Titel

Abscheidungssystem für eine Brennstoffzelleneinheit

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Abscheidungssystem für eine Brennstoffzelleneinheit gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 , ein Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzelleneinheit gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 10 und eine Brennstoffzelleneinheit gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 15.

Stand der Technik

Brennstoffzelleneinheiten als galvanische Zellen wandeln mittels Redoxreaktionen an einer Anode und Kathode kontinuierlich zugeführten Brennstoff und Oxidationsmittels in elektrische Energie um. Brennstoffzellen werden in den unterschiedlichsten stationären und mobilen Anwendungen eingesetzt, beispielweise in Häusern ohne Anschluss an ein Stromnetz oder in Kraftfahrzeugen, im Schienenverkehr, in der Luftfahrt, in der Raumfahrt und in der Schifffahrt. In der Brennstoffzelleneinheit sind eine große Anzahl an Brennstoffzellen zu dem Brennstoffzellenstapel als Brennstoffzellenstack gestapelt. In den Brennstoffzellenstapel sind Kanäle zum Durchleiten von Rezirkulationsbrennstoff, Kanäle zum Durchleiten von Oxidationsmittel und Kanäle zum Durchleiten von Kühlmittel integriert. Der durch die Kanäle geleitete Rezirkulationsbrennstoff wird nicht vollständig verbraucht nach dem Durchleiten, sodass nach dem Ausleiten des Rezirkulationsbrennstoffes aus den Kanälen für Rezirkulationsbrennstoff dieser wieder mit einer Rezirkulationsleitung eines Rezirkulationssystems den Kanälen für Rezirkulationsbrennstoff zugeführt wird. Der, entsprechend der angeforderten Leistung der Brennstoffzelleneinheit verbrauchte Brennstoff, wird mit einem Injektor der Rezirkulationsleitung zugeführt. Je größer die Leistung der Brennstoffzelleneinheit ist, desto größer ist der Verbrauch an Brennstoff und dieser verbrauchte Brennstoff wird entsprechend mit dem Injektor zugeführt. Der Brennstoff, im Allgemeinen Wasserstoff, wird in einem Druckgasspeicher unter einem hohen Druck oder kryogen bei niedrigem Druck gespeichert. In dem aus dem Brennstoffzellenstapel ausgeleiteten Rezirkulationsbrennstoff tritt ein hoher Feuchtigkeitsgehalt auf, sodass mit einem Wasserabscheider des Rezirkulationssystems vor Wiedereinführung des Rezirkulationsbrennstoffes in den Brennstoffzellenstapel eine mechanische Abscheidung von Wasser ausgeführt wird.

In dem in einem Kreislauf geleiteten Rezirkulationsbrennstoff reichern sich während des Betriebes des Brennstoffzellensystems nicht erwünschte verschiedene Gase an. Beispielsweise diffundieren in einem geringeren Umfang Wasser- und Stickstoffmoleküle von den Kanälen für Oxidationsmittel durch die Protonenaustauschermembran in die Kanäle für Rezirkulationsbrennstoff in der Brennstoffzelleneinheit. Damit die nicht erwünschten Gase in dem Rezirkulationsbrennstoff als Rezirkulationsgemischbrennstoff nicht gewisse Grenzwerte überschreiten, d. h. den eigentlichen Brennstoff nicht wesentlich verdrängen, ist es notwendig, in Abhängigkeit vom Betrieb der Brennstoffzelleneinheit Rezirkulationsbrennstoff mit einem Purgeventil in die Umgebung abzuleiten. Hierzu ist an einem Abscheidungssystem mit einem Abscheidungsströmungsraum an einem unteren Ende des Abscheidungsströmungsraumes ein Drainventil zum Ablassen von Wasser in die Umgebung und an einem oberen Endbereich des Abscheidungsströmungsraumes ein Purgeventil zum Ablassen von Rezirkulationsbrennstoff in die Umgebung ausgebildet. In nachteiliger Weise sind damit 2 aufwendige Ventile zum getrennten Ablassen von Wasser und Rezirkulationsbrennstoff notwendig. Darüber hinaus ist es notwendig, auch zu dem Purgeventil eine aufwendige zusätzliche Ablassleitung zu führen.

Die DE 102007 028298 A1 offenbart eine gekapselte Abscheiderbaueinheit zur Integration in einer Gasversorgung eines Brennstoffzellensystems und zur Abscheidung von Flüssigkeit aus der Gasversorgung, mit einem Abscheider zur Abscheidung der Flüssigkeit, mit einem Gehäuse zur Kapselung der Abscheiderbaueinheit, wobei in dem Gehäuse der Abscheider in einem Gasraum angeordnet ist und/oder mit diesem in einem thermischen Kontakt steht, und mit einem Leitungssystem zur Ableitung der Flüssigkeit von dem Abscheider, wobei mindestens eine strömungstechnisch aktive Funktionskomponente, welche in dem Leitungssystem angeordnet ist, wobei die mindestens eine Funktionskomponente in dem Gasraum angeordnet ist.

