WO2010054937A1 - Brennstoffzellensystem mit energieeffizientem reaktandenrecycling - Google Patents

Brennstoffzellensystem mit energieeffizientem reaktandenrecycling Download PDF

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reactant
monitoring unit
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Ulrich Gottwick
Jens Intorp
Daniel Zirkel
Gunter Wiedemann
David Schlipf
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Robert Bosch Gmbh
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Definitions

  • the present invention relates to a fuel cell system with at least one fuel cell for the electrochemical conversion of two reactants having the features of the preamble of claim 1, wherein the fuel cell has two electrode spaces, with a first supply line for supplying a first reactant in a first electrode space of a derivative, for discharging a residual gas from the first electrode space, wherein the residual gas has an electrochemically unused portion of the first reactant, a recirculation element to promote the residual gas from the discharge into the first supply line, an outlet valve to divert the residual gas into an environment of the fuel cell system. Furthermore, the invention relates to a method for operating a fuel cell system with the features of claim 9.
  • the fuel cell has two electrodes to which two reactants, such as hydrogen and oxygen, are supplied.
  • the hydrogen supplied to an electrode - the anode - splits into H + ions with the release of electrons. While the electrons can be used to generate energy via an external power circuit, the protons diffuse through a membrane element to the second electrode - the cathode. Subsequently, a reaction of the protons with oxygen can take place at the cathode, so that water is produced as a result.
  • the two electrodes form with the membrane element a membrane electrode assembly (MEA - Membrane Electrode Assembly).
  • a flow field plate serves to distribute the reactants over an active area of the electrode and to provide mechanical stability. To make this possible, known flow field plates on ducts. Between the membrane-electrode unit and the flow field plate, a respective gas diffusion layer is arranged. This gas diffusion layer has the function of distributing the reactants hydrogen or oxygen uniformly over the entire surface of the electrodes and removing the reaction products of electricity, heat and water from the electrodes.
  • the cathode side is supplied with air and the anode side with pure hydrogen.
  • a constant flow is ensured for the cathode side to ensure an adequate supply of oxygen and the removal of product water.
  • the exiting from the anode side exhaust gases are not discharged into the environment, but conveyed by means of a Rezirkulationsgebläses back into the region of the inlet of the flow field plate of the anode.
  • the amount of hydrogen which is provided to the anode not fully implemented. Consequently, the exhaust gas of the anode has a certain amount of hydrogen.
  • the object of the present invention is to disclose a fuel cell system which overcomes the aforementioned disadvantages, in particular uses the reactants provided in a particularly efficient manner.
  • the fuel cell system has a monitoring unit in order to control the outlet valve, wherein the monitoring unit opens the outlet valve when an energy requirement for conveying the residual gas by means of the recirculation element exceeds an energy potential of the first reactant present in the residual gas.
  • the goal is to reintroduce the unused portion of the hydrogen into the anode compartment to trigger an electrochemical reaction.
  • the recirculation element Since it is a closed system, the recirculation element must not only feed the unused hydrogen, but also the other elements of the residual gas, such as water and nitrogen, in the direction of the first supply line. Since the amount of unused portion of the hydrogen remains relatively constant, but the amount of inactive substances increases, the recirculation element consumes an increasing amount of energy.
  • the energy requirement of the recirculation element exceeds that potential of energy that can still be generated with the first reactant present in the residual gas, hydrogen. After exceeding this point, it makes no energy sense to continue to promote the residual gas with the first reactant contained therein. Because even with a complete Implementation of the first reactant within the anode compartment of the electrical current thus obtained is not sufficient to cover the energy requirement of the recirculation element for conveying the residual gas from the derivative to the first supply line.
  • the term "energy requirement” is intended to designate an amount of energy which must be supplied to operate the recirculation element from the outside. This energy requirement may be related to a specific period of time (eg fractions of seconds) Understanding this invention that amount of current that could be obtained from the present in the residual gas first reactant in a complete electrochemical conversion in the fuel cell. It is thus the amount of electricity that could be generated from the first reactant with optimal utilization.
  • the monitoring unit has an integrated circuit.
  • the integrated circuit may in particular be a microcontroller or FPGA (Field Programmable Gate Array).
  • FPGA Field Programmable Gate Array
  • Such a type of monitoring unit may serve to execute a software program to control and monitor the fuel cell system and / or the exhaust valve.
  • the monitoring unit measures a current and / or voltage generated in the fuel cell.
  • a corresponding measuring device can be arranged between the two electrodes of the fuel cell and / or between the electrodes of the fuel cell system.
  • the current can be determined inductively on a line between the electrodes of a fuel cell. This makes it possible for the monitoring unit to measure the electrochemically generated current.
  • the monitoring unit has a first sensor element, wherein the first sensor element determines a first quantity of the first reactant fed to the fuel cell.
  • the first sensor element may be a mass flow sensor which measures the amount of the first reactant in the first supply line. It is also possible to calculate the mass flow, ie the amount of the first reactant from various other measured quantities and with the help of models.
  • the monitoring unit can control the amount of the first reactant which is supplied to the fuel cell.
  • the monitoring unit has a second sensor element, wherein the second sensor element determines a second quantity of the first reactant present in the residual gas. The second sensor element serves to directly or indirectly determine the energy potential.
  • the fuel cell system has a return line, which serves to return the residual gas from the anode region into the first supply line. Thus, it makes sense to arrange the second sensor element in this return line.
  • the second sensor element may be a mass sensor which determines the amount of second reactant present in the residual gas.
  • a further advantageous embodiment is characterized in that the monitoring unit determines the energy potential directly or indirectly from the current and / or the first amount of the first reactant and / or the second amount of the first reactant.
  • Reactant feeds an oxidizer and fuel to the fuel cell to produce electricity therefrom.
  • ambient air is used as the oxidizing agent, which is supplied to the fuel cell.
  • this ambient air in addition to the oxidant oxygen also other inert components, such as CO, CO 2 , N 2 and H 2 O, on.
  • it is supplied with an excess of the oxidant and the fuel.
  • the amount of excess oxidant and / or fuel X is measured in ⁇ , which is defined as:
  • the ratio should be as close to 1 as possible in order to achieve efficient use of the fuel.
  • the consumed fuel can also be calculated from the electric current. Because the electric current is generated by the electrochemical conversion of the fuel.
  • the monitoring unit By measuring the first and second quantities of the first reactant, it is possible for the monitoring unit to determine how large the electrochemically reacted amount of the first reactant is. This can also be done by determining the current from the monitoring unit. Both current and the difference of the first and the second set give a direct indication of the amount of the first reactant reacted in the fuel cell. About the first sensor element, the monitoring unit is informed about how large is the first amount that was supplied to the fuel cell. By means of the information from the generated stream or directly, the second quantity of the first reactant remaining in the residual gas can be determined.
