AT525146A1 - Rezirkulationsvorrichtung für eine Rezirkulation von Anodenabgas in einem Brennstoffzellensystem - Google Patents

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Rezirkulationsvorrichtung (10) für eine Rezirkulation von Anodenabgas (AAG) als Rezirkulationsgas (RG) aus einem Anodenabschnitt (120) eines Brennstoffzellenstapels (110) eines Brennstoffzellensystems (100), aufweisend eine Rezirkulationsleitung (20) mit einen Aufnahmeabschnitt (22) zur fluidkommunizierenden Verbindung mit einem Anodenabführabschnitt (124) des Anodenabschnitts (120), wobei die Rezirkulationsleitung (20) eine erste Teil-Rezirkulationsleitung (24), eine zweite Teil-Rezirkulationsleitung (26) sowie eine Aufteilvorrichtung (30) aufweist für ein Aufteilen des Rezirkulationsgases (RG) auf die beiden Teil-Rezirkulationsleitungen (24, 26), wobei weiter die erste Teil-Rezirkulationsleitung (24) eine erste Ejektorvorrichtung (40) aufweist für eine fluid- kommunizierende Einbindung in einen Anodenzuführabschnitt (122) des Anodenab- schnitts (120) und die zweite Teil-Rezirkulationsleitung (26) eine zweite Ejektorvorrichtung (50) aufweist für eine fluidkommunizierende Einbindung in den Anodenzuführabschnitt (122), und wobei die erste Ejektorvorrichtung (40) stromabwärts der zweiten Ejektorvorrichtung (50) fluidkommunizierend zum Anodenzuführabschnitt (122) angeordnet ist.

Description

Rezirkulationsvorrichtung für eine Rezirkulation von Anodenabgas in einem

Brennstoffzellensystem

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Rezirkulationsvorrichtung für eine Rezirkulation von Anodenabgas in einem Brennstoffzellensystem, ein Brennstoffzellensystem mit einer solchen Rezirkulationsvorrichtung sowie ein Verfahren für ein Aufteilen ei-

nes Rezirkulationsgases in einer Rezirkulationsvorrichtung.

Es ist bekannt, dass Brennstoffzellensysteme mit Rezirkulationsleitungen ausgestattet werden. Darunter ist zu verstehen, dass zumindest ein Teil des Anodenabgases in einem Brennstoffzellensystem aus einem Anodenabschnitt eines Brennstoffzellenstapels aufgenommen und in den Anodenzuführabschnitt zurückgeführt wird. Mit anderen Worten wird ein Teil des Anodenabgases als Rezirkulationsgas wieder dem Anodenabschnitt, an dessen Eingang und damit als Teil des Anodenzuführgases,

zugeführt. Dies führt zu erhöhter Effizienz des Brennstoffzellenstapels.

Nachteilhaft bei den bekannten Lösungen ist es, dass der Anteil an Rezirkulationsgas üblicherweise begrenzt ist. Um einen hohen Rezirkulationsgrad von beispielsweise circa 80% des Anodenabgases gewährleisten zu können, sind entsprechend aufwendige konstruktive Maßnahmen in der zugehörigen Rezirkulationsvorrichtung

notwendig.

Für die Rezirkulation sind grundsätzlich zwei technische Umsetzungen bekannt. Zum einen ist es bekannt, dass Gebläsevorrichtungen verwendet werden, die die Rezirkulation aktiv betreiben. Solche Gebläsevorrichtungen sind jedoch anfällig gegenüber hohen Temperaturen, sodass bei heißen Rezirkulationsgasen eines Brennstoffzellensystems ein entsprechend hoher Aufwand betrieben werden muss, um die Gebläsevorrichtung temperaturresistent auszugestalten. Alternativ zu den Gebläsevorrichtungen sind Ejektorvorrichtungen bekannt, die auf ihrer Primärseite, auch Treibanschluss genannt, ein Anodenzuführgas von einer Brennstoffquelle dem Anodenabschnitt zuführen. Durch das Durchströmen der Ejektorvorrichtung über die Primärseite wird an einem Sekundäranschluss, welcher auch Sauganschluss genannt wird, Rezirkulationsgas aus der Rezirkulationsleitung angesaugt und gemeinsam mit dem Brennstoff als Anodenzuführgas dem Anodenabschnitt zugeführt. Nachteilhaft bei solchen Ejektorvorrichtungen ist es, dass bei hohen Volumenströmen an Rezirkulati-

onsgas sehr hohe Drücke an der Primärseite und somit am Treibanschluss notwen-

begrenzt, wo der Treibanschluss aus einem Druckspeicher gespeist werden kann.

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 eine passive Förderung in ener-

gieeffizienter Weise erreichen zu können.

