AT501963B1 - Brennstoffzellensystem, sowie verfahren zum betrieb eines brennstoffzellensystems - Google Patents

Description

2 AT 501 963 B1

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem mit zumindest einer Niedertemperatur-Brennstoffzelle, mit einer kathodenseitigen Zuführleitung für ein 02-hältiges Gas, vorzugsweise Luft, einer Abführleitung für das Kathodenabgas, einer anodenseitigen Zuführleitung für ein H2-hältiges Brennstoffgas, einer Abführleitung für das Anodenabgas, sowie einer kathodenseitigen Rezirkulationseinrichtung zur teilweisen Rückführung des Kathodenabgases in den Kathodenkreislauf der Brennstoffzelle, wobei die kathodenseitige Rezirkulationseinrichtung einen Separator zur Trennung des Kathodenabgases in eine flüssigwasserfreie Gasphase und Flüssigwasser aufweist. Weiters betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems mit zumindest einer Niedertemperatur-Brennstoffzelle.

Das Brennstoffzellensystem der eingangs beschriebenen Art weist bevorzugt mehrere zu einem sogenannten Brennstoffeellenstack zusammengefasste Brennstoffzellen, beispielsweise PEM-Brennstoffzellen, auf. Im Folgenden werden mit dem Begriff Kathodenabgas die ausgangs der Kathode anfallenden Produkte, hauptsächlich N2, 02 und H20, zusammengefasst. Der Begriff Anodenabgas umfasst ausgangs der Anode anfallende Produkte, welche bei reinem Wasserstoffbetrieb im Wesentlichen aus N2, H2 und H20 bestehen, sowie bei Verwendung eines Re-formats zusätzlich C02 enthalten.

Aus der EP 0 654 182 B1 ist eine Brennstoffzelle, insbesondere eine PEM-Brennstoffzelle, und ein Verfahren zur Befeuchtung des Elektrolyten der Brennstoffzelle bekannt geworden. Wie aus der schematischen Darstellung gemäß Fig. 1 der EP 0 654 182 B1 erkennbar, weist die Brennstoffzelle sowohl eine kathodenseitige Rezirkulationsleitung als auch eine anodenseitige Rezir-kulationsleitung auf, in welchen jeweils Gasverdichter angeordnet sind. Über die kathodenseitige Rezirkulationsleitung kann ein Teil des aus der Kathode der PEM-Brennstoffzelle ausgetragenen Wassermenge und Wärme wieder der Kathode zugeführt werden. Mittels eines Einstellgliedes ist der rezirkulierte Anteil des Abgases einstellbar. Die Einstellung wird abhängig von der Leistungsabgabe der Brennstoffzelle vorgenommen.

Weiters werden in der EP 1 356 533 B1 Brennstoffzellen mit integrierter Befeuchtung sowie ein Verfahren zum Befeuchten von Brennstoffzellen-Prozessgas beschrieben. In diesem Dokument wird im Zusammenhang mit einer PEM-Brennstoffzelle eine erste Befeuchtungseinheit für die zugeführte Luft und eine zweite Befeuchtungseinheit für das Brennstoffgas beschrieben. Beide Befeuchtungseinheiten weisen einen Wärmetauscher sowie einen Kondensatabscheider auf. Das abgeschiedene Wasser kann dem Anoden- bzw. Kathodenkreis über jeweils in den Zufuhrleitungen für das Brennstoffgas sowie für die Luft angeordnete Venturidüsen zugeführt werden. Das Abgas der Brennstoffzelle wird hier nicht rezirkuliert, sondern nur dem jeweiligen Wärmetauschern zugeführt, um die Abwärme in das System rückzuführen.

Aus der WO 03/15204 A1 (MOTOROLA) ist es weiters bekannt, an der Kathodenseite einer Brennstoffzelle Wasser zu gewinnen und der Anodenseite zuzuführen.

