DE10115336B4

DE10115336B4 - Brennstoffzellensystem sowie Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems

Info

Publication number: DE10115336B4
Application number: DE10115336A
Authority: DE
Inventors: Peter Willimowski; Bernhard Baaser; Volker Formanski
Original assignee: General Motors Corp
Current assignee: Motors Liquidation Co
Priority date: 2001-03-28
Filing date: 2001-03-28
Publication date: 2012-09-27
Anticipated expiration: 2021-03-29
Also published as: US20020142200A1; US6849352B2; DE10115336A1

Abstract

Brennstoffzellensystem (10) bestehend aus mehreren, zu einem Stack zusammengesetzten, Niedertemperaturbrennstoffzellen mit einer Kathodenseite (12), die einen Kathodeneingang (42) und einen Kathodenausgang (46) aufweist, wobei Sauerstoff oder ein sauerstoffenthaltendes Gas, wie z. B. Luft, dem Kathodeneingang (42) zuführbar ist, sowie mit einer Anodenseite (13), die einen Anodeneingang (15) und einen Anodenausgang (19) aufweist, wobei Wasserstoff oder ein wasserstoffreiches Gas dem Anodeneingang (15) zuführbar ist und eine Rückführschleife (17) vorgesehen ist, um die wasserstoffenthaltenden am Anodenausgang (19) anfallenden Abgase mindestens teilweise dem Anodeneingang (15) wieder zuzuführen, gekennzeichnet durch eine Leitung (40), die von der Anodenseite (13) zur Kathodenseite (12) führt und ausgelegt ist, Anodenabgase dem Kathodeneingang (42) zuzuführen, die nach entsprechender Umsetzung des Wasserstoffanteils in einer dem Kathodeneingang (42) vorgeschalteten, mit Katalysatormaterial (60) versehenen Einrichtung mit auf der Kathodenseite (12) vorhandenem Sauerstoff zu Wasser mit den Kathodenabgasen das Brennstoffzellensystem über den Kathodenausgang (46) verlassen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem bestehend aus mehreren, zu einem Stack zusammengesetzten Niedertemperaturbrennstoffzellen mit einer Kathodenseite, die einen Kathodeneingang und einen Kathodenausgang aufweist, wobei Sauerstoff oder ein Sauerstoff enthaltendes Gas, wie z. B. Luft, dem Kathodeneingang zuführbar ist, sowie mit einer Anodenseite, die einen Anodeneingang und einen Anodenausgang aufweist, wobei Wasserstoff oder ein wasserstoffreiches Gas dem Anodeneingang zuführbar ist und eine Rückführschleife vorgesehen ist, um die wasserstoffenthaltenden am Anodenausgang anfallenden Abgase mindestens teilweise dem Anodeneingang wieder zuzuführen. Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Betrieb eines solchen Brennstoffzellensystems.
Brennstoffzellensysteme der eingangs genannten Art sind im Prinzip bekannt, beispielsweise aus der internationalen Patentanmeldung mit der Voröffentlichungs-Nr. WO 99/05741 A1 .
Bei der Entwicklung alternativer Antriebskonzepte für automotive Anwendungen hat der Elektroantrieb in Verbindung mit einem Niedertemperatur-Brennstoffzellensystem als elektrochemischer Energiewandler besonders an Bedeutung gewonnen. Die Wahl des Kraftstoffes hat dabei einen wesentlichen Einfluß auf die Komplexität des Brennstoffzellensystems. Bei Verwendung von organischen Kraftstoffen, wie z. B. Methanol oder Benzin, steigt die Systemkomplexität aufgrund der notwendigen Kraftstoffreformierung zu wasserstoffreichem Gas. Die Verwendung von reinem Wasserstoff hat eine wesentliche Systemvereinfachung zur Folge. Das reine oder verunreinigte Wasserstoffgas (Reformat) wird dann der Brennstoffzelle auf der Anodenseite lastabhängig zugeführt. Auf der Kathodenseite wird entsprechend der Last Sauerstoff oder ein sauerstoffhaltiges Gas, vor allem Luft, zugeführt. Der Lastsollwert ergibt sich dabei im wesentlichen aus dem vom Fahrer gewünschten Verhalten des Gesamtfahrzeugs (Beschleunigen, Bremsen, etc.) sowie des Leistungsbedarfs der am Brennstoffzellensystem beteiligten elektrischen Verbraucher.
