DE102009014590A1 - Brennstoffzellensystem mit wenigstens einer Brennstoffzelle - Google Patents

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Abstract

Ein Brennstoffzellensystem (1) weist wenigstens eine Brennstoffzelle (2) auf, welche einen Anodenraum (3) und einen Kathodenraum (4) hat. Dabei ist eine Rezirkulationsleitung (7) vorgesehen, durch welche Abgas aus dem Anodenraum (3) in einen Bereich vor den Anodenraum (3) zurückführbar ist. Im Bereich der Rezirkulationsleitung (7) und/oder des Anodenraums (3) ist wenigstens ein Mittel zum Austragen von Medien vorgesehen. Erfindungsgemäß ist das wenigstens eine Mittel als Ventileinrichtung (13) ausgebildet, welche einen schaltbaren Strömungsweg (19) und einen Überströmweg (21) aufweist.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem mit wenigstens einer Brennstoffzelle nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art. Ferner betrifft die Erfindung eine Verfahren zum Betreiben eines solchen Brennstoffzellensystems, sowie eine Verwendung desselben.
  • Ein derartiger Aufbau eines Brennstoffzellensystems mit einer Rezirkulationsleitung zum Zurückführen des Anodenabgases in den Anodeneingang ist beispielsweise aus der DE 101 15 336 A1 bekannt. Bei derartigen Systemen mit einer sogenannten Anodenloop reichert sich im Laufe der Zeit Stickstoff und Wasser in dem rezirkulierten Anodenabgas an. Daher ist es aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt und in der oben genannten Schrift auch so beschrieben, dass im Bereich der Rezirkulationsleitung Ventileinrichtungen angeordnet werden, welche von Zeit zu Zeit geöffnet werden, um den Stickstoff aus dem Bereich der Rezirkulationsleitung und dem Bereich des Anodenraums entsprechend abzublasen. Gemäß der DE 101 15 336 A1 kann die „Entsorgung” dieses Abgases aus dem Bereich des Anodenloop in verschiedene Bereiche erfolgen, welche typischerweise jeweils über eine katalytische Oberfläche verfügen oder in Verbindung mit einer weiteren Komponente stehen, welche eine solche katalytische Oberfläche aufweist. Dieser Aufbau ist deshalb üblich, weil zusammen mit dem Stickstoff immer auch eine geringe Menge an Wasserstoff in dem abgelassenen Gas sein wird, welche auf diese Art unschädlich gemacht werden kann. Um das im Bereich des Anodenabgases anfallende Produktwasser der Brennstoffzelle abführen zu können, ist in der DE 101 15 336 A1 ferner ein Wasserabscheider im Bereich der Rezirkulationsleitung beschrieben.
  • Der oben genannte Aufbau erfordert dabei wenigstens eine Ventileinrichtung für das Abblasen des Stickstoffs (Purge) und wenigstens eine weitere Ventileinrichtung für das Ablassen des in dem Wasserabscheider angesammelten Wassers (Drain). Neben dem Kostenaufwand, diese Komponenten im System vorzusehen, verursachen die Komponenten weiteren Aufwand hinsichtlich ihrer Ansteuerung und einer dafür gegebenenfalls notwendigen Sensorik. Außerdem müssen entsprechende Leitungselemente von den Ventileinrichtungen in die jeweiligen Bereiche, in die die Medien ausgetragen werden, vorhanden sein. Dies erfordert entsprechende Bauteile und entsprechenden Bauraum. Um auch bei Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts einen sicheren Start und eine sichere Funktionalität des Systems gewährleisten zu können, müssen diese Leitungselemente außerdem entsprechend isoliert und/oder beheizbar ausgebildet werden. Auch dies verursache großen Aufwand hinsichtlich Kosten, Komplexität und Gewicht in dem oben dargestellten Brennstoffzellensystem.
  • Aus der internationalen Anmeldung WO 2008/052578 A1 ist ebenfalls ein Brennstoffzellensystem mit einem Anodenloop bekannt, welcher hierin als Brennstoffkreis bezeichnet wird. Die Besonderheit bei diesem Aufbau besteht nun darin, dass die Funktionalität des Wasserabscheiders mit einem Ablassventil zum Ablassen des Wassers und die Funktionalität des Abblasventils zum Abblasen des stickstoffhaltigen Gases kombiniert werden. Der Aufbau sieht dabei vor, dass ein Wasserabscheider mit einer entsprechenden Ventileinrichtung versehen ist. Immer, wenn sich eine entsprechend große Menge an Wasser angesammelt hat, wird diese über die Ventileinrichtung aus dem Wasserabscheider abgelassen. Nachdem das Wasser abgelassen ist, tritt außerdem Gas aus dem Anodenloop über die Ventileinrichtung des Wasserabscheiders aus, ehe diese wieder geschlossen wird. Die Funktionalität, welche bei der oben genannten Schrift auf zwei eigene Bauteile verteilt war, wird dadurch in einem einzigen Bauteil integriert.
  • Dieser Aufbau stellt bereits eine deutliche Verbesserung gegenüber dem oben genannten Aufbau dar. Allerdings ist auch hier weiterhin ein entsprechender Sensor zur Erfassung des Wasserstands in dem Abscheider notwendig. Die Erfahrung in der Praxis hat gezeigt, dass dieser Sensor extrem leicht mit Ablagerungen aus dem Brennstoffzellensystem verschmutzt wird, und dass dies sehr häufig zu einer Fehlfunktion des Sensors und damit zu einem zu häufigen oder auch zu seltenen Ablassen des anfallenden Wassers führt. Auch dies ist hinsichtlich der Betriebssicherheit eines solchen Systems entsprechend problematisch. Außerdem stellt die Verwendung eines derartigen Sensors immer auch einen gewissen Aufwand dar, da insbesondere ein Füllstandssensor im Wasserabscheider typischerweise in Form von zwei einzelnen Sensoren ausgebildet sein muss, was wiederum mit den entsprechenden Kosten verbunden ist.
