AT526369A1

AT526369A1 - Brennstoffzellensystem zur Erzeugung elektrischer Energie

Info

Publication number: AT526369A1
Application number: ATA50611/2022A
Authority: AT
Inventors: Neubauer Dr Raphael; Pandya Bhargav; GOLL Markus
Original assignee: Avl List Gmbh
Priority date: 2022-08-09
Filing date: 2022-08-09
Publication date: 2024-02-15
Also published as: KR20250044820A; WO2024031114A1; AT526369B1; CN119366009A; US20250192196A1; EP4511894A1; JP2025525709A

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem (100) zur Erzeugung elektrischer Energie, aufweisend einen Brennstoffzellenstapel (110) mit einem Ano- denabschnitt (120) und einem Kathodenabschnitt (130), der Anodenabschnitt (120) aufweisend einen Anodenzuführabschnitt (122) für ein Zuführen von Anodenzuführ- gas (AZG) und einen Anodenabführabschnitt (124) zum Abführen von Anodenabgas (AAG), der Kathodenabschnitt (130) aufweisend einen Kathodenzuführabschnitt (132) zum Zuführen von Kathodenzuführgas (KZG) und einen Kathodenabführab- schnitt (134) zum Abführen von Kathodenabgas (KAG), wobei der Anodenabführab- schnitt (124) einen Aufteilabschnitt (125) aufweist für eine Aufteilen des Anodenab- gases (AAG) auf einen Anoden-Rezirkulationsabschnitt (140) zur Rezirkulation als Anoden-Rezirkulationsgas (ARG) und einen Anoden-Auslassabschnitt (150) zum Auslass an die Umgebung als Anodenauslassgas (AUG), wobei im Anodenabführab- schnitt (124) oder im Anoden-Rezirkulationsabschnitt (140) eine Kondensatorvorrich- tung (126) in wärmeübertragendem Kontakt mit dem Kathodenzuführabschnitt (132) angeordnet ist für ein Kühlen des Anodenabgases (AAG) oder des Anoden-Rezirku- lationsgases (ARG) durch ein Aufheizen des Kathodenzuführgases (KZG), wobei stromabwärts der Kondensatorvorrichtung (126) ein Wasserauslass (128) für einen Auslass des in der Kondensatorvorrichtung (126) kondensierten Kondenswassers (KW) angeordnet ist, wobei stromabwärts des Wasserauslasses (128) ein Mischab- schnitt (123) angeordnet ist für ein Vermischen des Anoden-Rezirkulationsgases (ARG) mit Brenngas (BRG) und für eine Zufuhr als Anodenzuführgas (AZG) in den Anodenzuführabschnitt (122).

Description

Brennstoffzellensystem zur Erzeugung elektrischer Energie

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem zur Erzeugung elektrischer Energie und ein Verfahren zur Rezirkulation von Anodenabgas in einem sol-

chen Brennstoffzellensystem.

Es ist bekannt, dass Brennstoffzellensysteme für die Erzeugung elektrischer Energie eingesetzt werden. Hierfür sind diese Brennstoffzellensysteme üblicherweise mit Brennstoffzellenstapeln ausgestattet, in welchen eine Vielzahl einzelner Brennstoffzellen jeweils mit einem Anodenabschnitt und einem Kathodenabschnitt gestapelt angeordnet sind. Für die Erzeugung der elektrischen Energie wird Brenngas und üblicherweise Umgebungsluft dem Brennstoffzellenstapel zugeführt, sodass dort unter Erzeugung elektrischer Energie eine chemische Umsetzung dieser Gase stattfinden

kann.

Als Brenngas wird bei bekannten Brennstoffzellensystemen üblicherweise entweder Wasserstoff oder Erdgas als Brenngas eingesetzt. Darüber hinaus ist es bekannt, dass ein Teil des Brenngases, welches bei der Umsetzung im Brennstoffzellenstapel nicht umgesetzt wird, als Rezirkulationsgas wieder dem Brennstoffzellenstapel für einen weiteren Durchlauf zugeführt wird, um die Effizienz in der Nutzung des Brennga-

ses zu steigern.

Nachteilhaft bei den bekannten Lösungen ist es, dass insbesondere bei der Verwendung von Wasserstoff als Brenngas die Rezirkulation die Effizienz im Betrieb reduzieren kann. Wird Wasserstoff einem Brennstoffzellenstapel zugeführt, so wird im Anodenabschnitt dieser Wasserstoff zu einer Mischung aus Wasser und einem verbleibenden Rest an Wasserstoff im Anodenabgas umgesetzt. Bei der Rezirkulation dieser Gasmischung kann es dazu kommen, dass durch das enthaltene Wasser die Nernstspannung deutlich absinkt. Das Absinken der Nernstspannung für den Brennstoffzellenstapel führt zu einer Reduktion der Effizienz, welche in üblicher Weise die Erhöhung der Effizienz durch die Rezirkulation ausgleicht. Mit anderen Worten führt beim Betrieb eines Brennstoffzellensystems mit Wasserstoff die Rezirkulation nicht

oder nur in reduzierter Weise zu der gewünschten Steigerung der Effizienz.

Es ist zwar bereits grundsätzlich bekannt, dass bei der Rezirkulation ein Abkühlen

des Anodenabgases zur Kondensation eines Teils des enthaltenen Wassers und zur

zellensystem.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die voranstehend beschriebenen Nachteile zumindest teilweise zu beheben. Insbesondere ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, in kostengünstiger und einfacher Weise auch beim Betrieb mit Wasser-

stoff in einem Brennstoffzellensystem Kondenswasser abzuführen.

Die voranstehende Aufgabe wird gelöst durch ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 12. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und jeweils umgekehrt, sodass auch bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bezie-

hungsweise werden kann.