Bei einem herkömmlichen Brennstoffzellensystem der eingangs genannten Art wird Luft der Kathodenseite zugeführt, welche zusätzlich zu dem erwünschten Sauerstoffanteil etwa zu 80% aus Stickstoff besteht, der hier als Inertgas gilt und den Hauptbestandteil der Kathodenabgase (zusammen mit Wasserdampf und einen Restsauerstoffanteil) die Kathodengase bilden. Der Stickstoff tendiert aber dazu beim Betrieb der Brennstoffzellen durch die dort vorhandenen Membranen zu diffundieren und erscheint als unerwünschter Gasanteil auf der Anodenseite. Auch Wasser diffundiert zu der Anodenseite, so daß die dort vorhandenen Gase nicht nur aus dem erwünschten Wasserstoffanteil, sondern auch aus dem unerwünschten Stickstoffanteil und Wasserdampf besteht. Zwar ist etwas Wasserdampf für den Betrieb des Brennstoffzellensystems notwendig, zuviel ist jedoch nicht von Vorteil, da der Wasserstoffanteil herabgesetzt wird. Somit ist es bisher üblich gewesen mindestens einen Teil der Anodenabgase auf der Anodenseite zu entsorgen. Da diese Anodenabgase einen Restanteil von Wasserstoff enthalten, müßte dies durch eine gesonderte katalytische Verbrennung erfolgen, da es nicht zulässig wäre Wasserstoff direkt in die Umgebung abzulassen. Da Wasserstoff ein wertvoller Brennstoff ist, hat man auch bereits versucht mindestens einen Teil der Anodenabgase der Anodenseite wieder zuzuführen, wie dies beispielsweise bei den in den Druckschriften DE 39 13 581 A1 und EP 0 180 941 B1 beschriebenen Systemen realisiert ist. Dennoch mußten aufgrund der im Lauf der Zeit steigenden Stickstoff- und Wasserstoffanteile die Anodenabgase durch katalytische Verbrennung auf der Anodenseite entsorgt und mit frischem Wasserstoff ersetzt werden.
Ferner wurde beispielsweise gemäß den in den Druckschriften DE 195 48 297 A1 oder DE 44 25 186 C1 beschriebenen Hochtemperaturbrennstoffzellensystemen vorgeschlagen, H₂ enthaltendes Anodenabgas über einen katalytischen Brenner dem Kathodeneingang zuzuführen.
Um den Kraftstoffverbrauch eines mit Brennstoffzellen betriebenen Fahrzeugs zu minimieren, spielt der Wirkungsgrad der Niedertemperatur-Brennstoffzelle eine wichtige Rolle. Der Wirkungsgrad einer Niedertemperatur-Brennstoffzelle hängt unter anderem vom Sauerstoffanteil des zugeführten Kathodengases sowie vom Wasserstoffanteil des zugeführten Anodengases ab, d. h., die Systemarchitekur, die die Niedertemperatur-Brennstoffzelle mit Gasen versorgt, sollte so konzipiert sein, dass möglichst hohe Sauerstoff- sowie Wasserstoffanteile in den zugeführten Gasströmen vorhanden sind. Beim Betrieb von Niedertemperatur-Brennstoffzellen fallen in der Regel am Anodenausgang Abgase an, die Wasserstoff enthalten. Dieser Wasserstoff sollte idealerweise das Fahrzeug bzw. das Brennstoffzellensystem nicht verlassen, um die Forderung nach ”Zero Emission” zu erreichen. Unter Emission ist hier jedes Element gemeint, welches nicht in Luft vorhanden ist.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Brennstoffzellensystem sowie ein Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems zu definieren, um sowohl den Wasserstoffanteil des zugeführten Anodengases so einzustellen, dass ein optimaler Brennstoffzellenwirkungsgrad resultiert, als auch Wasserstoffemissionen zu vermeiden.
