuel cell system 1 can be seen, which can thus be used in an ideal manner for the provision of electrical drive energy in a vehicle. It comprises a fuel cell 2, which, for example, as a stack of
  • the individual cells are preferably embodied in PEM technology and have a membrane 3 which separates a cathode space 4 from an anode space 5 of the fuel cell 2.
  • the cathode compartment 4 is supplied via an air conveyor 6 air as an oxygen supplier. This passes through a supply air line 7 in the region of the cathode chamber 4 and flows, depleted in oxygen, via an exhaust duct 8 again from the cathode compartment 4 from.
  • the exhaust air can then enter the environment or previously possibly still suitable Burners, turbines or the like, as is known per se from the general state of the art.
  • Hydrogen is supplied from a compressed gas reservoir 9 to the anode compartment 5 of the fuel cell 2 and passes through a hydrogen valve 10 and a hydrogen supply line 1 into the region of the anode compartment 5. Unused hydrogen in the region of the anode compartment 5 flows out of the anode compartment 5 via a recirculation line 12 passes through a recirculation conveyor 13 back into the area of
  • Hydrogen supply line 1 The exhaust gas is here with fresh hydrogen from the
  • time inert gases in particular nitrogen
  • a part of the product water of the fuel cell 2 which is formed in the region of the anode chamber 5 collects in the anode circuit 14.
  • Anodic circulation 14 volume thereby drops despite added fresh
  • Anodenniklauf 14 a large part of the accumulated inert gases is discharged, typically together with a small amount of hydrogen. After draining the gases and the water is then again a very high concentration of hydrogen in the anode circuit 14 is available, so that the fuel cell 2 can work ideally.
  • the water passes together with the exhaust gas from the anode circuit 14 in the region of the air supply line 7 to the cathode compartment 4.
  • This construction ensures that the residual hydrogen contained in the exhaust gas in the region of the cathode compartment 4 on the electrocatalysts of the cathode compartment 4 with the Responded via the air conveyor 6 funded incoming air and forms water. As a result, emissions of hydrogen into the environment of the fuel cell system 1 are prevented. Since the amount of hydrogen which is discharged from the anode circuit 14 is typically low, the stress on the catalysts or the cathode space caused thereby is minimal and even a small amount of air conveyed in the supply air line 7 is sufficient to prevent hydrogen emissions.
  • a further water separator 18 is then provided, which is arranged in the flow direction of the incoming air flowing in the supply air line 7 upstream of the entrance into the cathode compartment 4.
  • the exhaust duct 17 opens, as shown in the figure, in the flow direction before the further water separator 18 in the supply air duct 7.
  • Exhaust line 17 opens directly into the water 18. It just has to
  • the structure of the fuel cell system 1 shown here can also have an optional gas / gas humidifier, enthalpy exchanger and / or intercooler between the supply air line 7 and the exhaust duct 8 have. This is exemplarily indicated in the form of a gas / gas humidifier 21.
  • Performance of the fuel cell 2 and thus makes the ideal provided in the anode compartment 5 hydrogen concentration required. Because water is not introduced into the region of the cathode space 4 but is deposited via the further water separator 18, a minimum volume flow of air in the supply air line 7 is already sufficient to reliably and reliably prevent hydrogen emissions. A strategy for discharging water and gas from the anode circuit 14 can therefore be carried out in particular independently of the size of the supply air flow.
  • the further water separator 18 is equipped with a device for detecting the water level. This is indicated in the representation of the single attached figure via a water level sensor 22. On the
  • Water level sensor 22 and an associated therewith control unit 23 can then be a control of the valve device 20 so that only water is discharged from the region of the further water separator 18 and always a minimum amount of residual water in the water separator 18 or in the water discharge 19 before Valve device 20 remains.
  • it can be safely and reliably avoided that hydrogen in the exhaust gases from the anode circuit 14 in the region of the exhaust duct 8 and thus reach the environment, as always a corresponding water cushion between the valve means 20 and the further water separator 18 and the air supply line 7 is given so that residual hydrogen always flows into the region of the cathode space 4 and only water flows out through the water outlet 19.