Erfindungsgemäß wird ein Brennstoffzellensystem zur Erzeugung elektrischer Energie vorgeschlagen. Dieses weist einen Brennstoffzellenstapel mit einem Anodenabschnitt und einem Kathodenabschnitt auf. Der Anodenabschnitt ist mit einem Anodenzuführabschnitt für ein Zuführen von Anodenzuführgas und mit einem Anodenabführabschnitt zum Abführen von Anodenabgas ausgestattet. In gleicher Weise ist der Kathodenabschnitt mit einem Kathodenzuführabschnitt zum Zuführen von Kathodenzuführgas und mit einem Kathodenabführabschnitt zum Abführen von Kathodenabgas ausgestattet. Im Anodenabführabschnitt ist ein Aufteilabschnitt vorgesehen, welcher ein Aufteilen des Anodenabgases auf einen Anoden-Rezirkulationsabschnitt zur Rezirkulation als Anoden-Rezirkulationsgas und auf einen Anoden-Auslassabschnitt

zum Auslass an die Umgebung als Anodenauslassgas erlaubt. Ein

führgas in den Anodenzuführabschnitt.

Der erfindungsgemäße Kerngedanke beruht darauf, eine Rezirkulation von Anodenabgas zu gewährleisten. Diese Rezirkulation findet in aufgeteilter Weise statt, Sodass mithilfe des Aufteilabschnitts ein Teil des Anodenabgases als Anoden-Rezirkulationsgas rezirkuliert wird. Der verbleibende Rest an Anodenabgas wird als Anodenauslassgas in die Umgebung abgeführt. Für dieses Anodenauslassgas kann, wie dies später noch erläutert wird, auch eine Nachbehandlung stattfinden. Insbesondere

erfolgt eine Kombination des Anodenauslassgases mit dem Kathodenabgas.

Die Rezirkulation des Anoden-Rezirkulationsgases erfolgt in getrockneter Weise, nämlich durch Führung über eine Kondensatorvorrichtung. In dieser Kondensatorvorrichtung wird die Temperatur des Anodenabgases oder des Anoden-Rezirkulationsgases unter die Siedetemperatur von Wasser, also je nach Drucksituation und je nach einem von der Zusammensetzung des Gases abhängigen Partialdruck unter ca. 100 °C, gebracht. Dies führt dazu, dass der enthaltene Wasserdampf im AnodenRezirkulationsgas auskondensiert und als flüssiges Kondenswasser vorliegt. Hier ist darauf hinzuweisen, dass je nach Positionierung des Aufteilabschnitts die Kondensatorvorrichtung sowohl noch vor diesem Aufteilabschnitt im Anodenabführabschnitt, aber auch nach diesem Aufteilabschnitt, im Anoden-Rezirkulationsabschnitt angeord-

net sein kann. In beiden Fällen sind die erfindungsgemäßen Vorteile erzielbar.

Stromabwärts der Kondensatorvorrichtung ist ein Separator als Wasserauslass vorgesehen, in welchem die kondensierten Bestandteile und damit das Kondenswasser von den gasförmigen Bestandteilen des Anoden-Rezirkulationsgases abgetrennt

werden. Damit kann das flüssige Kondenswasser aus dem System ausgebracht und

zuführgas wieder dem Anodenabschnitt des Brennstoffzellenstapels zugeführt.

Der erfindungsgemäße Kerngedanke beruht nun unter anderem darauf, dass für das Kondensieren des Kondenswassers im Anoden-Rezirkulationsgas oder im Anodenabgas keine externe Kältequelle und auch kein separater externer Kältekreislauf notwendig ist. Vielmehr ist die Kondensatorvorrichtung in erfindungsgemäßer Weise in wärmeübertragenden Kontakt mit dem Kathodenzuführabschnitt ausgebildet. Da ein solches Brennstoffzellensystem mit Luft als Kathodenzuführgas für den Kathodenabschnitt betrieben wird, wird demnach Luft aus der Umgebung angesaugt. Dieses Ansaugen kann zum Beispiel mit einer Gebläsevorrichtung erfolgen. Die angesaugte Luft hat entsprechend Umgebungstemperatur, welche je nach Temperatursituation im Bereich von -20 °C bis zu 50 °C oder sogar mehr betragen kann. Entscheidend ist dabei, dass auch bei sehr heißen Einsatzsituationen, zum Beispiel in Wüstengebieten, trotzdem die Umgebungsluft nicht die Siedetemperatur von Wasser, üblicherweise 100 °C, überschreitet. Mit anderen Worten reicht auch bei einer heißen Umgebungstemperatur die zugeführte Umgebungsluft als Wärmesenke aus, um als kälteste, verfügbare Temperatur eine Kühlleistung für das Anodenabgas oder das Anoden-Rezirkulationsgas zur Verfügung zu stellen, welche ein Abkühlen unter die Kondensationstemperatur von Wasser erlaubt. Wie aus der voranstehenden Erläuterung ersichtlich wird, wird nun alleine durch die Zuführung von Luft aus der Umgebung als Kathodenzuführgas sozusagen als Sekundärfunktionalität eine Kältequelle zur Verfügung gestellt, welche auch als Wärmesenke bezeichnet werden kann. Diese Wärmesenke dient dazu, in der Kondensatorvorrichtung dem rezirkulierten Anodenabgas als Anoden-Rezirkulationsgas so viel Wärmeenergie zu entziehen, dass die Temperatur des Anodenabgases oder des Anoden-Rezirkulationsgases un-

ter die Siedetemperatur von Wasser sinkt. Dieser Kondensationsvorgang erfolgt

von einem externen Kühlkreislauf des Brennstoffzellensystems.

