WO2013020647A1 - Brennstoffzellensystem mit wasserabscheider - Google Patents

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WO2013020647A1
WO2013020647A1 PCT/EP2012/003090 EP2012003090W WO2013020647A1 WO 2013020647 A1 WO2013020647 A1 WO 2013020647A1 EP 2012003090 W EP2012003090 W EP 2012003090W WO 2013020647 A1 WO2013020647 A1 WO 2013020647A1
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fuel cell
cell system
water separator
water
air flow
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PCT/EP2012/003090
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Holger Baur
Uwe Pasera
Hans-Jörg PFLUGFELDER
Karl Schaufler
Sven Schmalzriedt
Simon Steinhübl
Harald Teves
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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 invention relates to a fuel cell system with at least one fuel cell according to the closer defined in the preamble of claim 1.
  • a structure of a fuel cell system with a recirculation device for returning the anode exhaust gas into the anode inlet is known, for example, from DE 101 15 336 A1.
  • nitrogen and water accumulate in the recirculated anode exhaust gas over time. Therefore, it is known from the general state of the art and described in the above-mentioned document that in the region of the recirculation line valve devices are arranged, which are opened from time to time to the nitrogen from the area of the recirculation line and the area of the anode space to blow off accordingly.
  • the "disposal" of this waste gas from the region of the anode loop can take place in different regions which typically each have a catalytic surface or are in connection with another component which has such a catalytic surface is therefore common because together with the nitrogen there will always also be a small amount of hydrogen in the vented gas, which can be rendered harmless in this way ..
  • DE In order to be able to remove the product water of the fuel cell arising in the region of the anode exhaust gas, DE Furthermore, a water separator in the region of the recirculation line is described.
  • Fuel cell system with a recirculation device known, which is referred to herein as fuel circuit.
  • the special feature of this design is that the functionality of the water separator with a drain valve to drain the Water and the functionality of the blow-off valve for blowing off the nitrogen-containing gas can be combined.
  • the structure provides that a water separator is provided with a corresponding valve device. Whenever there is one
  • Valve device drained from the water separator. In addition, after the water is drained, gas from the recirculation device passes over the
  • Valve device of the water separator before it is closed again The functionality, which was distributed in the above-mentioned writing on two separate components, is thereby integrated into a single component.
  • Water entry of individual fuel cells can be impaired in their performance, and so that the overall performance of the fuel cell is adversely affected.
  • the object of the present invention is now to further develop a corresponding fuel cell system such that these functional
  • the solution according to the invention provides that a fuel cell system is designed with a recirculation device comparable to the prior art and via a drain line liquid and / or gas from the field of
  • a water separator is arranged between the air conveying device and the cathode chamber, which is connected to the outlet line, and which flows through at least part of the supply air flow.
  • This water separator serves to separate the water conveyed by the discharge line from the mixture and to otherwise discharge it from the fuel cell system so that liquid water can not reach the area of the cathode space.
  • the gaseous fraction flowing through the discharge line which typically contains a residue of hydrogen, should be safely and reliably guided into the area of the cathode space in order to prevent hydrogen emissions from the water
  • Fuel cell system to prevent the environment.
  • Fuel cell system it is provided that the water is flowed through by a partial flow of the supply air. According to a very advantageous
  • partial air flow up to 25 percent, preferably about 10 percent, of the volume flow of the supply air. Because only one
  • Part air flow of the supply air flow is passed through the water, can be achieved that a comparatively low flow velocity of the partial air flow and the originating from the discharge gas mixture in the
  • Liquid separator is already achieved in a small size. Such a low flow rate is a prerequisite for a reliable separation of liquid from the liquid-gas mixture. It is thereby achieved that all of the gas reaches the area of the cathode space and there completely reacts off the hydrogen in the gas at the catalytic material of the cathode space, so that hydrogen emissions to the environment are prevented.
  • Liquid water in the cathode compartment can be largely prevented and thus a higher performance and a longer life of the fuel cell is made possible.
  • Fuel cell system it may also be provided that in the region of the water separator, a catalytic material is arranged, which promotes the reaction of hydrogen with oxygen to form water.
  • a catalytic material may, for example, be in the form of a coating or the like in the range of
  • Water separator can be arranged. It can ensure that hydrogen, which reaches the region of the water separator via the discharge line, is converted into water with oxygen from the partial air stream of the supply air stream.
  • a suitable mixture can be achieved by a suitable choice of the size of the supply air.
  • the conversion of hydrogen is at least partially already achieved outside the cathode compartment and the resulting water is removed via the water separator accordingly.
  • Such a catalytic material in the region of the water separator can also ensure, in the case of a dry water separator and open valve device in a water pipe for draining off the water, that no or only a very small amount of hydrogen reaches the environment in this way, since the hydrogen passes through the catalytic converter Material in the region of the water separator is at least partially reacted with the atmospheric oxygen to water.
  • Fuel cell system it may be provided that the water is actively or passively heated.
