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.