Die voranstehende Aufgabe wird gelöst, durch eine Rezirkulationsvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1, ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Anspruchs 12 sowie ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 15. 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 der erfindungsgemäßen Rezirkulationsvorrichtung beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem sowie dem erfindungsgemäßen Verfahren und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der einzelnen Erfindungsaspekte stets wechselseitig Bezug

genommen wird beziehungsweise werden kann.

Erfindungsgemäß dient eine Rezirkulationsvorrichtung der Rezirkulation von Anodenabgas als Rezirkulationsgas aus einem Anodenabschnitt eines Brennstoffzellenstapels eines Brennstoffzellensystems. Hierfür ist die Rezirkulationsvorrichtung mit einer Rezirkulationsleitung ausgestattet, welche einen Aufnahmeabschnitt zur fluidkommunizierenden Verbindung mit einem Anodenabführabschnitt des Anodenabschnitts aufweist. Weiter ist die Rezirkulationsleitung mit einer ersten TeilRezirkulationsleitung, einer zweiten Teil-Rezirkulationsleitung sowie einer Aufteilvorrichtung ausgestattet. Die Aufteilvorrichtung dient dem Aufteilen des Rezirkulations-

gases auf die beiden Teil-Rezirkulationsleitungen. Weiter weist die erste Teil-

Wie später noch erläutert wird, ist die Rezirkulationsvorrichtung in ein Brennstoffzellensystem eingebunden. Diese Einbindung erfolgt durch fluidkommunizierende Ausgestaltung an drei Positionen. Für die Aufnahme von Anodenabgas ist der Aufnahmeabschnitt in den Anodenabführabschnitt integriert. Hier wird Anodenabgas aufgenommen und als Rezirkulationsgas in die Rezirkulationsleitung eingebracht. Um das Rezirkulationsgas wieder dem Anodenabschnitt zuzuführen, sind zwei Übergabepositionen vorhanden. Dabei handelt es sich zum einen um die erste Ejektorvorrichtung und zum anderen um die zweite Ejektorvorrichtung. Die erste Ejektorvorrichtung ist bei einem solchen Brennstoffzellensystem stromabwärts der zweiten Ejektorvorrich-

tung in den Anodenzuführabschnitt integriert.

Ein erfindungsgemäßer Kerngedanke besteht darin, dass nun nicht eine einzige Ejektorvorrichtung, sondern stufenweise zumindest zwei Ejektorvorrichtungen vorgesehen sind. Erfindungsgemäß sind selbstverständlich auch noch weitere, zusätzliche Ejektorstufen in ähnlicher Weise denkbar.

Durch die Aufteilung mithilfe der Aufteilvorrichtung ist es nun möglich, in fest eingestellter vorgegebener Weise, oder sogar in kontrollierter, variabler Weise, eine Aufteilung des Gesamtvolumenstroms an Rezirkulationsgas auf die einzelnen TeilRezirkulationsleitungen vorzunehmen. Beispielsweise ist eine Aufteilung von 50:50 denkbar, sodass circa die Hälfte des Volumenstroms des Rezirkulationsgases der ersten Ejektorvorrichtung und die andere Hälfte des Rezirkulationsgases der zweiten Ejektorvorrichtung zugeführt wird. Diese Zufuhr erlaubt es nun, die Gesamtmenge an Volumenstrom aufzuteilen auf zwei Ejektorvorrichtungen, sodass bei jeder Ejektorvorrichtung ein geringerer Volumenstrom in den Primärstrom integriert werden muss. Hinsichtlich der ersten Ejektorvorrichtung wird es auf diese Weise möglich, durch die

Reduktion des Volumenstroms über Sauganschluss dieser ersten Ejektorvorrichtung

benötigen Primärdruckes um den Faktor 5 von ca. 5bar auf ca. 1bar erlauben.

Der erfindungsgemäße Kerngedanke führt also dazu, dass bei gleichen Rezirkulationsleistungen und Rezirkulationsraten reduzierte Primärdrücke an den jeweiligen Ejektorvorrichtungen verwendbar sind. Bei gleichbleibender Höhe der Primärdrücke könnte im umgekehrten Betriebsfall eine deutlich erhöhte Menge an Rezirkulation

stattfinden, also die Rezirkulationsrate massiv gesteigert werden.