  • the exemplified water level sensor 22 may be arranged either in the form of two water level sensors in the region of the water separator 18.
  • the use of a single water level sensor would be conceivable, which is then switched so that it always, when it is moistened, the valve device 20 opens and when it is dry, this closes.
  • the sensor can thus be safely and reliably fulfilled the desired task with a single sensor.
  • the water level via the control unit 23 based on a suitable simulation based on operating parameters of the fuel cell, in particular therefore the electrical
  • the facilities described for the further water separator 18 may of course also be present for the water separator 15 in addition or alternatively, so as to take on the discharge of water and blowing off exhaust gas from the anode circuit 14 in accordance with influence.

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Abstract

Ein BrennstoffZeilensystem (1) mit wenigstens einer Brennstoffzelle (2), mit einem Kathodenraum (4) und einem Anodenraum (5), wobei ein Abgas aus dem Anodenraum (5) in einem Anodenkreislauf (14) zum Eingang des Anodenraums (5) zurückgeführt ist, wobei im Anodenkreislauf (14) ein Wasserabscheider (15) vorgesehen ist, welcher über eine Ablassleitung (17) mit einer Zuluftleitung (7) zum Kathodenraum (4) verbunden ist, wobei ein weiterer Wasserabscheider (18) vorgesehen ist, welcher in der Zuluftleitung (7) in Strömungsrichtung vor dem Kathodenraum (4) angeordnet ist, wobei die Ablassleitung (17) in die Zuluftleitung (7), in Strömungsrichtung vor dem weiteren Wasserabscheider (18), oder in den weiteren Wasserabscheider (18) mündet.

Description

Brennstoffzellensystem
Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem mit wenigstens einer Brennstoffzelle nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.
Brennstoffzellensysteme sind aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt. Häufig werden diese Brennstoffzellensysteme, insbesondere wenn sie über einen Stapel von PEM-Brennstoffzellen verfügen, so betrieben, dass ihnen anodenseitig frischer
Wasserstoff in einer größeren Menge zugeführt wird, als zum Betrieb der Brennstoffzelle unbedingt notwendig ist. Dies erleichtert die Gleichverteilung des Wasserstoffs in dem Anodenraum der Brennstoffzelle und erlaubt es so, die aktiven Materialien der Membran und der Elektroden über die gesamte zur Verfügung stehende Fläche hinweg ideal auszunutzen. Ein aus dem Anodenraum abströmendes Abgas enthält dann
typischerweise Restwasserstoff sowie inerte Gase, insbesondere Stickstoff, welcher durch die Membranen der Brennstoffzelle in den Anodenraum diffundiert ist. Außerdem sammelt sich ein Teil des in der Brennstoffzelle entstehenden Produktwassers im Bereich des Anodenraums und wird über dieses Anodenabgas mit ausgetragen. Um den im Anodenabgas befindlichen Wasserstoff nicht zu verschwenden, wird das Abgas aus der Anode zum Anodeneingang zurückgeführt und kann dort zusammen mit frischem
Wasserstoff dem Anodenraum der Brennstoffzelle wieder zugeführt werden.
Dieser Aufbau mit einem sogenannten Anodenkreislauf beziehungsweise Anodenloop benötigt außerdem einen Wasserabscheider, um das sich im Anodenkreislauf ansammelnde Wasser abzuscheiden. Außerdem sollte das Gas aus dem
Anodenkreislauf entweder kontinuierlich mit minimalem Volumenstrom oder von Zeit zu Zeit mit einem entsprechend größeren Volumenstrom abgelassen werden, um den Stickstoff und andere inerte Gase aus dem Anodenkreislauf auszuspülen, um so dafür zu sorgen, dass die Wasserstoffkonzentration während des Betriebs der Brennstoffzelle im Anodenkreislauf immer ausreichend hoch ist.