  • Aus dem weiteren allgemeinen Stand der Technik ist ferner die DE 103 11 785 A1 bekannt. Darin ist eine Verbindung des Kathodenbereichs mit dem Anodenbereich einer Brennstoffzelle beschrieben, insbesondere einer Brennstoffzelle, welche mit einem wasserstoffhaltigen Gas aus einer Gaserzeugungseinrichtung betrieben wird. Derartiger Wasserstoff weist üblicherweise eine gewisse Verunreinigung mit Kohlenmonoxid auf, welche dem Katalysator im Bereich des Anodenraums schadet. Daher wird über die Verbindung bei Bedarf Luft in den Wasserstoff eingebracht, welcher dieses Kohlenmonoxid zu Kohlendioxid oxidiert und damit die Menge des für den Katalysator schädlichen Kohlenmonoxids minimiert. Die Ansteuerung erfolgt dabei über einen entsprechenden Druckunterschied zwischen dem Bereich der Anode und dem Bereich der Kathode, sodass bei geringerem Druck im Bereich der Anode Luft über die Öffnung in den Bereich der Anode strömt (Airbleed). Andersherum kann dieser Aufbau auch dazu genutzt werden, Gas aus dem Bereich der Anode in den Bereich der Kathode strömen zu lassen, nämlich immer dann, wenn die Druckverhältnisse umgekehrt sind (Purge). Auch dies wird in dem Aufbau gemäß der DE 103 11 785 A1 genutzt, um beispielsweise das entstehende Kohlendioxid, oder im Falle eines Anodenloop den sich anreichernden Stickstoff zusammen mit dem Kohlendioxid in den Bereich der Kathode abzublasen.
  • Es ist nun die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung, ein Brennstoffzellensystem mit einem Anodenloop zu schaffen, bei welchem mit minimalem Aufwand an Bauteilen und geringen Kosten Medien aus dem Bereich der Rezirkulationsleitung und/oder des Anodenraums sicher und zuverlässig ausgetragen werden können.
  • Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst. Ein Verfahren zum Betreiben eines solchen erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems wird durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil von Anspruch 13 angegeben. Eine bevorzugte Verwendung für das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem und/oder das erfindungsgemäße Verfahren ist in Anspruch 18 genannt. Die jeweiligen abhängigen Ansprüche beschreiben vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung.
  • Dadurch, dass das wenigstens eine Mittel gemäß der Erfindung als Ventileinrichtung ausgebildet ist, welche neben ihrem üblicherweise vorhandenen schaltbaren Strömungsweg auch einen Überströmweg aufweist, entsteht eine Ventileinrichtung mit einem Bypass. Diese Ventileinrichtung mit Bypass wird erfindungsgemäß nun dazu genutzt, sowohl den Purge als auch den Drain in einer einzigen erfindungsgemäßen Ventileinrichtung zu integrieren. Damit entsteht ein sehr einfacher und kompakter Aufbau. Im üblicherweise vorliegenden Betrieb wird der Austrag der Medien im Allgemeinen über den Überströmweg stattfinden, welcher mit einem entsprechend engen Querschnitt versehen ist. Außerdem kann beispielsweise eine Blende oder dergleichen in den Überströmweg integriert werden, um einen entsprechenden Querschnitt fest vorzugeben, welcher zu den Volumenströmen in dem vorliegenden Brennstoffzellensystem passt. Damit kann eine und dieselbe Ventileinrichtung für verschieden große Brennstoffzellensysteme eingesetzte werden, indem einfach die Blende ausgetauscht wird. Dabei ist darauf zu achten, dass der Durchflussfaktor (kv-Wert) für den Überströmweg bzw. Bypass passend zum jeweiligen Brennstoffzellensystem so ausgelegt ist, dass keine allzu hohen Wasserstoffkonzentrationen in dem abgelassenen Gas auftreten.
  • Das Öffnen des schaltbaren Strömungswegs des Ventils wird typischerweise immer nur dann erfolgen, wenn dies notwendig ist, also beispielsweise wenn im Bereich der Rezirkulationsleitung und/oder des Anodenraums eine zu geringe Wasserstoffkonzentration vorliegt, um die erforderliche Stromerzeugung in der Brennstoffzelle des Brennstoffzellensystems realisieren zu können. Durch ein Öffnen des schaltbaren Strömungswegs wird dann Drainwasser sehr schnell ausgetrieben und die Purgefunktion sehr schnell gestartet.
  • Grundsätzlich können mehrere derartige Ventileinrichtungen im Bereich der Rezirkulationsleitung und/oder des Anodenraums vorgesehen sein. Besonders effizient, einfach und kostengünstig lässt sich der Aufbau jedoch dann realisieren, wenn im Bereich der Rezirkulationsleitung und/oder des Anodenraums gemäß einer besonders günstigen Ausgestaltung der Erfindung genau eine Ventileinrichtung vorgesehen wird. Über diese eine Ventileinrichtung als kombiniertes Drain-/Purge-Ventil kann dann mit minimalem Aufwand hinsichtlich des Bauraums, der Sensorik und der Ansteuerung ein sehr einfacher, kompakter und effizienter Aufbau realisiert werden. Aufgrund des Überströmwegs in der Ventileinrichtung kommt es zu einem kontinuierlichen Abströmen, zuerst des Wassers und dann einer entsprechenden Gasmenge. Damit kann auf aufwendige Sensorik, wie beispielsweise Levelsensorik, für den Wasserstand verzichtet werden. Dies spart einerseits Kosten und erlaubt es andererseits sich von eventuellen Fehlfunktionen der sehr leicht verschmutzenden Füllstandssensoren frei zu machen.
  • Der Überströmweg kann dabei in der einfachsten Ausführungsform der Erfindung einen festen, aber entsprechend des Brennstoffzellensystems vorgegebenen durchströmbaren Querschnitt aufweisen. In einer besonders vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist es ferner vorgesehen, dass dieser durchströmbare Querschnitt als Blende ausgebildet ist, wobei die Blende als flexible Blende realisiert ist, deren Öffnungsquerschnitt sich in Abhängigkeit der Druckdifferenz auf den beiden Seiten der Blende selbsttätig ändert. Eine solche flexible Blende ist nach wie vor ein passives Bauelement, welches keine aktive Ansteuerung oder dergleichen erfordert. Es ist damit weiterhin sehr einfach, kostengünstig und ohne die Problematik von Fehlfunktionen zu realisieren.
  • Der Aufbau kann beispielsweise in Form einer Membran aufgebaut sein, welche sich in Abhängigkeit der Druckdifferenz zwischen der einen Seite und der anderen Seite entsprechend auslenkt. Wenn im Bereich der Membran nun eine oder mehrere Öffnungen vorgesehen sind, so wird deren Querschnitt bei ausgelenkter Membran entsprechend größer ausfallen, als bei nicht ausgelenkter Membran. Im Extremfall kann somit ein Verschließen des Überströmwegs bei abgestelltem System erreicht werden, sodass über den Überströmweg beispielsweise keine Gase zwischen den über die Ventileinrichtung verbundenen Bereichen ausgetauscht werden. Erst wenn das System in Betrieb genommen wird und eine entsprechende Druckdifferenz zwischen der einen Seite und der anderen Seite auftritt, wird sich die Membran entsprechend in Richtung des geringeren Drucks verformen und über die flexible Blende entsteht der durchströmbare Öffnungsquerschnitt, welcher ein Durchströmen des Überströmwegs, beispielsweise durch Drainwasser und Purgegas erlaubt.