  • This second quantity of the first reactant still present in the residual gas is directly proportional to the energy potential. Consequently, only one scaling factor, which depends on the technical characteristics of the fuel cell, is required in order to determine the energy potential from the second quantity of the first reactant present in the residual gas.
  • the recirculation element has a conveying device, wherein the conveying device is flow-technically designed for compressing the residual gas.
  • the recirculation element ensures that the residual gas, which is led out by means of the discharge from the first electrode space, is conveyed back in the direction of the first supply line.
  • this recirculation element has a conveyor, such as a pump, etc. At the same time, the conveyor serves to compress the residual gas in order to overcome a pressure drop of the fuel cell acting as throttle.
  • a further advantageous embodiment is characterized in that the monitoring unit measures directly or indirectly a power consumption of the conveyor and / or the Rezirkulationselement.es.
  • the amount of residual gas increases with increasing operating time. Consequently, the conveyor and / or the recirculation requires ever higher power consumption to promote the residual gas from the derivative into the first supply line.
  • the power consumption of the conveyor and / or the Rezirkulationselement.es is thus indirectly or directly linked to the energy demand for conveying the residual gas.
  • the delivery device and / or the recirculation element should not consume more energy and / or electricity than can still be generated by means of the first reactant remaining in the residual gas. Should this level be exceeded, the outlet valve is opened according to the invention by the monitoring unit.
  • a further advantageous embodiment variant of the fuel cell system according to the invention is characterized in that the fuel cell system has a pumping device, which is fluidically arranged in the supply line and is designed to compress the first reactant to be supplied and / or the residual gas.
  • the first reactant is generally supplied from a tank to the fuel cell system.
  • the tank may be a compressed gas storage or an adsorption storage.
  • the pumping device serves to compress the first reactant and forward it to the fuel cell system and / or the fuel cell according to the desired pressure. Since the residual gas is guided by means of the Rezirkulationselement.es in the first supply line, the pumping means may be arranged such that it is also formed for the compression of the residual gas.
  • the object of the invention is also achieved by the method disclosed herein for operating a fuel cell system with at least one fuel cell, wherein two reactants are electrochemically reacted in an operating state in the fuel cell, the two reactants are supplied to two electrode spaces by means of two leads, an electrochemically unused part of a first Reactants are derived in a residual gas from a first electrode space, a recirculation element promotes the residual gas in a first supply line of the first electrode space, and the exhaust gas is discharged by means of an exhaust valve in an environment of the fuel cell system, when an energy demand for conveying the residual gas, an energy potential of the residual gas exceeds existing first reactants.
  • inert components can be produced and / or fed to the residual gas by one of the reactants.
  • it may be nitrogen, which is added by the ambient air of the fuel cell.
  • the amount of inert components and thus the amount of residual gas increase in the course of an operating state of the fuel cell system.
  • the invention provides that the exhaust valve discharges the residual gas in an environment of the fuel cell system when the energy required to convey the residual gas energy requirement is greater than the energy potential of the present in the residual gas first reactant.
  • the energy requirement for conveying the residual gas can be determined from a technical quantity, in particular a flow of the fuel cell or a power consumption of a recirculation element provided for the delivery of the residual gas.
  • the generated current of the fuel cell or the power consumption of the recirculation element is determined using an ammeter and / or a similarly designed measuring device.
  • Another advantageous method step is characterized in that the energy potential is determined from a second quantity of the first reactant present in the residual gas.
  • the energy potential serves as a measure of whether further conveying of the residual gas still makes sense or whether an opening of the exhaust valve is to be triggered.
  • the energy potential can advantageously be determined indirectly or directly from a current which can be generated in the fuel cell from the first reactant present in the residual gas. The energy potential thus reflects the current that could be generated upon complete conversion of the first reactant in the fuel cell.
  • the method may further comprise the following steps:
  • Reactants serve to determine the energy potential and / or the second quantity of the first reactant present in the residual gas. Based on the individual steps can be determined whether the time is given to open the exhaust valve and drain the residual gas into the environment of the fuel cell.
  • FIG. 1 shows a fuel cell system according to the invention
  • FIG. 2 shows the fuel cell system according to the invention in a schematic
  • FIG. 3 is a further schematic representation of the invention
  • each of the electrode spaces of the fuel cell 110 has a flow field plate 140.
  • the first reactant is fed to the first electrode space 11 1 by means of a first feed line 20.
  • the second reactant is introduced via a second supply line 21 into the second electrode space 12.
  • hydrogen is introduced through the first supply line 20 into the first electrode space 1100-also referred to below as the anode space.
  • the hydrogen thus introduced can react with oxygen electrochemically.
  • This oxygen is supplied to the fuel cell 110 via the second supply line 21.
  • ambient air is introduced through the second supply line 21 into the second electrode space 112.
  • an electrochemical reaction can then take place on the membrane and the electrode elements.
  • the cathode space - From the second electrode space 112 - also referred to below as the cathode space - the remaining air is carried out by a cathode outlet 26. Also, a portion of the product water, which is formed in the electrochemical reaction in the fuel cell 1 10, discharged through this cathode outlet 26.
  • FIG. 2 shows a schematic representation of the first electrode space 11 1 of the fuel cell 1 10.
  • this electrode space 11 is of particular importance, since the first reactant is converted in it.
  • This first reactant here hydrogen
  • a first sensor element 61 determines a first amount of hydrogen supplied to the fuel cell.
  • This hydrogen flows into the first electrode space 11 1 and is converted there electrochemically.
  • the first quantity of hydrogen is chosen to be greater than that actually converted in the fuel cell 110.
  • a residual gas flows, which u. a. having an electrochemically unused portion of the first reactant.
  • a recirculation element 30 is integrated, which serves to promote the residual gas 90 in the first supply line 20 of the first electrode chamber 11 1.
  • a conveying device 31 is integrated in the recirculation element, which is designed for the compression of the residual gas 90 in terms of flow.
  • the residual gas 90 has primarily two components: an unused portion 92 of the first reactant and inert components 91. These inert components 91 are primarily nitrogen, which enters the fuel cell 110 with the ambient air.
  • the ambient air serves to guide the designed as an oxidant second reactants in the fuel cell. Since ambient air not only has pure oxygen, other gaseous elements are also transported into the fuel cell.
  • the nitrogen of the ambient air can diffuse through the membrane into the first electrode space 11 1 and forms a decisive part of the residual gas 90.
  • the recirculation element 30 serves to remove this residual gas 90 from the outlet of the Fuel cell to promote back to the first supply line 20.
  • the inlet valve 55 By a corresponding adjustment of the inlet valve 55, the amount of hydrogen supplied and its concentration in the residual gas is almost constant.
  • the amount of inert components 91 present in the residual gas increases. Consequently, the recirculation element 30 has to circulate an ever larger volume of residual gas 90 in terms of time. The energy requirement for conveying the residual gas 90 increases over time.