  • the water separator can be actively heated, for example via an electric heater or the like, because it is optionally critical with respect to a cold start of the fuel cell system at temperatures below freezing point with respect to freezing water. This could then be thawed by such active heating.
  • active heating it would of course also conceivable to realize the heating differently, for example passively, in which the water separator is in thermal contact with a component which in turn is heated and / or is in thermal contact with a component which passes through the starting operation of the fuel cell is heated, for example, in contact with the cooling water.
  • Fig. 1 is a schematic representation of a fuel cell system in a possible
  • Fig. 2 is a water separator according to the invention.
  • Fig. 3 shows a fuel cell system according to the invention in an alternative
  • a fuel cell system 1 is indicated in highly schematic form in a section relevant to the present invention.
  • the most important component of the fuel cell system 1 is a fuel cell 2, which typically as a stack of individual fuel cells, as so-called
  • Fuel cell stack is formed.
  • the fuel cell 2 has an anode space 3 and a cathode space 4, which in the exemplary embodiments illustrated here should each be separated from one another by a proton-conducting membrane.
  • the fuel cell 2 is therefore a so-called PEM fuel cell stack.
  • the anode compartment 3 of the fuel cell 2 is made of a hydrogen storage device 5 via a metering valve 6 and a line element with hydrogen from the
  • Hydrogen storage device 5 supplied. In the region of the anode chamber 3 unreacted hydrogen passes through a recirculation line 7 a
  • Recirculation device 8 back into the area in which the fresh hydrogen flows through the metering valve 6 to the anode chamber 3.
  • the recirculation line 7 thus leads in a manner known per se unused gas in the anode exhaust gas from the region of the anode chamber 3 back to the anode inlet, wherein the gas with fresh
  • a recirculation conveyor 9 is also provided as part of the recirculation device 8 in the region of the recirculation line 7
  • the recirculation conveyor 9 can be used as
  • Hydrogen recirculation fan may be formed, as indicated in Figure 1. Additionally or alternatively, a gas jet pump would be conceivable, which is driven by the hydrogen from the hydrogen storage device 5, and sucks the gas from the region of the recirculation line 7, mixed with the fresh hydrogen and the anode chamber 3 feeds.
  • the cathode compartment 4 of the fuel cell 2 is supplied with air in the exemplary embodiment shown here.
  • the oxygen contained in the air serves as an oxidizing agent for the chemical reaction in the interior of the fuel cell 2 and forms together with the hydrogen in a conventional manner water, wherein electric power is released, which can be tapped at the fuel cell 2 accordingly.
  • the air for the cathode compartment 4 is compressed accordingly via an air conveyor 10 and fed via an air supply line 11 to the input 12 of the cathode compartment 4.
  • the air conveyor 10 may be formed as a compressor, for example as a screw compressor.
  • the air delivery device 10 should be designed as a flow compressor, which is combined via a shaft with an electric machine 13 and a turbine 14.
  • ETC Electric Turbo Charger
  • the air conveyor 10 may then be operated via the turbine 14 or the operation may be assisted at least via the turbine 14. The remaining energy remaining, or if the turbine 14 does not provide energy all the energy to drive the air conveyor 10, may also be provided via the electric machine 13.
  • the electric machine 13 can be operated as well as a generator to convert this resulting mechanical energy into electrical energy, which then For example, in a battery of the fuel cell system 1 is stored accordingly and / or other electrically operated ancillaries can be provided.
  • a water separator 15th In the area of the recirculation line 7 is also a water separator 15th
  • liquid water which accumulates in the region of the anode chamber 3 and is discharged via the recirculation line 7, collects.
  • This liquid water can thus not clog gas ducts and the like in the region of the anode compartment 3, so that safe and reliable operation can be guaranteed on the anode side.
  • Wasserabscheiders 15 is for draining this water, a valve device 16 in the outlet of the water separator 15, typically in the direction of
  • the valve device 16 is followed by a
  • Discharge line 17 which opens into the region of the supply air line 11 in the area of a later explained in more detail component 18.
  • water and exhaust gas from the anode chamber 3 of the fuel cell 2 are now conducted into the region of the component 18 via this discharge line 17.
  • a water line 19 with a valve device 20 leads into the region of an exhaust gas flow to the turbine 14.
  • Water separator 21 in which the drain line 17 opens. Via the valve device 20 and the water line 19, the water collecting in the water separator 21 can then be introduced into the area of the exhaust air from the fuel cell system 1.
  • the water collecting in the water separator 21 can then be introduced into the area of the exhaust air from the fuel cell system 1.
  • alternative ways to dispose of the water are also conceivable and possible.
  • the water separator 21 is not integrated in the region of the supply air line 11 in the structure described here, but merely via two lines 22, 23 to the supply air line 11
  • Supply air flow A flow into the water separator 21.
  • the partial air flow a thus flows via the line element 22 into the region of the water separator 21 and is there with the inflow via the discharge line 17 into the region of the water separator 21 Mixture b of water and exhaust gas of the anode compartment 3 mixed.