Es bleibt zusammenzufassen, dass durch die Aufteilung der Ejektorfunktionalität in Stufenform auf zwei oder mehr Ejektorvorrichtungen, insbesondere mit variabler Mengenaufteilungen des Rezirkulationsgases, eine Vielzahl von Vorteilen erreichbar wird. Auch bei hohen Rezirkulationsraten sind hier geringe Drücke auf den Primärseiten der Ejektorvorrichtungen erzielbar. Durch reduzierte Drücke an den Treibanschlüssen der jeweiligen Ejektorvorrichtung wird es auch möglich, die Geschwindigkeit der Volumenströme innerhalb der Ejektorvorrichtungen unter die Schallgrenze zu reduzieren und auf diese Weise die konstruktiven Anforderungen an die Ejektorvorrichtungen weiter zu reduzieren. Hierfür ist es zweckmäßig, wenn die Ejektorvorrichtungen als Strahlpumpenvorrichtungen, insbesondere als Saugstrahlpumpen ausgebildet sin. Zusätzlich führen die reduzierten Drücke auf der Primärseite der Ejektorvorrichtungen dazu, dass die benötigte Verdichterarbeit aufgrund halbiertem Mengenstrom zum Erreichen dieser Primärdrücke ebenfalls deutlich reduziert werden

kann. Diese beiden Hauptvorteile führen zu reduzierten Kosten und reduziertem

te Verdichterarbeit die Gesamteffizienz beim Betrieb der Brennstoffzellen.

Es kann Vorteile mit sich bringen, wenn bei einer erfindungsgemäßen Rezirkulationsvorrichtung die erste Teil-Rezirkulationsleitung in einem Sauganschluss der ersten Ejektorvorrichtung mündet und der Anodenzuführabschnitt in einem Treibanschluss der ersten Ejektorvorrichtung mündet. So ist es möglich, dass Brennstoff, oder ein Gemisch, welches Brennstoff enthält, den Treibanschluss erreicht und dort die gewünschte Ejektorfunktion mit einer Saugleistung am Sauganschluss zur Verfügung stellt. Der verminderte Druck auf der Primärseite wird durch die stufenweise Ausbildung der einzelnen Ejektorstufen erzielt, sodass nun mit vermindertem Druck eine verminderte Saugleistung eine verminderte Fördermenge an Rezirkulationsgas aus dem Sauganschluss der ersten Ejektorvorrichtung zur Verfügung stellt. In einem Kontrollverfahren wird entsprechend der aktuellen Betriebssituation, wie dies später noch erläutert wird, die Aufteilung der Volumenströme auf die einzelnen TeilRezirkulationsleitungen kontrolliert, um sicherzustellen, dass mit maximaler oder zumindest mit optimierter Effizienz die Rezirkulation mit den gewünschten Rezirkulationsmengen stattfinden kann.

Weitere Vorteile kann es mit sich bringen, wenn bei einer erfindungsgemäßen Rezirkulationsvorrichtung die zweite Teil-Rezirkulationsleitung in einen Treibanschluss der zweiten Ejektorvorrichtung mündet. Die zweite Teil-Rezirkulationsleitung kann in gasförmiger Weise, oder wie dies später noch erläutert wird, beispielsweise ein flüssiges Kondensat aus dem Rezirkulationsgas, in die zweite Ejektorvorrichtung fördern. Ein Münden im Treibanschluss führt also dazu, dass in einer konträren Ausgestaltung zur ersten Ejektorvorrichtung nun der Druck in der zweiten Teil-Rezirkulationsleitung als Primärdruck für die zweite Ejektorvorrichtung zur Verfügung gestellt ist. Der Sauganschluss kann dabei in unterschiedlichster Weise ausgebildet sein und beispielsweise Brennstoff oder einen weiteren Teil des Rezirkulationsgases aufnehmen. Bevorzugt ist hier eine Ausgestaltung, wie sie später noch mit Bezug auf eine Kon-

densatorvorrichtung näher erläutert wird.

Vorteilhaft ist es darüber hinaus, wenn bei einer erfindungsgemäßen Rezirkulationsvorrichtung in der zweiten Teil-Rezirkulationsleitung stromaufwärts der zweiten Ejektorvorrichtung eine Kondensatorvorrichtung zum Kondensieren dampfförmiger Was-

serbestandteile aus dem Rezirkulationsgas angeordnet ist. Diese Kondensatvorrich-

würde.

Bei einer Rezirkulationsvorrichtung gemäß dem voranstehenden Absatz kann es vorteilhaft sein, wenn in der Kondensatleitung eine Verdichtervorrichtung angeordnet ist, für ein Verdichten des Kondensats. Ein solches Verdichten führt zu einer definierten Druckerhöhung an dem Treibanschluss der zweiten Ejektorvorrichtung, mit im Vergleich zum Verdichten einer gasförmigen Komponente deutlich geringerer Verdichterarbeit. Insbesondere ist dies kombiniert mit einer Verdampfungsvorrichtung gemäß dem nachstehenden Absatz. Die Verdichtervorrichtung ist insbesondere als Pumpvorrichtung ausgebildet, da bei Flüssigkeiten die Dichte derselben in der Regel durch eine Kompression zumindest nicht wesentlich erhöht wird.