Um diese Aufgabe zu lösen, wird ein Niedertemperaturbrennstoffzellensystem der eingangs genannten Art vorgesehen, welche sich durch eine Leitung auszeichnet, die von der Anodenseite zur Kathodenseite führt und ausgelegt ist, Anodenabgase dem Kathodeneingang zuzuführen, die nach entsprechender Umsetzung des Wasserstoffanteils in einer dem Kathodeneingang vorgeschalteten, mit Katalysatormaterial versehenen Einrichtung mit auf der Kathodenseite vorhandenem Sauerstoff zu Wasser mit den Kathodenabgasen das Brennstoffzellensystem über den Kathodenausgang verlassen.
Verfahrensmäßig zeichnet sich das erfindungsgemäße Verfahren dadurch aus, daß mindestens ein Teil der Anodenabgase periodisch oder kontinuierlich dem Kathodeneingang zugeführt und mit den Kathodenabgasen aus dem Brennstoffzellensystem ausgelassen werden, wobei der in den Anodenabgasen enthaltenen Wasserstoffanteil in einer dem Kathodeneingang vorgeschalteten mit Katalysatormaterial versehenen Einrichtung mit der Kathodenseite zugeführtem Sauerstoff zu Wasser umgesetzt wird.
Die Erfindung beruht auf der Überlegung, daß die bisher praktizierte Verbrennung des Anodenabgase und die hierfür vorgesehenen Einrichtungen eingespart werden können, wenn die Anodenabgase der Kathodenseite des Brennstoffzellensystems zugeführt und mit den Kathodenabgasen entsorgt werden können. Weiterhin beruht die Erfindung auf der Überlegung, daß der Wasserstoffanteil der Anodenabgase auf der Kathodenseite des Brennstoffzellensystems mittels des dort ohnehin vorhandenen Katalysatormaterials mit dem der Kathodenseite zugeführten Sauerstoff bzw. Luftsauerstoff zu Wasser umgesetzt werden kann, das problemlos aus dem Brennstoffzellensystem herauszuführen ist. Nach der katalytischen Umsetzung des Wasserstoffs zu Wasser auf der Kathodenseite des Brennstoffzellensystems bestehen die Kathodenabgase nach wie vor aus Stickstoff, Wasser und ein Restanteil aus Sauerstoff, die alle natürliche Bestandteile der Umgebungsluft darstellen und somit keine schädlichen Emissionen darstellen.
Besonders bevorzugte Ausführungsvarianten des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems, sowie des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems sind den Unteransprüchen, sowie der weiteren Beschreibung zu entnehmen.
Die Erfindung wird nachfolgend näher erläutert anhand der beigefügten Zeichnungen, welche zeigen:
1 eine schematische Zeichnung zur Erläuterung des herkömmlichen Brennstoffzellensystems das durch die Erfindung verbessert werden soll,
2 eine schematische Darstellung eines im Rahmen der Entwicklung der vorliegenden Erfindung in Betracht gezogenen Brennstoffzellensystems,
3 eine schematische Darstellung einer ersten Variante eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems,
4 eine schematische Darstellung einer weiteren Variante des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems,
5 eine weitere schematische Darstellung einer Variante eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems, und
6 eine weitere schematische Darstellung einer nicht erfindungsgemäßen Ausführungsform eines Brennstoffzellensystems.