  • the fuel cell system 10 has a monitoring unit 60 in order to control the outlet valve 50, as also illustrated in FIG. It is provided that the monitoring unit 60 opens the outlet valve 50 when an energy requirement for conveying the residual gas 90 by means of the recirculation element 30 exceeds an energy potential of the present in the residual gas 90 first reactant.
  • the energy requirement is to be understood as meaning the amount of current and / or voltage required by the recirculation element 30 and / or the delivery device 31 in order to convey the residual gas 90 from the discharge line 25 into the first supply line 20.
  • a corresponding measuring device can be arranged in monitoring unit 60 or recirculation element 30. In FIG.
  • a regulator 40 which is connected to the recirculation element 30 and supplies the control voltage for the recirculation element 30.
  • This control voltage can be determined by the monitoring unit 60.
  • a first sensor element 61 is integrated, wherein the first sensor element 61 is used to determine the fuel cell 1 10 supplied first amount of the first reactant.
  • a second sensor element 62 is located in the return line 32. This second sensor element 62 serves to determine the second quantity of the first reactant present in the residual gas. The second amount is the unused portion 92 of the first reactant.
  • the monitoring unit 60 By measuring this proportion of the second quantity and / or the unused portion 92 of the first reactant in the residual gas, it is possible for the monitoring unit 60 to calculate what the maximum amount of electrical power to be generated from this portion of the first reactant is. It can be assumed that in the optimal case, a complete conversion of the residual gas 90 existing unused portion 92 and / or the second amount of the first reactant in the fuel cell 1 10 can be done. The resulting by this reaction energy potential of the existing in the residual gas first reactant is compared with the current energy requirements for conveying the residual gas 90. If the energy requirement of the recirculation element 30 exceeds the energy potential of the first reactant present in the residual gas, the monitoring unit 60 opens the outlet valve 50. As a result, the residual gas 90 flows into the environment 51 of the fuel cell 110.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem (10) mit wenigstens einer Brennstoffzelle (110) zur elektrochemischen Umsetzung zweier Reaktanden, wobei die Brennstoffzelle (110) zwei Elektrodenräume (111, 112) aufweist, mit einer ersten Zuleitung (20), zum Zuführen eines ersten Reaktanden in einen ersten Elektrodenraum (111), einer Ableitung (25), zum Ableiten eines Restgases (90) aus dem ersten Elektrodenraum (111), wobei das Restgas (90) einen elektrochemisch unverbrauchten Teil des ersten Reaktanden aufweist, einem Rezirkulationselement (30), um das Restgas (90) von der Ableitung (25) in die erste Zuleitung (20) zu fördern, einem Auslassventil (50), um das Restgas (90) in eine Umgebung des Brennstoffzellensystems (10) abzuleiten. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das Brennstoffzellensystem (10) eine Überwachungseinheit (60) aufweist, um das Auslassventil (50) zu steuert, wobei die Überwachungseinheit (60) das Auslassventil (50) öffnet, wenn ein Energiebedarf zum Fördern des Restgases (90) mittels des Rezirkulationselements (30) ein Energiepotential des im Restgas (90) vorhandenen ersten Reaktanden übersteigt.

Description

Beschreibung
Titel
BRENNSTOFFZELLENSYSTEM MIT ENERGIEEFFIZIENTEM REAKTANDENRECYCLING
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem mit wenigstens einer Brennstoffzelle zur elektrochemischen Umsetzung zweier Reaktanden mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Patentanspruches 1 , wobei die Brennstoffzelle zwei Elektrodenräume aufweist, mit einer ersten Zuleitung, zum Zuführen eines ersten Reaktanden in einen ersten Elektrodenraum einer Ableitung, zum Ableiten eines Restgases aus dem ersten Elektrodenraum, wobei das Restgas einen elektrochemisch unverbrauchten Teil des ersten Reaktanden aufweist, einem Rezirkulationselement, um das Restgas von der Ableitung in die erste Zuleitung zu fördern, einem Auslassventil , um das Restgas in eine Umgebung des Brennstoffzellensystems abzuleiten. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems mit den Merkmalen des Anspruches 9.
Stand der Technik
Bekannte Brennstoffzellen dienen zur Umwandlung von Wasserstoff in nutzbare elektrische Energie. Um diese elektrochemische Reaktion durchzuführen, weist die Brennstoffzelle zwei Elektroden auf, denen zwei Reaktanden, wie etwa Wasserstoff und Sauerstoff, zugeführt werden. Der an einer Elektrode - der Anode - zugeführte Wasserstoff spaltet sich unter Abgabe von Elektronen in H+-Ionen auf. Während die Elektronen über einen externen Stromkreislauf zur Energiegewinnung genutzt werden können, diffundieren die Protonen durch ein Membranelement zur zweiten Elektrode - der Kathode. An der Kathode kann im Anschluss eine Reaktion der Protonen mit Sauerstoff geschehen, so dass als Ergebnis Wasser entsteht. Die beiden Elektroden bilden mit dem Membranelement eine Membran- Elektroden-Einheit (MEA - Membrane Electrode Assembly). Eine Strömungsfeldplatte dient dazu, die Reaktanden über eine aktive Fläche der Elektrode zu verteilen und für eine mechanische Stabilität zu sorgen. Um dieses zu ermöglichen, weisen bekannte Strömungsfeldplatten Leitungskanäle auf. Zwischen der Membran-Elektroden-Einheit und der Strömungsfeldplatte ist je eine Gasdiffusionsschicht angeordnet. Diese Gasdiffusionsschicht hat die Funktion, die Reaktanden Wasserstoff oder Sauerstoff gleichmäßig über die gesamte Fläche der Elektroden zu verteilen und die Reaktionsprodukte Strom, Wärme und Wasser von den Elektroden abzuführen.
Bei solcher Art Brennstoffzellen erfolgt die Versorgung der Kathodenseite mit Luft und die der Anodenseite mit reinem Wasserstoff. Dabei wird für die Kathodenseite eine ständige Strömung sichergestellt, um eine ausreichende Versorgung mit Sauerstoff und den Abtransport des Produktwassers zu gewährleisten. Aus Effizienzgründen wird versucht, dass von der Anodenseite kein Wasserstoff in die Umgebung gelangt. Um dieses sicherzustellen, werden die aus der Anodenseite austretenden Abgase nicht in die Umgebung abgelassen, sondern mittels eines Rezirkulationsgebläses wieder in den Bereich des Einlasses der Strömungsfeldplatte der Anode befördert. Im Rahmen der elektrochemischen Umsetzung wird die Menge des Wasserstoffes, welcher der Anode zur Verfügung gestellt wird, nicht vollständig umgesetzt. Folglich weist das Abgas der Anode einen gewissen Anteil an Wasserstoff auf. Als nachteilig hat es sich herausgestellt, dass Stickstoff und Wasser von der Kathode zu der Anode diffundieren können und so zu einer Verunreinigung des Wasserstoffs an der Anode führen. Um die Fremdgase aus der Anode zu entfernen, kann ein Ventil am Ausgang geöffnet werden. Als nachteilig hat sich dabei herausgestellt, dass dadurch nicht nur die gewünschten Verunreinigungen entfernt werden, sondern auch nicht genutzter Wasserstoff.