So kann es weitere Vorteile mit sich bringen, wenn bei einer erfindungsgemäßen Rezirkulationsvorrichtung in der Kondensatleitung stromaufwärts der zweiten Ejektor-

vorrichtung und insbesondere stromabwärts einer Verdichtervorrichtung eine Ver-

7127

des Verdampfens zur Verfügung gestellt wird.

Weitere Vorteile sind erzielbar, wenn bei einer erfindungsgemäßen Rezirkulationsvorrichtung in der Restgasleitung eine Mischvorrichtung angeordnet ist, für eine fluidkommunizierende Verbindung mit einer Brennstoffquelle zum Mischen des restlichen Rezirkulationsgases mit dem Brennstoff. Mit anderen Worten wird der Brennstoff aus einer Brennstoffquelle in gasförmiger Form dem Rezirkulationsgas in der Restgasleitung zugeführt, sodass dieses gemeinsam, vorzugsweise über den Sauganschluss der zweiten Ejektorvorrichtung, in das System eingebracht wird. Dadurch, dass damit die Brennstoffquelle ebenfalls über den Sauganschluss der zweiten Ejektorvorrichtung mit dem Anodenzuführabschnitt fluidkommunizierend verbunden werden kann, kann bei niedrigen Drücken in der Brennstoffquelle auf einen separate Verdichter für den Brennstoff verzichtet werden. Vielmehr kann es ausreichen, mit entsprechenden Drucksituationen an der zweiten Ejektorvorrichtung nicht nur das verbleibende Rezirkulationsgas in der Restgasleitung, sondern auch den benötigten Brennstoff in gasförmiger Weise mit anzusaugen. Die Gesamteffizienz im Betrieb eines Brennstoffzel-

lensystems kann auf diese Weise weiter gesteigert werden.

Weitere Vorteile sind erzielbar, wenn bei einer erfindungsgemäßen Rezirkulationsvorrichtung in der Kondensatleitung, insbesondere stromaufwärts einer Verdichtervorrichtung und/oder stromaufwärts einer Verdampfervorrichtung, eine Mischvorrich-

tung angeordnet ist, für eine fluiudkommunizierende Verbindung mit einer Brennstoff-

Brennstoff und das Kondensat zur Verfügung gestellt werden kann.

Weitere Vorteile kann es mit sich bringen, wenn bei einer Rezirkulationsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung, die Mischvorrichtung einen Brennstoffzufuhrabschnitt aufweist, mit einem Stellventil für eine Variation der Strömungsmenge an Brennstoff in die Mischvorrichtung. Dies ist insbesondere kombiniert mit einem Stellventil gemäß dem nachfolgenden Absatz. Ein solches Stellventil erlaubt mindestens ein qualitatives, vorzugsweise ein quantitatives Varlieren der Strömungsmenge an

Brennstoff in die Mischvorrichtung.

Auch ist es vorteilhaft, wenn bei einer erfindungsgemäßen Rezirkulationsvorrichtung in der Restgasleitung ein Stellventil angeordnet ist, für eine Variation der Strömungsmenge in der Restgasleitung. Insbesondere in Kombination mit dem Stellventil des voranstehenden Absatzes In dem Brennstoffzufuhrabschnitt, kann auf diese Weise ein definiertes Kontrollieren der einzelnen Strömungsmengen erfolgen, sodass damit nicht nur Strömungsmengen, sondern auch sich einstellende Drücke am Treibanschluss und/oder am Sauganschluss der zweiten Ejektorvorrichtung in defi-

nierter Weise, vorzugsweise in quantitativer Weise, kontrollierbar sind.

Ebenfalls Vorteile bringt es mit sich, wenn bei einer erfindungsgemäßen Rezirkulationsvorrichtung in der zweiten Teil-Rezirkulationsleitung eine Wärmetauschervorrichtung zum Wärmeaustausch mit dem Anodenzuführabschnitt angeordnet ist. Eine Anordnung einer solchen Wärmetauschervorrichtung erlaubt es zum einen, eine Kühlmöglichkeit für das Rezirkulationsgas zur Verfügung zu stellen und damit zum Beispiel mit niedrigerer Temperatur die zweite Ejektorvorrichtung oder entsprechend

dieser vorgelagert eine Kondensatorvorrichtung zu erreichen. Auch wird es auf diese

Weise die Gesamteffizienz des Brennstoffzellensystems weiter zu erhöhen.