  • Gemäß einer besonders günstigen und vorteilhaften Ausgestaltung und Weiterbildung der Erfindung weist der Bereich der Rezirkulationsleitung dabei einen Wasserabscheider auf, wobei die Ventileinrichtung im Auslassbereich des Wasserabscheiders angeordnet ist. Bei diesem Aufbau kann die Zusammenlegung von Drain und Purge in einem einzigen Bauteil besonders effizient realisiert werden. In dem Wasserabscheider sammelt sich abgeschiedenes Wasser an, sodass davon ausgegangen werden kann, dass die größte Menge an in dem Bereich der Rezirkulationsleitung und/oder des Anodenraums vorliegenden Wassers sich im Bereich dieses Abscheiders sammelt. Im Ausströmbereich des Abscheiders, typischerweise in Richtung der Schwerkraft unten, ist dann die Ventileinrichtung angeordnet, welche durch ihren Überströmweg ein kontinuierliches Abfließen des Wassers erlaubt. Wenn kein Wasser mehr in dem Abscheider vorhanden ist, so kommt es außerdem zu einem Abblasen der sich im Bereich der Rezirkulationsleitung angereicherten Gase, insbesondere Stickstoff sowie gegebenenfalls eine gewisse Restmenge an Wasserstoff, kommen. Von der beschriebenen Funktionalität kann auch der Aufbau mit dem Wasserabscheider ohne die hinsichtlich Verschmutzung kritischen und kostenintensiven Levelsensoren auskommen, da ein kontinuierliches Abfließen des sich ansammelnden Wassers über den Überströmweg gewährleistet ist. Bei entsprechender Auswahl des Durchmessers des Überströmwegs kann so ein sehr einfacher und effizienter Aufbau erreicht werden, bei dem nur minimale Mengen an Wasserstoff aus der Rezirkulationsleitung abfließen.
  • Beim erfindungsgemäßen Verfahren ist es dabei vorgesehen, den Aufbau gemäß der Erfindung so zu nutzen, dass über die Ventileinrichtung Medien in zwei verschiedenen Aggregatzuständen ausgetragen werden. Aufgrund der Eigenschaft der Flüssigkeiten und der Gase wird bei geeigneter Anordnung der Ventileinrichtung, bevorzugt in einem Wasserabscheider, die Drainfunktion immer zuerst ausgeführt, bis kein Wasser mehr in den entsprechenden Leitungen zur Ventileinrichtung vorhanden ist. Erst nachdem das Wasser über die Ventileinrichtung abgeströmt ist, wird es zu einem Abblasen von Gasen aus dem Bereich der Rezirkulationsleitung und/oder des Anodenraums kommen. Durch eine entsprechende Auslegung des Überströmwegs und hier insbesondere des durchströmbaren Querschnitts kann dabei erreicht werden, dass keine großen Mengen an Wasserstoff den Bereich der Rezirkulationsleitung und/oder des Anodenraums verlassen. Dadurch wird es zu einem kontinuierlichen Abströmen des sich ansammelnden Wassers kommen, während nur vergleichsweise geringe Mengen an angereichertem Stickstoff über den Überströmweg abgeblasen werden. Da zusammen mit dem Abblasen der inerten Gase immer auch eine gewisse Menge an Wasserstoff verloren geht, ist dies besonders günstig, da der Verlust an Wasserstoff selbstverständlich möglichst gering gehalten werden soll.
  • Typischerweise wird daher der schaltbare Strömungsweg der Ventileinrichtung im Normalbetrieb nicht oder nur in Ausnahmezuständen, wie beispielsweise der Betrieb des Brennstoffzellensystems bei hoher elektrischer Leistung, entsprechend geöffnet. Daher ist es gemäß einer besonders günstigen und vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens vorgesehen, dass der schaltbare Strömungsweg der Ventileinrichtung immer nur dann geöffnet wird, wenn die Wasserstoffkonzentration im Bereich der Rezirkulationsleitung und/oder des Anodenraums unter einen vorgegebenen Wert fällt. Das Abfallen der Wasserstoffkonzentration deutet auf das Vorhandensein eines großen Volumens an inertem Gas, insbesondere Stickstoff, hin. Ist dies der Fall, dann kann über ein Öffnen des schaltbaren Strömungswegs ein sehr schnelles Abblasen dieses Gases erreicht werden. Nur in solchen Fällen erfolgt daher das Öffnen des schaltbaren Strömungswegs, sodass Verluste an Wasserstoff aus dem Bereich der Rezirkulationsleitung und/oder des Anodenraums weitgehend minimiert werden können.
  • Wie oben dargelegt, zeichnet sich der Aufbau des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems sowie der Betrieb des erfindungsgemäßen Verfahrens insbesondere durch Einfachheit, Zuverlässigkeit und Kompaktheit aus. Daher ist sowohl das Brennstoffzellensystem als auch das Verfahren zum Betreiben eines solchen Systems besonders geeignet, um in Transportmitteln auf dem Land, im Wasser und in der Luft eingesetzt zu werden. Da derartige Transportmittel, insbesondere Personenkraftwagen, immer unter hohem Kostendruck und eher geringem verfügbarem Bauraum realisiert werden, spielen diese Vorteile hier eine besonders große Rolle. Das Brennstoffzellensystem kann dabei typischerweise die Antriebsenergie für ein derartiges Transportmittel zur Verfügung stellen, es ist jedoch auch denkbar, über das Brennstoffzellensystem lediglich elektrische Energie für Hilfsantriebe zu erzeugen, während die Vortriebsenergie anderweitig, beispielsweise durch Verbrennungskraftmaschinen, Strömungsmaschinen oder dergleichen gewonnen wird.
  • Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den restlichen Unteransprüchen und werden anhand des Ausführungsbeispiels deutlich, welches nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert wird.