Bezugnehmend auf 1 besteht das dort gezeigte Brennstoffzellensystem bzw. die dort gezeigte Brennstoffzellensystemarchitektur aus mehreren zu einem sogenannten Stack 10 zusammengesetzten Niedertemperatur-Brennstoffzellen, die jeweils eine Anode und eine Kathode aufweisen, die voneinander durch eine für Protonen durchlässige Membran getrennt sind. Luft wird als Sauerstofflieferant der Kathodenseite 12 der Brennstoffzellen zugeführt, wobei sogenannte Kathodenabgase 14 das Fahrzeug direkt verlassen. Dabei besteht das Abgas nur aus Elementen, die in Luft zu finden sind. Die Anodenseite 16 des Brennstoffzellensystems bildet im Prinzip ein geschlossener Behälter 17, der aus dem Anodenvolumen selbst und einem Rohrvolumen besteht. Dieser Behälter hat einen Gaszustrom in Form der Wasserstoffversorgung 18 und ein Abgasrohr 20, welches mit einem Ventil 22 geöffnet werden kann. Während des Brennstoffzellenbetriebes wird mit der Anodenabgaspumpe 24 das Anodenabgas an den Anodeneingang zurückgeführt und mit frischem Wasserstoff aus der Wasserstoffversorgung 18 gemischt.
Somit wird ein Anodenkreislauf 28 gebildet. Dieser Kreislauf kann eine Wassersammeleinrichtung 26 enthalten, die den Wasserdampfanteil der im Anodenkreislauf 28 zirkulierenden Anodengase in Form von Wasser sammelt, das gegebenenfalls zu einer Befeuchtungseinrichtung für die zugeführten Gase zugeführt werden kann, da Niedertemperatur-Brennstoffzellen grundsätzlich einen gewissen Wasserdampfanteil benötigen, um die Membran feucht zu halten.
Eine weitere Wassersammeleinrichtung 30 befindet sich auf der Kathodenseite des Brennstoffzellensystems, um auch hier Wasser zu Befeuchtungszwecken sammeln zu können.
Das Problem dieser Architektur und einer Brennstoffzelle im allgemeinen ist, dass Stickstoff über die Brennstoffzellenmembrane (nicht gezeigt) von der Kathodenseite 12 zu der Anodenseite 13 der Brennstoffzellen diffundiert und sich daher im Anodenbehälter 17 bzw. im Anodenkreislauf akkumuliert. Dies geschieht so lange bis ein Stickstoffpartialdruckausgleich stattgefunden hat. Die Akkumulation von Stickstoff auf der Anodenseite 13 führt dazu, dass bei steigendem Stickstoffanteil bzw. entsprechend sinkendem Wasserstoffanteil der Brennstoffzellenwirkungsgrad sinkt, was einen negativen Einfluß auf den Wasserstoffverbrauch und somit auf die Reichweite des Fahrzeugs hat. Um die Stickstoffakkumulation zu verhindern bzw. um eine optimale Wasserstoffkonzentration einstellen zu können, wird mit dem Ventil 22 das Anodengasgemisch abgeblasen und somit Stickstoff abgereichert. Dieses wasserstoffhaltige Anodenabgasgemisch wird, gegebenenfalls nach Abzug von Wasseranteilen mittels der Einrichtung 32, einem katalytischen Brenner 34 zugeführt, dort mit Luft von einem Gebläse 36 gemischt und katalytisch verbrannt, d. h., der Wasserstoffanteil reagiert im Brenner 34 mit Luftsauerstoff unter Freisetzung von Wärme zu Wasser. Das wasserstofffreie Abgas 38 wird dann emissionsfrei an die Umgebung abgegeben.
Der Nachteil dieser Systemarchitektur liegt darin, dass alle Komponenten im Kästchen 39 (Brenner, Lüfter, Wasserabscheider, sowie die üblichen (nicht gezeigten) Sensoren usw.) zusätzliche Kosten und Gewicht verursachen und Platz benötigen.
Im Gegensatz zur bisherigen Lösung entfällt bei dem Brennstoffzellensystem nach 2 die aufwendige Wasserstoffverbrennung mittels zusätzlichen Brenner mit allen Zusatzkomponenten.
Die in 2 verwendeten Bezugszeichen entsprechen denen der 1. Das heißt, die gleichen Bezugszeichen werden für Teile verwendet, die die gleiche Ausbildung oder die gleiche Funktion aufweisen und solche Ausbildungen und Funktionen werden nur dann extra beschrieben, wenn dies sinnvoll erscheint oder notwendig ist, um auf Besonderheiten hinzuweisen. Diese Vorgehensweise wird auch für die weiteren Figuren verwendet.