  • the water introduced via the discharge line 17 can be deposited very well. It collects in the water separator 21 and can through the valve means 20 or alternatively to a diaphragm and the water pipe 19 in the exhaust air of the
  • Fuel cell system 1 are delivered.
  • the partial air flow a mixes with the gas portion b ' , which has flowed through the discharge line 17 into the water separator 21, and leaves the water separator 21 preferably in the direction of gravity upwards, in order to separate any still remaining in the mixture water droplets by gravity.
  • the gas stream from the partial air flow A and the gas portion b 'from the discharge line 17 is indicated in Figure 2 with a + b *. It flows via the line 23 back into the region of the supply air line 11 and mixes there before it arrives at the input 12 of the cathode chamber 4 with the rest of the supply air flow (A - a) to the gas flow indicated in Figure 2 with A + b * , which then flows into the cathode compartment 4.
  • Fuel cell system 1 in the representation of FIG. 1 has no water separator 15 in the region of the recirculation device 8, but only an orifice 24, which ensures a continuous outflow of water and gas through the discharge line 17 into the region of the water separator 21. This is very low in terms of the complexity of components and space. In addition, can the
  • valve device 16 would be conceivable without the water separator 15 instead of the diaphragm 24.
  • the component 18 in the preferred structure of the fuel cell system 1 according to Figure 3 is identical to the structure described so far and in particular to the representation in Figure 2 constructed.
  • valve 16 in the region of the discharge line 17 would then have to be realized such that a hydrogen concentration in the region of the exhaust air, even in cases of failure of the fuel cell system 1, remains below 4 percent, if possible, in order to avoid safety-critical conditions.
  • an aperture is provided in the outlet line 17 or the water line 19, and a valve device is provided in the respective other line in order to be able to safely stop the escape of hydrogen if necessary.
  • the water separator 21 can therefore be designed so that it can be actively heated, which is indicated in principle in the illustration of Figure 2 by an electrical resistance heater 25.
  • an electrical resistance heater 25 In addition or alternatively, it would of course also be conceivable to carry out the heating by thermal contact with an already heated or self-heating component and / or the cooling water.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem (1) mit wenigstens einer Brennstoffzelle (2), welche einen Anodenraum (3) und einen Kathodenraum (4) aufweist, mit einer Rezirkulationseinrichtung (8), welche Anodenabgas zum Anodeneingang zurückführt, mit einer Ablassleitung (17) zum Ablassen von Flüssigkeit und/oder Gas aus dem Bereich der Rezirkulationseinrichtung (8) und mit einer Luftfördereinrichtung (10) zur Versorgung des Kathodenraums (4) mit einem Zuluftstrom (A). Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Luftfördereinrichtung (10) und dem Kathodenraum (4) im Bereich des Zuluftstroms (A) ein Wasserabscheider (21) angeordnet ist, welcher mit der Ablassleitung (17) verbunden ist, und welcher zumindest von einem Teil (a) des Zuluftstroms (A) durchströmt ist.

Description

BRENNSTOFFZELLENSYSTEM MIT WASSERABSCHEIDER
Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem mit wenigstens einer Brennstoffzelle nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.
Ein Aufbau eines Brennstoffzellensystems mit einer Rezirkulationseinrichtung zum Zurückführen des Anodenabgases in den Anodeneingang ist beispielsweise aus der DE 101 15 336 A1 bekannt. Bei derartigen Systemen reichert sich im Laufe der Zeit Stickstoff und Wasser in dem rezirkulierten Anodenabgas an. Daher ist es aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt und in der oben genannten Schrift auch so beschrieben, dass im Bereich der Rezirkulationsleitung Ventileinrichtungen angeordnet werden, welche von Zeit zu Zeit geöffnet werden, um den Stickstoff aus dem Bereich der Rezirkulationsleitung und dem Bereich des Anodenraums entsprechend abzublasen. Gemäß der DE 101 15 336 A1 kann die„Entsorgung" dieses Abgases aus dem Bereich des Anodenloop in verschiedene Bereiche erfolgen, welche typischerweise jeweils über eine katalytische Oberfläche verfügen oder in Verbindung mit einer weiteren Komponente stehen, welche eine solche katalytische Oberfläche aufweist. Dieser Aufbau ist deshalb üblich, weil zusammen mit dem Stickstoff immer auch eine geringe Menge an Wasserstoff in dem abgelassenen Gas sein wird, welche auf diese Art unschädlich gemacht werden kann. Um das im Bereich des Anodenabgases anfallende Produktwasser der Brennstoffzelle abführen zu können, ist in der DE 101 15 336 A1 ferner ein Wasserabscheider im Bereich der Rezirkulationsleitung beschrieben.