Die DE 102020 113 104 A1 zeigt einen Wasserabscheider mit einem Abscheidergehäuse, in dem eine Einlassöffnung und eine Auslassöffnung ausgebildet sind, mit einer unterhalb der Einlassöffnung und unterhalb der Auslassöffnung angeordneten, eine Durchgangsöffnung belassenden oder bereitstellenden Trennwand, und mit einem in Fallrichtung unterhalb der Durchgangsöffnung vorhandenen Auffangbecken, dem ein Wasserauslass mit einem Ablassventil zugeordnet ist, wobei ein in Fallrichtung unterhalb der Durchgangsöffnung angeordneter, durch eine Beckenwand räumlich vom Auffangbecken getrennter Fluidauslass vorhanden ist, dem ein Purgeventil zugeordnet ist.

Die DE 102020212 178 B4 offenbart ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems, insbesondere eines PEM-Brennstoffzellensystems, umfassend einen Brennstoffzellenstapel, dem im Betrieb des Brennstoffzellensystems Wasserstoff als Anodengas zugeführt wird, wobei zur Senkung des Wasserstoffverbrauchs aus dem Brennstoffzellenstapel austretendes angereichertes Anodengas rezirkuliert wird und wobei die Zusammensetzung des Anodengases durch kontinuierliches oder diskontinuierliches Ablassen von Anodengas in einen Kathodenabluftpfad sowie durch Ersetzen der abgelassenen Menge mit frischem Wasserstoff eingestellt wird, wobei Anodengas über ein Purgeventil und/oder ein Drainventil in den Kathodenabluftpfad abgelassen wird und die Wasserstoffkonzentration in der Kathodenabluft über den maximalen Durchfluss durch das Purgeventil und/oder das Drainventil eingestellt wird, so dass in jedem Betriebszustand des Brennstoffzellensystems, vorzugsweise unabhängig von der Öffnungsdauer des Purgeventils und/oder des Drainventils, eine vorgegebene maximale Wasserstoffkonzentration nicht überschritten wird

Offenbarung der Erfindung

Vorteile der Erfindung Erfindungsgemäßes Abscheidungssystem zur Abscheidung von Wasser und Rezirkulationsbrennstoff aus einem Rezirkulationssystem einer Brennstoffzelleneinheit, umfassend einen Wasserabscheider zur Abscheidung von Wasser aus Rezirkulationsbrennstoff, einen Sammelraum zur Speicherung von mit dem Wasserabscheider abgeschiedenen Wasser, ein Drainventil zum Ablassen von in dem Sammelraum gespeicherten Wasser in die Umgebung, ein Purgeventil zum Ablassen von Rezirkulationsbrennstoff in die Umgebung, eine Ablassleitung zum Ableiten des von in dem Sammelraum gespeicherten Wassers in die Umgebung und die Ablassleitung zusätzlich zum Ableiten des Rezirkulationsbrennstoffes in die Umgebung fungiert, wobei das Drainventil zusätzlich als das Purgeventil fungiert und somit ein Doppelfunktionsventil zum Ablassen von in dem Sammelraum gespeicherten Wasser in die Umgebung und zum Ablassen von Rezirkulationsbrennstoff in die Umgebung ausbildet. In vorteilhafter Weise kann damit von dem Doppelfunktionsventil sowohl Wasser als auch Rezirkulationsbrennstoff in die Umgebung abgeleitet werden. Damit ist das Abscheidungssystem konstruktiv einfach gebaut bei einer hohen Zuverlässigkeit in der Betriebsweise. Der Rezirkulationsbrennstoff ist ein Gemisch aus verschiedenen Stoffen, d. h. ein Rezirkulationsgemisch oder ein Rezirkulationsgemischbrennstoff, mit Brennstoff, Stickstoff, gasförmigen Wasser und optional geringen Anteil an flüssigem Wasser sowie weiteren, vorzugsweise gasförmigen, Stoffen. Der Rezirkulationsbrennstoff ist somit vorzugsweise im Wesentlichen gasförmig, d. h. zu wenigstens 95 Masse-% oder 98 Masse-% oder 99 Masse-% gasförmig.

In einer weiteren Ausführungsform ist der Rezirkulationsbrennstoff ausschließlich durch das Doppelfunktionsventil in die Umgebung ableitbar.

In einer ergänzenden Variante umfasst das Abscheidungssystem nur ein Ventil als Doppelfunktionsventil zum Ablassen von Wasser und Rezirkulationsbrennstoff.