Ebenfalls Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Brennstoffzellensystem für die Erzeugung elektrischen Stroms aus Brennstoff. Ein solches Brennstoffzellensystem weist einen Brennstoffzellenstapel mit einem Anodenabschnitt und einem Kathodenabschnitt auf. Der Anodenabschnitt ist mit einem Anodenzuführabschnitt zum Zuführen von Anodenzuführgas ausgestaltet. Der Anodenabführabschnitt ist zum Abführen von Anodenabgas ausgestaltet. Der Kathodenabschnitt weist einen Kathodenzuführabschnitt zum Zuführen von Kathodenzuführgas und einen Kathodenabführabschnitt zum Abführen von Kathodenabgas auf. Weiter ist das Brennstoffzellensystem mit einer Rezirkulationsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ausgestattet. Damit bringt ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem die gleichen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit Bezug auf eine erfindungsgemäße Rezirkula-

tionsvorrichtung erläutert worden sind.

Ein Brennstoffzellenstapel ist insbesondere ein Stapel mit zwei oder mehr einzelnen Brennstoffzellen. Die einzelnen Zuführabschnitte und Abführabschnitte bündeln dabei die Zufuhr und Abfuhr der jeweiligen Gase, um auch bei einer hohen Anzahl von Brennstoffzellen eine geringe Komplexität im Brennstoffzellensystem gewährleisten zu können. Als Kathodenzuführgas wird vorzugsweise Luft verwendet. Als Brennstoff kann beispielsweise ein kohlenstoffhaltiges Gas wie Methan oder Ethan, Erdgas oder auch Wasserstoff eingesetzt werden. Selbstverständlich sind in einem solchen Brennstoffzellensystem vorzugsweise weitere Bauteile vorgesehen, beispielsweise ein Reformer, welcher Anodenzuführgas für die Umsetzung im Anodenabschnitt reformiert, Katalysatoren, beispielsweise in einer gemeinsamen Abgasleitung, zum Umsetzten verbleibender Brennstoffanteile im Abgas oder weiterer Wärmetauscher-

vorrichtungen.

Es kann Vorteile mit sich bringen, wenn bei einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem im Anodenabschnitt, insbesondere stromabwärts der zweiten Ejektorvor-

richtung und stromaufwärts der ersten Ejektorvorrichtung, eine Mischvorrichtung an-

te Ejektorvorrichtung gewährleistet wird.

Von Vorteil kann es ebenfalls sein, wenn bei einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem im Anodenabführabschnitt eine Abgas-Aufteilvorrichtung angeordnet ist, für ein Aufteilen des Anodenabgases auf den Aufnahmeabschnitt der Rezirkulationsleitung und eine davon separate Abgasleitung. Diese separate Abgasleitung dient insbesondere dazu, Gas, welches nicht rezirkuliert wird, der Umgebung zuzuführen. In einer solchen separaten Abgasleitung kann beispielsweise eine Kombination mit Kathodenabgas erfolgen und es können weitere Nachbehandlungsschritte vorgesehen sein. So kann beispielsweise ein Oxidationskatalysator, ein weiterer Wärmetauscher oder Ähnliches vorgesehen sein. Auch ein Wärmeaustausch mit Teilen des Rezirkulationsgases, insbesondere der zweiten Teil-Rezirkulationsleitung, ist hier im

Rahmen der vorliegenden Erfindung denkbar.

Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren für ein Aufteilen eines Rezirkulationsgases in einer erfindungsgemäßen Rezirkulationsvorrichtung bei einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem. Ein solches Verfahren weist

die folgenden Schritte auf: — Erfassen einer Betriebssituation des Brennstoffzellensystems,

— Aufteilen des Rezirkulationsgases in der Aufteilvorrichtung auf die beiden Teil-Rezirkulationsleitungen.

Ein erfindungsgemäßes Verfahren bringt damit die gleichen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit Bezug auf eine erfindungsgemäße Rezirkulationsvorrichtung und ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem erläutert worden sind. Die Aufteilrate wird, insbesondere bei hohen Rezirkulationsraten, also einer Rückführung von bei-

spielsweise 80% des anfallenden Anodenabgases, in kontrollierter Weise durchge-

schlüssen der Ejektorvorrichtungen berücksichtigt werden.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Aus-

führungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen beschrieben sind. Es zeigen schematisch: Fig. 1 eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,

Fig. 2 eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Brenn-

stoffzellensystems und

Fig. 3 eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Brenn-

stoffzellensystems.