  • Dabei zeigen:
  • 1 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems in einer möglichen Ausführungsform gemäß der Erfindung;
  • 2 einen Aufbau einer Ventileinrichtung in einer ersten Ausführungsform gemäß der Erfindung;
  • 3 einen Aufbau einer Ventileinrichtung in einer zweiten Ausführungsform gemäß der Erfindung;
  • 4 einen Aufbau einer Ventileinrichtung in einer dritten Ausführungsform gemäß der Erfindung; und
  • 5 einen Aufbau eines Umströmungswegs mit einer flexiblen Blende.
  • In der Darstellung gemäß 1 ist ein Brennstoffzellensystem 1 in einem für die hier vorliegende Erfindung relevanten Ausschnitt stark schematisiert angedeutet. Wichtigster Bestandteil des Brennstoffzellensystems 1 ist dabei eine Brennstoffzelle 2, welche typischerweise als Stapel von einzelnen Brennstoffzellen, als sogenannter Brennstoffzellenstack, ausgebildet ist. Die Brennstoffzelle 2 weist einen Anodenraum 3 und einen Kathodenraum 4 auf, welche in den hier dargestellten Ausführungsbeispielen jeweils durch eine protonenleitende Membran voneinander getrennt sein sollen. Bei der Brennstoffzelle 2 handelt es sich also um einen sogenannten PEM-Brennstoffzellenstack.
  • Der Anodenraum 3 der Brennstoffzelle 2 wird aus einer Wasserstoffspeichereinrichtung 5 über ein Dosierventil 6 sowie ein Leitungselement mit Wasserstoff aus der Wasserstoffspeichereinrichtung 5 versorgt. Im Bereich des Anodenraums 3 nicht umgesetzter Wasserstoff gelangt über eine Rezirkulationsleitung 7 zurück in den Bereich, in dem der frische Wasserstoff über das Dosierventil 6 zu dem Anodenraum 3 strömt. Die Rezirkulationsleitung 7 führt damit in an sich bekannter Weise unverbrauchtes Gas aus dem Bereich des Anodenraums 3 zurück in den Anodenraum, wobei sich das Gas mit frischem Wasserstoff aus der Wasserstoffspeichereinrichtung 5 vermischt. Um den Druckverlust im Anodenraum 3 auszugleichen, ist im Bereich der Rezirkulationsleitung 7 eine Rezirkulationsfördereinrichtung 8 angeordnet, welche für die Rückführung des unverbrauchten Gases aus dem Anodenraum 3 sorgt. Die Rezirkulationsfördereinrichtung 8 kann dabei als Wasserstoffrezirkulationsgebläse ausgebildet sein, so wie dies in 1 angedeutet ist. Ergänzend oder alternativ hierzu wäre auch eine Gasstrahlpumpe denkbar, welche durch den Wasserstoff aus der Wasserstoffspeichereinrichtung 5 angetrieben wird, und das Gas aus dem Bereich der Rezirkulationsleitung 7 entsprechend ansaugt, mit dem frischen Wasserstoff vermischt und dem Anodenraum 3 zuführt.
  • Der Kathodenraum 4 der Brennstoffzelle 2 wird im hier dargestellten Ausführungsbeispiel mit Luft versorgt. Der in der Luft enthaltende Sauerstoff dient als Oxidationsmittel für die chemische Reaktion im Inneren der Brennstoffzelle 2 und bildet zusammen mit dem Wasserstoff in an sich bekannter Weise Wasser, wobei elektrische Leistung frei wird, welche an der Brennstoffzelle 2 entsprechend abgegriffen werden kann. Die Luft für den Kathodenraum 4 wird dabei über eine Luftfördereinrichtung 9 entsprechend verdichtet und dem Kathodenraum 4 zugeführt. Zur Aufbereitung der Luft können dabei weitere Komponenten, wie beispielsweise Luftfilter oder dergleichen vorhanden sein, auf deren Darstellung hier zur Vereinfachung verzichtet wurde. Die Luftfördereinrichtung 9 kann dabei als Kompressor, beispielsweise als Schraubenkompressor, ausgebildet sein. Im hier dargestellten Ausführungsbeispiel soll die Luftfördereinrichtung 9 jedoch als Strömungsverdichter ausgebildet sein, welcher über eine Welle mit einer elektrischen Maschine 10 sowie einer Turbine 11 kombiniert ist. Dieser aus dem Stand der Technik ebenfalls bekannte Aufbau wird auch als elektrischer Turbolader (ETC = Electric Turbo Charger) bezeichnet. Über die Turbine 11 kann in dem Abgas aus dem Kathodenraum 4 vorhandene Energie in Form von Druck und Wärme entsprechend zurückgewonnen werden. Die Luftfördereinrichtung 9 kann dann über die Turbine 11 betrieben werden oder der Betrieb kann zumindest über die Turbine 11 unterstützt werden. Die weitere verbleibende Energie, oder falls die Turbine 11 keine Energie liefert die gesamte Energie zum Antrieb der Luftfördereinrichtung 9, kann außerdem über die elektrische Maschine 10 zur Verfügung gestellt werden. Wenn die Turbine 11 einen Energieüberschuss liefert, sodass mehr Energie an der Turbine 11 anfällt als zum Betrieb des Luftverdichters 9 benötigt wird, dann kann die elektrische Maschine 10 als auch als Generator betrieben werden, um diese anfallende mechanische Energie in elektrische Energie umzuwandeln, welche dann in z. B. einer Batterie des Brennstoffzellensystems 1 entsprechend eingespeichert wird oder anderen elektrisch betriebenen Nebenaggregaten zur Verfügung gestellt werden kann.
  • Im Bereich der Rezirkulationsleitung 7 ist außerdem ein Wasserabscheider 12 vorgesehen, welcher während des Betriebs flüssiges Wasser, welches sich im Bereich des Anodenraums 3 ansammelt und über die Rezirkulationsleitung 7 entsprechend ausgetragen wird, sammelt. Dieses flüssige Wasser kann somit Gaskanäle und dergleichen im Bereich des Anodenraums 3 nicht verstopfen, sodass dessen sicherer und zuverlässiger Betrieb garantiert werden kann. Im Bereich des Wasserabscheiders 12 ist zum Ablassen dieses Wassers eine Ventileinrichtung 13 im Auslassbereich des Wasserabscheiders 12, typischerweise also in Richtung der Schwerkraft unten, vorgesehen. Diese Ventileinrichtung 13, welche den Kern des hier beschriebenen Systemaufbaus darstellt, hat dabei eine besondere Ausgestaltung, auf welche später noch umfassend eingegangen werden wird.