Aus der WO 00/16425 A1 ist ein Stromerzeugungssystem bekannt, welches eine Brennstoffzelle mit herkömmlichem Aufbau umfasst. Der Großteil der Anmeldung (siehe Fig. 1 bis 8) hat ein Druckwechsel-Adsorptionssystem (pressure swing adsporption System - PSA) zum Gegenstand, welches zur Sauerstoffanreicherung in der kathodenseitigen Gaszufuhr der Brennstoffzelle dient. So ist beispielsweise in Fig. 9 ein derartiges Stromerzeugungssystem schematisch dargestellt, welches ein PSA-System zur Versorgung der Brennstoffzelle mit einem Gas aufweist, dessen Sauerstoffgehalt angereichert wird. Die Zufuhr des 02 angereicherten Gases erfolgt über eine Leitung in den Kathodenkanal, wobei ein Teil des Kathodenabgases über den Auslass entlassen und ein anderer Teil über eine Rückführleitung in den Kathodenkreis rückgeführt wird. In der Rückführleitung ist ein Kondensat-Separator angeordnet, in welchem überschüssiges Wasser aus dem Kathodenabgas abgeschieden wird. Das feuchte, reziklierte Kathodengas wird mit dem 02 angereicherten Gas des PSA-Systems gemischt und dem Kathodeneinlass zugeführt. 3 AT 501 963 B1

Weiters ist aus der EP 0 341 189 A1 eine Brennstoffzellenanordnung bekannt, bei welcher die kathodenseitige Abgasrückführung mit Hilfe eines Sauerstoffsensors geregelt wird, wobei der Sauerstoffgehalt im Kathodenabgas gemessen wird. Im Teillastbetrieb der Brennstoffzellenanordnung kann in Abhängigkeit der 02-Konzentration Abgas in den Kathodenkreislauf rückgeführt werden. Eine Abscheidung von Flüssigwasser ist hier nicht vorgesehen. Ähnliches gilt für eine Brennstoffzelle gemäß US 5,543,238 A, welche sowohl eine kathodenseitige als auch eine anodenseitige Rezirkulationseinrichtung zur Rückführung des Kathodenabgases, bzw. des Anodenabgases aufweist, wobei hier ebenfalls ein Separator zur Wasserab-scheidung fehlt.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Brennstoffzellensystem der eingangs beschriebenen Art mit einer kathodenseitigen Rezirkulationseinrichtung zur teilweisen Rückführung des Kathodenabgases einfach und kostengünstig herzustellen, bzw. ein Verfahren zum Betrieb eines derartigen Brennstoffzellensystems vorzuschlagen, bei welchem rasch auf Lastwechsel reagiert werden kann, wobei bei einfacher Systemtechnik auch bei kleinen Lasten ein hoher Gasdurchfluss gewährleistet ist und bei allen Lastzuständen für eine ausreichende Befeuchtung des Brennstoffzellensystems gesorgt sein soll.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass beide Komponenten, die Gasphase und das Flüssigwasser getrennt und unabhängig voneinander geregelt in den Kathodenkreislauf rückgeführt werden, wobei ggf. zusätzlich ein Teil des Flüssigwassers in den Anodenkreislauf rückgeführt werden kann.

Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass sowohl für die flüssigwasserfreie Gasphase als auch für das Flüssigwasser zumindest eine separat regelbare Rezirkulationsleitung vorgesehen ist. Die flüssigwasserfreie Gasphase des Kathodenabgases enthält Wasserdampf, wobei die Konzentration durch die Sättigungstemperatur im Separator nach oben begrenzt ist.

