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Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem mit zumindest einer Niedertemperatur-Brennstoffzelle, mit einer kathodenseitigen Zuführleitung für ein O2-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. 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 Brennstoffzellenstack zusammengefasste Brennstoffzellen, beispielsweise PEM-Brennstoffzellen, auf.
Im Folgenden werden mit dem Begriff Kathodenabgas die ausgangs der Kathode anfallenden Produkte, hauptsächlich N2, O2und H2O, zusammengefasst. Der Begriff Anodenabgas umfast ausgangs der Anode anfallende Produkte, welche bei reinem Wasserstoffbetrieb im Wesentlichen aus N2, H2und H2O bestehen, sowie bei Verwendung eines Reformats zusätzlich CO2enthalten.
Aus der EP 0 654 182 Bl 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 Bl erkennbar, weist die Brennstoffzelle sowohl eine kathodenseitige Rezirkulationsleitung als auch eine anodenseitige Rezirkulationsleitung 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 Bl 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 rezirku liert, sondern nur dem jeweiligen Wärmetauschern zugeführt, um die Abwärme in das System rückzuführen.
Aus der WO 03/15204 AI (MOTOROLA) ist es weiters bekannt, an der Kathodenseite einer Brennstoffzelle Wasser zu gewinnen und der Anodenseite zuzuführen.
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 das Kathodenabgas in eine flüssigwasserfreie Gasphase und in Flüssigwasser getrennt wird, sowie dass beide Komponenten getrennt und unabhängig voneinander geregelt in den Kathodenkreislauf rückgeführt werden, wobei zusätzlich ein Teil des Flüssigwassers in den Anodenkreislauf rückgeführt werden kann.
Eine erfindungsgemässe Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet,
dass die kathodenseitige Rezirkulationseinrichtung einen Separator zur Trennung des Kathodenabgases in eine flüssig wasserfreie Gasphase und Flüssigwasser aufweist, wobei für jede der beiden Komponenten 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.
Die erfindungsgemässe Vorrichtung, bzw. das erfindungsgemässe Verfahren erlauben 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/Verdampfer 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.
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.
: -<%>A<*>
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 Rezirkulationseinrichtung 4 vorgesehen sein kann. Die erfindungsgemässen Vorteile gelten auch für Brennstoffzellensysteme 1 gemäss Fig. 1 bis 3 ohne anodenseitige Rezirkulationseinrichtung 4.
Die Brennstoffzelle 2 weist eine kathodenseitige Zuführleitung 5 für ein O2-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 flüs -5 - - siges 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 H2O- und Wärmezufuhr, sowie Nachbehandlungseinrichtung 24 für das Reformat) hergestellt oder einem H2-Behälter 25 entnommen und in die anodenseitige Zuführleitung 7 eingespeist.
Als O2-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 "& " a
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 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 GasphasenRezirkulat (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 (Kathodenkreislauf).
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 Unterdruck vor dem Kompressor 16, über die Drosselklappe 19. In den Varianten 3 und 4 kann der Durchfluss des Flüssigwasser-Rezirkulats ebenfalls abhängig vom Unterdruck 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 KathodenRezirkulationen möglich;
Änderung (Erhöhung oder Verringerung) der Rezirkulationsrate von flüssigem Wasser in den Anodenkreislauf; 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;
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The invention relates to a fuel cell system with at least one low-temperature fuel cell, with a cathode-side supply line for an O2-containing gas, preferably air, a discharge line for the cathode exhaust gas, an anode-side supply line for a H2 -hältiges fuel gas, a discharge line for the anode exhaust gas, and a Cathode-side recirculation device for the partial return of the cathode exhaust gas in the cathode circuit of the fuel cell. Furthermore, the invention relates to a method for operating a fuel cell system with at least one low-temperature fuel cell.
The fuel cell system of the type described above preferably has a plurality of fuel cells, for example PEM fuel cells, which are combined to form a so-called fuel cell stack.
In the following, the term cathode exhaust gas summarizes the output of the cathode, mainly N 2, O 2 and H 2 O. The term anode exhaust gas comprises products originating at the anode, which essentially consist of N 2, H 2 and H 2 O in the case of pure hydrogen operation, and additionally contain CO 2 when using a reformate.
EP 0 654 182 B1 discloses a fuel cell, in particular a PEM fuel cell, and a method for humidifying the electrolyte of the fuel cell.
As can be seen from the schematic representation according to FIG. 1 of EP 0 654 182 B1, the fuel cell has both a cathode-side recirculation line and an anode-side recirculation line, in each of which gas compressors are arranged. About the cathode-side recirculation line, a portion of the discharged from the cathode of the PEM fuel cell amount of water and heat can be returned to the cathode. By means of a Einstellgliedes the recirculated portion of the exhaust gas is adjustable. The adjustment is made depending on the power output of the fuel cell.
