WO2014131553A1 - Brennstoffzellensystem - Google Patents

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WO2014131553A1
WO2014131553A1 PCT/EP2014/050965 EP2014050965W WO2014131553A1 WO 2014131553 A1 WO2014131553 A1 WO 2014131553A1 EP 2014050965 W EP2014050965 W EP 2014050965W WO 2014131553 A1 WO2014131553 A1 WO 2014131553A1
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WO
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fuel cell
cell system
hydrogen
nitrogen
absorber
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PCT/EP2014/050965
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Norbert Frisch
Stefan Haase
Johannes Schmid
Original Assignee
Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft
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    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the fuel cell system The fuel cell system
  • the present invention relates to a fuel cell system comprising a plurality of bipolar plates combined in a stack and a recirculation circuit connected to an anode side of the stack of bipolar plates.
  • Fuel cell systems remove the nitrogen accumulating on the anode side, which diffuses from the cathode side through the membrane, via a regular purge in which the nitrogen is removed together with the hydrogen.
  • active eg recirculation pump
  • passive recirculation measures eg Venturi nozzle
  • the hydrogen lost by the purge may be 1% or more of the total hydrogen consumption. From a safety point of view, emitted hydrogen is always problematic and therefore basically to be minimized. The dilution of the rinsing with cathode exhaust air is not without problems and can therefore exceed the limit of 4% by volume of hydrogen in the exhaust air. Consequently, technical measures are needed to meet the limit.
  • the purge gas contains only a proportionate amount of nitrogen (about 20%), with the remainder of the gas, hydrogen, being lost through the purge, thereby lowering overall system efficiency. Furthermore, the hydrogen leaving the purge carries a safety risk (accumulation under or in the vehicle, local formation of ignitable gases). mix by pulse-like outflow of hydrogen to the cathode exhaust air or the ambient air).
  • the device can be advantageously provided according to a first embodiment with a filter unit in which a preferably hydrogen or hydrogen + water permeable membrane is arranged.
  • the device may be provided with a filter unit in which a preferably nitrogen-permeable membrane is arranged. Since the retained nitrogen accumulates in front of the membrane, the gas volume in front of the membrane is enriched with nitrogen.
  • the filter unit is connected to a flushing line, which opens into the filter unit in front of the membrane.
  • the device may also be formed as a preferably hydrogen or hydrogen + water transmitting absorber unit.
  • the device can also be designed as a preferably nitrogen-transmitting absorber unit.
  • the absorber unit is advantageously filled with a material which is capable of selectively storing, absorbing, chemically bonding, reacting or otherwise retaining nitrogen.
  • the absorber unit can consist of a single absorber, which can optionally be bypassed by a bypass line arranged in the recirculation circuit.
  • the absorber unit can also have two absorbers connected in parallel.
  • This gas can be introduced via a connected to the absorber flushing line in the environment or in the exhaust pipe according to a preferred embodiment.
  • the fuel cell system according to the invention can also be combined with a Wasserabscheideiki. Due to the solution according to the invention, the following advantages result:
  • the high nitrogen concentration in the absorber / filter leads to lower purge rates.
  • FIG. 1 shows a schematic view of a fuel cell system according to the invention according to a first embodiment
  • FIG. 2 shows a schematic view of a fuel cell system according to the invention in accordance with a second embodiment
  • FIG. 3 shows a schematic view of a fuel cell system according to the invention according to a third embodiment
  • FIG. 4 shows a schematic view of a fuel cell system according to the invention according to a fourth embodiment
  • Figure 5 is a schematic view of a fuel cell system according to the invention according to a fifth embodiment.
  • Figure 6 is a schematic view of a fuel cell system according to the invention according to a sixth embodiment.
  • the fuel cell system 1 is symbolized by a cathode 2, an anode 3 and a cooling channel 4 located therebetween.
  • the cathode 2 is connected to an air supply 5, the anode 3 to a recirculation circuit 6 for the hydrogen and the cooling channel 4 to a cooling water supply 7.
  • a device is arranged which removes the nitrogen molecules collecting on the anode side from the hydrogen.