Bei der obigen Lösung wird das Anodenabgas (bestehend aus H₂, N₂ und H₂O) direkt nach der Anodenabgaspumpe 24 über eine Leitung 40 an den Kathodeneingang 42 der Brennstoffzelle geführt. Dort findet eine Mischung mit Luft statt, die über die Leitung 44 von einem nicht dargestellten Kompressor geliefert wird Das so entstandene Luft – Anodenabgasgemisch, welches Wasserstoff enthält, gelangt dann in die Kathoden der Brennstoffzellen, wo es am Brennstoffzellenkatalysator reagiert. Bei dieser Reaktion wird, wie auch im katalytischen Brenner, Wasserstoff mit Luftsauerstoff unter Freisetzung von Wärme zu Wasser umgesetzt. Somit wird der Wasserstoff des Anodenabgases vollkommen verbraucht. Das Gesamtabgas, welches dann die Kathodenseite 12 der Brennstoffzellen bei dem Kathodenausgang 46 verläßt ist folglich emissionsfrei. Um einen Gasstrom von der Anodenseite zur Kathodenseite zu gewährleisten, wird während des Abblasens des Anodenabgases der Anodendruck am Punkt 48 (Punkt höchsten Druckes bezogen auf das Anodenabgas) gegenüber dem Kathodendruck am Kathodenausgang 42 angehoben, indem mehr Wasserstoff 18 in den Anodenkreislauf strömt wie für die aktuelle Brennstoffzellenlast benötigt wird. Ein Rückschlagventil 50 kann verwendet werden um zu verhindern, daß reiner Wasserstoff von der Wasserstoffversorgung in die Leitung 40 gelangt, d. h. daß der frisch zugeführte Wasserstoff die Anodenabgasmischung aus dem Anodenkreislauf in die Leitung 40 verdrängt. Die Anodenabgasmenge wird mit dem Ventil 52 entsprechend der bei 44 zugeführten Luftmenge so dosiert, dass das Luft – Anodenabgasgemisch nicht zündfähig ist. Das Ein- und Auslaßventil 54 dient zur Sicherheitsabschaltung des Gasstroms bei Fehlfunktion des Ventils 52. Somit ist mit dieser Systemarchitektur sowohl die Brennstoffzellenwirkungsgradoptimierung mittels Stickstoffabreicherung möglich als auch die Emissionsfreiheit garantiert.
Da an den einzelnen Zellen benachbart zum Kathodeneingang 42 des Brennstoffzellenstapels lokale Überhitzungen stattfinden können, die die Membrane schädigen könnten, werden erfindungsgemäß weitere Systemarchitekturen vorgeschlagen, die diesen Effekt reduzieren oder sogar vermeiden.
Bei diesen Systemarchitekturen handelt es sich um den gleichen Systemaufbau wie oben, mit dem Unterschied, dass der Mischpunkt 56 der Anodenabgasen mit der Luftzufuhr zu der Kathodenseite 12 stromaufwärts verschoben wird und zwischen Mischpunkt 56 und Kathodeneingang 42 zusätzliche Katalysatorfläche vorgesehen wird, die keinen direkten Kontakt zu den Brennstoffzellenmembranen hat. An dieser Katalysatorfläche findet dann bereits vor den Brennstoffzellenmembranen eine Minderung des Wasserstoffs statt. Dadurch wird die Wärmeerzeugung an der Brennstoffzellenmembran reduziert oder sogar vermieden. Das Vorsehen dieser Katalysatorfläche kann dabei in verschiedenster Weise erfolgen. Im folgenden sind einige Ausführungsmöglichkeiten dargestellt. Zu bevorzugen sind dabei aus Systemwirkungsgradgründen Lösungen mit kleinen Druckabfällen in der Kathodenzuführung.