In einer zusätzlichen Ausgestaltung umfasst das Abscheidungssystem einen Unterscheidungssensor zur Unterscheidung zwischen den zwei Fluidarten Flüssigkeit und Gas, insbesondere zwischen Wasser und Rezirkulationsbrennstoff, in der Ablassleitung. Vorzugsweise ist der Unterscheidungssensor ein Drucksensor und/oder ein Durchflusssensor. Ein Durchflusssensor als ein Flowmeter ist beispielsweise als ein Ultraschalldurchflusssensor, ein magnetisch-induktiver Durchflusssensor, ein Flügelradsensor oder als ein Sensor mit dem Differenzdruckverfahren (Bernoulli und Venture) ausgebildet. Ein Sensor mit dem Diffenzdruckverfahren kann aus einem Absolut- und einem Differenzdrucksensor oder zwei

Absolutdrucksensoren oder einem Absolutdrucksensor der die Differenz zu einem zuvor abgespeicherten Absolutdruckes bildet, ausgeführt sein. Ein Durchflusssensor kann als einen Parameter auch die Strömungsgeschwindigkeit des Fluides erfassen und mit der bekannten Strömungsquerschnittsfläche wird der Volumenstrom berechnet.

In einer weiteren Ausführungsform sind die Öffnungszeiten des Doppelfunktionsventils in Abhängigkeit von dem mit dem Unterscheidungssensor erfassten Fluidarten steuerbar und/oder regelbar.

In einer ergänzenden Variante ist zum Ablassen von Rezirkulationsbrennstoff in die Umgebung zunächst das Ablassen von in dem Sammelraum gespeicherten Wasser in die Umgebung mit dem Unterscheidungssensor erfassbar und nach der Beendigung des Durchleitens von Wasser durch die Ablassleitung während des geöffneten Doppelfunktionsventils ist Rezirkulationsbrennstoff in die Umgebung ableitbar.

In einer weiteren Ausführungsform ist das Volumen des in die Umgebung abgeleiteten Rezirkulationsbrennstoffes während des geöffneten Doppelfunktionsventils steuerbar und/oder regelbar indem die Zeitdauer des geöffneten Doppelfunktionsventils steuerbar und/oder regelbar ist. Damit kann ein vorgegebenes Volumen des Rezirkulationsbrennstoffes in die Umgebung abgeleitet werden.

In einer weiteren Ausgestaltung ist die Zeitdauer des geöffneten Doppelfunktionsventils in Abhängigkeit von dem Volumenstrom und/oder Druck des Rezirkulationsbrennstoffes in der Ablassleitung steuerbar und/oder regelbar. Das abgeleitete Volumen des Rezirkulationsbrennstoffes ergibt sich aus dem Produkt des konstanten Volumenstromes und der Zeitdauer des geöffneten Doppelfunktionsventils. Bei einem bekannten konstanten Volumenstrom des Rezirkulationsbrennstoffes in der Ablassleitung und einem vorgegebenen Volumen des abzuleitenden Rezirkulationsbrennstoffes ergibt sich die Zeitdauer des geöffneten Doppelfunktionsventils aus der Division des abzuleitenden Volumens durch den konstanten Volumenstrom.

Erfindungsgemäßes Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzelleneinheit mit den Schritten: Leiten von Rezirkulationsbrennstoff durch ein Rezirkulationssystem mit einer Rezirkulationsleitung zur Rezirkulation des aus den Kanälen für Rezirkulationsbrennstoff in einem Brennstoffzellenstapel ausgeleiteten Rezirkulationsbrennstoffes wieder zurück in die Kanäle für Rezirkulationsbrennstoff, Abscheiden von Wasser aus Rezirkulationsbrennstoff mit einem Wasserabscheider, Speichern des abgeschiedenen Wassers in einem Sammelraum zur Speicherung von abgeschiedenem Wasser, Ablassen von in dem Sammelraum gespeicherten Wasser in die Umgebung mit einem Drainventil, Ablassen von Rezirkulationsbrennstoff in die Umgebung mit einem Purgeventil, Ableiten von Wasser und Rezirkulationsbrennstoff durch eine Ablassleitung in die Umgebung, wobei mit einem Unterscheidungssensor die zwei Fluidarten Flüssigkeit und Gas, insbesondere Wasser und Rezirkulationsbrennstoff, in der Ablassleitung getrennt erfasst werden und zwischen den zwei Fluidarten Flüssigkeit und Gas, insbesondere Wasser und Rezirkulationsbrennstoff, unterschieden wird. Auch bei vorhandenem zusätzlichen Purgeventil kann mittels der Daten aus dem Unterscheidungssensor das Drainventil geschlossen werden, wenn nach dem Ausströmen von Wasser das Ausströmen von Rezirkulationsbrennstoff erkannt wird (Vorteil: unnötiges Ablassen von Rezirkulationsbrennstoff vermeiden).