Aus der WO 2008/052578 A1 ist ein derartiger Aufbau bekannt, bei dem im Bereich eines einzigen Wasserabscheiders sowohl das Ablassen von Wasser als auch das Abblasen eines Teils des Abgases realisiert wird. Dieser auch als Drain/Purge bezeichnete Vorgang kann dabei so realisiert werden, dass sowohl das Wasser als auch das Gas in den Bereich einer Zuluftleitung zu einem Kathodenraum der Brennstoffzelle eingebracht wird. Dies hat den entscheidenden Vorteil, dass im Bereich der Elektrokatalysatoren des Kathodenraums der Restwasserstoff in dem Gas abreagiert und so
Wasserstoffemissionen an die Umgebung sicher und zuverlässig vermieden werden.
Der Nachteil des beschriebenen Aufbaus, welcher ähnlich auch in Figur 2 der US
2010/0009223 A1 beschrieben ist, liegt darin, dass das flüssige Wasser in den Bereich des Kathodenraums eingetragen wird, und dass damit einzelne Bereiche des
Kathodenraums beziehungsweise der den Kathodenraum vom Anodenraum trennenden Membran mit Wasser benetzt werden. Dadurch kann es zu punktuellen
Spannungseinbrüchen oder zu Spannungseinbrüchen im Bereich einzelner Zellen kommen. Der Aufbau ist daher hinsichtlich der Betriebsstrategie vergleichsweise komplex, da ein Ablassen des Wassers/Anodenabgases idealerweise nur dann erfolgen sollte, wenn ein ausreichender Zuluftstrom gewährleistet ist. Ein Steuerungs- und
Betriebsverfahren für ein derartiges Brennstoffzellensystem wird damit vergleichsweise aufwändig.
Zum weiteren Stand der Technik wird außerdem auf die US 2004/0038100 A1 verwiesen. Diese zeigt ein sehr komplexes Brennstoffzellensystem, bei dem eine Befeuchtung sowohl des Wasserstoffs als auch des Sauerstoffs beziehungsweise der Luft über das feuchte Kathodenabgas erfolgt. Um einen zu großen Wasseranteil in der befeuchteten Zuluft zu vermeiden und das Eindringen von Tröpfchen in die Brennstoffzelle zu unterbinden, ist es dabei vorgesehen, dass Wasserabscheider nach den jeweiligen Befeuchtern angeordnet sind, um so Tröpfchen zurückzuhalten. Das Abgas aus dem Anodenkreislauf wird bei diesem Aufbau zusammen mit dem Abgas aus dem
Kathodenraum nach dessen Entfeuchtung vermischt und über einen weiteren
Wasserabscheider an die Umgebung abgegeben. Es ist nun die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung, die oben genannten Nachteile zu vermeiden und ein Brennstoffzellensystem zu schaffen, welches einfach und effizient einen sicheren und zuverlässigen Betrieb ermöglicht, ohne dass die Leistungsfähigkeit des Brennstoffzellensystems aufgrund eines zu hohen Wassereintrags in den
Kathodenraum beeinträchtigt wird.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des
erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems ergeben sich dabei aus den restlichen hiervon abhängigen Unteransprüchen.
Erfindungsgemäß ist also ein weiterer Wasserabscheider vorgesehen, welcher in der Zuluftleitung angeordnet ist. Anders als bei den im oben genannten Stand der Technik dargestellten Aufbauten dient der Wasserabscheider dazu, über die Ablassleitung des Wasserabscheiders aus dem Anodenkreislauf eingetragenes Wasser aus der Zuluft zum Kathodenraum der Brennstoffzelle abzuscheiden. Dieses Wasser kann dann gezielt abgeleitet werden, während die zusammen mit dem Wasser in den Bereich der
Zuluftleitung eingetragenen Gase weitgehend getrennt von diesem Wasser in den Kathodenraum der Brennstoffzelle einströmen können. Im Bereich der
Elektrokatalysatoren kann der darin enthaltene Restwasserstoff dann abreagieren, um so Wasserstoffemissionen aus dem Brennstoffzellensystem zu vermeiden. Durch den weiteren Wasserabscheider in der Zuluftleitung vor dem Kathodenraum ergibt sich der entscheidende Vorteil, dass unabhängig vom aktuellen Betriebszustand des Systems und unabhängig von der Menge an Zuluft zu dem System, immer dann, wenn das System in Betrieb ist, ein Ablassen von Wasser und Anodenabgas durchgeführt werden kann. Die Strategie zum Ablassen von Anodenabgas und Wasser kann also weitgehend
unabhängig von den Betriebszuständen der Brennstoffzelle realisiert werden, um immer die bestmöglichste Wasserstoffkonzentration im Bereich des Anodenkreislaufs zu gewährleisten.