Furthermore, EP 1 356 533 B1 describes fuel cells with integrated humidification and a method for humidifying fuel cell process gas.
In this document, a first humidification unit for the supplied air and a second humidification unit for the fuel gas will be described in connection with a PEM fuel cell. Both humidification units have a heat exchanger and a condensate separator. The separated water can be supplied to the anode or cathode circuit via Venturi nozzles respectively arranged in the supply lines for the fuel gas and for the air.
The exhaust gas of the fuel cell is not recirculated here liert, but only the respective heat exchangers supplied to recycle the waste heat in the system.
From WO 03/15204 AI (MOTOROLA), it is further known to win on the cathode side of a fuel cell water and supply the anode side.
The object of the invention is to produce a fuel cell system of the type described in the introduction with a cathode-side recirculation device for the partial recycling of the cathode exhaust gas in a simple and cost-effective manner, or
to propose a method for operating such a fuel cell system, in which can be reacted quickly to load changes, with simple system technology, even at low loads, a high gas flow is ensured and should be ensured at all load conditions for adequate humidification of the fuel cell system.
This object is achieved according to the invention in that the cathode exhaust gas is separated into a liquid-water-free gas phase and liquid water, and that both components are separated and recycled independently controlled in the cathode circuit, in addition, a portion of the liquid water can be recycled to the anode circuit.
An apparatus according to the invention for carrying out this method is characterized in that
the cathode-side recirculation device has a separator for separating the cathode exhaust gas into a liquid-anhydrous gas phase and liquid water, wherein at least one separately controllable recirculation line is provided for each of the two components. The liquid-water-free gas phase of the cathode exhaust gas contains water vapor, wherein the concentration is limited by the saturation temperature in the separator upwards.
The device according to the invention or the method according to the invention allow a completely independent gas and water management on the cathode side, with all advantages to react quickly to changing operating states of the system. Directly at the cathode-side outlet from the stack, a separator, or a liquid water separator is installed.
Here, liquid water can be separated, cached for a short time and added back to the circulation. The pump in the liquid water recirculation can be designed exclusively for conveying water. Furthermore, a fan for the gas recirculation can be used, which only has to deliver gases and no liquid water. The recirculated gas is admixed, for example, in front of the stack inlet in a mixing section in the cathode-side supply line.
The liquid water can be fed to the cathode-side stack inlet to a heat exchanger / evaporator, where they are vaporized into the air (there is additional heat demand for evaporation).
According to the invention, the recirculation line for the liquid water can consist of two separately controllable branches, the first branch serving for cathode-side and the second branch for anode-side water recycling. By means of a second, independently controllable from the cathode side liquid water pump, a portion of the deposited cathode water can be supplied to the fuel gas.
On the anode side, a heat exchanger / evaporator can then also be present (possibly after a mixing section).
According to the invention, controllable compressors, blowers, pumps and / or throttle valves are arranged to regulate the flow rate in the recirculation lines for the gas phase and the liquid water depending on the operating parameters of the fuel cell system.
According to the invention, the following advantages result:
Anode side and cathode side can basically be considered independently
Cathode side:
The recycling of gas phase and liquid water is carried out separately, i. a separate regulation is possible and advantageous.
At low loads, primarily the blower to promote the gas phase is activated to increase the flow and the pressure difference across the fuel cell stack;
This automatically increases the humidity of the air entering the stack. The total amount of fresh gas to be supplied to the system (fresh air from outside) can be kept low, i. the air stoichiometry is quite low (e.g., 2.0-2.5) for both large and small loads.
This can save compressor power.
The minimum value of the recirculation rate of the gas may be determined by a humidity measurement (humidity request) or by a flow measurement (flow request).
The liquid water return is mainly determined by the moisture requirement at high load.
The necessary heat of evaporation can passively be taken from the cooling system (heat exchanger: gas with liquid water vs. water).
: - <%> A <*>
Coolant), or by cooling (because of evaporation) of the compressed fresh air in or after the compressor.
Anode side:
In addition to returning the anode exhaust gas (if present) or humidifying it in a separate humidifier (if present), liquid water from the separator can be used to humidify the fresh fuel gas.
Separate humidifiers on the anode side can be omitted.
The liquid water return is mainly determined by the moisture requirement at high load.
The necessary heat of evaporation can passively be taken from the cooling system (heat exchanger: gas with liquid water vs. cooling liquid).