  • the device consists of an absorber unit 8 having a single absorber filled with a material capable of selectively storing, absorbing, chemically bonding, reacting or otherwise nitrogen how to hold back, for B. zeolite.
  • the material, for. B. zeolite must be regenerated after a certain time interval, is replaced by a change in the external conditions, eg. As a reduction in pressure or a temperature increase, the nitrogen absorbed by the material again converted into the gas phase.
  • This nitrogen gas can be introduced into a purge line 9 connected to the absorber unit 8.
  • a valve 10 is arranged in the purge line 9, via which the nitrogen gas can be discharged into the environment or into the exhaust pipe.
  • a bypass line 11 is further provided, which bypasses the absorber unit 8.
  • valves 12 are arranged, via which the respective flow path (through the absorber unit 8 and the bypass line 11) can be selected.
  • the recirculation circuit 6 leads to a Venturi nozzle or a recirculation pump 13 and from there back to the anode 3. Behind the venturi nozzle or the recirculation pump 13 the recirculation circuit 6 is still connected to a hydrogen supply line 14.
  • FIG. 2 shows a second embodiment of the fuel cell system 1 according to the invention. This differs from the embodiment of Figure 1 in that the bypass line 11 is absent, but there is the absorber unit 8 of two parallel absorbers, which are connected together to the purge line 9. The rest of the structure corresponds to that of Figure 1.
  • the absorber unit 8 serves to adsorb / adsorb nitrogen, which is retained while the hydrogen is being passed.
  • the absorber unit 8 could also be designed such that the hydrogen is retained and the nitrogen is passed through.
  • FIG. 3 shows a third embodiment of the fuel cell system 1 according to the invention. This differs from the embodiment according to FIGS. 1 and 2 by another embodiment of the device which removes the nitrogen molecules collecting on the anode side from the hydrogen.
  • this device consists of an absorber unit 8, according to FIG. 3 this device is provided with a filter unit 15 in which a membrane 16 is arranged which preferably contains hydrogen (H 2 ) or hydrogen + water (H 2 + H 2 0).
  • This membrane 16 is able to stop the nitrogen so that it accumulates in the space in front of the membrane 16.
  • the gas volume located in front of the membrane 16 is enriched with nitrogen.
  • the filter unit 15 - as in the embodiment according to Figures 1 and 2 - connected via the valves 10 to the purge line 9, which opens in front of the nitrogen-selective membrane 16 in the filter unit 15.
  • the recirculation circuit 6 leads from the filter unit 15 to the venturi nozzle or the recirculation pump 13 and from there back to the anode 3.
  • the hydrogen supply line opens behind the venturi nozzle or the recirculation pump 13 14 in the recirculation 6.
  • the filter unit 15 is a combination of a hydrogen and a nitrogen trap unit.
  • the hydrogen-permeable membrane 16 and the nitrogen-permeable membrane 17 are shown in separate housings. de membranes 16, 17 can also be accommodated in a common housing.
  • valve 10 required according to the embodiment according to FIG. 3 can be dispensed with, this principle operates passively.
  • FIG. 1 Another possibility is shown in FIG.
  • the hydrogen is conducted together with the nitrogen via the recirculation circuit 6 into the filter unit 5, which has buffering properties and is divided by the membrane 6 into two regions.
  • a negative pressure is generated via the Venturi nozzle or the recirculation pump 13 in order to feed the hydrogen passing through the membrane 16 back into the hydrogen supply line 14.
  • the nitrogen remains behind and can be discharged periodically, continuously and / or semi-continuously via the valve 10 directly into the environment or the exhaust pipe.
  • FIG. 1 A corresponding embodiment is shown in FIG.
  • the hydrogen can be passed together with the nitrogen via the recirculation circuit 6 in the absorber unit 8. After a residence time, a large part of the nitrogen has passed into the adsorber material.
  • the remaining hydrogen can be supplied via the venturi or the recirculation pump 13 of the hydrogen supply line 14.
  • the remaining nitrogen in the absorber unit 8 can then be given to the environment or the exhaust pipe via a regeneration step.