Es sei noch darauf hingewiesen, dass selbstverständlich in einem komplexen Brennstoffzellensystemen an anderen Positionen Kühlkreisläufe vorgesehen sein können, um gewünschte Temperiervorgänge durchführen zu können. Insbesondere bei Brennstoffzellensystemen, welche als SOFC-System ausgebildet sind, sind sehr hohe Temperaturen zu erwarten, sodass zum Beispiel Teile des Brennstoffzellenstapels mit einer externen Kühlvorrichtung ausgebildet sein können. Erfindungsgemäß wird jedoch auch eine solche vorhandene externe Kühlquelle nicht für die Konden-

sierfunktion des Anoden-Rezirkulationsgases und des Anodenabgases verwendet.

Erfindungsgemäß leistet die Integration der Kondensationsfunktion in den Kathodenzuführabschnitt die gewünschte Kondensierung von Kondenswasser im Anoden-Rezirkulationsgas oder im Anodenabgas. Damit wird getrocknetes Anoden-Rezirkulationsgas dem Brenngas zugemischt und entsprechend die gewünschte Effizienzsteigerung durch die Rezirkulation ohne die Inkaufnahme einer reduzierten Nernstspannung bei ungetrocknetem Anoden-Rezirkulationsgas erreicht. Im Vergleich zu den bekannten Lösungen wird dieser Trocknungsschritt und die damit verbundene Effizienzsteigerung im Betrieb des Brennstoffzellensystems ohne zusätzliche komplexe Bauteile, Insbesondere ausschließlich durch eine als Gas-Gas-Wärmetauscher aus-

gebildete Kondensatorvorrichtung, erreicht.

Im Ergebnis kann neben der Effizienzsteigerung insbesondere sogar ein kleinerer Ejektor verwendet werden, da durch die Abtrennung des unerwünschten Kondenswassers entsprechend geringere Volumenströme dem Brenngas beigemischt werden

müssen.

Es kann vorteilhaft sein, wenn bei einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem der Anodenabführabschnitt einen Anodenabführ-Wärmetauscher aufweist, in wärmeübertragendem Kontakt mit dem Anodenzuführabschnitt für eine Wärmeübertragung vom Anodenabgas auf das Anodenzuführgas. Hier wird eine weitere Steigerung der Effizienz aus Sicht der Temperatur möglich. Im Zusammenhang mit den später noch erläuterten weiteren möglichen unterschiedlichen Wärmetauschern entsteht somit zusammen mit der Kondensatorvorrichtung ein Wärmetauschersystem, welches

auch Temperiersystem genannt werden kann, das es erlaubt, einen möglichst

Kondensationsfunktion auszustatten.

Ebenfalls Vorteile kann es mit sich bringen, wenn bei einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem der Mischabschnitt als Ejektorvorrichtung ausgebildet ist, mit einer Brennstoffzufuhr von Brenngas an einem Primäranschluss der Ejektorvorrichtung und dem Anoden-Rezirkulationsabschnitt am Sekundäranschluss der Ejektorvorrichtung. Die Verwendung einer Ejektorvorrichtung als Alternative zu klassischen Gebläsevorrichtungen für den Mischabschnitt bringt viele Vorteile mit sich. Zum einen wird auf rotierende Bauteile und entsprechende Verschleißteile verzichtet. Zum anderen wird das Vermischen und das Fördern vorzugsweise in einem gemeinsamen Bauteil kombiniert, sodass insbesondere dann, wenn eine Brenngasquelle mit hohem Förderdruck zur Verfügung steht, keine separate Fördervorrichtung im Anodenzuführabschnitt mehr notwendig ist. Es reicht vielmehr aus, das entsprechende Brenngas mit dem gewünschten Vordruck am Primäranschluss der Ejektorvorrichtung anzulegen, sodass die entsprechende sich einstellende Saugwirkung am Sekundäranschluss der Ejektorvorrichtung das getrocknete Anoden-Rezirkulationsgas zum Vermischen ansaugt. Die Gesamteffizienz wird damit für ein erfindungsgemäRes Brennstoffzellensystem weiter gesteigert und insbesondere die Verschleißarmut

verbessert.

Ebenfalls von Vorteil ist es, wenn bei einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem der Kathodenabführabschnitt eine Katalysatorvorrichtung aufweist, welche mit

dem Anoden-Auslassabschnitt fluudkommunizierend verbunden ist und für eine

welche auch letzte Reste von Ammoniak umsetzt.

Ein weiterer Vorteil ist erzielbar, wenn bei einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem der Kathodenzuführabschnitt einen Kathodenzuführ-Wärmetauscher aufweist, in wärmeübertragendem Kontakt mit dem Kathodenabführabschnitt für eine Wärmeübertragung vom Kathodenabgas auf das Kathodenzuführgas. Ähnlich dem Vorheizen des Anodenzuführgases steigert es die Effizienz im Betrieb des Brennstoffzellensystems weiter, wenn auch das Kathodenzuführgas vorkonditioniert wird, um mit möglichst hoher Temperatur, und damit insbesondere nahe an der Betriebstemperatur des Brennstoffzellenstapels, in den Kathodenabschnitt einzutreten. Da das Kathodenabgas als Ergebnis der chemischen Reaktion innerhalb des Brennstoffzellenstapels auf eine entsprechend hohe Auslasttemperatur gebracht worden ist, kann diese hohe Temperatur hier genutzt werden, um teilweise an das Kathodenzuführgas abgegeben zu werden. Dies entspricht also einem Vorkonditionieren in Form eines Vorwärmens vom Kathodenabgas auf das Kathodenzuführgas. Diese Rückge-

winnung der im Kathodenabgas enthaltenen Wärme steigert die Effizienz noch weiter

und vermeidet einen Wärmeverluste durch das Kathodenabgas. Vorzugsweise ist

dieser Kathodenzuführ-Wärmetauscher direkt stromaufwärts vor dem Kathodenab-

schnitt und damit in dem Kathodenabführabschnitt stromaufwärts einer Katalysator-

vorrichtung und im Kathodenzuführabschnitt nach der Kondensatorvorrichtung ange-

ordnet.