Im Unterschied zur eingangs zitierten WO 00/16425 A1 erlauben die erfindungsgemäße Vorrichtung, bzw. das erfindungsgemäße Verfahren kathodenseitig ein völlig unabhängiges Gas-und Wassermanagement, mit allen Vorteilen rasch auf sich ändernde Betriebszustände des Systems zu reagieren. Direkt beim kathodenseitigen Auslass aus dem Stack ist ein Separator, bzw. ein Flüssigwasser-Abscheider eingebaut. Hier kann flüssiges Wasser abgeschieden, kurzzeitig zwischengespeichert und wieder dem Kreislauf zugesetzt werden. Die Pumpe in der Flüssigwasser-Rezirkulation kann ausschließlich für Wasserförderung ausgelegt sein. Weiters kann ein Gebläse für die Gasrezirkulation verwendet werden, das nur Gase und kein flüssiges Wasser fördern muss. Das rezirkulierte Gas wird beispielsweise vor dem Stackeinlass in einer Mischstrecke in der kathodenseitigen Zuführleitung zugemischt.

Das flüssige Wasser kann beim kathodenseitigen Stackeinlass einem Wärmetauscher/Ver-dampfer zugeführt, und dort in die Luft hinein verdampft werden (es besteht dort zusätzlicher Wärmebedarf für die Verdampfung).

Erfindungsgemäß kann die Rezirkulationsleitung für das Flüssigwasser aus zwei separat regelbaren Zweigen bestehen, wobei der erste Zweig zur kathodenseitigen und der zweite Zweig zur anodenseitigen Wasserrückführung dient. Mittels einer zweiten, von der Kathodenseite unabhängig ansteuerbaren Flüssigwasserpumpe, kann ein Teil des abgeschiedenen Kathoden-Wassers dem Brennstoffgas zugeführt werden. Anodenseitig kann dann auch (eventuell nach einer Mischstrecke) ein Wärmetauscher/Verdampfer vorhanden sein.

Erfindungsgemäß sind zur Regelung der Durchflussrate in den Rezirkulationsleitungen für die Gasphase und das Flüssigwasser abhängig von den Betriebsparametern des Brennstoffzellensystems regelbare Kompressoren, Gebläse, Pumpen und/oder Drosselventile angeordnet. 4 AT 501 963 B1

Erfindungsgemäß ergeben sich folgende Vorteile: • Anodenseite und Kathodenseite können grundsätzlich unabhängig voneinander betrachtet werden.

Kathodenseite: • Die Rückführung von Gasphase und flüssigem Wasser wird getrennt durchgeführt, d.h. eine separate Regelung ist möglich und vorteilhaft. • Bei kleinen Lasten wird primär das Gebläse zur Förderung der Gasphase aktiviert, um den Durchfluss und die Druckdifferenz über den Brennstoffzellenstack zu erhöhen; damit wird automatisch auch die Feuchte der in den Stack eintretenden Luft erhöht. Die dem System insgesamt zuzuführende Frischgasmenge (Frischluft von außen) kann gering gehalten werden, d.h. die Luftstöchiometrie ist sowohl bei großen auch bei kleinen Lasten recht gering (z.B. 2,0 - 2,5). Damit kann Kompressorleistung eingespart werden. • Der Minimalwert der Rückführungsrate des Gases kann von einer Feuchtemessung (Feuchteanforderung) oder von einer Durchflussmessung (Durchflussanforderung) bestimmt werden. • Die Flüssigwasser-Rückführung wird hauptsächlich von der Feuchteanforderung bei hoher Last bestimmt. • Die notwendige Verdampfungswärme kann passiv aus dem Kühlsystem übernommen werden (Wärmetauscher: Gas mit flüssigem Wasser vs. Kühlflüssigkeit), oder auch durch Kühlung (wegen Verdampfung) der komprimierten Frischluft im bzw. nach dem Kompressor.

Anodenseite: • Zusätzlich zur Rückführung des Anodenabgases (falls vorhanden) oder zur Befeuchtung in einem separaten Befeuchter (falls vorhanden) kann Flüssigwasser aus dem Separator zur Befeuchtung des frischen Brennstoffgases genutzt werden. Separate Befeuchter auf der Anodenseite können dadurch entfallen. • Die Flüssigwasser-Rückführung wird hauptsächlich von der Feuchteanforderung bei hoher Last bestimmt. • Die notwendige Verdampfungswärme kann passiv aus dem Kühlsystem übernommen werden (Wärmetauscher: Gas mit flüssigem Wasser vs. Kühlflüssigkeit).