In einer weiteren Ausgestaltung wird und/oder bleibt das Drainventil nach der Erfassung von Gas, insbesondere Rezirkulationsbrennstoff, in dem Drainventil und/oder in der Ablassleitung geöffnet, so dass das Drainventil zusätzlich als das Purgeventil fungiert und somit ein Doppelfunktionsventil zum Ablassen von in dem Sammelraum gespeicherten Wasser in die Umgebung und zum Ablassen von Rezirkulationsbrennstoff in die Umgebung ausbildet, wobei vorzugsweise zeitlich vor der Erfassung von Gas in dem Drainventil und/oder in der Ablassleitung in dem Drainventil und/oder in der Ablassleitung Wasser erfasst wird. Im zeitlichen Ablauf wird somit während einer ersten Strömungszeitdauer Wasser durch das Drainventil und/oder die Ablassleitung geleitet und das Wasser wird erfasst und anschließend wird während einer zweiten Strömungszeitdauer Rezirkulationsbrennstoff durch das Drainventil und/oder die Ablassleitung geleitet und der Rezirkulationsbrennstoff wird erfasst.

Insbesondere werden die zwei Fluidarten getrennt erfasst indem mit dem Unterscheidungssensor der Druck und/oder der Volumenstrom des Fluides, insbesondere in Abhängigkeit von der Zeit, in der Ablassleitung erfasst wird und mittels des erfassten Druckes und/oder Volumenstromes die Fluidart erfasst wird. Beispielsweise ist jeder Fluidart ein bestimmter Druckbereich und/oder Volumenstrombereich zugeordnet, so dass aus der Größe des erfassten oder bestimmten Druckes und/oder des erfassten oder bestimmten Volumenstromes die Fluidart, d. h. Wasser oder Rezirkulationsbrennstoff, bestimmbar ist oder bestimmt wird.

In einer zusätzlichen Variante wird das Volumen des in die Umgebung abgeleiteten Rezirkulationsbrennstoffes während des geöffneten Doppelfunktionsventils gesteuert und/oder geregelt indem die Öffnungszeit des Doppelfunktionsventils während des Durchleitens von Rezirkulationsbrennstoff in Abhängigkeit von dem durch das Doppelfunktionsventil geleiteten Volumenstromes des Rezirkulationsbrennstoffes gesteuert und/oder geregelt wird.

Zweckmäßig wird der durch das Doppelfunktionsventil geleiteten Volumenstromes des Rezirkulationsbrennstoffes mittels des Druckes des Rezirkulationsbrennstoffes in der Ablassleitung und/oder in dem Doppelfunktionsventil bestimmt.

Erfindungsgemäße Brennstoffzelleneinheit zur elektrochemischen Erzeugung von elektrischer Energie, umfassend gestapelt angeordnete Brennstoffzellen und die Brennstoffzellen jeweils gestapelt angeordnete schichtförmige Komponenten umfassen, so dass die gestapelten Brennstoffzellen einen Brennstoffzellenstapel bilden, in den Brennstoffzellenstapel integrierte Kanäle für Rezirkulationsbrennstoff, ein Rezirkulationssystem mit einer Rezirkulationsleitung zur Rezirkulation des aus den Kanälen für Rezirkulationsbrennstoff ausgeleiteten Rezirkulationsbrennstoffes wieder zurück in die Kanäle für Rezirkulationsbrennstoff, so dass in der Brennstoffzelleneinheit ein Rezirkulationskreislauf mit rezirkulierendem Rezirkulationsbrennstoff gebildet ist, ein Abscheidungssystem zur Abscheidung von Wasser und Rezirkulationsbrennstoff aus dem Rezirkulationssystem, wobei das Abscheidungssystem als ein in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebenes Abscheidungssystem ausgebildet ist und/oder mit der Brennstoffzelleneinheit ein in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebenes Verfahren ausführbar ist.

In einer weiteren Ausgestaltung ist der Rezirkulationsbrennstoff ausschließlich nach dem Durchleiten durch den Wasserabscheider, insbesondere den Abscheidungsströmungsraum, in die Umgebung ableitbar.

In einer weiteren Ausgestaltung wird der Rezirkulationsbrennstoff ausschließlich nach dem Durchleiten durch den Wasserabscheider, insbesondere den Abscheidungsströmungsraum, in die Umgebung abgeleitet.

In einer weiteren Variante wird das in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebenen Verfahren mit einer in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebenen Brennstoffzelleneinheit und/oder Brennstoffzellensystem ausgeführt.

In einer zusätzlichen Ausführungsform wird für ein vorgegebenes Volumen des abzuleitenden Rezirkulationsbrennstoffes eine vorgegebene Öffnungsdauer des Doppelfunktionsventils berechnet und das Doppelfunktionsventil wird für die berechnete Öffnungsdauer geöffnet, so dass vorgegebenes Volumen des abzuleitenden Rezirkulationsbrennstoffes in die Umgebung abgelassen wird.