Gemäß 3 wird die Kathodenzuleitung stromauf des Kathodeneinganges 42 selbst mit einem Katalysator auf der Innenseite beschichtet, was durch das Bezugszeichen 60 schematisch dargestellt ist. Es kann sich bei der Kathodenzuleitung um ein einfaches Rohr handeln, das auf der Innenseite mit einem Katalysatormaterial beschichtet ist oder katalysatorbeschichtete Einbauten umfaßt. Diese Beschichtung mit Katalysatormaterial kann auch im Bereich des Kathodeneingangs bzw. -einlasses 42 vorgesehen werden. Ansonsten ist die Ausführungsform gemäß 3 gleich der der 2, wie die verwendeten Bezugszeichen ohne weiteres zeigen.
In der Ausführungsform gemäß 4 wird der Mischpunkt 56 vor dem üblicherweise vorgesehenen Wärmetauscher zur Kühlung bzw. zum Aufwärmen der über die Leitung 44 zugeführten Luft verlegt und die Luftpassagen des Wärmetausches durch welche die über die Leitung 44 gelieferte Luft strömt, werden mit Katalysatormaterial beschichtet. Auch hier zeigen die verwendeten Bezugszeichen, daß die Konstruktion im Prinzip grundsätzlich gleich der in 2 ist.
Dies gilt auch für die 5, wo ein Gehäuse 61 in die Zuführleitung 44 zwischen dem Mischpunkt 56 und dem Kathodeneingang 42 eingesetzt wird. Dieses Gehäuse 61 ist mit einem mit Katalysatormaterial beschichteten Katalysatorträger gefüllt. Es kann sich bei diesem Katalysatorträger bspw. um ein poröses Monolith, bspw. aus keramischen Material oder um ein Netz aus Metall, bspw. aus einem aus Metallbändchen angefertigten Gewebe oder aus einer Wirrlage aus Metallbändchen, ähnlich einem Topfreiniger handeln.
Eine weitere nicht erfindungsgemäße Möglichkeit die bisherige Lösung in Hinsicht auf Kosten, Gewicht und Volumen zu verbessern ist in 6 dargestellt. Bei dieser Lösung wird das Anodenabgas über zwei Abgasleitungen abgeblasen, nämlich die bisherige Leitung 40 und die weitere Leitung 64, die zu einer Abgasmischeinrichtung 66 führt, die in die Kathodenabgasleitung 68 stromab des Kathodenausgangs 46 und der Wassersammeleinrichtung 30 eingesetzt wird. Dadurch vermindert sich die Wasserstoffmenge des Anodenabgases, welche in den Kathodeneingang geführt wird. Die Reaktionswärme auf der Membran wird somit ebenfalls gemindert. Das Anodenabgas, das vom Punkt 70 zur Abgasmischeinrichtung 66 über die Leitung 64 strömt, wird mit dem Kathodenabgas in der Abgasmischeinrichtung 66 so gemischt, dass der Wasserstoffanteil im Gesamtabgas deutlich unter der Zündgrenze liegt. Der Nachteil dieser Lösung liegt darin, dass geringe Wasserstoffmengen das Fahrzeug verlassen und in die Umgebung gelangen.
Bei allen bisher beschriebenen Ausführungsformen wird üblicherweise die Anodenabgase von Zeit zu Zeit an die Kathodenseite des Brennstoffzellensystems geleitet, und zwar immer dann, wenn die Konzentration von Stickstoff und/oder Wasserdampf auf der Anodenseite eine feste oder variabel vorgebbare Schwelle zu überschreiten droht. Es besteht aber grundsätzlich auch die Möglichkeit einen festen oder variablen Anteil der im Anodenkreislauf 28 zirkulierenden Gase kontinuierlich der Kathodenseite 12 des Brennstoffzellensystems 10 zuzuführen. Um diese Variante zu realisieren müßte dann ein Abzweigventil (nicht gezeigt) vorgesehen werden, die die vorgesehene Menge der abgezweigten Anodengase bestimmt.