The invention is explained in more detail below with reference to schematic drawings. 1 shows a first embodiment variant of a fuel cell system according to the invention, and FIGS. 2 to 4 show a second, third and fourth embodiment variant of the system according to the invention.
The fuel cell systems 1 shown in FIGS. 1 to 4 are equipped with at least one low-temperature fuel cell 2, with several such fuel cells generally being combined to form a so-called fuel cell stack.
At the fuel cell 2 (or the fuel cell stack) A is the anode side and K is the cathode side. All embodiments of the invention have differently designed cathode-side recirculation devices 3, which have the recirculation lines 10a, 10k and 11, wherein - as shown - a simple anode-side recirculation device 4 may be provided. The advantages according to the invention also apply to fuel cell systems 1 according to FIGS. 1 to 3 without an anode-side recirculation device 4.
The fuel cell 2 has a cathode-side supply line 5 for an O2-containing gas (for example, air), and a discharge line 6 for the cathode exhaust gas. Furthermore, an anode-side supply line 7 is provided for an H2-containing fuel gas and a discharge line 8 for the anode exhaust gas.
In the invention, the cathode-side recirculation device 3 serves for the partial recycling of the liquid-water-free gas phase and the liquid water into the cathode circuit of the fuel cell 2. All variants of the invention have in common that the recirculation device 3 has a separator 9 for separating the cathode exhaust gas into a liquid-water-free gas phase and in liquid 5 - - siges water, wherein for each of the two components, at least one separately controllable recirculation line 10, 11 is provided. The recirculation line 10 for the liquid water consists of two separately controllable branches 10a, 10k, wherein the first branch 10k serves for cathode-side water return and the second branch 10a for anode-side water return.
The amount of water provided by the separator 9 can thus be divided depending on the operating state of the fuel cell system and partially supplied to the anode circuit and / or the cathode circuit.
To regulate the flow rate in the recirculation lines 10, 11 for the gas phase and the liquid water are different devices in the individual variants, such as the compressor 16 at the air inlet, the fans 15 and 17 in the anode circuit and in the cathode circuit, the pumps 18k and 18a for the liquid water , as well as the throttle valves 19, 20k, 20a and 21, with which the respective flow rate can be regulated depending on the operating parameters of the fuel cell system.
As stated earlier,
can be arranged in the anode circuit a simple recirculation device 4 for the partial return of the anode exhaust gas, which starting from the discharge line 8 for the anode exhaust gas recirculation line 14 opening into the anode-side supply line 7, wherein for controlling the flow rate controllable by the operating parameters of the fuel cell system fan 15 in the recirculation line 14 is provided.
The fuel gas is either made from a suitable fuel, which is present in a container 22 by reforming (see reformer 23 with H2O and heat supply, and after treatment device 24 for the reformate) or taken from a H2 container 25 and fed into the anode-side feed line 7.
As O2-containing gas, for example, air can be used, which is guided via a filter 26, a compressor 16 and possibly a heat exchanger 27 and fed into the cathode-side feed line 5.
As shown in FIG. 1, according to an embodiment of the invention, the recirculation line 11 for the gas phase and a first branch 10k of the recirculation line 10 for the liquid water can open into the cathode-side supply line 5, an evaporator 12 being arranged in the region of the junction of the recirculation line 10k can.
According to the variants of the invention shown in Figures 2, 3 and 4, it is also possible that the recirculation line 11 opens for the gas phase downstream of a controllable throttle valve 21 and upstream of the compressor 16 in the cathode-side supply line.
This variant allows the "&" a
Fan 17 in the cathode-side recirculation device 3 accounts, with all the partial flows (sucked fresh air or recirculated gas phase) of the cathode exhaust gas can be controlled independently of each other by the controllable throttle valves 19 and 21.
Further, as shown in Figs. 3 and 4, it is also possible that the first branch 10k of the recirculation line 10 for the liquid water upstream of the compressor 16 opens into the cathode-side supply line 5, whereby a water pump 18k in the recirculation line 10k can be dispensed with , The flow control for the liquid water then takes place through the throttle valve 20k.
It is also possible that the liquid water is recycled directly into the compressor 16.
The recovered in the separator 9 on the output side of the cathode water can also be used for the humidification of the fuel gas. As shown in FIGS. 1 to 3, a second branch 10a of the recirculation line 10 for the liquid water opens into the anode-side supply line 7, wherein optionally an evaporator 13 is arranged in the region of the junction of the recirculation line 10a.
According to the in Fig.
4, the second branch 10a of the recirculation line 10 for the liquid water upstream of the blower 15 open into the recirculation line 14 for the anode exhaust gas, whereby a circulation pump in the return line 10a may be omitted, if the anode side at a compared to the cathode side not too high pressure is operated. The flow rate is controlled by the throttle valve 20a in this embodiment.