In einer zusätzlichen Ausführungsform ist mit dem in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebenen Brennstoffzellensystem das in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebene Verfahren ausführbar.

In einer weiteren Variante ist das Doppelfunktionsventil ausschließlich in der Ablassleitung zum Ableiten des in dem Sammelraum gespeicherten Wassers in die Umgebung ausgebildet. In einer zusätzlichen Variante wird das Verfahren mit einer Steuerungs- und/oder Regelungseinheit gesteuert und/oder geregelt.

In einer weiteren Variante wird ein vorgegebenes Volumen des Rezirkulationsbrennstoffes in die Umgebung abgeleitet indem aus dem vorgegebenen Volumen des Rezirkulationsbrennstoffes die vorgegebene Öffnungsdauer des Doppelfunktionsventils bestimmt wird als die zweite Strömungszeitdauer und nach dem Durchleiten von Wasser durch das Doppelfunktionsventil das Doppelfunktionsventil für die vorgegebene Öffnungsdauer geöffnet wird und anschließend geschlossen wird.

In einer ergänzenden Variante umfasst das Rezirkulationssystem eine Fördervorrichtung, insbesondere ein Gebläse und/oder eine Strahlpumpe, zur Förderung des Rezirkulationsbrennstoff durch den Rezirkulationskreislauf.

Vorzugsweise ist das Rezirkulationssystem als eine Baueinheit ausgebildet.

In einer weiteren Ausgestaltung umfasst das Rezirkulationssystem wenigstens ein elektrisches Widerstandsheizelement, insbesondere mehrere elektrische Widerstandsheizelemente, zum Erwärmen wenigstens einer Komponente des Rezirkulationssystems und/oder zum Erwärmen des Rezirkulationssystems. Somit kann mit dem wenigstens einen elektrischen Widerstandsheizelement Eis zu Wasser aufgetaut werden.

In einer ergänzenden Ausführungsform umfasst der Wasserabscheider einen Abscheidungsströmungsraum zum Durchleiten des Rezirkulationsbrennstoffes und zum Abscheiden von Wasser und/oder Feuchtigkeit aus dem Rezirkulationsbrennstoff.

Zweckmäßig sind die Komponenten des Rezirkulationssystems eine Rezirkulationsleitung und/oder eine Fördereinrichtung für Rezirkulationsbrennstoff, insbesondere ein Gebläse und/oder eine Strahlpumpe, und/oder ein Wasserabscheider und/oder wenigstens ein Ablassventil und/oder ein Injektor für Brennstoff und/oder ein Gehäuse und/oder eine Anschlussplatte und/oder wenigstens ein Verbindungsmittel und/oder das Doppelfunktionsventil und/oder der Unterscheidungssensor. In einer weiteren Ausführungsform umfasst die Brennstoffzelleneinheit, insbesondere das Rezirkulationssystem, einen Injektor zur Zuführung von Brennstoff von einem Druckgasspeicher für Brennstoff in die Rezirkulationsleitung und/oder eine Druckgasleitung zur Leitung von Brennstoff von dem Druckgasspeicher in den Injektor.

In einer ergänzenden Variante ist das Abscheiden von Wasser aus dem Rezirkulationsbrennstoff in dem Wasserabscheider als einem mechanischen Wasserabscheider mittels Sedimentation und/oder Drall ausführbar. Bei einer Abscheidung mittels Drall ist beispielsweise in einem Zyklon der Rezirkulationsbrennstoff in eine Rotationsbewegung versetzbar, sodass aufgrund der auftretenden Zentrifugalkräfte Wasser abscheidbar ist.

Vorzugsweise ist die Strömungsquerschnittsfläche des Abscheidungsströmungsraumes wenigstens um das 2-, 5-, 7-oder 10-fache größer als die Strömungsquerschnittsfläche der Rezirkulationsleitung für Rezirkulationsbrennstoff. Damit weist der Rezirkulationsbrennstoff in dem Abscheidungsströmungsraum eine wesentlich kleinere Strömungsgeschwindigkeit auf als in der Rezirkulationsleitung, sodass dadurch auch eine effektive mechanische Wasserabscheidung in dem Abscheidungsströmungsraum ausführbar ist.

Vorzugsweise ist der Brennstoff Wasserstoff, wasserstoffreiches Gas, Reformatgas oder Erdgas.

Zweckmäßig sind die Brennstoffzellen und/oder Komponenten im Wesentlichen eben und/oder scheibenförmig ausgebildet.

In einer ergänzenden Variante ist das Oxidationsmittel Luft mit Sauerstoff oder reiner Sauerstoff.