  • Im Bereich der Zuleitung der Luft von der Luftfördereinrichtung 9 in den Kathodenraum 4 ist außerdem ein weiteres Bauteil 14 angeordnet, welches sowohl von dem Zuluftstrom zum Kathodenraum 4 als auch dem Abluftstrom vom Kathodenraum 4 durchströmt wird. Dieses Bauteil 14 soll dabei ein kombinierter Ladeluftkühler und Befeuchter sein. Grundsätzlich wäre es auch denkbar, die beiden Bauteile jeweils einzeln nacheinander auszubilden. Die Aufgabe des Bauteils 14 besteht nun darin, die nach der Luftfördereinrichtung 9 vergleichsweise heiße und trockene Luft mit der eher kalten und feuchten Abluft aus dem Kathodenraum 4 entsprechend abzukühlen und zu befeuchten. Hierfür durchströmen die beiden Gasströme das Bauteil 14 in getrennten Bereichen, welche über für Wärme und Wasserdampf zumindest partiell durchlässige Trennwände voneinander getrennt sind. Damit kann die Wärme der verdichteten Zuluft auf die Abluft übertragen werden. Gleichzeitig wird in der Abluft befindliche Feuchtigkeit, welche sich dort aufgrund des primär im Bereich des Kathodenraums 4 entstehenden Produktwassers befindet, auf die trockene Zuluft übertragen, sodass diese entsprechend befeuchtet in den Kathodenraum 4 einströmt und damit die empfindlichen Membranen nicht schädigt. Der Vorteil des Aufbaus mit der Turbine 11 ist es dabei, dass in dem Bauteil 14 vom Zuluftstrom auf den Abluftstrom übertragene Energie im Bereich der Turbine 11 wieder genutzt und zumindest teilweise wieder für die Luftfördereinrichtung 9 zur Verfügung gestellt werden kann.
  • Das Brennstoffzellensystem 1 gemäß 1 zeigt außerdem eine Steuerungselektronik 15, welche hier exemplarisch angedeutet ist und mit entsprechenden Komponenten des Brennstoffzellensystems 1 in Verbindung steht. Außerdem sind beispielhaft drei Sensoren 16, 17, 18 dargestellt, welche entsprechende Werte an die Steuerungselektronik 15 liefern, welche dann zur Ansteuerung beispielsweise der Luftfördereinrichtung 9, der Rezirkulationsfördereinrichtung 8, des Dosierventils 6, der Turbine 11 oder dergleichen verwendet werden können. Dabei sollen die Sensoren 16 und 17 entsprechende Drucksensoren darstellen, während der Sensor 18 einen Wasserstoffkonzentrationssensor symbolisiert. Die Steuerungselektronik 15 ist dabei in an sich bekannter Weise auch mit der Brennstoffzelle 2 selbst verbunden und kann die Funktionalität des gesamten Brennstoffzellensystems 1 überwachen und steuern bzw. regeln. Beim Einsatz in einem Fahrzeug wird die Steuerungselektronik 15 außerdem mit einer Fahrzeugsteuergerät in Verbindung stehen, um die entsprechenden Anforderungen des Fahrzeugs an das Brennstoffzellensystem 1 entsprechend umzusetzen, beispielsweise indem das Brennstoffzellensystem 1 die vom Fahrzeug gestellte Leistungsvorgabe entsprechend umsetzt. Damit kann die gewünschte Vortriebsenergie durch das Brennstoffzellensystem 1 erzeugt werden, wenn dieses zumindest einen Teil der Antriebsenergie für das Kraftfahrzeug liefert. Beim ebenso denkbaren Einsatz des Brennstoffzellensystems 1 als Hilfsenergiesystem könnte eine entsprechende Anforderung vom elektrischen Nebenaggregat des Fahrzeugs, z. B. einer Klimaanlage oder einer entsprechenden Elektronikkomponente erfolgen.
  • Dieser bis hierher beschriebene Aufbau entspricht dabei dem entsprechenden Teil eines Brennstoffzellensystems 1, wie es auch aus dem Stand der Technik bekannt ist. Aufgrund der Tatsache, dass dem Kathodenraum 4 Luft zugeführt wird, und dass der Wasserstoff über die Rezirkulationsleitung 7, in einem sogenannten Anodenloop, um den Anodenraum 3 geführt wird, kommt es mit der Zeit zu einer Anreicherung von Stickstoff im Bereich der Rezirkulationsleitung 7 und des Anodenraums 3, da Stickstoff durch die Membran hindurch aus der Luft im Kathodenraum 4 in den Bereich des Anodenraums 3 diffundiert. Außerdem wird ein Teil des entstehenden Produktwassers im Bereich des Anodenraums 3 entstehen, wenn auch der größte Teil des Produktwassers im Kathodenraum 4 anfällt. Aufgrund der Kreislaufführung des Gases um den Anodenraum 3 kommt es nun also zu einer Anreicherung von Stickstoff und Wasser im Bereich des Anodenloops. Um dennoch eine ausreichende Menge an Wasserstoff bzw. eine ausreichend hohe Wasserstoffkonzentration im Anodenraum 3 der Brennstoffzelle 2 sicherstellen zu können, muss dieser Stickstoff in herkömmlichen Systemen von Zeit zu Zeit abgeblasen werden (Purge). Auch das anfallende Wasser muss von Zeit zu Zeit abgelassen werden (Drain). Der Drain und der Purge erfolgen in dem Aufbau gemäß 1 mittels der Ventileinrichtung 13, die im hier dargestellten Ausführungsbeispiel am Wasserabscheider 12 angebracht ist.