  • a corresponding embodiment is shown in FIG. Since this embodiment differs only by the mode of operation and the flow rate of the embodiment of Figure 1, mixed operation is possible.
  • the fuel cell system 1 is operated such that only slightly more hydrogen is made available at the inlet of the fuel cell than is necessary for the reaction.
  • hydrogen with its impurities nitrogen, which has diffused into the hydrogen, etc.
  • a high concentration is introduced in small quantities in batches to the filter unit 15.
  • the hydrogen is filtered through the membrane 16 and fed to the inlet stream of the fuel cell, resulting in high recirculation rates and essentially continuous operation.
  • valve configuration is variable as required, with configurations for 3-way valves or more complex systems possible.
  • the above-described fuel cell system may also be combined with a water separation unit.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem mit mehreren, zu einem Stapel zusammengefassten Bipolarplatten und einem Rezirkulationskreislauf, der mit einer Anodenseite des Stapels von Bipolarplatten verbunden ist. Um ein Brennstoffzellensystem der eingangs genannten Art zu schaffen, welches die geschilderten Nachteile überwindet, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass in dem Rezirkulationskreislauf eine Einrichtung angeordnet ist, welche die sich auf der Anodenseite sammelnden Stickstoffmoleküle entfernt.

Description

Brennstoffzellensystem
Beschreibung Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem mit mehreren, zu einem Stapel zusammengefassten Bipolarplatten und einem Rezirkulationskreislauf, der mit einer Anodenseite des Stapels von Bipolarplatten verbunden ist. Brennstoffzellensysteme entfernen den sich auf der Anodenseite ansammelnden Stickstoff, der von der Kathodenseite durch die Membran diffundiert, über eine regelmäßige Ausspülung, bei welcher der Stickstoff zusammen mit dem Wasserstoff entfernt wird. Ferner werden aktive (z. B. Rezirkulationspumpe) und passive Rezirkulationsmaßnahmen (z. B. Venturidüse) verwendet.
Der durch die Ausspülung verlorene Wasserstoff kann 1 % und mehr des Gesamtwasserstoffverbrauchs betragen. Sicherheitstechnisch ist emittierter Wasserstoff immer problematisch und daher grundsätzlich zu minimieren. Auch die Verdünnung der Ausspülung mit Kathodenabluft ist nicht unproblematisch und kann deshalb den Grenzwert von 4 Vol.- % Wasserstoff in der Abluft überschreiten. Folglich werden technische Maßnahmen benötigt, um den Grenzwert einzuhalten. Im Ausspülungsgas ist nur anteilig Stickstoff enthalten (ca. 20%), wobei das restliche Gas, der Wasserstoff, durch die Ausspülung verloren geht und somit den Gesamtsystemwirkungsgrad senkt. Ferner birgt der durch die Ausspülung austretende Wasserstoff ein Sicherheitsrisiko (Ansammlung unter oder im Fahrzeug, lokale Bildung zündfähiger Ge- mische durch pulsartiges ausströmen des Wasserstoffs zur Kathodenabluft oder der Umgebungsluft).
Eine aktive Rezirkulation senkt den Systemwirkungsgrad. Ohne Rezir- kulation bilden sich jedoch lokale Konzentrationsverarmungen von Wasserstoff und senken ebenfalls den Wirkungsgrad. Hohe Ausspü- lungs- (ca. <1 s"1) und Rezirkulationsraten sind notwendig, um die ansammelnde Stickstoffmenge zu entfernen. Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Brennstoffzellensystem der eingangs genannten Art zu schaffen, welches die geschilderten Nachteile überwindet. Diese Aufgabe wird bei einem Brennstoffzellensystem mit mehreren, zu einem Stapel zusammengefassten Bipolarplatten und einem Rezirkula- tionskreislauf, der mit einer Anodenseite des Stapels von Bipolarplatten verbunden ist, erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass in dem Rezirku- lationskreislauf eine Einrichtung angeordnet ist, welche die sich auf der Anodenseite sammelnden Stickstoffmoleküle entfernt.