Vorzugsweise ist die Brennstoffzelleneinheit eine PEM-Brennstoffzelleneinheit mit PEM-Brennstoffzellen. Erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem, umfassend eine Brennstoffzelleneinheit, ein Brennstoffversorgungssystem mit einem Speicher für Brennstoff, insbesondere Druckbehälter für Brennstoff, als ein Prozessfluid, ein Oxidationsmittelversorgungssystem mit einer Gasfördereinrichtung für Oxidationsmittel als ein Prozessfluid, wobei die Brennstoffzelleneinheit eine in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebene Brennstoffzelleneinheit ausgebildet ist.

Erfindungsgemäßes computerimplementiertes Verfahren umfassend Schritte eines in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebenen Verfahrens.

Die Erfindung umfasst ferner ein Computerprogramm mit Programmcodemitteln, die auf einem computerlesbaren Datenträger gespeichert sind, um ein in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebenes Verfahren durchzuführen, wenn das Computerprogramm auf einem Computer, insbesondere einer Steuerungs- und/oder Regeleinheit, oder einer entsprechenden Recheneinheit durchgeführt wird.

Bestandteil der Erfindung ist außerdem ein Computerprogrammprodukt mit Programmcodemitteln, die auf einem computerlesbaren Datenträger gespeichert sind, um ein in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebenes Verfahren durchzuführen, wenn das Computerprogramm auf einem Computer, insbesondere einer Steuerungs- und/oder Regeleinheit, oder einer entsprechenden Recheneinheit durchgeführt wird.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Im Nachfolgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt:

Fig. 1 eine stark vereinfachte Explosionsdarstellung eines

Brennstoffzellensystems mit Komponenten einer Brennstoffzelle,

Fig. 2 eine perspektivische Ansicht eines Teils einer Brennstoffzelle, Fig. 3 einen Längsschnitt durch eine Brennstoffzelle,

Fig. 4 eine perspektivische Ansicht eines Brennstoffzellenstapel ohne Gehäuse und ohne Rezirkulationssystem,

Fig. 5 einen Schnitt durch die Brennstoffzelleneinheit mit Gehäuse und mit einem Rezirkulationssystem und mit einem Abscheidungssystem in einem ersten Ausführungsbeispiel,

Fig. 6 ein Schnitt durch ein Abscheidungssystem in einem zweiten Ausführungsbeispiel,

Fig. 7 eine Seitenansicht der Brennstoffzelleneinheit mit Rezirkulationssystem und ohne optionales Gehäuse des Rezirkulationssystems.

In den Fig. 1 bis 3 ist der grundlegende Aufbau einer Brennstoffzelle 2 als einer PEM-Brennstoffzelle 3 (Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle 3) dargestellt. Das Prinzip von Brennstoffzellen 2 besteht darin, dass mittels einer elektrochemischen Reaktion elektrische Energie bzw. elektrischer Strom erzeugt wird. An eine Anode 7 wird Wasserstoff H2 als gasförmiger Rezirkulationsbrennstoff geleitet und die Anode 7 bildet den Minuspol. An eine Kathode 8 wird ein gasförmiges Oxidationsmittel, nämlich Luft mit Sauerstoff, geleitet, d. h. der Sauerstoff in der Luft stellt das notwendige gasförmige Oxidationsmittel zur Verfügung. An der Kathode 8 findet eine Reduktion (Elektronenaufnahme) statt. Die Oxidation als Elektronenabgabe wird an der Anode 7 ausgeführt.

Die Redoxgleichungen der elektrochemischen Vorgänge lauten:

Anode:

2 H ₂ -» 4 H ⁺ + 4 e-

Kathode:

O ₂ + 4 H ⁺ + 4 e- -» 2 H ₂ O

Summenreaktionsgleichung von Anode und Kathode: 2 H ₂ + 0 ₂ -» 2 H ₂ 0

Die Differenz der Normalpotentiale der Elektrodenpaare unter Standardbedingungen als reversible Brennstoffzellenspannung oder Leerlaufspannung der unbelasteten Brennstoffzelle 2 beträgt 1 ,23 V. Diese theoretische Spannung von 1 ,23 V wird in der Praxis nicht erreicht. Im Ruhezustand und bei kleinen Strömen können Spannungen über 1 ,0 V erreicht werden und im Betrieb mit größeren Strömen werden Spannungen zwischen 0,5 V und 1 ,0 V erreicht. Die Reihenschaltung von mehreren Brennstoffzellen 2, insbesondere eine Brennstoffzelleneinheit 1 mit einem Brennstoffzellenstapel 40 von mehreren übereinander angeordneten Brennstoffzellen 2, weist eine höhere Spannung auf, welche der Zahl der Brennstoffzellen 2 multipliziert mit der Einzelspannung je einer Brennstoffzelle 2 entspricht.