Die Figur 1 zeigt schematisch ein Brennstoffzellensystem 100, welches einen Brennstoffzellenstapel 110 aufweist. Der Brennstoffzellenstapel 110 ist aufgeteilt in einen Anodenabschnitt 120 und einen Kathodenabschnitt 130. Für den Betrieb des Brennstoffzellensystems 100 ist Brennstoff BS notwendig, welcher von einer Brennstoffquelle 140 zur Verfügung gestellt wird. Zusätzlich ist Luft notwendig, welche von einer Luftquelle 180 zur Verfügung gestellt wird. Für den Betrieb des Brennstoffzellensystems 100 wird bei der Ausführungsform der Figur 1 nun Brennstoff BS von der Brennstoffquelle 140 über den Brennstoffzufuhrabschnitt 142 zugeführt. Über mehrere Schritte im Anodenzuführabschnitt 122 wird der Brennstoff BS nun dem Anodenabschnitt 120 zugeführt und dort in den einzelnen Brennstoffzellen mit Zuluft als Kathodenzuführgas KZG, welches über den Kathodenzuführabschnitt 132 und den Kathodenabschnitt 130 zugeführt wird, umgesetzt. Unter dieser Umsetzung entsteht

elektrischer Strom und Anodenabgas AAG sowie Kathodenabgas KAG.

Da das Anodenabgas AAG je nach Betriebssituation unterschiedlich große Mengen an unverbrauchtem Brennstoff BS enthält, kann hier bei dieser Ausführungsform das

gas RG am Sauganschluss 44 aus der ersten Teil-Rezirkulationsleitung 24 führt.

Zusätzlich ist bei einer erfindungsgemäßen Ausgestaltung des Brennstoffzellensystems 100 jedoch nun ein Anteil des Rezirkulationsgases RG über die Aufteilvorrichtung 30 auf die zweite Teil-Rezirkulationsleitung 26 aufgeteilt worden. Diese führt nun über eine Wärmetauschervorrichtung 150 zum Vorwärmen des Brennstoffs BS und gleichzeitigem Abkühlen des durchströmenden Rezirkulationsgases RG. Das auf diese Weise vorgekühlte Rezirkulationsgas RG erreicht bei dieser Ausführungsform eine Kondensatorvorrichtung 60, welche die notwendige Kühlleistung für das gewünschte Kondensieren entweder von einem separaten Kühlkreislauf, oder, wie in

der Figur 1 dargestellt, von der Zuluft der Luftquelle 180 erhält.

Durch das weitere Reduzieren der Temperatur des Rezirkulationsgases RG in der zweiten Teil-Rezirkulationsleitung 26 entsteht Kondensat K, welches über die Kondensatleitung 62 weitergefördert wird. Da es sich hier um flüssiges Kondensat handelt, kann mithilfe der anschließenden Verdichtervorrichtung 70 eine Verdichtung auf einen gewünschten Druck erfolgen, welcher mit sehr wenig Verdichterarbeit im Vergleich zu einem gasförmigen Verdichten einhergeht. Das unter Druck stehende Kondensat K wird anschließend in einer Verdampfungsvorrichtung 80 verdampft, wobei bei der vorliegenden Ausführungsform die Restwärme aus einer separaten Abgasleitung 170 verwendet wird. Das unter Druck stehende wieder verdampfte Kondensat K liegt nun am Treibanschluss 52 der zweiten Ejektorvorrichtung 50 an und kann auf diese Weise am Sauganschluss 54 dieser zweiten Ejektorvorrichtung 50 eine Saugfunktion durch Ausbildung eines Unterdrucks zur Verfügung stellen. Es wird also Rezirkulationsgas RG, welches in der Restgasleitung 64 nach der Kondensatorvorrich-

tung 60 verbleibt, über diesen Sauganschluss 54 in der zweiten Ejektorvorrichtung

50 wieder angesaugt und anschließend im Anodenzuführabschnitt 122 in der Misch-

vorrichtung 90 mit zugeführtem Brennstoff BS vermischt. Um bei dieser Ausführungs-

form eine Stellmöglichkeit zu gewährleisten ist darüber hinaus noch ein Stellventil 12

in die Restgasleitung 64 integriert.

Für eine weitere Nachbehandlung von nicht rezirkuliertem Anodenabgas AAG, führt der Anodenabführabschnitt 124 über eine separate Abgasleitung 170 in eine Katalysatorvorrichtung 172, in welcher auch der Kathodenabführabschnitt 134 das Kathodenabgas KAG führt. Das Kathodenabgas KAG wird hier über eine separate Wärmetauschervorrichtung 150 geführt, welche Wärme an einen Reformer 126 zum Reformieren des Anodenzuführgases AZG zur Verfügung stellen kann. Bevor das gesamte gemeinsame Abgas nach der Katalysatorvorrichtung 172 an die Umgebung abgegeben werden kann, erfolgt eine mehrmalige Übernahme von Wärme, hier an der Wärmetauschervorrichtung 150 zur Zuluft der Luftquelle 180 und zusätzlich für die

Verdampfung in der Verdampfervorrichtung 80.