Die Unteransprüche beinhalten vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung. Die Einrichtung kann gemäß einer ersten Ausführungsform vorteilhafterweise mit einer Filtereinheit versehen sein, in der eine vorzugsweise Wasserstoff oder Wasserstoff+Wasser durchlassende Membran angeordnet ist. Alternativ kann die Einrichtung mit einer Filtereinheit versehen sein, in der eine vorzugsweise Stickstoff durchlassende Membran angeordnet ist. Da sich der zurückgehaltene Stickstoff vor der Membran staut, ist das vor der Membran befindliche Gasvolumen mit Stickstoff angereichert. Um dieses Volumen gezielt und getaktet abführen zu können, ist gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung die Filtereinheit an eine Spülleitung angeschlossen, die vor der Membran in die Filtereinheit mündet.
Alternativ kann die Einrichtung auch als eine vorzugsweise Wasserstoff oder Wasserstoff+Wasser durchlassende Absorbereinheit ausgebildet sein. Weiterhin alternativ kann die Einrichtung auch als eine vorzugsweise Stickstoff durchlassende Absorbereinheit ausgebildet sein.
Die Absorbereinheit ist vorteilhafterweise mit einem Material gefüllt, welches in der Lage ist, selektiv Stickstoff einzulagern, zu absorbieren, chemisch zu binden, umzusetzen oder sonst wie zurückzuhalten.
Die Absorbereinheit kann aus einem einzigen Absorber bestehen, der optional von einer in dem Rezirkulationskreislauf angeordneten Bypass- leitung umgangen werden kann.
Alternativ kann die Absorbereinheit auch zwei parallel geschaltete Absorber aufweisen.
Da nach einem bestimmten Zeitintervall das Material in der Absorbe- reinheit regeneriert werden muss, wird durch eine Änderung der äuße- ren Bedingungen, z. B. eine Druckerniedrigung oder eine Temperaturerhöhung der von dem Material absorbierte Stickstoff wieder in die Gasphase überführt. Dieses Gas kann gemäß einer bevorzugten Weiterbildung über eine an die Absorbereinheit angeschlossene Spülleitung in die Umgebung oder in die Abgasleitung eingeleitet werden.
Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem kann auch mit einer Wasserabscheideeinheit kombiniert sein. Aufgrund der erfindungsgemäßen Lösung ergeben sich folgende Vorteile:
Geringere Rezirkulationsraten, da der Stickstoff nicht rezirkuliert, sondern vorher entnommen wird. Daraus ist eine geringere Leis- tung für die Rezirkulationspumpe erforderlich, was wiederum zu einem besseren Systemwirkungsgrad führt.
Die hohe Stickstoffkonzentration im Absorber/Filter führt zu niedrigeren Ausspülungsraten.
Der geringere Verlust an Wasserstoff führt zu einem höheren Sys- temwirkungsgrad (+ (1-2)%) oder zu deutlich kleineren Stapeln von Bipolarplatten (ca. 10-15 % bei gleichem Systemwirkungsgrad). Darüber hinaus verringert sich durch die Minimierung der Wasserstoffemission das Sicherheitsrisiko und weiterhin lassen sich die Grenzwerte für die Konzentration von Wasserstoff in der Abluft oh- ne großen technischen Aufwand einhalten.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung anhand der Zeichnungen. Es zeigen: Figur 1 eine schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems gemäß einer ersten Ausführungsform,
Figur 2 eine schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen Brenn- stoffzellensystems gemäß einer zweiten Ausführungsform,
Figur 3 eine schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems gemäß einer dritten Ausführungsform, Figur 4 eine schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems gemäß einer vierten Ausführungsform,
Figur 5 eine schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems gemäß einer fünften Ausführungsform, und
Figur 6 eine schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems gemäß einer sechsten Ausführungsform.
In den Figuren sind nur die hier interessierenden Teile des Brennstoffzellensystems dargestellt, alle übrigen Elemente sind der Übersichtlichkeit halber weggelassen.