Aus der internationalen Anmeldung WO 2008/052578 A1 ist ebenfalls ein
Brennstoffzellensystem mit einer Rezirkulationseinrichtung bekannt, welche hierin als Brennstoffkreis bezeichnet wird. Die Besonderheit bei diesem Aufbau besteht nun darin, dass die Funktionalität des Wasserabscheiders mit einem Ablassventil zum Ablassen des Wassers und die Funktionalität des Abblasventils zum Abblasen des stickstoffhaltigen Gases kombiniert werden. Der Aufbau sieht dabei vor, dass ein Wasserabscheider mit einer entsprechenden Ventileinrichtung versehen ist. Immer, wenn sich eine
entsprechend große Menge an Wasser angesammelt hat, wird diese über die
Ventileinrichtung aus dem Wasserabscheider abgelassen. Nachdem das Wasser abgelassen ist, tritt außerdem Gas aus der Rezirkulationseinrichtung über die
Ventileinrichtung des Wasserabscheiders aus, ehe diese wieder geschlossen wird. Die Funktionalität, welche bei der oben genannten Schrift auf zwei eigene Bauteile verteilt war, wird dadurch in einem einzigen Bauteil integriert.
Die Problematik beim gemeinsamen Ablassen von Wasser und Gas tritt insbesondere dann auf, wenn das Ablassen, wie in der genannten WO-Schrift optional angedeutet, in den Kathodenraum der Brennstoffzelle erfolgt. Zwar kann dann der dort ohnehin vorhandene Katalysator genutzt werden, um eventuelle Wasserstoffemissionen zu vermeiden. Andererseits kann jedoch das ebenfalls aus dem Bereich der
Rezirkulationseinrichtung abgeführte Wasser zu einer Beeinträchtigung der Funktionalität der Brennstoffzellen führen. Untersuchungen haben gezeigt, dass durch diesen
Wassereintrag einzelne der Brennstoffzellen in ihrer Leistungsfähigkeit beeinträchtigt werden können, und dass so die Gesamtleistung der Brennstoffzelle nachteilig beeinflusst wird.
Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin, ein entsprechendes Brennstoffzellensystem derart weiterzuentwickeln, dass diese funktionalen
Beeinträchtigungen bei weiterhin einfachem und hinsichtlich des benötigten
Katalysatormaterials minimiertem Systemaufbau gewährleistet werden können.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Brennstoffzellensystem mit den
Merkmalen im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte
Ausgestaltungen und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems ergeben sich aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen.
Die erfindungsgemäße Lösung sieht es vor, dass ein Brennstoffzellensystem mit einer Rezirkulationseinrichtung vergleichbar dem Stand der Technik ausgebildet ist und über eine Ablassleitung Flüssigkeit und/oder Gas aus dem Bereich der
Rezirkulationseinrichtung in den Bereich einer Zuluftleitung beziehungsweise eines Zuluftstroms zu dem Kathodenraum der Brennstoffzelle führt. Erfindungsgemäß ist zwischen der Luftfördereinrichtung und dem Kathodenraum ein Wasserabscheider angeordnet, welcher mit der Ablassleitung verbunden ist, und welcher zumindest von einem Teil des Zuluftstroms durchströmt ist. Dieser Wasserabscheider dient dazu, das durch die Ablassleitung geförderte Wasser aus dem Gemisch abzuscheiden und anderweitig aus dem Brennstoffzellensystem abzuführen, sodass flüssiges Wasser nicht in den Bereich des Kathodenraums gelangen kann. Andererseits soll aus dem Bereich des Wasserabscheiders der gasförmige durch die Ablassleitung strömende Anteil, welcher typischerweise einen Rest an Wasserstoff enthält, sicher und zuverlässig in den Bereich des Kathodenraums geführt werden, um Wasserstoffemissionen aus dem
Brennstoffzellensystem an die Umgebung zu verhindern.
In einer weiteren sehr vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen
Brennstoffzellensystems ist es dabei vorgesehen, dass der Wasserabscheider von einem Teilstrom des Zuluftstroms durchströmt wird. Gemäß einer sehr vorteilhaften
Weiterbildung macht der Teilluftstrom dabei bis zu 25 Prozent, vorzugsweise ca. 10 Prozent, des Volumenstroms des Zuluftstroms aus. Dadurch, dass lediglich ein
Teilluftstrom des Zuluftstroms durch den Wasserabscheider geführt wird, kann erreicht werden, dass eine vergleichsweise geringe Strömungsgeschwindigkeit des Teilluftstroms sowie des aus der Ablassleitung stammenden Gasgemischs im Bereich des
Flüssigkeitsabscheiders bereits bei einer kleinen Baugröße erreicht wird. Eine solche geringe Strömungsgeschwindigkeit ist Voraussetzung für eine zuverlässige Abscheidung von Flüssigkeit aus dem Flüssigkeits-Gas-Gemisch. Dabei wird erreicht, dass das gesamte Gas in den Bereich des Kathodenraums gelangt und dort an dem katalytischen Material des Kathodenraums der in dem Gas befindliche Wasserstoff vollständig abreagiert, sodass Wasserstoffemissionen an die Umgebung verhindert werden.
Ein solcher lediglich mit einem Teilluftstrom durchströmter Wasserabscheider ermöglicht also eine kleine Baugröße bei sehr guter Abscheidung, sodass der Eintrag von
Flüssigwasser in den Kathodenraum weitgehend verhindert werden kann und damit eine höhere Leistungsfähigkeit und eine höhere Lebensdauer der Brennstoffzelle ermöglicht wird.