Die Erfindung wird im Folgenden anhand von schematischen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen Fig. 1 eine erste Ausführungsvariante eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems, sowie die Figuren 2 bis 4 eine zweite, dritte und vierte Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Systems.

Die in den Figuren 1 bis 4 dargestellten Brennstoffzellensysteme 1 sind mit zumindest einer Niedertemperatur-Brennstoffzelle 2 ausgestattet, wobei in der Regel mehrere derartige Brennstoffzellen zu einem sogenannten Brennstoffzellenstack zusammengefasst sind. An der Brennstoffzelle 2 (bzw. dem Brennstoffzellenstack) ist mit A die Anodenseite und mit K die Kathodenseite gekennzeichnet. Alle Ausführungsvarianten der Erfindung weisen unterschiedlich ausgeführte kathodenseitige Rezirkulationseinrichtungen 3 auf, welche die Rezirkulationsleitungen 10a, 10k und 11 aufweisen, wobei - wie dargestellt - auch eine einfache anodenseitige Rezirku-lationseinrichtung 4 vorgesehen sein kann. Die erfindungsgemäßen Vorteile gelten auch für Brennstoffzellensysteme 1 gemäß Fig. 1 bis 3 ohne anodenseitige Rezirkulationseinrichtung 4. 5 AT 501 963 B1

Die Brennstoffzelle 2 weist eine kathodenseitige Zuführleitung 5 für ein 02-hältiges Gas (beispielsweise Luft) auf, sowie eine Abführleitung 6 für das Kathodenabgas. Weiters ist eine anodenseitige Zuführleitung 7 für ein H2-hältiges Brennstoffgas und eine Abführleitung 8 für das Anodenabgas vorgesehen. Die kathodenseitige Rezirkulationseinrichtung 3 dient bei der Erfindung zur teilweisen Rückführung der flüssigwasserfreien Gasphase und des Flüssigwassers in den Kathodenkreislauf der Brennstoffzelle 2. Allen Ausführungsvarianten der Erfindung ist gemeinsam, dass die Rezirkulationseinrichtung 3 einen Separator 9 zur Trennung des Kathodenabgases in eine flüssigwasserfreie Gasphase und in flüssiges Wasser aufweist, wobei für jede der beiden Komponenten zumindest eine separat regelbare Rezirkulationsleitung 10, 11 vorgesehen ist. Die Rezirkulationsleitung 10 für das Flüssigwasser besteht aus zwei separat regelbaren Zweigen 10a, 10k, wobei der erste Zweig 10k zur kathodenseitigen Wasserrückführung und der zweite Zweig 10a zur anodenseitigen Wasserrückführung dient. Die vom Separator 9 zur Verfügung gestellte Wassermenge kann somit je nach Betriebszustand des Brennstoffzellensystems aufgeteilt und teilweise dem Anodenkreislauf und/oder dem Kathodenkreislauf zugeführt werden.

Zur Regelung der Durchflussrate in den Rezirkulationsleitungen 10, 11 für die Gasphase und das Flüssigwasser sind in den einzelnen Ausführungsvarianten unterschiedliche Einrichtungen, wie der Kompressor 16 beim Lufteinlass, die Gebläse 15 und 17 im Anodenkreis und im Kathodenkreis, die Pumpen 18k und 18a für das Flüssigwasser, sowie die Drosselventile 19, 20k, 20a und 21 vorgesehen, mit welchen abhängig von den Betriebsparametern des Brennstoffzellensystems die jeweilige Durchflussrate geregelt werden kann.