Weitere Vorteile können erzielt werden, wenn bei einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem der Aufteilabschnitt an einer der folgenden Positionen angeordnet

ist: — Stromaufwärts der Kondensatorvorrichtung,

— Stromabwärts der Kondensatorvorrichtung und stromabwärts des Wasseraus-

lasses,

— Stromabwärts der Kondensatorvorrichtung und stromaufwärts des Wasser-

auslasses.

Bei der voranstehenden Aufzählung handelt es sich um drei unterschiedliche Positionen, welche vorzugsweise nicht gleichzeitig eingenommen werden können. Findet das Aufteilen stromaufwärts der Kondensatorvorrichtung statt, muss der nachfolgende Kondensationsvorgang wie auch das Abführen von Kondenswasser nur für das auch tatsächlich rezurkulierte Anoden-Rezirkulationsgas durchgeführt werden. Es kann jedoch auch Vorteile mit sich bringen, das komplette Anodenabgas über die Kondensatorvorrichtung und sogar auch über den Wasserauslass zu führen, sodass durch die spätere Anordnung des Aufteilabschnitts das komplette Anodenabgas nicht nur gekühlt, sondern auch vom Wasser befreit wird. Insbesondere dann, wenn eine höhere Vorkonditionierleistung für die Luft als Kathodenzuführgas benötigt wird, kann es Vorteile mit sich bringen, die Restwärme des gesamten Volumenstroms an Anodenabgas auch für dieses Vorwärmen zu verwenden, indem entsprechend nicht nur das abgetrennte Anoden-Rezirkulationsgas, sondern das gesamte Anodenabgas über die Kondensatorvorrichtung geführt wird. Da in einem solchen Fall auch entsprechend größere Mengen an Kondenswasser entstehen, ist es darüber hinaus vorteilhaft, wenn dieser Aufteilabschnitt sich nicht nur zwischen der Kondensatorvorrichtung und dem Wasserauslass befindet, sondern vorzugsweise dem Wasserauslass

stromabwärts nachgeordnet wird. Damit kann ein maximaler Wärmeerffekt erzielt

werden, für das Kathodenzuführgas und gleichzeitig die gröRere entstehende Menge

an Kondenswasser aus dem Anoden-Rezirkulationsgas abgetrennt werden, bevor es

dem Aufteilabschnitt und später dem Mischabschnitt zugeführt wird.

Ebenfalls Vorteile bringt es mit sich, wenn bei einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem im Anodenzuführabschnitt, vorzugsweise stromabwärts eines Anodenzuführ-Wärmetauschers, ein Kathodenabführ-Wärmetauscher angeordnet ist für einen Wärmeübergang vom Kathodenabgas an das Anodenzuführgas. Dies erlaubt es, auch im Kathodenabführgas enthaltene Wärme zusätzlich oder alternativ in das Anodenzuführgas zu übertragen. Dies erlaubt es darüber hinaus in Kombination mit einem Anodenzuführ-Wärmetauscher die entsprechende Vorheizfunktionalität noch weiter zu steigern oder mit anderen Worten das Anodenzuführgas auf eine noch h6öhere Temperatur zu bringen. Wie dargestellt, kann an einer Vielzahl von Positionen nun über Wärmetauscherfunktionen das System von Wärmetauschern in einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem ausgestattet sein. Selbstverständlich können einzelne Wärmetauscher dieses Wärmetauschersystems über Ventile kontrolliert werden, sodass insbesondere flexibel je nach Betriebssituation unterschiedliche Teile dieses Wärmetauschersystems aktiviert oder deaktiviert werden können. Damit kann gezielt und flexibel auf unterschiedliche Betriebssituationen reagiert und immer

die maximale Temperatureffizienz erreicht werden.

Ebenfalls vorteilhaft kann es sein, wenn bei einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem im Kathodenzuführabschnitt ein Kathodenzuführ-Wärmetauscher angeordnet ist für einen Wärmeübergang vom Kathodenabführgas auf das Kathodenzuführgas. Auch dies ist alternativ, wie aber auch zusätzlich zu den anderen genannten Wärmetauschern denkbar, wobei darauf hinzuweisen ist, dass vorzugsweise Ventile die unterschiedlichen Wärmetauscher aktivieren und deaktivieren können. Auch hier ist es wieder möglich, durch den Wärmeübergang Restwärme aus dem Kathodenabgas zu nutzen, um eine Vorkonditionierung in Form eines Vortemperierens des Kathodenzuführgases gewährleisten zu können und damit die Betriebseffizienz des

Brennstoffzellensystems weiter zu steigern.

Darüber hinaus von Vorteil kann es sein, wenn bei einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem im Anodenzuführabschnitt stromaufwärts des Mischabschnitts ein

Kontrollventil zur Kontrolle des Volumenstroms an Brenngas durch den

schiedlichste Betriebssituationen des Brennstoffzellensystems reagieren zu können.

Darüber hinaus ist es von Vorteil, wenn bei einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem der Anodenabführabschnitt frei von einem externen Kühlkreislauf ausgebildet ist. Wie bereits erläutert worden ist, ist der Kerngedanke der vorliegenden Erfindung darauf gerichtet, möglichst effizient und ohne zusätzliche Komplexität diese Kondensationsfunktion zur Verfügung zu stellen. Die Ausbildung des Anodenabführabschnitts frei von externen Kühlkreisläufen bezeichnet genau diese reduzierte Komplexität, da die Kondensierfunktion im Wesentlichen ausschließlich durch die Wärmesenke, welche durch die zugeführte Umgebungsluft als Kathodenzuführgas

zur Verfügung gestellt wird, gewährleistet ist.