Aufgabe und Vorteile der Erfindung
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Brennstoffzellensystem zu offenbaren, welches die vorbenannten Nachteile überwindet, insbesondere besonders effizient den zur Verfügung gestellten Reaktanden nutzt.
Diese Aufgabe wird durch ein Brennstoffzellensystem mit wenigstens einer Brennstoffzelle mit den Merkmalen des Anspruches 1 in vorteilhafter Weise gelöst. Darüber hinaus wird die Aufgabe durch ein Verfahren zum Betreib eines Brennstoffzellensystems mit wenigstens einer Brennstoffzelle mit den Merkmalen des Anspruches 9 in vorteilhafter weise gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Vorrichtungen ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen. Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem beschrieben sind, gelten dabei selbstver- ständlich auch im Zusammenhang mit dem Verfahren und jeweils umgekehrt. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein.
Bei dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem ist vorgesehen, dass das Brennstoffzellensystem eine Überwachungseinheit aufweist, um das Auslassventil zu steuern, wobei die Überwachungseinheit das Auslassventil öffnet, wenn ein Energiebedarf zum Fördern des Restgases mittels des Rezirkulationselements ein Energiepotential des im Restgas vorhandenen ersten Reaktanden übersteigt.
Der Kerngedanke, sowohl des erfindungsgemäßen Brennstoffzellen Systems als auch des erfindungsgemäßen Verfahrens, besteht darin, dass das Auslassventil in Abhängigkeit von dem Verbleib des im Restgas vorhandenen Reaktanden ausgelöst wird. Um eine kontinuierliche Produktion von elektrischem Strom zu ermöglichen wird dem Brennstoffzellensystem und/oder der Brennstoffzelle eine gleichbleibende Menge an Wasserstoff zugeführt. Da ungefähr bekannt ist, welcher Anteil dieses Wasserstoffes in dem Anodenraum elektrochemisch umgesetzt wird, können Rückschlüsse darauf geführt werden, welcher Anteil des Wasserstoffes aus dem Anodenraum als Restgas austritt. Dieser unverbrauchte Anteil des Wasserstoffes wird mittels des Rezirkulationselementes wieder der Zuleitung der Brennstoffzelle zugeführt, damit das Restgas erneut in den Anodenraum einfließen kann. Das Ziel ist es, den ungenutzten Anteil des Wasserstoffes erneut in den Anodenraum einzubringen, um dort eine elektrochemische Reaktion auszulösen. Durch die Diffusion von Stickstoff und anderen Elementen aus dem Kathodenraum in den Anodenraum findet dort eine Anreicherung des im Restgas vorhandenen Wasserstoffes mit diesen inerten Komponenten statt. Da es sich um ein geschlossenes System handelt, muss das Re- zirkulationselement nicht nur den unverbrauchten Wasserstoff, sondern auch die weiteren Elemente des Restgases, wie Wasser und Stickstoff, in Richtung der ersten Zuleitung fördern. Da die Menge des unverbrauchten Teiles des Wasserstoffes vergleichsweise konstant bleibt, aber die Menge an inaktiven Substanzen steigt, verbraucht das Rezirku- lationselement eine steigende Menge an Energie. An einem gewissen Punkt überschreitet der Energiebedarf des Rezirkulationselementes jenes Potential an Energie, das mit dem im Restgas vorhandenen ersten Reaktanden - Wasserstoff - noch erzeugbar ist. Nach Überschreiten dieses Punktes macht es energetisch keinen Sinn mehr, das Restgas mit dem darin enthaltenen ersten Reaktanden weiter zu fördern. Denn auch bei einer vollständigen Umsetzung des ersten Reaktanden innerhalb des Anodenraumes reicht der so gewonnene elektrische Strom nicht aus, um den Energiebedarf des Rezirkulationselementes für das Fördern des Restgases von der Ableitung zu der ersten Zuleitung zu decken.
Im Rahmen der Erfindung soll der Ausdruck „Energiebedarf" eine Energiemenge bezeichnen, welche zum Betreiben des Rezirkulationselementes von außen zugeführt werden muss. Dieser Energiebedarf kann auf einen spezifischen Zeitraum (beispielsweise Bruchteile von Sekunden) bezogen sein. Unter dem Begriff „Energiepotential" ist im Rahmen dieser Erfindung jene Strommenge zu verstehen, die aus dem im Restgas vorhandenen ersten Reaktanden bei einer vollständigen elektrochemischen Umsetzung in der Brennstoffzelle gewonnen werden könnte. Es handelt sich somit um jene Strommenge, die bei einer optimalen Ausnutzung aus dem ersten Reaktanden erzeugt werden könnte.
In einer ersten vorteilhaften Ausführungsvariante ist vorgesehen, dass die Überwachungseinheit einen integrierten Schaltkreis aufweist. Bei dem integrierten Schaltkreis kann es sich insbesondere um einen Microkontroller oder FPGA (Field Programmable Gate Array) handeln. Eine solcher Art ausgestaltete Überwachungseinheit kann dazu dienen, ein Softwareprogramm auszuführen, um das Brennstoffzellensystem und/oder das Auslassventil zu steuern und zu überwachen. Weiterhin hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Überwachungseinheit einen in der Brennstoffzelle erzeugten Strom und/oder Spannung misst. Zur Messung der Spannung kann ein entsprechendes Messgerät zwischen den beiden Elektroden der Brennstoffzelle und/oder zwischen den Elektroden des B renn stoffzellen Systems angeordnet sein. Zusätzlich kann der Storm induktiv an einer Leitung zwischen den Elektroden einer Brennstoffzelle bestimmt werden. Dadurch ist es der Überwachungseinheit möglich, den elektrochemisch erzeugten Strom zu messen.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsvariante weist die Überwachungseinheit ein erstes Sensorelement auf, wobei das erste Sensorelement eine der Brennstoffzelle zugeführte erste Menge des ersten Reaktanden bestimmt. Es kann sich bei dem ersten Sensorelement um einen Massenstrom-sensor handeln, der die Menge des ersten Reaktanden in der ersten Zuleitung misst. Möglich ist es auch den Massenstrom, also die Menge des ersten Reaktanden aus verschiedenen anderen Messgrößen und mit Hilfe von Modellen zu berechnen. Mittels des ersten Sensorelementes kann die Überwachungseinheit die Menge des ersten Reaktanden steuern, welche der Brennstoffzelle zugeführt wird. Eine weitere vorteilhafte Ausführungsvariante zeichnet sich dadurch aus, dass die Überwachungseinheit ein zweites Sensorelement aufweist, wobei das zweite Sensorelement eine im Restgas vorhandene zweite Menge des ersten Reaktanden bestimmt. Das zweite Sensorelement dient dazu, direkt oder indirekt das Energiepotential zu bestimmen. Das Brennstoffzellensystem weist eine Rückleitung auf, die dazu dient das Restgas aus dem Anodenbereich in die erste Zuleitung zurückzuführen. Somit bietet es sich an, das zweite Sensorelement in dieser Rückleitung anzuordnen. Bei dem zweiten Sensorelement kann es sich um einen Massensensor handeln, der die Menge des im Restgas vorhandenen zweiten Reaktanden bestimmt.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, dass die Überwachungseinheit das Energiepotential mittelbar oder unmittelbar aus dem Strom und/oder der ersten Menge des ersten Reaktanden und/oder der zweiten Menge des ersten Reaktanden bestimmt. Mittels Reaktandenzu-führungen werden ein Oxydationsmittel und ein Brennstoff an die Brennstoffzelle geliefert, um daraus Elektrizität zu erzeugen. Oftmals wird als Oxydationsmittel Umgebungsluft verwendet, welches der Brennstoffzelle zugeführt wird. Allerdings weist diese Umgebungsluft neben dem Oxydationsmittel Sauerstoff auch noch andere inerte Komponenten, wie CO, CO2, N2 und H2O, auf. Um einen effizienten Betrieb der Brennstoffzelle sicherzustellen, wird diese mit einem Überschuss des Oxydationsmittels und des Brennstoffes versorgt. Die Menge des überschüssigen Oxydationsmittels und/oder Brennstoffes X werden in λ gemessen, welches definiert ist als:
λ = [ (mol / sec) an Brennstoffzelle geliefertes X .] /. [ (mol / sec) in Brennstoffzelle verbrauchtes X].