Lediglich in Situationen, in denen kein Sauerstoff zum Kathodenraum gefördert wird, also beispielsweise in einem entsprechend ausgestalteten Stopp-Betrieb des
Brennstoffzellensystems, wenn dieses im Start/Stopp betrieben wird, sollte auf ein Ablassen von Wasser und Gas verzichtet werden, da dann kein Sauerstoff zur Verfügung steht, um im Bereich der Elektrokatalysatoren des Kathodenraums den eingetragenen Wasserstoff entsprechend umzusetzen. In allen Betriebszuständen, in denen ein - zumindest geringer - Zuluftstrom zum Kathodenraum der Brennstoffzelle strömt, kann jedoch das Ablassen von Wasser und Gas realisiert werden, da die Menge an
abgelassenem Wasserstoff so gering ist, dass auch ein sehr geringer Zuluftstrom bereits ausreicht, um Wasserstoffemissionen zu vermeiden.
In einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems ist es ferner vorgesehen, dass der weitere Wasserabscheider über eine Wasserableitung mit einer Abluftleitung des Kathodenraums verbunden ist. Das Wasser wird so auf relativ direktem Weg in den Bereich einer Abluftleitung des Kathodenraums eingetragen. Da in der Abluft des Kathodenraums ohnehin ein großer Teil des in der Brennstoffzelle entstehenden Produktwassers enthalten ist, kann das zusätzliche Wasser hier einfach und effizient mit abgeführt werden. Eventuelle Maßnahmen zum Verhindern, dass flüssiges Wasser aus dem Brennstoffzellensystem austritt, können damit nicht nur für das Produktwasser aus dem Kathodenraum, sondern ohne weitere konstruktive Maßnahmen zu benötigen, auch für das Produktwasser aus dem Anodenraum genutzt werden, wenn dies gewünscht ist. Je nachdem, ob zwischen der Zuluftleitung und der Abluftleitung ein Gas/Gasbefeuchter, ein Enthalpieaustauscher, ein Ladeluftkühler oder ähnliches vorgesehen ist, kann das Wasser aus dem Bereich des weiteren Wasserabscheiders entweder vor oder nach diesem in die Abluftleitung mit eingebracht werden. Es kann so in der vergleichsweise warmen Abluft verdampfen und gegebenenfalls noch zur
Befeuchtung der Zuluft mit genutzt werden.
Sowohl für die Wasserableitung als auch für die Ablassleitung sind dabei Drosselstellen und/oder Ventileinrichtungen zur Beeinflussung der Strömung denkbar. Beispielsweise kann über eine Drosselstelle ein kontinuierlicher Abstrom realisiert werden und/oder über eine angesteuerte Ventileinrichtung ein steuerbarer Abfluss beispielsweise zeitgesteuert oder in Abhängigkeit der Wassermenge, welche sich in dem Wasserabscheider beziehungsweise dem weiteren Wasserabscheider angesammelt hat, realisiert werden. Auch Kombinationen aus Ventileinrichtungen und Drosselstellen, beispielsweise indem ein dauerhafter Bypass um eine Ventileinrichtung angeordnet wird, welcher einen kontinuierlichen Abstrom ermöglicht, sind selbstverständlich denkbar.
In einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems ist es ferner vorgesehen, dass für den Fall, dass steuerbare Ventileinrichtungen vorhanden sind, zumindest einer der Wasserabscheider über eine Einrichtung zur Erfassung des Wasserstands verfügt, wobei die Ventileinrichtung in Strömungsrichtung nach diesem Wasserabscheider dann in Abhängigkeit des Wasserstands gesteuert oder geregelt ist. Über eine solche Einrichtung zur Erfassung des Wasserstands, welche entweder über wenigstens einen Levelsensor, über eine Rechnereinheit zur Bestimmung des
Wasserstands anhand von Betriebsparametern der Brennstoffzelle oder auch über eine Durchflussmessung vom Wasserabscheider zum weiteren Wasserabscheider realisiert sein kann, wird es dann möglich, anhand des Wasserstandes in dem Wasserabscheider die Ventileinrichtung zu steuern. So ist sichergestellt, dass zumindest immer dann, wenn ein entsprechender Wasserstand erreicht wird, ein Ablassen erfolgt. Insbesondere bei dem weiteren Wasserabscheider im Bereich der Zuluftleitung kann darüber außerdem sichergestellt werden, dass ausschließlich Wasser in den Bereich der Abluftleitung abgegeben wird, und die Ventileinrichtung immer dann geschlossen wird, wenn noch ein Rest von Wasser in dem Wasserabscheider vorhanden ist. Dadurch wird das Abströmen von Wasserstoff in den Bereich der Abluftleitung sicher und zuverlässig vermieden und über den erfindungsgemäßen weiteren Wasserabscheider wird eine zuverlässige Trennung des Wasserstoffs in Richtung des Kathodenraums und des Wassers in Richtung der Abluftleitung realisiert.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Brennstoffzellensystems ergeben sich aus den restlichen abhängigen Unteransprüchen und werden anhand des Ausführungsbeispiels deutlich, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figur näher beschrieben wird.
Die einzige beigefügte Figur zeigt einen Ausschnitt aus einem Brennstoffzellensystem.
In der Figur ist ein Brennstoffzellensystem 1 zu erkennen, welches so in idealer Weise zur Bereitstellung von elektrischer Antriebsenergie in einem Fahrzeug eingesetzt werden kann. Es umfasst eine Brennstoffzelle 2, welche beispielsweise als Stapel von
Einzelzellen aufgebaut ist. Die Einzelzellen sind dabei bevorzugt in PEM-Technologie ausgeführt und weisen eine Membran 3 auf, welche einen Kathodenraum 4 von einem Anodenraum 5 der Brennstoffzelle 2 trennt. Dem Kathodenraum 4 wird über eine Luftfördereinrichtung 6 Luft als Sauerstofflieferant zugeführt. Diese gelangt über eine Zuluftleitung 7 in den Bereich des Kathodenraums 4 und strömt, an Sauerstoff abgereichert, über eine Abluftleitung 8 wieder aus dem Kathodenraum 4 ab. Die Abluft kann dann in die Umgebung gelangen oder vorher gegebenenfalls noch über geeignete Brenner, Turbinen oder dergleichen strömen, wie dies aus dem allgemeinen Stand der Technik an sich bekannt ist.
Dem Anodenraum 5 der Brennstoffzelle 2 wird Wasserstoff aus einem Druckgasspeicher 9 zugeführt und gelangt über ein Wasserstoffventil 10 sowie eine Wasserstoffzuleitung 1 1 in den Bereich des Anodenraums 5. Im Bereich des Anodenraums 5 nicht verbrauchter Wasserstoff strömt über eine Rezirkulationsleitung 12 aus dem Anodenraum 5 ab und gelangt über eine Rezirkulationsfördereinrichtung 13 zurück in den Bereich der
Wasserstoffzuleitung 1 1. Das Abgas wird hier mit frischem Wasserstoff aus dem
Druckgasspeicher 9 vermischt und wieder dem Anodenraum 5 zugeführt. Der Aufbau aus Wasserstoffzuleitung 1 1 und Rezirkulationsleitung 12 wird auch als Anodenkreislauf 14 beziehungsweise Anodenloop bezeichnet.