In einer weiteren sehr vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen
Brennstoffzellensystems ist es ferner vorgesehen, dass der Teilluftstrom vom
Wasserabscheider aus in Richtung der Schwerkraft, beim bestimmungsgemäßen Betrieb, nach oben strömt und sich vor dem Kathodenraum mit dem Rest des Zuluftstroms, aus dem er abgezweigt wurde, wieder vermischt. Diese Anordnung, sodass der Teilluftstrom durch den und insbesondere nach dem Wasserabscheider zumindest ein Wegstück senkrecht nach oben strömt, verbessert nochmals die Abscheidung des Wassers.
In einer weiteren sehr günstigen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen
Brennstoffzellensystems kann es außerdem vorgesehen sein, dass im Bereich des Wasserabscheiders ein katalytisches Material angeordnet ist, welches die Reaktion von Wasserstoff mit Sauerstoff zu Wasser begünstigt. Ein solches katalytisches Material kann beispielsweise in Form einer Beschichtung oder dergleichen im Bereich des
Wasserabscheiders angeordnet werden. Es kann dafür sorgen, dass Wasserstoff, welcher über die Ablassleitung in den Bereich des Wasserabscheiders gelangt, mit Sauerstoff aus dem Teilluftstrom des Zuluftstroms zu Wasser umgesetzt wird. Eine geeignete Mischung kann dabei durch eine geeignete Wahl der Größe des Zuluftstroms erzielt werden. So wird der Umsatz des Wasserstoffs zumindest teilweise schon außerhalb des Kathodenraums erzielt und das entstehende Wasser wird über den Wasserabscheider entsprechend abgeführt. Ein solches katalytisches Material im Bereich des Wasserabscheiders kann außerdem bei trockenem Wasserabscheider und geöffneter Ventileinrichtung in einer Wasserleitung zum Ableiten des Wassers dafür sorgen, dass auf diesem Wege kein oder nur eine sehr geringe Menge an Wasserstoff an die Umgebung gelangt, da der Wasserstoff durch das katalytische Material im Bereich des Wasserabscheiders mit dem Luftsauerstoff zumindest teilweise zu Wasser umgesetzt wird.
In einer weiteren sehr günstigen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen
Brennstoffzellensystems kann es dabei vorgesehen sein, dass der Wasserabscheider aktiv oder passiv beheizbar ist. Der Wasserabscheider kann aktiv beispielsweise über eine elektrische Beheizung oder dergleichen beheizt werden, weil er hinsichtlich eines Kaltstarts des Brennstoffzellensystems bei Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts gegebenenfalls kritisch hinsichtlich einfrierendem Wasser ist. Dieses könnte über eine solche aktive Beheizung dann aufgetaut werden. Prinzipiell wäre es selbstverständlich auch denkbar, die Beheizung andersartig zu realisieren, beispielsweise passiv, in dem der Wasserabscheider in thermischem Kontakt mit einem seinerseits beheizten Bauteil steht und/oder in thermischem Kontakt mit einem Bauteil steht, welches durch den beginnenden Betrieb der Brennstoffzelle erwärmt wird, beispielsweise in Kontakt zu dem Kühlwasser.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den restlichen Unteransprüchen und werden anhand des Ausführungsbeispiels deutlich, welches nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert wird.
Dabei zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems in einer möglichen
Ausführungsform gemäß der Erfindung;
Fig. 2 ein Wasserabscheider gemäß der Erfindung; und
Fig. 3 ein Brennstoffzellensystem gemäß der Erfindung in einer alternativen
Ausführungsform.
In der Darstellung gemäß Figur 1 ist ein Brennstoffzellensystem 1 in einem für die hier vorliegende Erfindung relevanten Ausschnitt stark schematisiert angedeutet. Wichtigster Bestandteil des Brennstoffzellensystems 1 ist dabei eine Brennstoffzelle 2, welche typischerweise als Stapel von einzelnen Brennstoffzellen, als sogenannter
Brennstoffzellenstack, ausgebildet ist. Die Brennstoffzelle 2 weist einen Anodenraum 3 und einen Kathodenraum 4 auf, welche in den hier dargestellten Ausführungsbeispielen jeweils durch eine protonenleitende Membran voneinander getrennt sein sollen. Bei der Brennstoffzelle 2 handelt es sich also um einen sogenannten PEM-Brennstoffzellenstack.