Das Verhältnis sollte möglichst nahe 1 liegen, um eine effiziente Nutzung des Brennstoffes zu erzielen. Der verbrauchte Brennstoff kann auch aus dem elektrischen Strom berechnet werden. Denn der elektrische Strom wird durch die elektrochemische Umsetzung des Brennstoffes erzeugt. Durch die Messung der ersten und zweiten Menge des ersten Reaktanden ist es der Überwachungseinheit möglich zu bestimmen, wie groß die elektrochemisch umgesetzte Menge des ersten Reaktanden ist. Dieses kann auch dadurch geschehen, dass der Strom von der Überwachungseinheit bestimmt wird. Sowohl Strom als auch die Differenz der ersten und der zweiten Menge geben einen direkten Hinweis auf die in der Brennstoffzelle umgesetzte Menge des ersten Reaktanden. Über das erste Sensorelement ist die Überwachungseinheit darüber informiert wie groß die erste Menge ist, die der Brennstoffzelle zugeführt wurde. Mittels der Information aus dem erzeugten Strom oder direkt lässt sich die im Restgas verbleibende zweite Menge des ersten Reaktanden bestimmen. Diese zweite Menge des im Restgas noch vorhandenen ersten Reaktanden ist direkt proportional zum Energiepotential. Folglich braucht es nur eines Skalierungsfaktors, der abhängig ist von den technischen Eigenschaften der Brennstoffzelle, um aus der im Restgas vorhandenen zweiten Menge des ersten Reaktanden das Energiepotential zu bestimmen.
Eine vorteilhafte Ausführungsvariante zeichnet sich dadurch aus, dass das Rezirkulations- element eine Fördereinrichtung aufweist, wobei die Fördereinrichtung strömungs-technisch zur Verdichtung des Restgases ausgebildet ist. Das Rezirkulationselement sorgt dafür, dass das Restgas, welches mittels der Ableitung aus dem ersten Elektrodenraum herausgeführt wird, zurück in Richtung der ersten Zuleitung gefördert wird. Vorteilhafterweise weist dieses Rezirkulationselement eine Fördereinrichtung, wie etwa eine Pumpe etc. auf. Gleichzeitig dient die Fördereinrichtung zur Verdichtung des Restgases, um einen Druckverlust der als Drossel wirkenden Brennstoffzelle zu überwinden.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Überwachungseinheit mittelbar oder unmittelbar eine Leistungsaufnahme der Fördereinrichtung und/oder des Rezirkulationselement.es misst. Die Menge des Restgases steigt mit zunehmender Betriebsdauer. Folglich bedarf die Fördereinrichtung und/oder das Rezirkulationselement einer immer höheren Leistungsaufnahme, um das Restgas von der Ableitung in die erste Zuleitung zu fördern. Die Leistungsaufnahme der Fördereinrichtung und/oder des Rezirkulationselement.es ist somit mittelbar oder unmittelbar verknüpft mit dem Energiebedarf zum Fördern des Restgases. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Fördereinrichtung und/oder das Rezirkulationselement nicht mehr Energie und/oder Strom verbrauchen soll, als noch mittels des im Restgas verbleibenden ersten Reaktanden erzeugt werden kann. Sollte dieses Maß überschritten werden, wird erfindungsgemäß von der Überwachungseinheit das Auslassventil geöffnet. Dann strömt das Restgas in die Umgebung der Brennstoffzelle und muss nicht mehr von der Fördereinrichtung und/oder dem Rezirkulationselement bewegt werden. Eine weitere vorteilhafte Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems zeichnet sich dadurch aus, dass das Brennstoffzellensystem eine Pumpeinrichtung aufweist, die strömungstechnisch in der Zuleitung angeordnet ist und zur Verdichtung des zuzuführenden ersten Reaktanden und/oder des Restgases ausgebildet ist. Der erste Reaktand wird im Allgemeinen aus einem Tank dem Brennstoffzellensystem zugeführt. Bei dem Tank kann es sich um einen Druckgas-Speicher oder einem Adsorptions-Speicher handeln. Um sicherzustellen, dass der erste Reaktand mit einem gleichmäßigen Druck dem Brennstoffzellensystem zugeführt wird, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, die beschriebene Pumpeinrichtung zu nutzen. Sie dient dazu, den ersten Reaktanden zu verdichten und entsprechend des gewünschten Druckes an das Brennstoffzellensystem und/oder die Brennstoffzelle weiterzuleiten. Da das Restgas mittels des Rezirkulationselement.es in die erste Zuleitung geführt wird, kann die Pumpeinrichtung derart angeordnet sein, dass diese auch zur Verdichtung des Restgases ausgebildet ist.
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird auch durch das hier offenbarte Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems mit wenigstens einer Brennstoffzelle gelöst, wobei in einem Betriebszustand in der Brennstoffzelle zwei Reaktanden elektrochemisch umgesetzt werden, die zwei Reaktanden zwei Elektrodenräumen mittels zweier Zuleitungen zugeführt werden, ein elektrochemisch unverbrauchten Teil eines ersten Reaktanden in einem Restgas aus einem ersten Elektrodenraum abgeleitet werden, ein Rezirkulationselement das Restgas in eine erste Zuleitung des ersten Elektrodenraumes fördert, und mittels eines Auslassventil das Restgas in eine Umgebung des Brennstoffzellensystems abgeleitet wird, wenn ein Energiebedarf zum Fördern des Restgases ein Energiepotential des im Restgas vorhandenen ersten Reaktanden übersteigt.