Wie bereits weiter oben ausgeführt, kann im Anodenkreislauf eine einfache Rezirkulationseinrichtung 4 zur teilweisen Rückführung des Anodenabgases angeordnet sein, welche ausgehend von der Abführleitung 8 für das Anodenabgas eine in die anodenseitige Zuführleitung 7 mündende Rezirkulationsleitung 14 aufweist, wobei zur Regelung der Durchflussrate ein von den Betriebsparametern des Brennstoffzellensystems regelbares Gebläse 15 in der Rezirkulationsleitung 14 vorgesehen ist.

Das Brennstoffgas wird entweder aus einem geeigneten Brennstoff, der in einem Behälter 22 vorliegt durch Reformierung (siehe Reformer 23 mit H20- und Wärmezufuhr, sowie Nachbehandlungseinrichtung 24 für das Reformat) hergestellt oder einem H2-Behälter 25 entnommen und in die anodenseitige Zuführleitung 7 eingespeist. Als 02-hältiges Gas kann beispielsweise Luft verwendet werden, welche über ein Filter 26 einen Kompressor 16 und ggf. einen Wärmetauscher 27 geführt und in die kathodenseitige Zuführleitung 5 eingespeist wird.

Wie in Fig. 1 dargestellt, kann gemäß einer Ausführungsvariante der Erfindung die Rezirkulationsleitung 11 für die Gasphase und ein erster Zweig 10k der Rezirkulationsleitung 10 für das Flüssigwasser in die kathodenseitige Zuführleitung 5 münden, wobei im Bereich der Einmündung der Rezirkulationsleitung 10k ein Verdampfer 12 angeordnet sein kann.

Gemäß den in den Figuren 2, 3 und 4 dargestellten Varianten der Erfindung ist es auch möglich, dass die Rezirkulationsleitung 11 für die Gasphase stromabwärts eines regelbaren Drosselventils 21 und stromaufwärts des Kompressors 16 in die kathodenseitige Zuführleitung einmündet. Durch diese Variante kann das Gebläse 17 in der kathodenseitigen Rezirkulationseinrichtung 3 entfallen, wobei durch die regelbaren Drosselventile 19 und 21 alle Teilströme (angesaugte Frischluft bzw. rückgeführte Gasphase) des Kathodenabgases unabhängig voneinander geregelt werden können.

Wie in den Figuren 3 und 4 weiters dargestellt, ist es auch möglich, dass zusätzlich der erste Zweig 10k der Rezirkulationsleitung 10 für das Flüssigwasser stromaufwärts des Kompressors 16 in die kathodenseitige Zuführleitung 5 einmündet, wodurch auf eine Wasserpumpe 18k in der Rezirkulationsleitung 10k verzichtet werden kann. Die Durchflussregelung für das Flüssigwasser erfolgt dann durch das Drosselventil 20k. Es ist auch möglich, dass das Flüssigwasser 6 AT 501 963 B1 direkt in den Kompressor 16 rückgeführt wird.

Das im Separator 9 auf der Ausgangsseite der Kathode gewonnene Wasser kann auch für die Befeuchtung des Brennstoffgases verwendet werden. Wie in den Figuren 1 bis 3 dargestellt, mündet dazu ein zweiter Zweig 10a der Rezirkulationsleitung 10 für das Flüssigwasser in die anodenseitige Zuführleitung 7, wobei im Bereich der Einmündung der Rezirkulationsleitung 10a ggf. ein Verdampfer 13 angeordnet ist.

Gemäß der in Fig. 4 dargestellten Ausführungsvariante der Erfindung kann der zweite Zweig 10a der Rezirkulationsleitung 10 für das Flüssigwasser stromaufwärts des Gebläses 15 in die Rezirkulationsleitung 14 für das Anodenabgas münden, wodurch eine Zirkulationspumpe in der Rückführleitung 10a entfallen kann, falls die Anodenseite bei einem im Vergleich zur Kathodenseite nicht zu hohen Druck betrieben wird. Die Durchflussmenge wird bei dieser Ausführungsvariante durch das Drosselventil 20a geregelt. Falls die Anodenseite der Brennstoffzelle auf einem durchschnittlich niedrigeren Druckniveau betrieben wird als die Kathodenseite, kann aufgrund des damit vorliegenden Druckgefälles das von der Kathodenseite stammende Flüssigwasser an einem beliebigen Ort des Anodenkreises eingespeist werden.