In allen Figuren ist das Brennstoffzellensystem 1 durch eine Kathode 2, eine Anode 3 und einen dazwischen liegenden Kühlkanal 4 symboli- siert. Die Katode 2 ist mit einer Luftversorgung 5, die Anode 3 mit einem Rezirkulationskreislauf 6 für den Wasserstoff und der Kühlkanal 4 mit einer Kühlwasserversorgung 7 verbunden. In dem Rezirkulationskreislauf 6 ist eine Einrichtung angeordnet, welche die sich auf der Anodenseite sammelnden Stickstoffmoleküle aus dem Wasserstoff entfernt. Gemäß einer ersten, in Figur 1 dargestellten Ausführungsform besteht die Einrichtung aus einer Absorbereinheit 8, die einen einzigen Absorber aufweist, der mit einem Material gefüllt ist, welches in der Lage ist, selektiv Stickstoff einzulagern, zu absorbieren, chemisch zu binden, umzusetzen oder sonst wie zurückzuhalten, z. B. Zeolith.
Da das Material, z. B. Zeolith nach einem bestimmten Zeitintervall regeneriert werden muss, wird durch eine Änderung der äußeren Bedingungen, z. B. eine Druckerniedrigung oder eine Temperaturerhöhung, der von dem Material absorbierte Stickstoff wieder in die Gas- phase überführt. Dieses Stickstoffgas kann in eine an die Absorbereinheit 8 angeschlossene Spülleitung 9 eingeleitet werden. Dazu ist in der Spülleitung 9 ein Ventil 10 angeordnet, über welches das Stickstoffgas in die Umgebung oder in die Abgasleitung abgegeben werden kann. In dem Rezirkulationskreislauf 6 ist weiterhin eine Bypassleitung 11 vorgesehen, welche die Absorbereinheit 8 umgeht.
Vor und hinter der Absorbereinheit 8 sowie in der Bypassleitung 11 sind Ventile 12 angeordnet, über welche der jeweilige Strömungsweg (durch die Absorbereinheit 8 bzw. die Bypassleitung 11 ) gewählt werden kann.
Von der Absorbereinheit 8 führt der Rezirkulationskreislauf 6 zu einer Venturidüse bzw. einer Rezirkulationspumpe 13 und von dort zurück zu der Anode 3. Hinter der Venturidüse bzw. der Rezirkulationspumpe 13 ist der Rezirkulationskreislauf 6 noch mit einer Wasserstoff- Versorgungsleitung 14 verbunden.
In Figur 2 ist eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems 1 dargestellt. Diese unterscheidet sich von der Ausführungsform nach Figur 1 dadurch, dass die Bypassleitung 11 fehlt, dafür besteht die Absorbereinheit 8 aus zwei parallel geschalteten Absorbern, die gemeinsam an die Spülleitung 9 angeschlossen sind. Der übrige Aufbau entspricht dem nach Figur 1.
In den in den Figuren 1 und 2 gezeigten Ausführungsbeispielen dient die Absorbereinheit 8 zur Ab-/Adsorption von Stickstoff, der zurückgehalten wird, während der Wasserstoff durchgelassen wird. Grundsätzlich könnte die Absorbereinheit 8 aber auch so ausgebildet sein, das der Wasserstoff zurückgehalten und der Stickstoff durchgelassen wird.
In Figur 3 ist eine dritte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems 1 dargestellt. Diese unterscheidet sich von der Ausführungsform nach Figur 1 und 2 durch eine andere Ausgestaltung der Einrichtung, welche die sich auf der Anodenseite sammelnden Stickstoffmoleküle aus dem Wasserstoff entfernt.
Gemäß den Figuren 1 und 2 besteht diese Einrichtung aus einer Absorbereinheit 8, gemäß Figur 3 ist diese Einrichtung mit einer Filterein- heit 15 versehen, in der eine Membran 16 angeordnet ist, die vorzugsweise Wasserstoff (H2) oder Wasserstoff+Wasser (H2+H20) durchlässt. Diese Membran 16 ist in der Lage, den Stickstoff aufzuhalten, so dass sich dieser in dem Raum vor der Membran 16 staut. Dadurch wird das vor der Membran 16 befindliche Gasvolumen mit Stickstoff angerei- chert. Um dieses Volumen getaktet, kontinuierlich und/oder semi- kontinuierlich abführen zu können, ist die Filtereinheit 15 - wie bei der Ausführungsform nach den Figuren 1 und 2 - über das Ventile 10 an die Spülleitung 9 angeschlossen, die vor der stickstoffselektiven Membran 16 in die Filtereinheit 15 mündet.