  • In der Darstellung der 2 ist der detaillierte Aufbau der Ventileinrichtung 13 in einer schematisch dargestellten Ausführungsform zu erkennen. Die Ventileinrichtung 13 verfügt dabei über zwei Strömungswege, nämlich einen schaltbaren Strömungsweg 19 mit einem Ventilelement 20 sowie einen Überströmweg 21, welcher in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel über eine Blende 22 einen fest vorgegebenen durchströmbaren Querschnitt haben soll. Der schaltbare Strömungsweg 19 und der Überströmweg 21 sind dabei parallel in der Ventileinrichtung 13 geführt, sodass auch bei geschlossenem Ventil 20 eine Strömung durch den Überströmweg 21, welcher auch als Bypass bezeichnet werden könnte, auftreten kann. Über die Ventileinrichtung 13 ist der Wasserabscheider 12 nun mit dem Bereich der Zuluft zum Kathodenraum 4 verbunden. Im regulären Betrieb, bei geschlossenem schaltbarem Strömungsweg 19 wird daher anfallendes und sich in dem Wasserabscheider 12 ansammelndes Wasser über den Überströmweg 21 aus dem Wasserabscheider abströmen und in den Bereich der Zuluft zum Kathodenraum 4 gelangen. Insbesondere im Bereich der Zusammenführung nach der Luftfördereinrichtung 9, wird die Zuluft entsprechend heiß und trocken vorliegen, sodass durch die eingebrachte Feuchtigkeit bzw. das eingebrachte Wasser aus dem Bereich des Wasserabscheiders 12 eine Kühlung und Befeuchtung der Zuluft erfolgt, was für die Konditionierung der Zuluft, welche dann typischerweise noch einen Ladeluftkühler und/oder einen Befeuchter durchströmt, durchaus von Vorteil ist. Nachdem der Wasserabscheider durch den Überströmweg 21 entsprechend leer ist, also das in ihm befindliche Wasser weitgehend abgelassen wurde, wird außerdem ein Teil des Gases aus dem Bereich der Rezirkulationsleitung 7 über den Überströmweg 21 der Ventileinrichtung 13 mit abgeblasen, welches ebenfalls in den Bereich der Zuluft zum Kathodenraum 4 gelangt. Dieses Gas wird primär aus inerten Gasen, insbesondere aus Stickstoff, bestehen. Im Allgemeinen wird jedoch ein kleiner Teil an Wasserstoff mit enthalten sein. Dieser wird im Bereich der Zuluft zum Kathodenraum 4 entsprechend mit der Zuluft gemischt. An den im Kathodenraum 4 vorhandenen Katalysatoren kann das Gemisch aus Sauerstoff und Restwasserstoff in dem Purgegas dann zu Wasser reagieren, ohne dass über die Abluftleitung aus dem Kathodenraum 4 Emissionen von Wasserstoff an die Umgebung zu befürchten wären.
  • Über die Blende 22 im Überströmweg 21 der Ventileinrichtung 13 wird typischerweise immer zuerst dass sich ansammelnde Wasser abströmen. Erst dann erfolgt ein Abblasen von Gas aus dem Bereich der Rezirkulationsleitung 7. Dies ist bei den allgemeinen Betriebsbedingungen, insbesondere im Teillastbereich des Brennstoffzellensystem 1 so gewollt und typischerweise auch sowohl hinsichtlich des Drains als auch hinsichtlich des Purgs ausreichend. In besonderen Situationen, wenn sich entsprechend viel inertes Gas in der Rezirkulationsleitung 7 angesammelt hat, kann über die Steuereinrichtung 15 das Ventil 20 des schaltbaren Strömungswegs entsprechend geöffnet werden. Dann kommt es zusätzlich zu einem Abblasen eines größeren Volumens, auch hier zuerst des Wassers und dann des Gases. Da über die Steuereinrichtung 15 entsprechende Werte des Systems wie Drücke, Temperaturen und dergleichen bekannt sind, kann ein Öffnen des Ventils 20 im schaltbaren Strömungsweg 19 so gesteuert werden, dass dieses zu einem Zeitpunkt erfolgt, in dem die geeigneten Bedingungen im Kathodenraum 4 vorliegen, sodass einerseits die eingebrachte Feuchtigkeit und andererseits der mit eingebrachte Restwasserstoff in dem Purgegas in dem Kathodenraum 4 entsprechend umgesetzt werden kann, ohne den Betrieb der Brennstoffzelle 2 massiv zu beeinträchtigen. Als Auslöser für einen derartigen Purge über das Ventil 20 im schaltbaren Strömungsweg 9 kann beispielsweise die Wasserstoffkonzentration im Bereich der Rezirkulationsleitung 7 herangezogen werden. Eine solche kann, wie hier beispielhaft dargestellt, über einen Wasserstoffkonzentrationssensor 18 entsprechend gemessen und in der Steuerungselektronik 15 verarbeitet werden. Wenn die Wasserstoffkonzentration aufgrund einer großen Menge an angereichertem Stickstoff in der Rezirkulationsleitung 7 sinkt, kann über ein Öffnen des Ventils 20 im schaltbaren Strömungsweg 19 der Ventileinrichtung 13 ein Abblasen dieses Stickstoffs parallel zum ansonsten immer offenen Strömungsweg durch den Überströmweg 21 mit seiner Blende 22 realisiert werden.
  • Alternativ oder ergänzend zur Messung der Wasserstoffkonzentration kann ein Öffnen des Ventils 20 auch dann erfolgen, wenn entsprechend viel Wasser im Bereich des Wasserabscheiders 12 und der Rezirkulationsleitung 7 vorliegt. Da auf die typischerweise sehr empfindlichen Levelsensoren im Bereich des Wasserabscheiders 12 verzichtet werden soll, kann dann eine entsprechende Verschlechterung der Brennstoffzellenperformance oder einfach eine zeitgesteuerte Öffnung des Ventils 20 für den Drain vorgesehen werden.
  • Die Blende 22 wird hinsichtlich ihres durchströmbaren Durchmessers entsprechend den jeweiligen Systembedingungen des vorliegenden Brennstoffzellensystems 1 gewählt. Insbesondere muss der Durchflussfaktor so gewählt werden, dass immer eine bestmögliche Abfuhr des Wassers gewährleistet ist und dass in Abstimmung mit dem Volumenstrom in der Rezirkulationsleitung 7 außerdem dafür gesorgt ist, dass nur eine geringe Menge an Wasserstoff über den Überströmweg 21 aus dem Bereich des Anodenraums 3 und der Rezirkulationsleitung 7 ausgetragen wird. In einem kleinen Brennstoffzellensystem 1 wird daher eine kleinere Blende eingesetzt sein als in einem großen Brennstoffzellensystem 1 mit größeren Volumenströmen durch die Brennstoffzelle 2.