Sämtliche mit Bezug zu dem Brennstoffzellensystem ausgeführte Merkmale gelten auch für das erfindungsgemäße Verfahren und umgekehrt.
Im Rahmen der elektrochemischen Reaktion können inerte Komponenten erzeugt und/oder durch einen der Reaktanden dem Restgas zugeführt werden. Insbesondere kann es sich dabei um Stickstoff handeln, der durch die Umgebungsluft der Brennstoffzelle zugefügt wird. Die Menge der inerten Komponenten und damit die Menge des Restgases steigen im Verlauf eines Betriebszustandes des Brennstoffzellensystems an. Um eine energetisch nicht günstige Förderung des Restgases zu vermeiden, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass das Auslassventil das Restgas in eine Umgebung des Brennstoffzellensystems ableitet, wenn der zum Fördern des Restgases benötigte Energiebedarf größer ist als das Energiepotential des im Restgas vorhandenen ersten Reaktanden. Erfindungsgemäß kann in einem weiteren vorteilhaften Verfahrens-schritt der Energiebedarf zum Fördern des Restgases aus einer technischen Größe, insbesondere eines Stromes der Brennstoffzelle oder einer Leistungsaufnahme eines für die Förderung des Restgases vorgesehenen Rezirkulations- elementes bestimmt werden. Vorteilhafter Weise wird der generierte Strom der Brennstoffzelle oder die Leistungsaufnahme des Rezirkulationselement.es mit einem Amperemeter und/oder einem ähnlich ausgestalteten Messgerät ermittelt.
Ein weiterer vorteilhafter Verfahrensschritt zeichnet sich dadurch aus, dass das Energiepotential aus einer zweiten Menge des im Restgas vorhandenen ersten Reaktanden bestimmt wird. Das Energiepotential dient als Maß dafür, ob ein weiteres Fördern des Restgases noch sinnvoll ist oder ob ein Öffnen des Auslassventils ausgelöst werden soll. Das Energiepotential kann vorteilhafter weise mittelbar oder unmittelbar aus einem Strom bestimmt werden, der in der Brennstoffzelle aus dem im Restgas vorhandenen ersten Reaktanden erzeugbar ist. Das Energiepotential spiegelt folglich jenen Strom wieder, der bei vollständiger Umsetzung des ersten Reaktanden in der Brennstoffzelle generiert werden könnte.
Vorteilhafterweise kann das Verfahren weiterhin die folgenden Schritte aufweisen:
Bestimmen einer der Brennstoffzelle zugeführten ersten Menge des ersten
Reaktanden,
Ermitteln des in der Brennstoffzelle elektrochemisch umgesetzten Anteiles des ersten Reaktanden,
Errechnen eines Verhältnis der zugeführten ersten Menge und des elektrochemisch umgesetzt Anteiles, und
Bestimmen einer im Restgas vorhandenen zweiten Menge des ersten
Reaktanden. Diese Schritte dienen dazu, dass Energiepotential und/oder die zweite Menge des im Restgas vorhandenen ersten Reaktanden zu bestimmen. Auf Basis der einzelnen Schritte kann bestimmt werden, ob der Zeitpunkt gegeben ist, das Auslassventil zu öffnen und das Restgas in die Umgebung der Brennstoffzelle abzulassen.
Als besonders vorteilhaft hat es sich herausgestellt, wenn das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem, welches oben beschrieben wurde, nach einem der hier offenbarten Verfahren betrieben wird.
Weitere Vorteile, Merkmale oder Einzelheiten der Erfindung sind in der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen erläutert werden, beschrieben. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein. Es zeigen:
Figur 1 ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem,
Figur 2 das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem in einer schematischen
Darstellung und
Figur 3 eine weitere schematische Darstellung des erfindungsgemäßen
Brennstoffzellensystems.
In Figur 1 ist ein Brennstoffzellensystem 10 dargestellt, welches hier zwei Brennstoffzellen 1 10 aufweist. Diese Brennstoffzellen 1 10 sind angrenzend zueinander in einem Gehäuse 120 angeordnet. Jede der Brennstoffzellen 1 10 weist ein erstes Elektrodenelement 130 und ein zweites Elektrodenelement 131 auf. Zwischen den zwei Elektrodenelementen 130,131 ist eine ionendurchlässige Membran 142 angeordnet. Durch eine Beaufschlagung der Elektrodenelemente 130,131 mit zwei unterschiedlichen Reaktanden wird durch eine elektrochemische Reaktion ein elektrischer Strom erzeugt. Die beiden Reaktanden werden häufig in Form verschiedener Fluide bereitgestellt. Ein Beispiel für die zwei korrespondierenden Elektrodenreaktionen sind die folgenden: H2 => 2H+ + 2e" (Anodenreaktion)
2H+ + 2e" + ΛA O2 => H2O (Kathodenreaktion). Der Reaktand Sauerstoff kann in Form von Umgebungsluft der Brennstoffzelle zugeführt werden. Durch die serielle Verknüpfung der verschiedenen Brennstoffzellen 1 10 mittels eines Leitungselementes ist es möglich eine hohe Spannung zu erreichen, welche dem Lastelement, wie etwa einem Elektromotor zur Verfügung gestellt werden kann. Um eine gleichmäßige Verteilung der Reaktanden auf den Elektrodenelementen 130 zu erreichen, weist jeder der Elektrodenräume der Brennstoffzelle 110 eine Strömungsfeldplatte 140 auf.
Im Folgenden soll das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem anhand einer Brennstoffzelle 1 10 erläutert werden, welche als Reaktanden Wasserstoff und Sauerstoff einsetzt. Dies soll allerdings in keinster Weise als eine Beschränkung der Erfindung verstanden werden. Vielmehr dient die Auswahl von Wasserstoff und Sauerstoff als Reaktanden ausschließlich der Verdeutlichung der Erfindung. Andere Brennstoffzellen, die abweichende Reaktanden verwenden, können ebenfalls mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und/oder dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem Verwendung finden.