Während des Betriebs der Brennstoffzelle 2 reichern sich im Bereich des
Anodenkreislaufs 14 mit der Zeit inerte Gase, insbesondere Stickstoff, welcher durch die Membran 3 hindurch aus dem Kathodenraum 4 in den Anodenraum 5 diffundiert, an. Außerdem sammelt sich ein Teil des Produktwassers der Brennstoffzelle 2, welches im Bereich des Anodenraums 5 entsteht, im Anodenkreislauf 14. Bei vorgegebenem
Volumen des Anodenkreislaufs 14 sinkt dadurch trotz zugegebenem frischem
Wasserstoff aus dem Druckgasspeicher 9 mit der Zeit die Wasserstoffkonzentration und es droht die Gefahr, dass der Anodenraum 5 mit dem in der Rezirkulationsleitung befindlichen Wasser„geflutet" wird. Daher ist im Bereich der Rezirkulationsleitung 12 ein Wasserabscheider 15 vorgesehen, welcher das im Bereich des Anodenkreislaufs 14 befindliche flüssige Wasser abscheidet und sammelt. Über eine Ventileinrichtung 16 und eine Ablassleitung 17 wird dieses Wasser beispielsweise von Zeit zu Zeit oder, wenn sich eine entsprechende Wassermenge angesammelt hat, aus dem Wasserabscheider 15 abgelassen. Eine entsprechend lange Öffnungsdauer der Ventileinrichtung 16
gewährleistet dann dass nicht nur das angesammelt Wasser sondern auch ein Teil des Gases aus dem Anodenkreislauf 14 mit abgelassen wird. Dieser Vorgang wird auch als Drain/Purge bezeichnet. Durch das Ablassen eines Teils des Abgases aus dem
Anodenkreislauf 14 wird ein großer Teil der angesammelten inerten Gase abgelassen, typischerweise zusammen mit einem geringen Teil an Wasserstoff. Nach dem Ablassen der Gase und des Wassers steht dann wieder eine sehr hohe Wasserstoffkonzentration im Anodenkreislauf 14 zur Verfügung, sodass die Brennstoffzelle 2 ideal arbeiten kann. Über die Ablassleitung 17 gelangt das Wasser zusammen mit dem Abgas aus dem Anodenkreislauf 14 in den Bereich der Zuluftleitung 7 zum Kathodenraum 4. Dieser Aufbau stellt sicher, dass der in dem Abgas enthaltene Restwasserstoff im Bereich des Kathodenraums 4 an den Elektrokatalysatoren des Kathodenraums 4 mit der über die Luftfördereinrichtung 6 geförderten Zuluft reagiert und Wasser bildet. Dadurch werden Emissionen von Wasserstoff in die Umgebung des Brennstoffzellensystems 1 verhindert. Da die Menge an Wasserstoff, welcher aus dem Anodenkreislauf 14 abgelassen wird, typischerweise gering ist, ist die damit verursachte Belastung der Katalysatoren beziehungsweise des Kathodenraums minimal und bereits eine geringe geförderte Luftmenge in der Zuluftleitung 7 reicht aus, um Wasserstoffemissionen zu verhindern.
In dem Aufbau des Brennstoffzellensystems 1 ist dann ein weiterer Wasserabscheider 18 vorgesehen, welcher in Strömungsrichtung der in der Zuluftleitung 7 strömenden Zuluft vor dem Eingang in den Kathodenraum 4 angeordnet ist. Die Abluftleitung 17 mündet, wie in der Figur dargestellt, in Strömungsrichtung vor dem weiteren Wasserabscheider 18 in die Zuluftleitung 7. Prinzipiell wäre es selbstverständlich auch denkbar, dass die
Abluftleitung 17 direkt in den Wasserabscheider 18 mündet. Es muss lediglich
sichergestellt sein, dass das über die Abluftleitung 17 in die Zuluftleitung 7 eingetragene flüssige Wasser in dem weiteren Wasserabscheider 18 sicher und zuverlässig
abgeschieden wird. Dadurch wird erreicht, dass dem Kathodenraum 4 kein flüssiges Wasser zugeführt wird, sondern lediglich die inerten Gase und der Restwasserstoff aus dem Anodenkreislauf 14. Das flüssige Wasser wird dazu über den weiteren
Wasserabscheider 18 abgeschieden und gelangt über eine Wasserableitung 19 in den Bereich der Abluftleitung 8 aus dem Kathodenraum 4. Im Bereich der Wasserableitung 19 ist dabei in der Darstellung der Figur eine weitere Ventileinrichtung 20 dargestellt. Neben der Verwendung der Ventileinrichtung 20 wäre auch die Verwendung einer Drosselstelle denkbar, sodass ein kontinuierlicher Volumenstrom durch die Wasserableitung 19 realisiert ist. Dies gilt vergleichbar auch für die Ventileinrichtung 16 im Bereich der Ablassleitung 17, welche ebenfalls durch eine Drosselstelle ersetzt werden könnte. Auch die Kombination einer Ventileinrichtung zum Ablassen größerer Volumenströme und einem parallelen Bypass mit Drosselscheibe zur Gewährleistung eines kontinuierlichen geringen Volumenstroms wäre selbstverständlich denkbar.