Ebenfalls von Vorteil ist es, wenn bei einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem im Kathodenzuführabschnitt ein Kathoden-Mischabschnitt, insbesondere in Form einer Ejektorvorrichtung, angeordnet ist. An diese Ejektorvorrichtung ist am Sekundäranschluss ein Kathoden-Rezirkulationsabschnitt fluidkommunizierend verbunden, für eine Rezirkulation eines Teils des Kathodenabgases als Kathoden-Rezirkulationsgas. In Kombination mit der Rezirkulation zum Anodenabschnitt kann dies auch als doppelte Rezirkulation bezeichnet werden. Damit wird es möglich, auch das Kathodenabgas und darin enthaltenen Restsauerstoff wieder dem Anodenabschnitt als

Beimischung mit dem Kathodenzuführgas zuzuführen.

Ebenfalls Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren für eine Rezirkulation von Anodenabgas in einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem als

Anoden-Rezirkulationsgas, aufweisend die folgenden Schritte:

— Aufteilen wenigstens eines Teils des Anodenabgases als Anoden-Rezirkulati-

onsgas auf den Anoden-Rezirkulationsabschnitt,

thodenzuführgas unter die Siedetemperatur vom Wasser,

— Abtrennen des kondensierten Kondenswassers aus dem Anoden-Rezirkulati-

onsgas,

— Mischen des getrockneten Anoden-Rezirkulationsgases mit einem Brenngas

zu Anodenzuführgas.

Ein erfindungsgemäßes Verfahren bringt durch die Anwendung in einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem die gleichen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich

mit Bezug auf ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem erläutert worden sind.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen beschrieben sind. Es zeigen schema-

tisch:

Fig. 1 eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems, Fig. 2 eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Brenn-

stoffzellensystems,

Fig. 3 eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Brenn-

stoffzellensystems,

Fig. 4 eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Brenn-

stoffzellensystems,

Fig. 5 eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Brenn-

stoffzellensystems,

Fig. 6 eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Brenn-

stoffzellensystems.

In der Figur 1 ist schematisch ein Brennstoffzellensystem 100 zur Erzeugung von elektrischer Energie dargestellt. Schematisch ist hier ein Brennstoffzellenstapel 110

dargestellt, welcher einen Anodenabschnitt 120 und einen Kathodenabschnitt 130

Im Betrieb des Brennstoffzellensystems 100 wird Brenngas BRG von einer nicht näher dargestellten Brennstoffquelle zugeführt. Dieses Brenngas BRG wird hier zu Anodenzuführgas AZG mit dem später erläuterten Anoden-Rezirkulationsgas ARG vermischt, wobei als Mischabschnitt 123 eine Ejektorvorrichtung verwendet wird. Diese dient dem Ansaugen des Anoden-Rezirkulationsgases ARG und auch dem

Vermischen mit dem Brenngas BRG.

Das Anodenzuführgas AZG wird im Anodenzuführabschnitt 122 nun dem Anodenabschnitt 120 zugeführt und kann dort mit Kathodenzuführgas KZG in Form von Luft LU umgesetzt werden. Bei dieser chemischen Reaktion entsteht neben der elektrischen Energie, welche als Ziel des Brennstoffzellensystems 100 im Betrieb erzeugt werden soll, Wärme, wodurch sich das Anodenabgas AAG und das Kathodenabgas KAG aufheizen. Das heiRe Anodenabgas AAG wird nun einem Aufteilabschnitt 125 zugeführt, in welchem es in ein Anoden-Rezirkulationsgas ARG in einem Anoden-Rezirkulationsabschnitt 140 und in ein Anodenauslassgas AOG in einem Anoden-Auslassabschnitt 150 aufgeteilt wird. Der Auslassabschnitt kann dabei auch flexibel kontrollierbar sein, sodass insbesondere ein Anpassen der Volumenanteile zwischen Ano-

den-Rezirkulationsgas ARG und Anodenauslassgas AOG möglich wird.

Bei der Weiterführung des immer noch heißen Anoden-Rezirkulationsgases ARG wird dieses nun über eine Kondensatorvorrichtung 126 geführt, welche eine Wärmetauscherfunktion mit der zugeführten Luft LU aufweist. Die Luft LU wird aus der Umgebung entnommen und weist entsprechend Umgebungstemperatur auf, sodass diese auch in sehr heißen Umgebungssituationen eine Temperatur unterhalb der Siedetemperatur von Wasser aufweist. Damit wird es möglich, das Anodenabgas AAG hier als Anoden-Rezirkulationsgas ARG unter diese Siedetemperatur abzukühlen, sodass enthaltene Wasserbestandteile kondensieren und als Kondenswasser

KW im weitergeführten Anoden-Rezirkulationsgas ARG vorliegen. Diese Mischung

und wiederum dem Anodenabschnitt 120 als Anodenzuführgas AZG zugeführt wird.

Auch das Kathodenabgas KAG weist eine entsprechend hohe Temperatur auf und wird nachbehandelt, bevor es an die Umgebung ausgelassen wird. In der einfachsten Version gemäß der Figur 1 ist hier als Nachbehandlung eine Katalysatorvorrichtung 136 vorgesehen, in welcher eine Mischung aus Kathodenabgas KAG und Anodenauslassgas AUG gemeinsam katalytisch nachbehandelt wird. Ziel dieser katalytischen Nachbehandlung ist dabei insbesondere die Reduktion des Volumenanteils an verbliebenem Brenngas BRG im Anodenauslassgas AUG, um einen möglichst sicheren Auslass dieses Mischgases aus Anodenauslassgas AUG und Kathodenabgas

KAG an die Umgebung zu ermöglichen.