In der Figur 2 ist eine alternative Ausgestaltung zur Lösung der Figur 1 dargestellt. Während die grundsätzlichen Bauteile gleich bleiben, erfolgt hier die Integration des Brennstoffs BS an anderer Position, nämlich in der Rezirkulationsleitung 20 und genauer gesagt in der zweiten Teil-Rezirkulationsleitung 26. Gasförmiger Brennstoff BS, hier kontrollierbar mithilfe eines Stellventiles 12, kann mithilfe des Brennstoffzufuhrabschnitts 142 in eine Mischvorrichtung 90 der Restgasleitung 64 eingebracht werden. Die bereits erläuterte Saugfunktionalität am Sauganschluss 54 der zweiten Ejektorvorrichtung 50 kann hier zusätzlich auch dem Ansaugen des gasförmigen Brennstoffs BS zur Verfügung gestellt werden. Die weiteren Komponenten werden hier in ähnlicher oder identischer Weise betrieben, wie dies mit Bezug auf die Figur 1

erläutert worden ist.

Auch in der Figur 3 ist eine Ausführungsform dargestellt, bei welcher die Einbringung des Brennstoffs BS in die zweite Teil-Rezirkulationsleitung 26 integriert ist. Hier kann der Brennstoff BS jedoch sogar in flüssiger Form in das flüssige Kondensat K in der Kondensatleitung 62 eingebracht werden und anschließend gemeinsam mit dem Kondensat über die Verdichtervorrichtung 70 verdichtet und die Verdampfungsvorrichtung 80 verdampft werden. Auch hier sind die weiteren Komponenten des Brennstoffzellensystems 100 wieder ähnlich oder identisch betrieben, wie dies mit Bezug

auf die Figur 1 erläutert worden ist.

Die voranstehende Erläuterung der Ausführungsformen beschreibt die vorliegende

Erfindung ausschließlich im Rahmen von Beispielen.

Bezugszeichenliste

10 Rezirkulationsvorrichtung

12 Stellventil

20 Rezirkulationsleitung

22 Aufnahmeabschnitt

24 erste Teil-Rezirkulationsleitung 26 zweite Teil-Rezirkulationsleitung 30 Aufteilvorrichtung

40 erste Ejektorvorrichtung

42 Treibanschluss

44 Sauganschluss

50 zweite Ejektorvorrichtung

52 Treibanschluss

54 Sauganschluss

60 Kondensatorvorrichtung

62 Kondensatleitung

64 Restgasleitung

70 Verdichtervorrichtung

80 Verdampfungsvorrichtung

90 Mischvorrichtung

92 Wärmetauschervorrichtung

100 Brennstoffzellensystem 110 Brennstoffzellenstapel 120 Anodenabschnitt

122 Anodenzuführabschnitt 124 Anodenabführabschnitt 126 Reformer

130 Kathodenabschnitt

132 Kathodenzuführabschnitt 134 Kathodenabführabschnitt 140 Brennstoffquelle

142 Brennstoffzufuhrabschnitt 150 Wärmetauschervorrichtung

160 Abgas-Aufteilvorrichtung

170 Abgasleitung

172 Katalysatorvorrichtung

180 Luftquelle

BS Brennstoff

K Kondensat

RG Rezirkulationsgas AZG Anodenzuführgas AAG Anodenabgas

KZG Kathodenzuführgas KAG Kathodenabgas

Claims (15)

Patentansprüche

1. Rezirkulationsvorrichtung (10) für eine Rezirkulation von Anodenabgas (AAG) als Rezirkulationsgas (RG) aus einem Anodenabschnitt (120) eines Brennstoffzellenstapels (110) eines Brennstoffzellensystems (100), aufweisend eine Rezirkulationsleitung (20) mit einen Aufnahmeabschnitt (22) zur fluiıdkommunizierenden Verbindung mit einem Anodenabführabschnitt (124) des Anodenabschnitts (120), wobei die Rezirkulationsleitung (20) eine erste TeilRezirkulationsleitung (24), eine zweite Teil-Rezirkulationsleitung (26) sowie eine Aufteilvorrichtung (30) aufweist für ein Aufteilen des Rezirkulationsgases (RG) auf die beiden Teil-Rezirkulationsleitungen (24, 26), dadurch gekennzeichnet, dass die erste Teil-Rezirkulationsleitung (24) eine erste Ejektorvorrichtung (40) aufweist für eine fluidkommunizierende Einbindung in einen Anodenzuführabschnitt (122) des Anodenabschnitts (120) und die zweite TeilRezirkulationsleitung (26) eine zweite Ejektorvorrichtung (50) aufweist für eine fluidkommunizierende Einbindung in den Anodenzuführabschnitt (122), und wobei die erste Ejektorvorrichtung (40) stromabwärts der zweiten Ejektorvorrichtung (50) fluidkommunizierend zum Anodenzuführabschnitt (122) ange-

ordnet ist.