Der Anodenraum 3 der Brennstoffzelle 2 wird aus einer Wasserstoffspeichereinrichtung 5 über ein Dosierventil 6 sowie ein Leitungselement mit Wasserstoff aus der
Wasserstoffspeichereinrichtung 5 versorgt. Im Bereich des Anodenraums 3 nicht umgesetzter Wasserstoff gelangt über eine Rezirkulationsleitung 7 einer
Rezirkulationseinrichtung 8 zurück in den Bereich, in dem der frische Wasserstoff über das Dosierventil 6 zu dem Anodenraum 3 strömt. Die Rezirkulationsleitung 7 führt damit in an sich bekannter Weise unverbrauchtes Gas im Anodenabgas aus dem Bereich des Anodenraums 3 zurück zum Anodeneingang, wobei sich das Gas mit frischem
Wasserstoff aus der Wasserstoffspeichereinrichtung 5 vermischt. Um den Druckverlust im Anodenraum 3 auszugleichen, ist im Bereich der Rezirkulationsleitung 7 außerdem eine Rezirkulationsfördereinrichtung 9 als Teil der Rezirkulationseinrichtung 8
angeordnet, welche für die Rückführung des unverbrauchten Gases aus dem Anodenraum 3 sorgt. Die Rezirkulationsfördereinrichtung 9 kann dabei als
Wasserstoffrezirkulationsgebläse ausgebildet sein, so wie dies in Figur 1 angedeutet ist. Ergänzend oder alternativ hierzu wäre auch eine Gasstrahlpumpe denkbar, welche durch den Wasserstoff aus der Wasserstoffspeichereinrichtung 5 angetrieben wird, und das Gas aus dem Bereich der Rezirkulationsleitung 7 entsprechend ansaugt, mit dem frischen Wasserstoff vermischt und dem Anodenraum 3 zuführt.
Der Kathodenraum 4 der Brennstoffzelle 2 wird im hier dargestellten Ausführungsbeispiel mit Luft versorgt. Der in der Luft enthaltende Sauerstoff dient als Oxidationsmittel für die chemische Reaktion im Inneren der Brennstoffzelle 2 und bildet zusammen mit dem Wasserstoff in an sich bekannter Weise Wasser, wobei elektrische Leistung frei wird, welche an der Brennstoffzelle 2 entsprechend abgegriffen werden kann. Die Luft für den Kathodenraum 4 wird dabei über eine Luftfördereinrichtung 10 entsprechend verdichtet und über eine Zuluftleitung 11 dem Eingang 12 des Kathodenraums 4 zugeführt. Zur Aufbereitung der Luft können dabei weitere Komponenten, wie beispielsweise Luftfilter oder dergleichen vorhanden sein, auf deren Darstellung hier zur Vereinfachung verzichtet wurde. Die Luftfördereinrichtung 10 kann dabei als Kompressor, beispielsweise als Schraubenkompressor, ausgebildet sein. Im hier dargestellten Ausführungsbeispiel soll die Luftfördereinrichtung 10 jedoch als Strömungsverdichter ausgebildet sein, welcher über eine Welle mit einer elektrischen Maschine 13 sowie einer Turbine 14 kombiniert ist. Dieser aus dem Stand der Technik ebenfalls bekannte Aufbau wird auch als elektrischer Turbolader (ETC = Electric Turbo Charger) bezeichnet. Über die Turbine 14 kann in dem Abgas aus dem Kathodenraum 4 vorhandene Energie in Form von Druck und Wärme entsprechend zurückgewonnen werden. Die Luftfördereinrichtung 10 kann dann über die Turbine 14 betrieben werden oder der Betrieb kann zumindest über die Turbine 14 unterstützt werden. Die weitere verbleibende Energie, oder falls die Turbine 14 keine Energie liefert die gesamte Energie zum Antrieb der Luftfördereinrichtung 10, kann außerdem über die elektrische Maschine 13 zur Verfügung gestellt werden. Wenn die Turbine 14 einen Energieüberschuss liefert, sodass mehr Energie an der Turbine 14 anfällt als zum Betrieb des Luftverdichters 10 benötigt wird, dann kann die elektrische Maschine 13 als auch als Generator betrieben werden, um diese anfallende mechanische Energie in elektrische Energie umzuwandeln, welche dann z.B. in einer Batterie des Brennstoffzellensystems 1 entsprechend eingespeichert wird und/oder anderen elektrisch betriebenen Nebenaggregaten zur Verfügung gestellt werden kann. Im Bereich der Rezirkulationsleitung 7 ist außerdem ein Wasserabscheider 15
vorgesehen, welcher während des Betriebs flüssiges Wasser, welches sich im Bereich des Anodenraums 3 ansammelt und über die Rezirkulationsleitung 7 entsprechend ausgetragen wird, sammelt. Dieses flüssige Wasser kann somit Gaskanäle und dergleichen im Bereich des Anodenraums 3 nicht verstopfen, sodass anodenseitig ein sicherer und zuverlässiger Betrieb garantiert werden kann. Im Bereich des
Wasserabscheiders 15 ist zum Ablassen dieses Wassers eine Ventileinrichtung 16 im Auslassbereich des Wasserabscheiders 15, typischerweise also in Richtung der
Schwerkraft unten, vorgesehen. An die Ventileinrichtung 16 schließt sich eine
Ablassleitung 17 an, welche im Bereich einer später noch näher erläuterten Komponente 18 in den Bereich der Zuluftleitung 11 mündet. Wie aus dem Stand der Technik bekannt, wird über diese Ablassleitung 17 nun Wasser und Abgas aus dem Anodenraum 3 der Brennstoffzelle 2 in den Bereich der Komponente 18 geführt. Aus dem Bereich der Komponente 18 führt eine Wasserleitung 19 mit einer Ventileinrichtung 20 in den Bereich eines Abgasstroms nach der Turbine 14.