  • Insgesamt entsteht damit ein sehr einfacher und effizienter Aufbau eines Brennstoffzellensystems 1, welcher eine entsprechend sichere Funktionalität erlaubt und insbesondere nicht in Abhängigkeit von sehr stark gegen Verschmutzung anfälligen Levelsensoren gesteuert wird. Der Aufbau der Ventileinrichtung 13 kann dabei entsprechend der Darstellung in 2 realisiert werden. Dabei ist sowohl ein Aufbau mit einem Ventil 20 und einer darum gelegten Bypassleitung als Überströmweg 21 denkbar. Parallel dazu kann der Überströmweg 21 auch in das Ventil 20 integriert sein, beispielsweise als Bypasskanal im Ventilgehäuse. Außerdem wäre es denkbar, den Überströmweg 21 unmittelbar in das Ventil 20 mit zu integrieren, sodass eine integrierte und äußerst kompakte Ventileinrichtung 13 entsteht. Die 3 und 4 zeigen mögliche Ausführungsformen einer derartigen Ventileinrichtung 13. Die Darstellung der 3 und 4 zeigt dabei ein Ventilgehäuse 23, in dem beispielhaft ein Ventilsitz 24 und ein mit diesem Ventilsitz 24 korrespondierender Ventilstößel 25 dargestellt sind. Wie durch den Doppelpfeil in einem Schaft 26 des Ventilstößels 25 angedeutet, kann der Ventilstößel 25 entsprechend bewegt werden, sodass zwischen dem Ventilstößel 25 und dem Ventilsitz 24 ein durchströmbarer Querschnitt freigegeben wird. Der Ventilstößel 25 kann beispielsweise über magnetische Kräfte entsprechend bewegt werden, sodass ein Magnetventil vorliegt. In der Darstellung der 3 ist nun zu erkennen, dass im Ventilstößel 25 eine Nut 27 vorgesehen ist. Durch diese Nut 27 als Ausnehmung entsteht der Überströmweg 21 auch bei geschlossenem Ventil 20, also immer dann, wenn der Ventilstößel 25 – wie in den 3 und 4 dargestellt – am Ventilsitz 24 anliegt. Die Nut 27 kann dabei jeweils einmal oder auch mehrfach in dem Ventilstößel 25 vorgesehen sein. Ihr Querschnitt definiert dabei den Durchflussfaktor und ersetzt die in 2 dargestellte Blende 22. Die Darstellung in 4 ist im Wesentlichen analog der Darstellung in 3 zu verstehen. Anstelle der Nut 27 ist hier eine Bohrung 28 in dem Ventilstößel 25 angebracht. Die Bohrung 28 erlaubt es einer geringen Menge an Medium kontinuierlich durch die Ventileinrichtung 13 zu strömen, auch dann, wenn das Ventil 20 geschlossen ist und der Ventilstößel 25 am Ventilsitz 24 dichtend anliegt. Dabei können analog dem oben dargestellten Beispiel auch mehrere Bohrungen 28 vorgesehen werden.
  • Der Aufbau des Brennstoffzellensystems 1 in der hier dargestellten Ausführungsform ist nun hinsichtlich der Auslegung des Überströmwegs 21 vergleichsweise kritisch, da dieser, wie bereits mehrfach erwähnt, so gestaltet sein muss, dass nicht mehr Wasserstoff aus dem Bereich der Rezirkulationsleitung 7 verloren geht als unbedingt notwendig. Nun ist es jedoch so, dass über verschiedene Betriebsbedingungen des Brennstoffzellensystems 1 hinweg unterschiedliche Mengen an Wasser und Stickstoff im Bereich der Rezirkulationsleitung 7 anfallen werden. Es wäre daher wünschenswert, verschiedene Durchmesser des Überströmwegs für verschiedene Betriebszustände vorzusehen. Grundsätzlich wäre dies möglich, indem mehrere Überströmwege parallel vorgesehen sind, wobei über entsprechende Ventileinrichtungen einzelne Überströmwege entsprechend zugeschaltet bzw. abgeschaltet würden. Dadurch würde jedoch der Vorteil der geringen Anzahl an Bauteilen und des einfachen Systems weitgehend aufgebraucht. Daher kann es gemäß einer besonders günstigen Ausgestaltung des Systems vorgesehen sein, dass die Blende 22 als flexible Blende ausgestaltet ist. In der Darstellung der 5 ist die Blende 22 als eine solche flexible Blende beispielhaft dargestellt. Die flexible Blende kann als Öffnung 29 in einer Membran 30 ausgebildet sein. Die Membran 30 selbst ist dabei weder für Wasser noch für Gas durchlässig, sodass der Querschnitt des Überströmwegs 21 durch die Größe der Öffnung 29 bestimmt wird. Tritt nun im Bereich des Wasserabscheiders 12 ein entsprechender Druck auf, welcher höher ist als der Druck im Bereich nach der Ventileinrichtung 13, insbesondere also der Druck im Bereich der Kathodenzuluft, so wird sich die Membran 30 entsprechend verformen und beispielhaft die in 5 gestrichelt eingezeichnete Position 30' annehmen. Wie zu erkennen ist, wird die dann mit 29' bezeichnete Öffnung größer, sodass die Blende 22 in Abhängigkeit der Druckdifferenz zwischen den beiden Seiten der Blende 22 ihren durchströmbaren Öffnungsquerschnitt 29, 29' entsprechend verändert. Dies erfolgt passiv und ohne dass eine Ansteuerung der Blende 22 beispielsweise mittels Magneten oder dergleichen notwendig wäre. Der Vorgang kann allerdings gezielt beeinflusst werden, indem über die Steuerungselektronik 15 die Drücke im Bereich der Kathode 4 und der Anode 3 entsprechend beeinflusst werden, sodass es zu einer Auslenkung der Membran 30, 30' im Bereich der flexiblen Blende 22 kommt. Damit kann der Durchfluss durch den Überströmweg 21 entsprechend fein justiert werden. Da die Drücke zwischen Kathode 4 und Anode 3 ohnehin ständig überwacht und über die Luftfördereinrichtung 9, die Turbine 11, welche üblicherweise ein variable Turbinengeometrie aufweist, und damit den Gegendruck im Katzhodenraum regeln kann, sowie die Zufuhr von Wasserstoff über die Dosiereinrichtung 6 entsprechend angepasst werden können, stellt diese Regelung zur Feinanpassung der abgeführten Menge an Wasser und Gas über die Ventileinrichtung 13 nur einen minimalen zusätzlichen Aufwand dar, mit dem jedoch die Funktionalität des Systems gegenüber der einfachen Variante mit fester Blende 22 nochmals erhöht werden kann.