If the anode side of the fuel cell is operated at an average lower pressure level than the cathode side, due to the pressure gradient therewith, the liquid water originating from the cathode side can be fed in at any location of the anode circuit.
There are thus four main variants of the invention
Variant 1 (FIG. 1)
System with five "pumps"
a compressor 16 for the fresh air,
two fans 15, 17 for the recirculation of the gas phases (anode circuit, cathode circuit), two pumps 18k, 18a for the cathode-side and anode-side recirculation of liquid water from the separator 9.
Variant 2 (Fig.
2)
System with four "pumps" and two throttle valves
a compressor 16 for the fresh air and for the recirculation of the gas phase (cathode cycle) /
a fan 15 for the recirculation of the anode exhaust gas,
two pumps 18k, 18a for the cathode-side and anode-side recirculation of liquid water from the separator 9,
a throttle valve 21 in the cathode-side supply line 5 for fresh air,
a throttle valve 19 in the recirculation line 11 for the gas phase recycle (cathode cycle).
Variant 3 (FIG.
3)
System with three "pumps" and three throttle valves
a compressor 16 for the fresh air, for the recirculation of the gas phase (cathode circuit) and for the recirculation of liquid water from the separator 9 into the cathode circuit,
a fan 15 for the recirculation of the anode exhaust gas,
a pump 18a for the anode-side recirculation of liquid water from the separator 9,
a throttle valve 21 in the cathode-side supply line 5 for fresh air,
a throttle valve 19 in the recirculation line 11 for the gas phase (cathode circuit),
- A throttle 20k in the recirculation line 10k for the liquid water (cathode circuit).
Variant 4 (Fig.
4)
System with 2 "pumps" and four throttles - a compressor 16 for fresh air, for the recirculation of the gas phase (cathode circulation) and for the recirculation of liquid water from the separator 9 into the cathode circuit,
a fan 15 for the recirculation of the anode exhaust gas and for the recirculation of liquid water from the separator 9 into the anode circuit,
a throttle valve 21 in the cathode-side supply line 5 for fresh air,
a throttle valve 19 in the recirculation line 11 for the gas phase (cathode circuit),
a throttle 20k in the recirculation line 10k for the liquid water (cathode cycle),
- A throttle 20a in the recirculation line 10a for the liquid water (anode circuit).
In the variants 2 to 4, the throttle 21 may also be omitted if the flow of fresh air directly on the performance or
Speed of the compressor 16 is controlled, and the flow of the recirculated gas phase, depending on the negative pressure upstream of the compressor 16, via the throttle valve 19. In the variants 3 and 4, the flow of the liquid water recirculation also depends on the negative pressure upstream of the compressor 16 on the Throttle valve 20k can be controlled With a high recirculation rate, there is a feedback to the compressor output, because significantly more must be pumped (fresh air and recirculate).
The inventive system is characterized by the following advantages:
good humidification of both reactants under all load conditions, as well as high flow at low loads;
simple construction of the cathode side of the fuel cell system; very dynamic operation of the fuel cell system possible;
storage of liquid water and complex liquid water management can be dispensed with (except temporary storage of small quantities in the separator);
Anode side of the fuel cell system can be very simple; Cathode-side operation with recirculation of the gas phase at sufficiently high gas flows prevents uneven distribution of the gases and thus prevents electrode corrosion; The total amount of fresh gas to be supplied to the system (fresh air from outside) can be kept low, i. the air stoichiometry is quite low (e.g., 2.0-2.5) for both large and small loads.
This saves compressor power; Cathode-side operation with recirculation of the gas phase allows improved humidification of the cathode gas at all loads and thus a reduction in membrane degradation, as well as an increase in membrane conductivity and cell performance; Cathode-side operation with recirculation of the liquid water allows improved humidification of the cathode gas primarily at high load; In some cases, an additional moistening unit can be completely dispensed with; anode-side operation with recirculation of the cathode liquid water enables improved humidification of the anode gas at all loads; in part, an additional moistening unit can be completely dispensed with on the anode side; very fast reaction resp.
Initiate countermeasures when a critical state of the stack is reached;
Changing (increasing or decreasing) one of the two (or both) gas phase and liquid water cathode recirculation rates; thereby completely independent, dynamic operation of the two cathode recirculations possible;
Change (increase or decrease) in the recirculation rate of liquid water into the anode circuit; On the cathode side gas cooler after compression of the air can be partly waived because the cooling of the compressed "fresh air" by evaporation of liquid water recirculate is possible;