Obwohl in den bisherigen Figuren die Leitung 40 in Strömungsrichtung gesehen nach der Pumpe 24 vom Anodenkreislauf 28 abgezweigt ist, könnte die Abzweigung auch vor der Pumpe 24 erfolgen. Hierdurch wäre das in 2 gezeigte Rückschlagventil 50 entbehrlich, da die Pumpe 24 selbst für die erforderliche Trennung von der Wasserstoffversorgung 18 sorgen wird. Auch besteht die Möglichkeit die Pumpe 24 von der Wasserstoffversorgung antreiben zu lassen, wie beispielsweise in der nicht veröffentlichten deutschen Patentanmeldung 100 62 673.4 der vorliegenden Anmelderin beschrieben ist.
Gegenüber der bisherigen Lösung ergeben sich klare Kosten-, Gewichts- und Volumenvorteile. Schließlich wird festgehalten, daß das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem sowohl mit reinem Wasserstoff als auch mit einer wasserstoffreichen Synthesegas, das bspw. durch Reformation gewonnen wird, verwendet werden kann.

Claims

Brennstoffzellensystem (10) bestehend aus mehreren, zu einem Stack zusammengesetzten, Niedertemperaturbrennstoffzellen mit einer Kathodenseite (12), die einen Kathodeneingang (42) und einen Kathodenausgang (46) aufweist, wobei Sauerstoff oder ein sauerstoffenthaltendes Gas, wie z. B. Luft, dem Kathodeneingang (42) zuführbar ist, sowie mit einer Anodenseite (13), die einen Anodeneingang (15) und einen Anodenausgang (19) aufweist, wobei Wasserstoff oder ein wasserstoffreiches Gas dem Anodeneingang (15) zuführbar ist und eine Rückführschleife (17) vorgesehen ist, um die wasserstoffenthaltenden am Anodenausgang (19) anfallenden Abgase mindestens teilweise dem Anodeneingang (15) wieder zuzuführen, gekennzeichnet durch eine Leitung (40), die von der Anodenseite (13) zur Kathodenseite (12) führt und ausgelegt ist, Anodenabgase dem Kathodeneingang (42) zuzuführen, die nach entsprechender Umsetzung des Wasserstoffanteils in einer dem Kathodeneingang (42) vorgeschalteten, mit Katalysatormaterial (60) versehenen Einrichtung mit auf der Kathodenseite (12) vorhandenem Sauerstoff zu Wasser mit den Kathodenabgasen das Brennstoffzellensystem über den Kathodenausgang (46) verlassen.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Ein- und Ausschaltventil (54) in der Leitung (40) angeordnet ist.
Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein die durch die Leitung (40) strömende Anodenabgasmenge steuerndes oder regelndes Ventil (52) angeordnet ist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das die durch die Leitung strömende Anodenabgasmenge steuernde oder regelnde Ventil (52) in der Leitung (40) auf der stromabwärtigen Seite des Ein- und Ausschaltventils (54) angeordnet ist.
Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Wasserstoff dem Anodeneingang (15) an einer Stelle zugeführt wird, die stromab der Abzweigung (48) der Leitung (40), die Anodenabgase zu der Kathodenseite (12) der Brennstoffzellen führt, angeordnet ist, und daß zwischen dieser Wasserstoffzuführstelle und der Abzweigung (48) ein Rückschlagventil (50) angeordnet ist.
Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Anodenseite (13) der Brennstoffzellen zu einem Anodenkreislauf gehört, in dem die Anodenabgase dem Anodeneingang (15) wieder zugeführt werden.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine Anodenabgaspumpe (24) im Anodenkreislauf angeordnet ist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitung (40), die Anodenabgase von der Anodenseite (13) zur Kathodenseite (12) führt, auf der stromabwärtigen Seite der Abgaspumpe (24) am Anodenkreislauf angeschlossen ist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitung (40), die Anodenabgase von der Anodenseite (13) zur Kathodenseite (12) führt, auf der stromaufwärtigen Seite der Abgaspumpe (24) am Anodenkreislauf angeschlossen ist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 7, 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Anodenabgaspumpe (24) durch die dem Anodenkreislauf zugeführte Wasserstoffmenge antreibbar ist.