2. Rezirkulationsvorrichtung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Teil-Rezirkulationsleitung (40) in einem Sauganschluss (44) der ersten Ejektorvorrichtung (40) mündet und der Anodenzuführabschnitt (122) in einem Treibanschluss (42) der ersten Ejektorvorrichtung (40) mündet.

3. Rezirkulationsvorrichtung (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Teil-Rezirkulationsleitung (26) in

einen Treibanschluss (54) der zweiten Ejektorvorrichtung (50) mündet.

4. Rezirkulationsvorrichtung (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der zweiten Teil-Rezirkulationsleitung (26) stromaufwärts der zweiten Ejektorvorrichtung (50) eine Kondensatorvorrichtung (60) zum Kondensieren dampfförmiger Wasserbestandteile aus dem Rezirkulationsgas (RG) angeordnet ist, wobei die Kondensatorvorrichtung (60) das Kondensat (K) in eine Kondensatleitung (62) und das restliche Rezirkula-

tionsgas (RG) in eine Restgasleitung (64) aufteilt.

6. Rezirkulationsvorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass in der Kondensatleitung (62) stromaufwärts der zweiten Ejektorvorrichtung (50) und insbesondere stromabwärts einer Verdichtervorrichtung (70) eine Verdampfungsvorrichtung (80) zum Verdampfen von Kondensat (K) angeordnet ist.

7. Rezirkulationsvorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass in der Restgasleitung (64) eine Mischvorrichtung (90) angeordnet ist für eine fluidkommunizierende Verbindung mit einer Brennstoffquelle (140) zum Mischen des restlichen Rezirkulationsgases (RG) mit dem Brennstoff (BS).

8. Rezirkulationsvorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass in der Kondensatleitung (62), insbesondere stromaufwärts einer Verdichtervorrichtung (70) und/oder stromaufwärts einer Verdampfervorrichtung (80), eine Mischvorrichtung (90) angeordnet ist für eine fluidkommunizierende Verbindung mit einer Brennstoffquelle (140) zum Mi-

schen von Kondensat (K) mit Brennstoff (BS).

9. Rezirkulationsvorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischvorrichtung (90) einen Brennstoffzufuhrabschnitt (142) aufweist mit einem Stellventil (12) für eine Variation der Strö-

mungsmenge an Brennstoff (BS) in die Mischvorrichtung (90).

10. Rezirkulationsvorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass in der Restgasleitung (64) ein Stellventil (12) angeord-

net ist für eine Variation der Strömungsmenge in der Restgasleitung (64).

11. Rezirkulationsvorrichtung (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der zweiten Teil-Rezirkulationsleitung (26) eine Wärmetauschervorrichtung (150) zum Wärmeaustausch mit dem Ano-

denzuführabschnitt (122) angeordnet ist.

12. Brennstoffzellensystem (100) für die Erzeugung elektrischen Stroms aus Brennstoff (BS), aufweisend einen Brennstoffzellenstapel (110) mit einem Anodenabschnitt (120) und einem Kathodenabschnitt (130), der Anodenabschnitt (120) aufweisend einen Anodenzuführabschnitt (122) zum 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 das Brennstoffzellensystem (100) weiter eine Rezirkulationsvorrichtung (10) mit den Merkmalen eines der Ansprüche 1 bis 11 auf-

weist.

13. Brennstoffzellensystem (100) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass im Anodenabschnitt (120), insbesondere stromabwärts der zweiten Ejektorvorrichtung (50) und stromaufwärts der ersten Ejektorvorrichtung (40), eine Mischvorrichtung (90) angeordnet ist für ein Mischen von Brennstoff (BS) von

einer Brennstoffquelle (140) mit Rezirkulationsgas (RG).

14. Brennstoffzellensystem (100) nach einem der Ansprüche 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass im Anodenabführabschnitt (122) eine AbgasAufteilvorrichtung (160) angeordnet ist für ein Aufteilen des Anodenabgases (AAB) auf den Aufnahmeabschnitt (22) der Rezirkulationsleitung (20) und eine davon separate Abgasleitung (170).

15. Verfahren für ein Aufteilen eines Rezirkulationsgases (RG) in einer Rezirkulationsvorrichtung (10) bei einem Brennstoffzellensystem (100) mit den Merkma-

len eines der Ansprüche 12 bis 14, aufweisend die folgenden Schritte: — Erfassen einer Betriebssituation des Brennstoffzellensystems (100),

— Aufteilen des Rezirkulationsgases (RG) in der Aufteilvorrichtung (30) auf die beiden Teil-Rezirkulationsleitungen (24, 26).