Es ergeben sich somit vier Hauptvarianten der Erfindung

Variante 1 (Fig. 1)

System mit fünf "Pumpen" - ein Kompressor 16 für die Frischluft, - zwei Gebläse 15,17 für die Rezirkulation der Gasphasen (Anodenkreislauf, Kathodenkreislauf), - zwei Pumpen 18k, 18a für die kathodenseitige und anodenseitige Rezirkulation von Flüssigwasser aus dem Separator 9.

Variante 2 (Fig. 2)

System mit vier "Pumpen" und zwei Drosselklappen - ein Kompressor 16 für die Frischluft und für die Rezirkulation der Gasphase (Kathodenkreislauf), - ein Gebläse 15 für die Rezirkulation des Anodenabgases, - zwei Pumpen 18k, 18a für die kathodenseitige und anodenseitige Rezirkulation von Flüssigwasser aus dem Separator 9, - eine Drosselklappe 21 in der kathodenseitigen Zuführleitung 5 für Frischluft, - eine Drosselklappe 19 in der Rezirkulationsleitung 11 für das Gasphasen-Rezirkulat (Kathodenkreislauf).

Variante 3 (Fig. 3)

System mit drei "Pumpen" und drei Drosselklappen - ein Kompressor 16 für die Frischluft, für die Rezirkulation der Gasphase (Kathodenkreislauf) und für die Rezirkulation von Flüssigwasser aus dem Separator 9 in den Kathodenkreislauf, - ein Gebläse 15 für die Rezirkulation des Anodenabgases, - eine Pumpe 18a für die anodenseitige Rezirkulation von Flüssigwasser aus dem Separator 9, - eine Drosselklappe 21 in der kathodenseitigen Zuführleitung 5 für Frischluft, - eine Drosselklappe 19 in der Rezirkulationsleitung 11 für die Gasphase (Kathodenkreislauf), - eine Drosselklappe 20k in der Rezirkulationsleitung 10k für das Flüssigwasser (Kathoden- 7 AT 501 963 B1 kreislauf).

Variante 4 (Fig. 4)

System mit 2 "Pumpen" und vier Drosselklappen - ein Kompressor 16 für Frischluft, für die Rezirkulation der Gasphase (Kathodenkreislauf) und für die Rezirkulation von Flüssigwasser aus dem Separator 9 in den Kathodenkreislauf, - ein Gebläse 15 für Rezirkulation des Anodenabgases und für die Rezirkulation von Flüssigwasser aus dem Separator 9 in den Anodenkreislauf, - eine Drosselklappe 21 in der kathodenseitigen Zuführleitung 5 für Frischluft, - eine Drosselklappe 19 in der Rezirkulationsleitung 11 für die Gasphase (Kathodenkreislauf), - eine Drosselklappe 20k in der Rezirkulationsleitung 10k für das Flüssigwasser (Kathodenkreislauf), - eine Drosselklappe 20a in der Rezirkulationsleitung 10a für das Flüssigwasser (Anodenkreislauf).

In den Varianten 2 bis 4 kann die Drosselklappe 21 auch entfallen, wenn der Durchfluss der frischen Luft direkt über die Leistung bzw. Drehzahl des Kompressors 16 geregelt wird, und der Durchfluss der rezirkulierten Gasphase, abhängig vom Unterdrück vor dem Kompressor 16, über die Drosselklappe 19. In den Varianten 3 und 4 kann der Durchfluss des Flüssigwasser-Rezirkulats ebenfalls abhängig vom Unterdrück vor dem Kompressor 16 über die Drosselklappe 20k geregelt werden. Bei hoher Rezirkulationsrate ergibt sich eine Rückkoppelung auf die Kompressorleistung, weil deutlich mehr gefördert werden müss (Frischluft und Rezirkulat).