Die Brennstoffzelle 2 umfasst außerdem eine Protonenaustauschermembran 5 (Proton Exchange Membrane, PEM), welche zwischen der Anode 7 und der Kathode 8 angeordnet ist. Die Anode 7 und Kathode 8 sind schichtförmig bzw. scheibenförmig ausgebildet. Die PEM 5 fungiert als Elektrolyt (lonenleiter), Katalysatorträger (lonenerzeuger) und Separator (Gastrennung) für die Reaktionsgase. Die PEM 5 fungiert außerdem als elektrischer Isolator für Elektronen und verhindert einen elektrischen Kurzschluss zwischen der Anode 7 und Kathode 8. Im Allgemeinen werden 12 pm bis 150 pm dicke, protonenleitende Folien aus perfluorierten und sulfonierten Polymeren eingesetzt. Die PEM 5 leitet die Protonen H ⁺ und sperrt andere Ionen als Protonen H ⁺ im Wesentlichen, so dass aufgrund der Durchlässigkeit der PEM 5 für die Protonen H ⁺ der Ladungstransport erfolgen kann. Die PEM 5 ist für die Reaktionsgase Sauerstoff O2 und Wasserstoff H2 im Wesentlichen undurchlässig, d. h. sperrt die Strömung von Sauerstoff O2 und Wasserstoff H2 zwischen einem Gasraum 31 an der Anode 7 mit Rezirkulationsbrennstoff Wasserstoff H2 und dem Gasraum 32 an der Kathode 8 mit Luft bzw. Sauerstoff O2 als Oxidationsmittel. Die Protonenleitfähigkeit der PEM 5 vergrößert sich mit steigender Temperatur und steigenden Wassergehalt.

Auf den beiden Seiten der PEM 5, jeweils zugewandt zu den Gasräumen 31 , 32, liegen die Elektroden 7, 8 als die Anode 7 und Kathode 8 auf. Eine Einheit aus der PEM 5 und Anode 7 sowie Kathode 8 wird als Membranelektrodenanordnung 6 (Membran Electrode Assembly, MEA) bezeichnet. Die Elektroden 7, 8 sind mit der PEM 5 verpresst. Die Elektroden 7, 8 sind platinhaltige Kohlenstoffpartikel, die an PTFE (Polytetrafluorethylen), FEP (Fluoriertes Ethylen-Propylen-Copolymer), PFA (Perfluoralkoxy), PVDF (Polyvinylidenfluorid) und/oder PVA (Polyvinylalkohol) gebunden sind und in mikroporösen Kohlefaser-, Glasfaser- oder Kunststoffmatten heißverpresst sind. An den Elektroden 7, 8 sind auf der Seite zu den Gasräumen 31 , 32 hin normalerweise jeweils eine Katalysatorschichten 30 aufgebracht (nicht dargestellt). Die Katalysatorschicht 30 an dem Gasraum 31 mit Rezirkulationsbrennstoff als Anodengas an der Anode 7 umfasst nanodisperses Platin-Ruthenium auf grafitierten Rußpartikeln, die an einem Bindemittel gebunden sind. Die Katalysatorschicht 30 an dem Gasraum 32 mit Oxidationsmittel an der Kathode 8 umfasst analog nanodisperses Platin. Als Bindemittel werden beispielsweise Nation®, eine PTFE-Emulsion oder Polyvinylalkohol eingesetzt.

Abweichend hiervon sind die Elektroden 7, 8 aus einem Ionomer, beispielsweise Nation®, platinhaltigen Kohlenstoffpartikeln und Zusatzstoffen aufgebaut. Diese Elektroden 7, 8 mit dem Ionomer sind aufgrund der Kohlenstoffpartikel elektrisch leitfähig und leiten auch die Protonen H ⁺ und fungieren zusätzlich auch als Katalysatorschicht 30 für lonendissoziation wegen der platinhaltigen Kohlenstoffpartikel. Membranelektrodenanordnungen 6 mit diesen Elektroden 7, 8 umfassend das Ionomer bilden Membranelektrodenanordnungen 6 als CCM (catalyst coated membran).

Auf der Anode 7 und der Kathode 8 liegt eine Gasdiffusionsschicht 9 (Gas Diffusion Layer, GDL) auf. Die Gasdiffusionsschicht 9 an der Anode 7 verteilt den Rezirkulationsbrennstoff aus Kanälen 12 für Rezirkulationsbrennstoff gleichmäßig auf die Katalysatorschicht 30 an der Anode 7. Die Gasdiffusionsschicht 9 an der Kathode 8 verteilt das Oxidationsmittel aus Kanälen 13 für Oxidationsmittel gleichmäßig auf die Katalysatorschicht 30 an der Kathode 8. Die GDL 9 zieht außerdem Reaktionswasser in umgekehrter Richtung zur Strömungsrichtung der Reaktionsgase ab, d. h. in einer Richtung je von der Katalysatorschicht 30 zu den Kanälen 12, 13. Ferner hält die GDL 9 die PEM 5 feucht und leitet den Strom. Die GDL 9 ist beispielsweise aus einem hydrophobierten Kohlepapier und einer gebundenen Kohlepulverschicht aufgebaut.