Der hier dargestellte Aufbau des Brennstoffzellensystems 1 kann außerdem über einen optionalen Gas/Gas-Befeuchter, Enthalpieaustauscher und/oder Ladeluftkühler zwischen der Zuluftleitung 7 und der Abluftleitung 8 verfügen. Dieser ist beispielhaft in Form eines Gas/Gas-Befeuchters 21 optional angedeutet.
Der Aufbau des Brennstoffzellensystems 1 , wie es in der einzigen beigefügten Figur angedeutet ist, hat nun den Vorteil, dass ein Ablassen von Gas und Wasser aus dem Bereich des Anodenkreislaufs 14 sehr flexibel so erfolgen kann, wie es die ideale
Performance der Brennstoffzelle 2 und damit die ideale im Anodenraum 5 bereitgestellte Wasserstoffkonzentration erforderlich macht. Dadurch, dass Wasser nicht in den Bereich des Kathodenraums 4 eingetragen, sondern über den weiteren Wasserabscheider 18 abgeschieden wird, reicht bereits ein minimaler Volumenstrom an Luft in der Zuluftleitung 7 aus, um Wasserstoffemissionen sicher und zuverlässig zu verhindern. Eine Strategie zum Ablassen von Wasser und Gas aus dem Anodenkreislauf 14 kann also insbesondere unabhängig von der Größe des Zuluftstroms erfolgen.
In idealer Weise ist der weitere Wasserabscheider 18 dabei mit einer Einrichtung zur Erfassung des Wasserstands ausgestattet. Diese ist in der Darstellung der einzigen beigefügten Figur über einen Wasserstandssensor 22 angedeutet. Über den
Wasserstandssensor 22 und ein diesem zugeordnetes Steuergerät 23 kann dann eine Ansteuerung der Ventileinrichtung 20 so erfolgen, dass lediglich Wasser aus dem Bereich des weiteren Wasserabscheiders 18 abgelassen wird und immer eine minimale Menge an Restwasser im Bereich des Wasserabscheiders 18 oder im Bereich der Wasserableitung 19 vor der Ventileinrichtung 20 verbleibt. Dadurch kann sicher und zuverlässig vermieden werden, dass Wasserstoff in den Abgasen aus dem Anodenkreislauf 14 in den Bereich der Abluftleitung 8 und damit in die Umgebung gelangen, da immer ein entsprechendes Wasserpolster zwischen der Ventileinrichtung 20 und dem weiteren Wasserabscheider 18 beziehungsweise der Zuluftleitung 7 gegeben ist, sodass Restwasserstoff immer in den Bereich des Kathodenraums 4 strömt und lediglich Wasser über die Wasserableitung 19 abströmt.