Von der Filtereinheit 15 führt der Rezirkulationskreislauf 6 wie bei der Ausführungsform nach den Figuren 1 und 2 zu der Venturidüse bzw. der Rezirkulationspumpe 13 und von dort zurück zu der Anode 3. Hinter der Venturidüse bzw. der Rezirkulationspumpe 13 mündet die Wasser- stoff-Versorgungsleitung 14 in den Rezirkulationskreislauf 6.
Die vorbeschriebenen Ausführungsformen können auch dazu verwendet werden, den zusammen mit dem Stickstoff ausgeschiedenen Wasserstoff zurückzugewinnen.
Um den Wasserstoff zurückzugewinnen, wird dieser gemäß Figur 4 zusammen mit dem Stickstoff über den Rezirkulationskreislauf 6 in die Filtereinheit 15 geleitet, die über die Membran 16 in zwei Bereiche geteilt wird. In einem Bereich wird über die Venturidüse bzw. die Rezirku- lationspumpe 13 ein Unterdruck erzeugt, um den durch die Membran 16 tretenden Wasserstoff zurück in die Wasserstoff-Versorgungsleitung 14 zu speisen. Im anderen Bereich bleibt der Stickstoff zurück. Dieser wird einer stickstoffdurchlässigen Membran 17 zugeführt und kann periodisch direkt in die Umgebung oder die Abgasleitung abgelassen wer- den. Bei dieser Ausführungsform ist die Filtereinheit 15 somit eine Kombination aus einer Wasserstoff- und einer Stickstoffabscheideeinheit.
In Figur 4 sind die wasserstoffdurchlässige Membran 16 und die stick- stoffdurchlässige Membran 17 in getrennten Gehäusen dargestellt, bei- de Membranen 16, 17 können jedoch auch in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht sein.
Da bei dieser Ausführungsform infolge der Verwendung einer zweiten stickstoffdurchlässigen Membran 17 auf das gemäß der Ausführungsform nach Figur 3 notwendige Ventil 10 verzichtet werden kann, arbeitet dieses Prinzip passiv.
Eine andere Möglichkeit ist in Figur 5 gezeigt. Dabei wird der Wasser- stoff zusammen mit dem Stickstoff über den Rezirkulationskreislauf 6 in die Filtereinheit 5 geleitet, die Puffereigenschaften besitzt und über die Membran 6 in zwei Bereiche geteilt wird. In einem Bereich wird über die Venturidüse bzw. die Rezirkulationspumpe 13 ein Unterdruck erzeugt, um den durch die Membran 16 tretenden Wasserstoff zurück in die Wasserstoff-Versorgungsleitung 14 zu speisen. Im anderen Bereich bleibt der Stickstoff zurück und kann periodisch, kontinuierlich und/oder semi-kontinuierlich über das Ventil 10 direkt in die Umgebung oder die Abgasleitung abgelassen werden. Eine entsprechende Ausgestaltung ist in Figur 5 gezeigt.
Analog dazu kann der Wasserstoff zusammen mit dem Stickstoff über den Rezirkulationskreislauf 6 in die Absorbereinheit 8 geleitet werden. Nach einer Verweildauer ist ein Großteil des Stickstoffs in das Adsor- bermaterial übergegangen. Der verbleibende Wasserstoff kann über die Venturidüse bzw. die Rezirkulationspumpe 13 der Wasserstoff- Versorgungsleitung 14 zugeführt werden. Der in der Absorbereinheit 8 verbleibende Stickstoff kann anschließend über einen Regenerationsschritt an die Umgebung oder die Abgasleitung gegeben werden. Eine entsprechende Ausgestaltung ist in Figur 6 gezeigt. Da sich diese Ausgestaltung nur durch die Betriebsweise und die Durchflussmenge von der Ausgestaltung nach Figur 1 unterscheidet, ist auch gemischter Betrieb möglich.