Die Figur 2 zeigt eine Weiterbildung der Ausführungsform der Figur 1, wobei hier beispielhaft verschiedene zusätzliche Komponenten integriert sind, welche einzeln oder in Kombination verwendet werden können. Eine dieser zusätzlichen Komponenten ist ein Anodenzuführ-Wärmetauscher 121. Dieser erlaubt es, aus Sicht des Anodenabgases AAG dieses vorzukühlen, um anschließend eine geringere Kühlleistung an der Kondensatorvorrichtung 126 zu benötigen. Dieses Vorkühlen erfolgt durch den Wärmeübergang vom heißen Anodenabgas AAG auf das vorzukonditionierende Anodenzuführgas AZG, sodass dieses Vorkühlen gleichzeitig einen positiven Effekt auf das Anodenzuführgas mit sich bringt, wodurch die Effizienz des Betriebs des Brennstoff-

zellensystems 100 weiter gesteigert werden kann.

Eine weitere zusätzliche Komponente in der Figur 2 ist der Luft-Wärmetauscher 190, welcher hier stromabwärts im Kathodenzuführabschnitt 132 stromabwärts der Kon-

densatorvorrichtung 126 angeordnet ist. Damit wird das bereits durch die Kondensatorvorrichtung 126 aufgeheizte Kathodenzuführgas KZG durch Restwärme nach der

Katalysatorvorrichtung 136 aus dem dort vorhandenen Mischgas weiter aufgeheizt

am Kathodenabschnitt 130 erreicht.

Eine dritte Unterscheidung zur Figur 1 zeigt in der Figur 2 die Position des Aufteilabschnitts 125. Dieser ist hier dem Wasserauslass 128 nachgeordnet, sodass entsprechend das komplette Anodenabgas AAG der Kondensationsfunktion wie auch der Wasserauslassfunktion unterzogen wird. Dies erlaubt es, eine maximale Wärmerückgewinnung aus dem Anodenabgas zur Verfügung zu stellen, benötigt aber im Umkehrschluss eine entsprechend größere Kondensatorvorrichtung 126, um entsprechend höhere Mengen an Luft LU für die Kühlung ansaugen und durchführen zu können. Dadurch, dass das Kondenswasser KW nun aus dem gesamten getrockneten Anodenabgas AAG auch vollständig abgetrennt wird, wird entsprechend auch nur das getrocknete Anodenabgas weiter als Anoden-Rezirkulationsgas ARG und als

Anodenauslassgas AOG im Brennstoffzellensystem 100 gefördert.

Auch die Figur 3 zeigt zusätzliche Komponenten, welche insbesondere die Effizienz des Brennstoffzellensystems 100 weiter steigern können. Zum einen ist hier zusätzlich ein Kathodenzuführ-Wärmetauscher 131 vorgesehen, welcher eine Wärmerückgewinnung aus dem heißen Kathodenabgas KAG im Kathodenzuführgas KZG erlaubt. Damit wird das Kathodenzuführgas KZG an drei Stellen mit Wärmezufuhr beaufschlagt, nämlich in der Kondensatorvorrichtung 126, in dem Luft-Wärmetauscher 190 und final als letzter Wärmeübergang in dem Kathodenzuführ-Wärmetauscher 131. Auch ist in der Figur 3 eine Variante dargestellt, bei welcher der Aufteilabschnitt 125 nun stromabwärts der Kondensatorvorrichtung 126, aber stromaufwärts des Wasserauslasses 128, vorgesehen ist. Dies erlaubt es, die entsprechenden Vorteile der Wärmerückgewinnung aus dem Anodenabgas AAG vollständig der Luft LU in der Kondensatorvorrichtung 126 zuzuführen. Der Wasserauslass 128 und die Separatorwirkung müssen jedoch hier nur für das tatsächlich gewünschte Anoden-Rezirkulationsgas ARG zur Verfügung gestellt werden, sodass entsprechend der Separator des Wasserauslasses 128 kleiner ausgebildet sein kann als dies bei der Variante der Fi-

gur 2 der Fall wäre.

Auch die Figur 4 zeigt weitere Teilkomponenten, welche bei einem erfindungsgemäRen Brennstoffzellensystem 100 eingesetzt werden können. Hier wird ein Teil der

Temperatur des Kathodenabgases KAG nun für ein zusätzliches Aufheizen des

Anodenzuführgases AZG verwendet, indem ein Kathodenabführ-Wärmetauscher 133

in wärmeübertragendem Kontakt mit dem Anodenzuführabschnitt 122 vorgesehen

ist. Bei dieser Möglichkeit ist es also vorgesehen, eine möglichst hohe Temperatur-

einwirkung in das Anodenzuführgas AZG einzubringen.

In der Figur 5 sind ebenfalls weitere Komponenten dargestellt, mit welchen sich das Brennstoffzellensystem 100 weiterbilden lässt. Zum einen handelt es sich hier um Kathoden-Rezirkulationsgebläse 171 und einen Kathoden-Aufteilabschnitt 137, welche es erlauben, einen Teil des Kathodenabgases KAG in einen Kathoden-Rezirkulationsabschnitt 170 aufzuteilen. Damit kann dieser aufgeteilte Teil des Kathodenabgases KAG als Kathoden-Rezirkulationsgas KRG hier einer Ejektorvorrichtung als Kathoden-Mischabschnitt 135 zugeführt werden und eine Kathodenrezirkulation gewährleistet sein. Somit ist ein variabler Rezirkulationsanteil an der Kathode möglich wobei unter Teillastbetrieb höhere Rezirkulationsraten einstellbar sind. Das verbleibende Kathodenabgas KAG wird in der bereits mehrfach erläuterten Weise der Kata-

Iysatorvorrichtung 136 zugeführt.