Der beispielhaft angedeutete Wasserstandssensor 22 kann dabei entweder in Form von zwei Wasserstandssensoren im Bereich des Wasserabscheiders 18 angeordnet sein. Prinzipiell wäre auch die Verwendung eines einzigen Wasserstandssensors denkbar, der dann so geschaltet ist, dass er immer, wenn er befeuchtet ist, die Ventileinrichtung 20 öffnet und wenn er trocken ist, diese schließt. Durch eine geschickte Anordnung des Sensors im Wasserabscheider 18 und die Ausnutzung der unvermeidlichen Hysterese des Sensors kann so mit einem einzigen Sensor die gewünschte Aufgabe sicher und zuverlässig erfüllt werden. Neben einem derartigen sogenannten Levelsensor zur Erfassung des Wasserstands wäre es selbstverständlich außerdem denkbar, den Wasserstand über das Steuergerät 23 anhand einer geeigneten Simulation auf Basis von Betriebsparametern der Brennstoffzelle, insbesondere also deren elektrischer
Leistungsabgabe, zu berechnen, da die Mechanismen in der Brennstoffzelle soweit bekannt sind, dass unter der zugeführten Wasserstoffmenge die im Bereich des
Anodenraums anfallende Wassermenge sehr gut abgeschätzt werden kann. Ergänzend oder alternativ hierzu wäre es ferner denkbar, über eine Durchflussmessung im Bereich der Ablassleitung 17 die in dem weiteren Wasserabscheider 18 gesammelte
Wassermenge zu erfassen und/oder abzuschätzen.
Die für den weiteren Wasserabscheider 18 beschriebenen Einrichtungen können so selbstverständlich auch für den Wasserabscheider 15 ergänzend oder alternativ vorhanden sein, um so auf das Ablassen von Wasser und Abblasen von Abgas aus dem Anodenkreislauf 14 entsprechend Einfluss zu nehmen.

Claims

Patentansprüche
1. Brennstoffzellensystem (1) mit wenigstens einer Brennstoffzelle (2), mit einem
Kathodenraum (4) und einem Anodenraum (5), wobei ein Abgas aus dem
Anodenraum (5) in einem Anodenkreislauf (14) zum Eingang des Anodenraums (5) zurückgeführt ist, wobei im Anodenkreislauf (14) ein Wasserabscheider (15) vorgesehen ist, welcher über eine Ablassleitung (17) mit einer Zuluftleitung (7) zum Kathodenraum (4) verbunden ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
ein weiterer Wasserabscheider (18) vorgesehen ist, welcher in der Zuluftleitung (7) in Strömungsrichtung vor dem Kathodenraum (4) angeordnet ist, wobei die
Abluftleitung (17) in die Zuluftleitung (7), in Strömungsrichtung vor dem weiteren Wasserabscheider (18), oder in den weiteren Wasserabscheider (18) mündet.
2. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
der weitere Wasserabscheider (18) über eine Wasserableitung (19) mit einer Abluftleitung (8) des Kathodenraums (4) verbunden ist.
3. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
im Bereich der Wasserableitung (19) zwischen dem weiteren Wasserabscheider (18) und der Abluftleitung (8) eine Drosselstelle angeordnet ist.
4. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1 , 2 oder 3,
dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der Wasserableitung (19) zwischen dem weiteren Wasserabscheider (18) und der Abluftleitung (8) eine Ventileinrichtung (20) angeordnet ist.
5. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, dass
im Bereich der Ablassleitung (17) zwischen dem Wasserabscheider (15) und der Zuluftleitung (7) eine Drosselstelle angeordnet ist.
6. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, dass
im Bereich der Ablassleitung (17) zwischen dem Wasserabscheider (15) und der Zuluftleitung (7) eine Ventileinrichtung (16) angeordnet ist.
7. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 4 oder 6,
dadurch gekennzeichnet dass
zumindest einer der Wasserabscheider (15, 18) über eine Einrichtung zur
Erfassung des Wasserstandes (22) verfügt, wobei die Ventileinrichtung (16, 20) in Strömungsrichtung nach diesem Wasserabscheider (15, 18) in Abhängigkeit des Wasserstandes des jeweiligen Wasserabscheiders (15, 18) gesteuert oder geregelt ist.
8. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Einrichtung zur Erfassung des Wasserstandes als wenigstens ein
Wasserstandssensor (22) ausgebildet ist.
9. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Einrichtung zur Erfassung des Wasserstandes als Rechnereinheit ausgebildet ist, in welcher der Wasserstand anhand von Betriebsparametern der Brennstoffzelle (2) berechnet oder durch Simulation abgeschätzt wird.
10. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zur Erfassung des Wasserstandes eine Durchflussmessung des Wassers im Bereich der Ablassleitung (17) nutzt.
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