Das erfindungsgemäße System zeichnet sich durch folgende Vorteile aus: - gute Befeuchtung beider Reaktanden bei allen Lastzuständen, sowie großer Durchfluss bei kleinen Lasten; - einfacher Aufbau der Kathodenseite des Brennstoffzellensystems; - sehr dynamischer Betrieb des Brennstoffzellensystems möglich; - auf Speicherung von flüssigem Wasser und komplexes Flüssigwasser-Management kann verzichtet werden (außer temporärer Speicherung kleiner Mengen im Separator); - Anodenseite des Brennstoffzellensystems kann sehr einfach aufgebaut sein; - kathodenseitiger Betrieb mit Rezirkulation der Gasphase bei ausreichend hohen Gasdurchflüssen verhindert Ungleichverteilung der Gase und verhindert damit Elektroden-Korrosion; - Die dem System insgesamt zuzuführende Frischgasmenge (Frischluft von außen) kann gering gehalten werden, d.h. die Luftstöchiometrie ist sowohl bei großen auch bei kleinen Lasten recht gering (z.B. 2,0 - 2,5). Damit wird Kompressorleistung eingespart; - kathodenseitiger Betrieb mit Rezirkulation der Gasphase ermöglicht eine verbesserte Befeuchtung des Kathodengases bei allen Lasten und damit eine Verringerung der Membran-Degradation, sowie eine Erhöhung der Membranleitfähigkeit und der Zellleistung; - kathodenseitiger Betrieb mit Rezirkulation des Flüssigwassers ermöglicht verbesserte Befeuchtung des Kathodengases primär bei hoher Last; zum Teil kann auf eine zusätzliche Befeuchtungseinheit ganz verzichtet werden; - anodenseitiger Betrieb mit Rezirkulation des Kathoden-Flüssigwassers ermöglicht verbesserte Befeuchtung des Anodengases bei allen Lasten; zum Teil kann anodenseitig auf eine zusätzliche Befeuchtungseinheit ganz verzichtet werden; - sehr schnelle Reaktion bzw. Einleitung von Gegenmaßnahmen bei Erreichen eines kritischen Zustandes des Stacks möglich; - Änderung (Erhöhung oder Verringerung) von einer der beiden (oder beiden) Kathoden-Rezirkulationsraten für Gasphase und flüssiges Wasser; dadurch völlig unabhängiger, dynamischer Betrieb der beiden Kathoden-Rezirkulationen möglich; - Änderung (Erhöhung oder Verringerung) der Rezirkulationsrate von flüssigem Wasser in den Anodenkreislauf;

Claims (11)