Wie die Figur 1 verdeutlicht, wird der erste Reaktand mittels einer ersten Zuleitung 20 dem ersten Elektrodenraum 11 1 zugeführt. Parallel dazu wird der zweite Reaktand über eine zweite Zuleitung 21 in den zweiten Elektrodenraum 1 12 eingebracht. In dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel wird durch die erste Zuleitung 20 Wasserstoff in den ersten Elektrodenraum 1 1 1 - im Folgenden auch als Anodenraum bezeichnet - eingeführt. Der so eingebrachte Wasserstoff kann mit Sauerstoff elektrochemisch reagieren. Dieser Sauerstoff wird der Brennstoffzelle 110 über die zweite Zuleitung 21 zugeführt. Im Allgemeinen wird dazu Umgebungsluft durch die zweite Zuleitung 21 in den zweiten Elektrodenraum 112 eingeführt. Wie dargelegt kann dann an der Membran und den Elektrodenelementen eine elektrochemische Reaktion stattfinden. Aus dem zweiten Elektrodenraum 112 - im Folgenden auch als Kathodenraum bezeichnet - wird die verbleibende Luft durch eine Kathodenableitung 26 ausgeführt. Ebenfalls wird durch diese Kathodenableitung 26 ein Teil des Produktwassers, welches bei der elektrochemischen Reaktion in der Brennstoffzelle 1 10 entsteht, abgeführt.
Als nachteilig hat es sich herausgestellt, dass inerte Komponenten, wie N2 durch das Membranelement 142 von dem zweiten Elektrodenraum 1 12 in den ersten Elektrodenraum 1 11 diffundieren und sich dort anreichern. Bei einer zu hohen Konzentration dieser inerten Komponenten in dem Restgas kann es trotz einer Rezirkulation dieses Restgases zu einer Unterversorgung der Brennstoffzelle 1 10 kommen, was zu einem Spannungseinbruch führen kann. Um dieses zu verhindern, wird eine Auslassventil 50 geöffnet, um das Restgas aus der Brennstoffzelle 1 10 auszuspülen. Dieser Vorgang soll mit Hilfe der Figur 2 verdeutlicht werden.
Die Figur 2 zeigt eine schematische Darstellung des ersten Elektrodenraumes 11 1 der Brennstoffzelle 1 10. Erfindungsgemäß ist dieser Elektrodenraum 1 11 von besonderer Bedeutung, da in ihm der erste Reaktand umgesetzt wird. Dieser erste Reaktand, hier Wasserstoff, fließt durch ein Einlassventil 55 in die erste Zuleitung 20 ein. Ein erstes Sensorelement 61 bestimmt eine erste Menge des der Brennstoffzelle zugeführten Wasserstoffes. Dieser Wasserstoff fließt in den ersten Elektrodenraum 11 1 ein und wird dort elektrochemisch umgesetzt. Um einen sicheren Betrieb der Brennstoffzelle 1 10 zu ermöglichen, ist die erste Menge des Wasserstoffes größer gewählt als die tatsächlich in der Brennstoffzelle 110 umgesetzte. Somit fließt aus der Ableitung 25 ein Restgas aus, welches u. a. einen elektrochemisch unverbrauchten Teil des ersten Reaktanden aufweist. Da Wasserstoff ein kostspieliger Reaktand ist, hat es sich aus Effizienzgründen als vorteilhaft erwiesen, dieses Restgas nicht durch die Ableitung 25 in die Umgebung abzulassen, sondern mittels einer Rückleitung 32 wieder der ersten Zuleitung 20 zuzuführen. Somit entsteht ein Kreislauf der sicherstellt, dass der aus der Brennstoffzelle 110 austretende Wasserstoff wieder der elektrochemischen Reaktion zugeführt wird.
In die Rückleitung 32 ist ein Rezirkulationselement 30 integriert, welches dazu dient das Restgas 90 in die erste Zuleitung 20 des ersten Elektrodenraumes 11 1 zu fördern. Erfindungsgemäß ist in dem Rezirkulationselement eine Fördereinrichtung 31 integriert, die strömungstechnisch zur Verdichtung des Restgases 90 ausgebildet ist. Das Restgas 90 weist vorrangig zwei Bestandteile auf: einen unverbrauchten Teil 92 des ersten Reaktanden und inerte Komponenten 91. Bei diesen inerten Komponenten 91 handelt es sich vorrangig um Stickstoff, der mit der Umgebungsluft in die Brennstoffzelle 1 10 gelangt. Die Umgebungsluft dient dazu, den als Oxidationsmittel ausgestalteten zweiten Reaktanden in die Brennstoffzelle zu führen. Da Umgebungsluft nicht nur reinen Sauerstoff aufweist, werden auch andere gasförmige Elemente mit in die Brennstoffzelle transportiert. Insbesondere der Stickstoff der Umgebungsluft kann dabei durch die Membran in den ersten Elektrodenraum 11 1 ein diffundieren und bildet einen entscheidenden Teil des Restgases 90. Das Rezirkulationselement 30 dient dazu, dieses Restgas 90 von dem Ausgang der Brennstoffzelle zurück zur ersten Zuleitung 20 zu fördern. Durch eine entsprechende Einstellung des Einlassventils 55 ist die Menge des zugeführten Wasserstoffes sowie dessen Konzentration im Restgas nahezu konstant. Allerdings nimmt mit der Zeit die Menge der im Restgas vorhandenen inerten Komponenten 91 zu. Folglich muss das Rezirkulationselement 30 zeitlich gesehen ein immer größeres Volumen an Restgas 90 umwälzen. Der Energiebedarf zum Fördern des Restgases 90 steigt mit der Zeit. Im Stand der Technik ist es bekannt, das Auslassventil 50 mit einer definierten Leckrate zu versehen, so dass das Restgas 90 permanent in die Umgebung 51 der Brennstoffzelle abgelassen wird. Allerdings hat diese Ausgestaltung den Nachteil, dass nicht nur die nicht gewünschten Stoffe, sondern auch der nicht genutzte erste Reaktand in die Umgebung 51 abgelassen werden.