Auch in der Figur 5 gezeigt ist in der Brenngaszufuhr für das Brenngas BRG ein Kontrollventil 160. Dieses ist insbesondere quantitativ kontrollierbar ausgebildet, sodass unterschiedliche Volumenströme an Brenngas BRG eingestellt werden können und für unterschiedliche Betriebssituationen unterschiedliche Mengen an Brenngas dem

Anoden-Rezirkulationsgas ARG auch tatsächlich zuzumischen.

In der Figur 6 ist eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems 100 gezeigt, wobei die meisten dargestellten Elemente jenen der Figur 5 entsprechen. Hier ist zusätzlich eine Nachbehandlungseinheit 191 vorgesehen, welche welche stromabwärts des Luft-Wärmetauschers 190 angeordnet ist. Die Nachbehandlungseinheit 191 ist insbesondere bei einem Betrieb des Brennstoffzellensystems 100 mit Ammoniak vorteilhaft, um hier nochmal Spuren von Ammoniak umzusetzen bevor das Abgas an die Umgebung abgegeben wird. Die Nachbehandlungseinheit 191 kann hierfür beispielsweise als Ammoniak-Schlupf-Katalysator (ASC) ausgebildet sein, welcher bei Temperaturen zwischen 200 °C und 500 °C arbeitet. Vorteilhaft kann es auch weiter sein, wenn ein Purgeventil und/oder Bypass-

ventil (nicht in Fig. 6 dargestellt) vorgesehen ist, um im Fall einer Leckage

len Ausführungsformen vorgesehen sein.

Die einzelnen Komponenten, insbesondere des Systems aus einer Vielzahl von Wärmetauschern, können dabei frei miteinander kombiniert werden und insbesondere über Kontrollventilsysteme frei schaltbar sein, um auf unterschiedlichste Betriebssitu-

ationen des Brennstoffzellensystems 100 möglichst flexibel reagieren zu können.

Expliziter erläutert, können die zusätzlichen Komponenten der in Fig. 2 gezeigten Ausführungsform des Brennstoffzellensystems 100, d.h. der Anodenzuführ-Wärmetauscher 121 und/ oder der Luft-Wärmetauscher 190 in gleicher Positionierung zum Aufteilabschnitt 125 ebenso mit den Systemkomponenten der Ausführungsformen des Brennstoffzellensystems 100 aus den Figuren 1, 3, 4 oder 5 ergänzend kombi-

niert werden

Ferner kann die zusätzliche Komponente der in Fig. 3 gezeigten Ausführungsform des Brennstoffzellensystems 100, d.h. der Kathodenzuführ-Wärmetauscher 131 ebenso mit den Systemkomponenten der Ausführungsformen des Brennstoffzellen-

systems 100 aus den Figuren 1, 2, 4 oder 5 ergänzend kombiniert werden.

Darüber hinaus kann die zusätzliche Komponente der in Fig. 4 gezeigten Ausführungsform des Brennstoffzellensystems 100, d.h. der Kathodenabführ-Wärmetauscher 133 ebenso mit den Systemkomponenten der Ausführungsformen des Brenn-

stoffzellensystems 100 aus den Figuren 1, 2, 3 oder 5 ergänzend kombiniert werden.

Ebenso können die zusätzlichen Komponenten der in Fig. 5 und oder Fig. 6 gezeigten Ausführungsform des Brennstoffzellensystems 100, d.h. der Kathoden-Rezirkulationsabschnitt 170 mit dem Kathoden-Rezirkulationsgebläse 171 und dem KathodenAufteilabschnitt 137 und/oder die Nachbehandlungseinheit 191 und/oder das Kontrollventil 160 mit den Systemkomponenten der Ausführungsformen des Brennstoff-

zellensystems 100 aus den Figuren 1, 2, 3 oder 4 ergänzend kombiniert werden.

Die voranstehende Erläuterung der Ausführungsformen beschreibt die vorliegende

Erfindung ausschließlich im Rahmen von Beispielen.