1. 8 AT 501 963 B1 - auf kathodenseitigen Gaskühler nach Kompression der Luft kann zum Teil verzichtet werden da die Kühlung der komprimierten "Frischluft" durch Verdampfung von Flüssigwasser-Rezirkulat möglich ist. Patentansprüche: 1. Brennstoffzellensystem (1) mit zumindest einer Niedertemperatur-Brennstoffzelle (2) mit einer kathodenseitigen Zuführleitung (5) für ein 02-hältiges Gas, vorzugsweise Luft, einer Abführleitung (6) für das Kathodenabgas, einer anodenseitigen Zuführleitung (7) für ein H2-hältiges Brennstoffgas, einer Abführleitung (8) für das Anodenabgas, sowie einer kathodenseitigen Rezirkulationseinrichtung (3) zur teilweisen Rückführung des Kathodenabgases in den Kathodenkreislauf der Brennstoffzelle (2), wobei die kathodenseitige Rezirkulationseinrichtung (3) einen Separator (9) zur Trennung des Kathodenabgases in eine flüssigwasserfreie Gasphase und Flüssigwasser autweist, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl für die flüssigwasserfreie Gasphase als auch für das Flüssigwasser zumindest eine separat regelbare Rezirkulationsleitung (10,11) vorgesehen ist.
2. 2. Brennstoffzellensystem (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Rezirkulationsleitung (10) für das Flüssigwasser aus zwei separat regelbaren Zweigen (10k, 10a) besteht, wobei der erste Zweig (10k) zur kathodenseitigen und der zweite Zweig (10a) zur anodenseitigen Wasserrückführung dient.
3. 3. Brennstoffzellensystem (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Regelung der Durchflussrate in den Rezirkulationsleitungen (10, 11) für die flüssigwasserfreie Gasphase und das Flüssigwasser abhängig von den Betriebsparametern des Brennstoffzellensystems regelbare Kompressoren (16), Gebläse (17), Pumpen (18k, 18a) und/oder Drosselventile (19, 20k, 20a, 21) angeordnet sind.
4. 4. Brennstoffzellensystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass im Anodenkreislauf eine Rezirkulationseinrichtung (4) zur teilweisen Rückführung des Anodenabgases in die Brennstoffzelle (2) angeordnet ist, welche eine in die anodenseitige Zuführleitung (7) mündende Rezirkulationsleitung (14) für das Anodenabgas aufweist, wobei zur Regelung der Durchflussrate in der Rezirkulationsleitung (14) ein von den Betriebsparametern des Brennstoffzellensystems regelbares Gebläse (15) angeordnet ist.
5. 5. Brennstoffzellensystem (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Rezirkulationsleitung (11) für die flüssigwasserfreie Gasphase und ein erster Zweig (10k) der Rezirkulationsleitung (10) für das Flüssigwasser in die kathodenseitige Zuführleitung (5) münden, wobei im Bereich der Einmündung der Rezirkulationsleitung (10k) für das Flüssigwasser ggf. ein Verdampfer (12) angeordnet ist.
6. 6. Brennstoffzellensystem (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Rezirkulationsleitung (11) für die flüssigwasserfreie Gasphase stromabwärts eines regelbaren Drosselventils (21) und stromaufwärts eines Kompressors (16) in die kathodenseitige Zuführleitung (5) mündet.
7. 7. Brennstoffzellensystem (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Zweig (10k) der Rezirkulationsleitung (10) für das Flüssigwasser stromaufwärts eines Kompressors (16) oder im Kompressor (16) in die kathodenseitige Zuführleitung (5) mündet.
8. 8. Brennstoffzellensystem (1) nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweiter Zweig (10a) der Rezirkulationsleitung (10) für das Flüssigwasser in die anodenseitige Zuführleitung (7) mündet, wobei im Bereich der Einmündung der Rezirkula- 9 AT 501 963 B1 tionsleitung (10a) ggf. ein Verdampfer (13) angeordnet ist.
9. 9. Brennstoffzellensystem (1) nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweiter Zweig (10a) der Rezirkulationsleitung (10) für das Flüssigwasser stromaufwärts eines Gebläses (15) in die Rezirkulationsleitung (14) für das Anodenabgas mündet.
10. 10. Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems mit zumindest einer Niedertemperatur-Brennstoffzelle, wobei das Kathodenabgas zumindest teilweise rezirkuliert wird, wobei das rezirkulierte Kathodenabgas in eine flüssigwasserfreie Gasphase und in Flüssigwasser getrennt wird, dadurch gekennzeichnet, dass beide Komponenten, die Gasphase und das Flüssigwasser getrennt und unabhängig voneinander geregelt in den Kathodenkreislauf rückgeführt werden.
11. 11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil des Flüssigwassers in den Anodenkreislauf rückgeführt wird. Hiezu 4 Blatt Zeichnungen