Die vorbeschrieben Prinzipien der Abscheidung von Wasserstoff und Stickstoff können auch insoweit abgewandelt werden, als dass die Membran 16 nicht den Wasserstoff durchlässt und den Stickstoff zurückhält, sondern den Stickstoff durchlässt und den Wasserstoff zu- rückhält.
Bei den in den Figuren 3 und 4 gezeigten Ausführungsformen wird das Brennstoffzellensystem 1 so betrieben, dass nur geringfügig mehr Wasserstoff am Einlass der Brennstoffzelle zur Verfügung gestellt wird, als für die Reaktion notwendig ist. In kurzen Zeitintervallen wird am Auslass der Brennstoffzelle Wasserstoff mit seinen Verunreinigungen (Stickstoff, der in den Wasserstoff eindiffundiert ist, etc.) abgelassen; sog.„purgen". Hierbei wird schubweise eine hohe Konzentration in geringen Mengen der Filtereinheit 15 zugeführt. Der Wasserstoff wird durch die Membran 16 gefiltert und dem Einlassstrom der Brennstoffzelle zugeführt. Dies führt zu hohen Rezirkulationsraten und einem im Wesentlichen kontinuierlichen Betrieb.
Bei der in Figur 5 gezeigten Ausführungsform wird 1 ,5 bis 3-mal so viel Wasserstoff am Einlass der Brennstoffzelle zur Verfügung gestellt, als für die Reaktion notwendig ist. Eine sehr große Menge an Fluidstrom mit geringer Verunreinigungskonzentration steht an der Filtereinheit 15 an, die in diesem Fall als Puffer wirkt. Der gefilterte Wasserstoff wird wieder dem Einlassstrom der Brennstoffzelle zugeführt. Dies führt zu niedrigen Rezirkulationsraten. Alle Varianten, die auf Membran-/Filtersystemen basieren, können von oberflächenvergrößernden Maßnahmen und Formen profitieren (z. B. Hohlfaser usw.)
Die Ventilkonfiguration ist je nach Anforderung variabel, wobei Konfigurationen mit 3-Wege-Ventilen oder komplexeren Systemen möglich sind. Das vorbeschriebene Brennstoffzellensystem kann auch mit einer Wasserabscheideeinheit kombiniert werden.
Die vorhergehende Beschreibung der vorliegenden Erfindung dient nur zu illustrativen Zwecken und nicht zum Zwecke der Beschränkung der Erfindung. Im Rahmen der Erfindung sind verschiedene Änderungen und Modifikationen möglich, ohne den Umfang der Erfindung sowie ihrer Äquivalente zu verlassen.
Bezugszeichenliste
1 Brennstoffzellensystem
2 Kathode
3 Kühlkanal
4 Anode
5 Luftversorgung
6 Rezirkulationskreislauf
7 Kühlwasserversorgung
8 Absorbereinheit
9 Spülleitung
10 Ventil
11 Bypassleitung
12 Ventil
13 Venturidüse bzw. Rezirkulationspumpe
14 Wasserstoff-Versorgungsleitung
15 Filtereinheit
16 Membran
17 stickstoffdurchlässige Membran

Claims

Patentansprüche 1. Brennstoffzellensystem mit mehreren, zu einem Stapel zusam- mengefassten Bipolarplatten und einem Rezirkulationskreislauf, der mit einer Anodenseite des Stapels von Bipolarplatten verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Rezirkulationskreislauf (6) eine Einrichtung angeordnet ist, welche die sich auf der Anodenseite sammelnden Stickstoffmoleküle entfernt.
2. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung mit einer Filtereinheit (15) versehen ist, in der eine vorzugsweise Wasserstoff oder Wasserstoff+Wasser durchlassende Membran (16) angeordnet ist.
3. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung mit einer Filtereinheit (15) versehen ist, in der eine vorzugsweise Stickstoff durchlassende Membran (16) angeordnet ist.
4. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Filtereinheit (15) an eine Spülleitung (9) angeschlossen ist, die vor der Membran (16) in die Filtereinheit (15) mündet.
5. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung als eine vorzugsweise Wasserstoff oder Wasserstoff+Wasser durchlassende Absorbereinheit (8) ausgebil- det ist.
6. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung als eine vorzugsweise Stickstoff durchlassende Absorbereinheit (8) ausgebildet ist.
7. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Absorbereinheit (8) mit einem Material gefüllt ist, welches in der Lage ist, selektiv Stickstoff bzw. Wasserstoff einzulagern, zu absorbieren, chemisch zu binden, umzusetzen oder zurückzuhalten.
8. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Absorbereinheit (8) einen einzigen Absorber aufweist.
9. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die in dem Rezirkulationskreislauf (6) eine Bypassleitung (11 ) zur Umgehung des Absorbers angeordnet ist.
10. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Absorbereinheit (8) zwei parallel geschaltete Absorber aufweist.
11. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Absorbereinheit (8) an eine
Spülleitung (9) angeschlossen ist.
12. Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Wasserabscheideeinheit vorgesehen ist.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114709452A (zh) * 2022-05-20 2022-07-05 上海杰宁新能源科技发展有限公司 一种可对水汽进行处理的氢燃料电池氢气除湿装置

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102014202574A1 (de) 2014-02-12 2015-08-13 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Brennstoffzellensystem
DE102016009932A1 (de) 2016-08-16 2018-03-08 Daimler Ag Vorrichtung zur Luftversorgung einer Brennstoffzelle
DE102017215738A1 (de) * 2017-09-07 2019-03-07 Audi Ag Brennstoffzellenanordnung sowie Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenanordnung
DE102019215597A1 (de) * 2019-10-11 2020-12-03 Vitesco Technologies GmbH Brennstoffzellenvorrichtung mit Zyklonabscheider für ein Kraftfahrzeug

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20050106429A1 (en) * 2003-11-19 2005-05-19 Questair Technologies Inc. High efficiency load-following solid oxide fuel cell systems
JP2005353303A (ja) * 2004-06-08 2005-12-22 Toyota Motor Corp 燃料電池および燃料電池システム
WO2009059571A1 (de) * 2007-11-10 2009-05-14 Horst-Eckart Vollmar Hochtemperaturbrennstoffzellensystem mit teilweisem kreislauf des anodenabgases und ausschleusung von gaskomponenten

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE10238041A1 (de) * 2002-08-20 2004-03-04 Caloric Anlagenbau Gmbh Wasserstofferzeuger
WO2007140441A2 (en) * 2006-05-31 2007-12-06 The Trustees Of Columbia University In The City Of New York Methods and systems for generating hydrogen from a biomass
US20080292921A1 (en) * 2007-05-22 2008-11-27 Balasubramanian Lakshmanan Recovery of inert gas from a fuel cell exhaust stream
DE102008020291B4 (de) * 2008-04-22 2013-03-28 Peter Michael Follmann Herstellungsverfahren für integrierte Membranmodule durch in-situ-Grenzflächenpolymerisation an strukturierten Kontaktflächen nach Zusammenbau des Moduls

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20050106429A1 (en) * 2003-11-19 2005-05-19 Questair Technologies Inc. High efficiency load-following solid oxide fuel cell systems
JP2005353303A (ja) * 2004-06-08 2005-12-22 Toyota Motor Corp 燃料電池および燃料電池システム
WO2009059571A1 (de) * 2007-11-10 2009-05-14 Horst-Eckart Vollmar Hochtemperaturbrennstoffzellensystem mit teilweisem kreislauf des anodenabgases und ausschleusung von gaskomponenten

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114709452A (zh) * 2022-05-20 2022-07-05 上海杰宁新能源科技发展有限公司 一种可对水汽进行处理的氢燃料电池氢气除湿装置
CN114709452B (zh) * 2022-05-20 2023-12-22 上海杰宁新能源科技发展有限公司 一种可对水汽进行处理的氢燃料电池氢气除湿装置

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