  • Insbesondere wenn der Druck im Bereich der Rezirkulationsleitung 7 und damit auch im Bereich des Anodenraums 3 entsprechend erhöht ist, ist eine größere Öffnung der flexiblen Blende 22 wünschenswert. Im umgekehrten Fall jedoch eher nicht. Um mit dem in 5 dargestellten Aufbau zu erreichen, dass die Blende 22 sich nur dann weiter öffnet, wenn im Bereich der Rezirkulationsleitung 7 ein entsprechend höherer Druck vorliegt, kann im Bereich der Blende 22 ein Stabilisierungsmittel 31 beispielsweise in Form eines Gitters oder Lochblechs eingebracht werden. Dieses Stabilisierungsmittel 31 kann dabei so ausgebildet sein, dass die Membran 30 bei ausgeglichener Druckdifferenz im Bereich des Stabilisierungsmittels 31 anliegt. Kommt es nun zu einem Überdruck auf der Seite der Kathodenzuluft bzw. des Kathodenraumes 4, so wird die Membran von dem Stabilisierungsmittel 31 in ihrer Position gehalten und kann sich nicht in Richtung der Rezirkulationsleitung 7 und des Wasserabscheiders 12 hin aufwölben. Damit bleibt die Öffnung 29 in ihrem definierten Öffnungsquerschnitt, obwohl eine Druckdifferenz zwischen den beiden Seiten vorliegt. Bei einer Druckdifferenz mit anderem Vorzeichen stört das Stabilisierungsmittel 31 in seiner Anordnung gemäß 5 die oben beschriebene Funktion nicht.
  • In einer Weiterbildung dieser Idee kann es außerdem vorgesehen sein, dass in diesem Ruhezustand die Öffnung 29 der flexiblen Blende 22 so gewählt ist, dass diese sich erst öffnet, wenn eine gewisse Auslenkung der Membran 30 realisiert ist. Damit könnte dann erreicht werden, dass die Ventileinrichtung 13 im abgestellten Zustand des Brennstoffzellensystem 1, wenn beide Seiten drucklos sind, entsprechend verschlossen ist, sodass es nicht zu einer Mischung der Gase im Bereich der Rezirkulationsleitung 7 und damit im Bereich des Anodenraums 3 sowie den Gasen im Bereich des Kathodenraums 4 kommt.
  • Die konkreten Ausgestaltungen der 3, 4 und 5 sind dabei lediglich Beispiele für mögliche Ausführungsformen zur Realisierung. Es ist selbstverständlich, dass dem Fachmann alternative Ausgestaltungen geläufig sind, oder durch diesen leicht hergeleitet werden können, welche mit einem anderen konstruktiven Aufbau denselben Zweck erfüllen. Es ist selbstverständlich, dass auch diese alternativen Ausführungsformen unter die Erfindung fallen.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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    • - DE 10311785 A1 [0006, 0006]

Claims (19)

  1. Brennstoffzellensystem mit wenigstens einer Brennstoffzelle, welche einen Anodenraum und einen Kathodenraum aufweist, wobei eine Rezirkulationsleitung vorgesehen ist, durch welche Abgas aus dem Anodenraum in einen Bereich vor dem Anodenraum zurückführbar ist, und wobei im Bereich der Rezirkulationsleitung und/oder des Anodenraums wenigstens ein Mittel zum Austragen von Medien vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Mittel als Ventileinrichtung (13) ausgebildet ist, welche einen schaltbaren Strömungsweg (19) und einen Überströmweg (21) aufweist.
  2. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Bereich der Rezirkulationsleitung (7) und/oder des Anodenraums (3) genau eine Ventileinrichtung (13) aufweist.
  3. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Überströmweg (21) als eigenständiges Leitungselement um den schaltbaren Strömungsweg (19) der Ventileinrichtung (13) ausgebildet ist.
  4. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Überströmweg (21) als Kanalelement in die Ventileinrichtung (13) integriert um den schaltbaren Strömungsweg (19) der Ventileinrichtung (13) ausgebildet ist.
  5. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Überströmweg (21) als gezielte Öffnung (27,28) in dem schaltbaren Strömungsweg (19) der Ventileinrichtung (13) ausgebildet ist.
  6. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die gezielte Öffnung als Ausnehmung (27) oder Bohrung (28) im Bereich eines Ventilstößels (25) und/oder eines Ventilsitzes (24) ausgebildet ist.
  7. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Überströmweg (21) eine Blende (22) aufweist, durch welche sein durchströmbarer Querschnitt festgelegt ist.
  8. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Blende (22) als feste Blende ausgebildet ist.
  9. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Blende (22) als flexible Blende ausgebildet ist, deren Öffnungsquerschnitt (29) sich in Abhängigkeit der Druckdifferenz auf den beiden Seiten der Blende (22) selbsttätig ändert.
  10. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Blende (22) ihren durchströmbaren Querschnitt (29) mit zunehmenden Druck im Bereich der Rezirkulationsleitung (7) und/oder des Anodenraums (3) vergrößert.
  11. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Bereich der Rezirkulationsleitung (7) einen Wasserabscheider (12) aufweist, wobei die Ventileinrichtung (13) im Auslassbereich des Wasserabscheiders (12) angeordnet ist.
  12. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Ventileinrichtung (13) der Bereich der Rezirkulationsleitung (7) und/oder des Anodenraums (3) mit dem Bereich der Kathode (4), insbesondere dem Bereich der Zuluft zur Kathode (4), verbunden ist.
  13. Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass, über die Ventileinrichtung (13) Medien in zwei verschiedenen Aggregatzuständen ausgetragen werden.
  14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Austrag der Medien aus dem Bereich der Bereich der Rezirkulationsleitung (7) und/oder des Anodenraums (3) in den Bereich der Kathode (4), insbesondere in den Bereich der Zuluft zur Kathode (4), erfolgt.
  15. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass der schaltbare Strömungsweg (19) der Ventileinrichtung (13) immer nur dann geöffnet wird, wenn die Wasserstoffkonzentration im Bereich der Rezirkulationsleitung (7) und/oder des Anodenraums (3) unter einen vorgegebenen Wert fällt.
  16. Verfahren nach Anspruch 13, 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass der schaltbare Strömungsweg (19) der Ventileinrichtung (13) immer nur dann geöffnet wird, wenn die Wassermenge im Bereich der Rezirkulationsleitung (7) und/oder des Anodenraums (3) über einen vorgegebenen Wert ansteigt.
  17. Verfahren nach Anspruch 14, 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass der durch den Überströmweg (21) strömende Volumenstrom durch eine aktive Veränderung der Drücke im Bereich der Bereich der Rezirkulationsleitung (7) und/oder des Anodenraums (3) und im Bereich der Kathode (4), insbesondere dem Bereich der Zuluft zur Kathode (4), beeinflusst wird.
  18. Verwendung eines Brennstoffzellensystems nach einem der Ansprüche 1 bis 12 oder eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 13 bis 17, in einem Transportmittel auf dem Land, im Wasser oder in der Luft.
  19. Verwendung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass über das Brennstoffzellensystem (1) elektrische Energie für den Antrieb erzeugt wird.
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