Bezugszeichenliste

100 Brennstoffzellensystem

110 Brennstoffzellenstapel

120 Anodenabschnitt

121 Anodenzuführ-Wärmetauscher 122 Anodenzuführabschnitt

123 Mischabschnitt

124 Anodenabführabschnitt

125 Aufteilabschnitt

126 Kondensatorvorrichtung

128 Wasserauslass

130 Kathodenabschnitt

131 Kathodenzuführ-Wärmetauscher 132 Kathodenzuführabschnitt

133 Kathodenabführ-Wärmetauscher 134 Kathodenabführabschnitt

135 Kathoden-Mischabschnitt

136 Katalysatorvorrichtung

137 Kathoden-Aufteilabschnitt

140 Anoden-Rezirkulationsabschnitt 150 Anoden-Auslassabschnitt

160 Kontrollventil

170 Kathoden-Rezirkulationsabschnitt 171 Kathoden-Rezirkulationsgebläse 190 Luft-Wärmetauscher

191 MNachbehandlungseinheit

AZG Anodenzuführgas

AAG Anodenabgas

AUG Anodenauslassgas

ARG Anoden-Rezirkulationsgas KZG Kathodenzuführgas

KAG Kathodenabgas

KRG Kathoden-Rezirkulationsgas

BRG Brenngas LU Luft

KW Kondenswasser

Claims

Patentansprüche

1. Brennstoffzellensystem (100) zur Erzeugung elektrischer Energie, aufweisend einen Brennstoffzellenstapel (110) mit einem Anodenabschnitt (120) und einem Kathodenabschnitt (130), der Anodenabschnitt (120) aufweisend einen Anodenzuführabschnitt (122) für ein Zuführen von Anodenzuführgas (AZG) und einen Anodenabführabschnitt (124) zum Abführen von Anodenabgas (AAG), der Kathodenabschnitt (130) aufweisend einen Kathodenzuführabschnitt (132) zum Zuführen von Kathodenzuführgas (KZG) und einen Kathodenabführabschnitt (134) zum Abführen von Kathodenabgas (KAG), wobei der Anodenabführabschnitt (124) einen Aufteilabschnitt (125) aufweist für eine Aufteilen des Anodenabgases (AAG) auf einen Anoden-Rezirkulationsabschnitt (140) zur Rezirkulation als Anoden-Rezirkulationsgas (ARG) und einen Anoden-Auslassabschnitt (150) zum Auslass an die Umgebung als Anodenauslassgas (AUG), dadurch gekennzeichnet, dass im Anodenabführabschnitt (124) oder im Anoden-Rezirkulationsabschnitt (140) eine Kondensatorvorrichtung (126) in wärmeübertragendem Kontakt mit dem Kathodenzuführabschnitt (132) angeordnet ist für ein Kühlen des Anodenabgases (AAG) oder des Anoden-Rezirkulationsgases (ARG) durch ein Aufheizen des Kathodenzuführgases (KZG), wobei stromabwärts der Kondensatorvorrichtung (126) ein Wasserauslass (128) für einen Auslass des in der Kondensatorvorrichtung (126) kondensierten Kondenswassers (KW) angeordnet ist, wobei stromabwärts des Wasserauslasses (128) ein Mischabschnitt (123) angeordnet ist für ein Vermischen des Anoden-Rezirkulationsgases (ARG) mit Brenngas (BRG) und für eine Zufuhr als Anodenzuführgas (AZG) in den Anodenzuführabschnitt (122).

2. Brennstoffzellensystem (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Anodenabführabschnitt (124) einen Anodenzuführ-Wärmetauscher (121) aufweist in wärmeübertragendem Kontakt mit dem Anodenzuführabschnitt (122) für eine Wärmeübertragung vom Anodenabgas (AAG) auf das Anodenzuführgas (AZG).

3. Brennstoffzellensystem (100) nach einem der vorangegangenen Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, dass der Mischabschnitt (123) als

zirkulationsabschnitt (140) am Sekundäranschluss der Ejektorvorrichtung.

4. Brennstoffzellensystem (100) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kathodenabführabschnitt (134) eine Katalysatorvorrichtung (136) aufweist, welche mit dem Anoden-Auslassabschnitt (150) fluidkommunizierend verbunden ist für eine katalytische Nachbehand-

lung des Anodenauslassgases (AUG) und den Kathodenabgases (KAG).

5. Brennstoffzellensystem (100) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kathodenzuführabschnitt (132) einen Kathodenzuführ-Wärmetauscher (131) aufweist in wärmeübertragendem Kontakt mit dem Kathodenabführabschnitt (134) für eine Wärmeübertragung vom Kathodenabgas (KAG) auf das Kathodenzuführgas (KZG).

6. Brennstoffzellensystem (100) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Aufteilabschnitt (125) an einer der fol-

genden Positionen angeordnet ist: — Stromaufwärts der Kondensatorvorrichtung (126),

— Stromabwärts der Kondensatorvorrichtung (126) und stromabwärts des

Wasserauslasses (128),

— Stromabwärts der Kondensatorvorrichtung (126) und stromaufwärts des

Wasserauslasses (128)

7. Brennstoffzellensystem (100) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Anodenzuführabschnitt (122), vorzugsweise stromabwärts eines Anodenzuführ-Wärmetauschers (121), ein Kathodenabführ-Wärmetauscher (133) angeordnet ist für einen Wärmeübergang vom Kathodenabgas (KAG) auf das Anodenzuführgas (AZG).

8. Brennstoffzellensystem (100) nach einem der vorangegangenen Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, dass im Kathodenzuführabschnitt (132) ein

gang vom Kathodenabführgas (KAG) auf das Kathodenzuführgas (KZG).

9. Brennstoffzellensystem (100) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Anodenzuführabschnitt (122) stromaufwärts des Mischabschnitts (125) ein Kontrollventil (160) zur Kontrolle des Volumenstroms an Brenngas (BRG) durch den Mischabschnitt (125) angeordnet

ist.

10. Brennstoffzellensystem (100) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Anodenabführabschnitt (124) frei von ei-

nem externen Kühlkreislauf ausgebildet ist.

11. Brennstoffzellensystem (100) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Kathodenzuführabschnitt (132) ein Kathoden-Mischabschnitt (135), insbesondere in Form einer Ejektorvorrichtung, angeordnet ist an deren Sekundäranschluss ein Kathoden-Rezirkulationsabschnitt (170) fluidkommunizierend verbunden ist für eine Rezirkulation eines Teils des Kathodenabgases (KAG) als Kathoden-Rezirkulationsgas (KRG).

12. Verfahren für eine Rezirkulation von Anodenabgas (AAG) in einem Brennstoffzellensystem (100) mit den Merkmalen eines der Ansprüche 1 bis 11, als Ano-

den-Rezirkulationsgas (ARG), aufweisend die folgenden Schritte:

— Aufteilen wenigstens eines Teils des Anodenabgases (AAG) als Anoden-Rezirkulationsgas (ARG) auf den Anoden-Rezirkulationsabschnitt (140),

— Kühlen des Anoden-Rezirkulationsgases (ARG) durch Wärmeübergang auf das Kathodenzuführgas (KZG) unter die Siedetemperatur von Was-

ser,

— Abtrennen des kondensierten Kondenswassers (KW) aus dem AnodenRezirkulationsgas (ARG),

— Mischen des getrockneten Anoden-Rezirkulationsgases (ARG) mit ei-

nem Brenngas (BRG) zu Anodenzuführgas (AZG).