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung auf der Kathodenseite (12) der Brennstoffzellen eine Kathodenzuleitung umfaßt, die mit dem Katalysatormaterial (60) beschichtet ist und daß die Leitung (40) zur Führung der Anodenabgase zu dem Kathodeneingang (42) ausgelegt ist, um diese Abgase auf der stromaufwärtigen Seite der Kathodenzuleitung dieser zuzuführen.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung einen Wärmetauscher mit einer Katalysatorbeschichtung vor dem Kathodeneingang (42) umfaßt und daß die Leitung (40), die von der Anodenseite (13) zur Kathodenseite (12) führt, ausgelegt ist, die Anodenabgase der Kathodenseite (13) auf der stromaufwärtigen Seite des Wärmetauschers zuzuführen.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung einen in einem Gehäuse (61) untergebrachten strömungsdurchlässigen Körper, der mit einem Katalysator beschichtet und vor dem Kathodeneingang (42) angeordnet ist, umfaßt und die Leitung (40), die von der Anodenseite (13) zur Kathodenseite (12) führt, ausgelegt ist, um Anodenabgase direkt oder indirekt in das Gehäuse (61) einzuspeisen und daher der Kathodenseite (12) der Brennstoffzellen zuzuführen.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der strömungsdurchlässige Körper aus einem Materialnetz besteht.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der strömungsdurchlässige Körper aus einem porösen Monolith besteht.
Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine weitere Leitung (64) vorhanden ist, die von der Anodenseite (13) der Brennstoffzellen zu einer Abgasmischeinrichtung (66) führt, die sich stromab des Kathodenausgangs (46) befindet und ausgelegt ist, einen über die weitere Leitung (64) abgezweigten Anodenabgasstrom mit den Kathodenabgasen zu mischen.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß ein Ventil in der weiteren Leitung (64) eingebaut ist.
Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems bestehend aus mehreren, zu einem Stack zusammengesetzten, Niedertemperaturbrennstoffzellen mit einer Kathodenseite (12), die einen Kathodeneingang (42) und einen Kathodenausgang (46) aufweist, wobei Sauerstoff oder ein sauerstoffenthaltendes Gas, wie z. B. Luft, dem Kathodeneingang (42) zuführbar ist, sowie mit einer Anodenseite (13), die einen Anodeneingang (15) und einen Anodenausgang (19) aufweist, wobei Wasserstoff oder ein wasserstoffreiches Gas dem Anodeneingang (15) zuführbar ist und eine Rückführschleife (17) vorgesehen ist, um die wasserstoffenthaltenden am Anodenausgang (19) anfallenden Abgase mindestens teilweise dem Anodeneingang (15) wieder zuzuführen, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Teil der Anodenabgase periodisch oder kontinuierlich dem Kathodeneingang (42) zugeführt und mit den Kathodenabgasen aus dem Brennstoffzellensystem ausgelassen wird, wobei der in den Anodenabgasen enthaltene Wasserstoffanteil in einer dem Kathodeneingang (42) vorgeschalteten, mit Katalysatormaterial versehenen Einrichtung mit der Kathodenseite zugeführtem Sauerstoff zu Wasser umgesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Anodenabgasmenge, die der Kathodenseite (12) zugeführt wird, mittels eines Ventils (52) gesteuert oder geregelt wird, so daß bei der Mischung der Anodenabgase mit der auf der Kathodenseite (12) zugeführten Luftströmung der Wasserstoffanteil der Mischung unterhalb der Zündgrenze liegt.
Verfahren nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Zuführung von Anodenabgas zu der Kathodenseite (12) des Brennstoffzellensystems zusätzlicher Wasserstoff der Anodenseite (13) des Brennstoffzellensystems zugeführt wird, um die Brennstoffzellen auf der Anodenseite (13) mit Wasserstoff durchzuspülen und eine höhere Wasserstoffkonzentration in den im Anodenkreislauf vorhandenen Gasen sicherzustellen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 18 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß ein weiterer Teil der Anodenabgase mit den Kathodenabgasen gemischt wird.