In der Darstellung der Figur 2 ist die Komponente 18 nun im Detail zu erkennen. Sie besteht in der hier dargestellten bevorzugten Ausführungsform aus einem
Wasserabscheider 21 , in welchen die Ablassleitung 17 mündet. Über die Ventileinrichtung 20 und die Wasserleitung 19 kann das sich in dem Wasserabscheider 21 ansammelnde Wasser dann in den Bereich der Abluft aus dem Brennstoffzellensystem 1 eingetragen werden. Alternative Möglichkeiten zur Entsorgung des Wassers sind selbstverständlich ebenso denkbar und möglich.
Um in dem Wasserabscheider 21 eine hohe Abscheiderate zu erreichen, sind
entsprechend geringe Strömungsgeschwindigkeiten im Bereich des Wasserabscheiders notwendig. Um ihn nun dennoch entsprechend klein ausbilden zu können, ist bei dem hier beschriebenen Aufbau der Wasserabscheider 21 nicht in den Bereich der Zuluftleitung 11 integriert, sondern lediglich über zwei Leitungen 22, 23 an die Zuluftleitung 11
angebunden. Hierdurch wird erreicht, dass nicht der gesamte in der Darstellung der Figur 2 mit A bezeichnete Zuluftstrom durch den Wasserabscheider 21 strömt. Vielmehr wird durch die aus der Zuluftleitung 11 abzweigende Leitung 22 ein Teilstrom a des
Zuluftstroms A in den Wasserabscheider 21 strömen. Der Teilluftstrom a strömt also über das Leitungselement 22 in den Bereich des Wasserabscheiders 21 ein und wird dort mit dem über die Ablassleitung 17 in den Bereich des Wasserabscheiders 21 einströmenden Gemisch b aus Wasser und Abgas des Anodenraums 3 vermischt. Durch den
vergleichsweise kleinen Teilluftstrom a, welcher insbesondere in der Größenordnung von ca. 10 Prozent des gesamten Zuluftstroms A beträgt, wird trotz einem vergleichsweise klein aufgebauten Wasserabscheider 21 eine entsprechend geringe
Strömungsgeschwindigkeit im Bereich des Wasserabscheiders 21 erzielt. Dadurch kann das über die Ablassleitung 17 eingetragene Wasser sehr gut abgeschieden werden. Es sammelt sich in dem Wasserabscheider 21 und kann über die Ventileinrichtung 20 oder alternativ dazu einer Blende und die Wasserleitung 19 in die Abluft des
Brennstoffzellensystems 1 abgegeben werden. Der Teilluftstrom a vermischt sich mit dem Gasanteil b', welcher durch die Ablassleitung 17 in den Wasserabscheider 21 geströmt ist, und verlässt den Wasserabscheider 21 vorzugsweise in Richtung der Schwerkraft nach oben, um eventuell noch in dem Gemisch verbleibende Wassertröpfen durch die Schwerkraft abzuscheiden. Der Gasstrom aus dem Teilluftstrom a und dem Gasanteil b' aus der Ablassleitung 17 ist in der Figur 2 mit a + b* bezeichnet. Er strömt über die Leitung 23 zurück in den Bereich der Zuluftleitung 11 und vermischt sich dort, bevor diese am Eingang 12 des Kathodenraums 4 anlangt mit dem Rest des Zuluftstroms (A - a) zu dem in Figur 2 mit A + b* bezeichneten Gasstrom, welcher dann in den Kathodenraum 4 strömt.
Bei dem Aufbau des Brennstoffzellensystems 1 , wie es in der Darstellung der Figur 1 zu erkennen ist, wäre selbstverständlich zusätzlich der Einsatz eines an sich bekannten Befeuchters, typischerweise im Bereich vor der Komponente 18, denkbar und möglich. Da dies dem allgemeinen Stand der Technik entspricht wird zur Vereinfachung der Darstellung hierauf nicht weiter eingegangen.
In der Darstellung der Figur 3 ist eine besonders bevorzugte Ausgestaltung des
Brennstoffzellensystems 1 zu erkennen. Im Gegensatz zur Ausgestaltung des
Brennstoffzellensystems 1 in der Darstellung der Figur 1 weist dieses im Bereich der Rezirkulationseinrichtung 8 keinen Wasserabscheider 15 mehr auf, sondern lediglich eine Blende 24, welche für einen kontinuierlichen Abstrom von Wasser und Gas durch die Ablassleitung 17 in den Bereich des Wasserabscheiders 21 sorgt. Dies ist hinsichtlich des Aufwands an Komponenten und Bauraum sehr günstig. Außerdem lässt sich der
Steuerungsaufwand minimieren. Alternativ dazu wäre selbstverständlich auch der Einsatz der Ventileinrichtung 16 jedoch ohne den Wasserabscheider 15 anstelle der Blende 24 denkbar. Die Komponente 18 bei dem bevorzugten Aufbau des Brennstoffzellensystems 1 gemäß Figur 3 ist dabei identisch zum bisher beschriebenen Aufbau und insbesondere zur Darstellung in Figur 2 aufgebaut.