Um diesen Nachteil zu überwinden ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass das Brennstoffzellensystem 10 eine Überwachungseinheit 60 aufweist, um das Auslassventil 50 zu steuern, wie auch die Figur 3 verdeutlicht. Dabei ist vorgesehen, dass die Überwachungseinheit 60 das Auslassventil 50 öffnet, wenn ein Energiebedarf zum Fördern des Restgases 90 mittels des Rezirkulationselementes 30 ein Energiepotential des im Restgas 90 vorhandenen ersten Reaktanden übersteigt. Unter dem Energiebedarf ist die Strom- und/oder Spannungsmenge zu verstehen, die das Rezirkulationselement 30 und/oder die Fördereinrichtung 31 bedarf, um das Restgas 90 von der Ableitung 25 in die erste Zuleitung 20 zu fördern. Ein entsprechendes Messgerät kann in Überwachungseinheit 60 oder dem Rezirkulationselement 30 angeordnet sein. In Figur 3 ist dieses verdeutlicht durch einen Regler 40, der mit dem Rezirkulationselement 30 verbunden ist und die Steuerspannung für das Rezirkulationselement 30 liefert. Diese Steuerspannung kann von der Überwachungseinheit 60 ermittelt werden. In die erste Zuleitung 20 ist ein erstes Sensorelement 61 integriert, wobei das erste Sensorelement 61 dazu dient, die der Brennstoffzelle 1 10 zugeführte erste Menge des ersten Reaktanden zu bestimmen. Zusätzlich befindet sich ein zweites Sensorelement 62 in der Rückleitung 32. Dieses zweite Sensorelement 62 dient dazu, die im Restgas vorhandene zweite Menge des ersten Reaktanden zu bestimmen. Bei der zweiten Menge handelt es sich um den unverbrauchten Teil 92 des ersten Reaktanden. Durch die Messung dieses Anteiles der zweiten Menge und/oder des unverbrauchten Teiles 92 des ersten Reaktanden im Restgas, ist es der Überwachungseinheit 60 möglich zu berechnen, was die maximal aus diesem Anteil des ersten Reaktanden zu generierende Menge an elektrischer Leistung ist. Dabei kann angenommen werden, dass im optimalen Falle eine vollständige Umsetzung des im Restgas 90 vorhandenen unverbrauchten Teiles 92 und/oder der zweiten Menge des ersten Reaktanden in der Brennstoffzelle 1 10 erfolgen kann. Das sich durch diese Reaktion ergebende Energiepotential des im Restgas vorhandenen ersten Reaktanden, wird mit dem aktuellen Energiebedarf zum Fördern des Restgases 90 ver-glichen. Übersteigt der Energiebedarf des Rezirkulationselement.es 30 das Energiepotential des im Restgas vorhandenen ersten Reaktanden, öffnet die Überwachungseinheit 60 das Auslassventil 50. Dadurch strömt das Restgas 90 in die Umgebung 51 der Brennstoffzelle 110.

Claims

Ansprüche
1. Brennstoffzellensystem (10) mit wenigstens einer Brennstoffzelle (1 10) zur elektrochemischen Umsetzung zweier Reaktanden,
wobei die Brennstoffzelle (110) zwei Elektrodenräume (11 1 ,1 12) aufweist, mit
einer ersten Zuleitung (20), zum Zuführen eines ersten Reaktanden in einen ersten Elektrodenraum (1 11 ),
einer Ableitung (25), zum Ableiten eines Restgases (90) aus dem ersten Elektrodenraum (1 11 ), wobei das Restgas (90) einen elektrochemisch unverbrauchten Teil des ersten Reaktanden aufweist,
einem Rezirkulationselement (30), um das Restgas (90) von der Ableitung (25) in die erste Zuleitung (20)zu fördern,
einem Auslassventil (50), um das Restgas (90) in eine Umgebung des Brennstoffzellensystems (10) abzuleiten,
dadurch gekennzeichnet, dass
das B renn stoffzellen system (10) eine Überwachungseinheit (60) aufweist, um das Auslassventil (50) zu steuert,
wobei die Überwachungseinheit (60) das Auslassventil (50) öffnet, wenn ein Energiebedarf zum Fördern des Restgases (90) mittels des Rezirkulationselements (30) ein Energiepotential des im Restgas (90) vorhandenen ersten Reaktanden übersteigt.
2. B renn stoffzellen System (10) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Überwachungseinheit (60) einen in der Brennstoffzelle (1 10) erzeugten Strom misst.
3. Brennstoffzellensystem (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Überwachungseinheit (60) ein erstes Sensorelement (61 ) aufweist, wobei das erstes Sensorelement (61 ) eine der Brennstoffzelle (110) zugeführte erste Menge des ersten Reaktanden bestimmt, insbesondere dass das erste Sensorelement (61 ) in der ersten Zuleitung (20) angeordnet ist.
4. Brennstoffzellensystem (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Überwachungseinheit (60) ein zweites Sensorelement (62) aufweist, wobei das zweite Sensorelement (62) eine im Restgas (90) vorhandene zweite Menge des ersten Reaktanden bestimmt, insbesondere dass das zweite Sensorelement (62) in einer Rückleitung (32) angeordnet ist.
5. Brennstoffzellensystem (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Überwachungseinheit (60) das Energiepotential mittelbar oder unmittelbar aus dem Strom und/oder der ersten Menge und/oder der zweiten Menge des ersten Reaktanden bestimmt.
6. Brennstoffzellensystem (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Rezirkulationselement (30) eine Fördereinrichtung (31 ) aufweist, wobei die Fördereinrichtung (31 ) strömungstechnisch zur Verdichtung des Restgases (90) ausgebildet ist.
7. B renn stoffzellen System (10) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Überwachungseinheit (60) mittelbar oder unmittelbar eine Leistungsaufnahme der Fördereinrichtung (31 ) misst.
8. Brennstoffzellensystem (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Brennstoffzellensystem (10) eine Pumpeinrichtung aufweist, die strömungstechnisch in der erste Zuleitung (20) angeordnet ist und zur Verdichtung des zuzuführenden ersten Reaktanden und/oder des Restgases ausgebildet ist.
9. Verfahren zum Betreib eines Brennstoffzellensystems mit wenigstens einer Brennstoffzelle (1 10), wobei in einem Betriebszustand in der Brennstoffzelle (110) zwei Reaktanden elektrochemisch umgesetzt werden, die zwei Reaktanden zwei Elektrodenräumen (11 1 ,112) mittels zweier
Zuleitungen (20,21 ) zugeführt werden, ein elektrochemisch unverbrauchten Teil eines ersten Reaktanden in einem
Restgas (90) aus einem ersten Elektrodenraum (11 1 ) abgeleitet werden, ein Rezirkulationselement (30) das Restgas (90) in eine erste Zuleitung (20) des ersten Elektrodenraumes (11 1 ) fördert, und mittels eines Auslassventil (110) das Restgas (90) in eine Umgebung des
Brennstoffzellensystems (10) abgeleitet wird, wenn ein Energiebedarf zum
Fördern des Restgases ein Energiepotential des im Restgas (90) vorhandenen ersten Reaktanden übersteigt.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Energiebedarf aus einer technischen Größe, insbesondere eines Stromes einer Brennstoffzelle (110) oder einer Leistungsaufnahme eines für die Förderung des Restgases (90) vorgesehenen Rezirkulationselement.es (30) bestimmt wird.
1 1. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren weiterhin die folgenden Schritte aufweist:
Bestimmen einer der Brennstoffzelle (110) zugeführten ersten Menge des ersten
Reaktanden,
Ermitteln des in der Brennstoffzelle (110) elektrochemisch umgesetzten Anteiles des ersten Reaktanden,
Errechnen eines Verhältnis der zugeführten ersten Menge und des elektrochemisch umgesetzt Anteiles, und
Bestimmen einer im Restgas (90) vorhandenen zweiten Menge des ersten
Reaktanden.
12. Brennstoffzellensystem (10) nach einem der vorherigen Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Brennstoffzellensystem (10) nach einem der Verfahren gemäß einem der Ansprüche 9 bis 11 betreibbar ist.
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