Alternativ dazu wäre es selbstverständlich auch denkbar, anstelle des Ventils 20 zwischen dem Wasserabscheider 21 und der Wasserleitung 19 eine feste Blende vorzusehen und so einen kontinuierlichen Abstrom des angefallenen Wassers in den Bereich der Abluft des Brennstoffzellensystems 1 zu gewährleisten. Die Auslegung und/oder die Ansteuerung des Ventils 16 im Bereich der Ablassleitung 17 müsste dann so realisiert werden, dass eine Wasserstoffkonzentration im Bereich der Abluft, auch in Störungsfällen des Brennstoffzellensystems 1 , möglichst unter 4 Prozent bleibt, um keine sicherheitskritischen Zustände zu erreichen. Vorzugsweise ist dabei in der Ablassleitung 17 oder der Wasserleitung 19 eine Blende und in der jeweils anderen Leitung eine Ventileinrichtung vorgesehen, um den Austritt von Wasserstoff notfalls sicher stoppen zu können.
Da der Wasserabscheider 21 mit im Bereich der Brennstoffzelle 2 entstandenem
Reinstwasser in Kontakt kommt, kann dieses Wasser bei Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts sehr leicht einfrieren und die Funktionalität der Komponente 18
beeinträchtigen. Der Wasserabscheider 21 kann daher so ausgestaltet sein, dass dieser aktiv beheizt werden kann, was in der Darstellung der Figur 2 durch eine elektrische Widerstandsheizung 25 prinzipmäßig angedeutet ist. Ergänzend oder alternativ dazu wäre es selbstverständlich auch denkbar, die Beheizung durch thermischen Kontakt mit einer ohnehin beheizten oder sich selbst erwärmenden Komponente und/oder dem Kühlwasser vorzunehmen.

Claims

Patentansprüche
1. Brennstoffzellensystem (1 ) mit wenigstens einer Brennstoffzelle (2), welche einen Anodenraum (3) und einen Kathodenraum (4) aufweist, mit einer
Rezirkulationseinrichtung (8), welche Anodenabgas zum Anodeneingang zurückführt, mit einer Ablassleitung (17) zum Ablassen von Flüssigkeit und/oder Gas aus dem Bereich der Rezirkulationseinrichtung (8) und mit einer
Luftfördereinrichtung (10) zur Versorgung des Kathodenraums (4) mit einem Zuluftstrom (A),
dadurch gekennzeichnet, dass
zwischen der Luftfördereinrichtung (10) und dem Kathodenraum (4) im Bereich des Zuluftstroms (A) ein Wasserabscheider (21) angeordnet ist, welcher mit der Ablassleitung (17) verbunden ist, und welcher zumindest von einem Teil (a) des Zuluftstroms (A) durchströmt ist.
2. Brennstoffzellensystem (1 ) nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Wasserabscheider (21) von einem Teilstrom (a) des Zuluftstroms (A) durchströmt ist.
3. Brennstoffzellensystem (1 ) nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Teilstrom (a) bis zu 25 Prozent des Volumenstroms des Zuluftstroms (A) ausmacht.
4. Brennstoffzellensystem (1) nach Anspruch 2 oder 3,
dadurch gekennzeichnet, dass der Teilstrom (a) ca. 10 Prozent des Volumenstroms des Zuluftstroms (A) ausmacht.
5. Brennstoffzellensystem (1) nach Anspruch 2, 3 oder 4,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Teilstrom (a) vom Wasserabscheider (21) aus in Richtung der Schwerkraft, beim bestimmungsgemäßen Betrieb, nach oben strömt, und sich vor dem
Kathodenraum (4) mit dem Rest (A - a) des Zuluftstroms (A), aus dem er abgezweigt wurde, wieder vermischt.
6. Brennstoffzellensystem (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Wasserabscheider (21) über eine Wasserleitung (19) für die abgeschiedene Flüssigkeit mit einer Blende und/oder Ventileinrichtung (20) mit einem Abgasstrom aus dem Brennstoffzellensystem (1) verbunden ist.
7. Brennstoffzellensystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, dass
im Bereich des Wasserabscheiders (21) ein katalytisches Material angeordnet ist, welches die Reaktion von Wasserstoff mit Sauerstoff zu Wasser begünstigt.
8. Brennstoffzellensystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Wasserabscheider (21) beheizbar ist.
9. Brennstoffzellensystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Ablassleitung (17) eine Blende (24) und/oder eine Ventileinrichtung (16) aufweist.
10. Brennstoffzellensystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Ablassleitung (17) im Bereich der Rezirkulationseinrichtung (8) im Bereich wenigstens eines Wasserabscheiders (15) angeordnet ist.
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