Auf der GDL 9 liegt eine Bipolarplatte 10 auf. Die elektrisch leitfähige Bipolarplatte 10 dient als Stromkollektor, zur Wasserableitung und zur Leitung der Reaktionsgase durch eine Kanalstruktur 29 und/oder ein Flussfeld 29 und zur Ableitung der Abwärme, welche insbesondere bei der exothermen elektrochemischen Reaktion an der Kathode 8 auftritt. Zum Ableiten der Abwärme sind in die Bipolarplatte 10 Kanäle 14 zur Durchleitung eines flüssigen oder gasförmigen Kühlmittels eingearbeitet. Die Kanalstruktur 29 an dem Gasraum 31 für Rezirkulationsbrennstoff ist von Kanälen 12 gebildet. Die Kanalstruktur 29 an dem Gasraum 32 für Oxidationsmittel ist von Kanälen 13 gebildet. Als Material für die Bipolarplatten 10 werden beispielsweise Metall, leitfähige Kunststoffe und Kompositwerkstoffe oder Grafit eingesetzt. Die Bipolarplatte 10 umfasst somit die drei Kanalstrukturen 29, gebildet von den Kanälen 12, 13 und 14, zur getrennten Durchleitung von Rezirkulationsbrennstoff, Oxidationsmittel und Kühlmittel. In einer Brennstoffzelleneinheit 1 mit Brennstoffzellenstapel 40 und/oder einem Brennstoffzellenstack 40 sind mehrere Brennstoffzellen 2 fluchtend gestapelt angeordnet (Fig. 4). Die Brennstoffzellen 2 und die Komponenten 5, 6, 7, 8, 9, 10 der Brennstoffzellen 2 sind schichtförmig und/oder scheibenförmig ausgebildet und spannen fiktive Ebenen 37 (Fig. 3) auf. Die Komponenten 5, 6, 7, 8, 9, 10 der Brennstoffzellen 2 sind Protonenaustauschermembranen 5, Anoden 7, Kathoden 8, Gasdiffusionsschichten 9 und Bipolarplatten 10.

In Fig. 1 ist eine Explosionsdarstellung von zwei gestapelt angeordneten Brennstoffzellen 2 abgebildet. Eine Dichtung 11 dichtet die Gasräume 31 , 32 fluiddicht ab. In einem Druckgasspeicher 21 (Fig. 1) ist Wasserstoff H2 als Brennstoff mit einem Druck von beispielsweise 350 bar bis 800 bar gespeichert, wobei der Druck mit dem Verbrauch des Brennstoffes abnimmt. Aus dem Druckgasspeicher 21 wird der Brennstoff durch eine Hochdruckleitung 18 zu einem Druckminderer 20 geleitet zur Reduzierung des Druckes des Brennstoffes in einer Mitteldruckleitung 17 von ungefähr 10 bar bis 20 bar. Aus der Mitteldruckleitung 17 wird der Brennstoff zu einem Injektor 19 geleitet. An dem Injektor 19 wird der Druck des Brennstoffes auf einen Einblasdruck zwischen 1 bar und 3 bar reduziert. Von dem Injektor 19 wird der Brennstoff mittelbar mittels einer Strahlpumpe 62 (nur in Fig. 5 dargestellt) einer Zufuhrleitung 16 für Rezirkulationsbrennstoff (Fig. 1) zugeführt und von der Zufuhrleitung 16 den Kanälen 12 für Rezirkulationsbrennstoff, welche die Kanalstruktur 29 für Rezirkulationsbrennstoff bilden. Der Rezirkulationsbrennstoff durchströmt dadurch den Gasraum 31 für den Rezirkulationsbrennstoff. Der Gasraum 31 für den Rezirkulationsbrennstoff ist von den Kanälen 12 und der GDL 9 an der Anode 7 gebildet. Nach dem Durchströmen der Kanäle 12 wird der nicht in der Redoxreaktion an der Anode 7 verbrauchte Brennstoff und gegebenenfalls Wasser aus einer kontrollieren Befeuchtung der Anode 7 durch eine Abfuhrleitung 15 aus den Brennstoffzellen 2 abgeleitet.

Eine Gasfördereinrichtung 22, beispielsweise als ein Gebläse 23 oder ein Kompressor 24 ausgebildet, fördert Luft aus der Umgebung als Oxidationsmittel in eine Zufuhrleitung 25 für Oxidationsmittel. Aus der Zufuhrleitung 25 wird die Luft den Kanälen 13 für Oxidationsmittel, welche eine Kanalstruktur 29 an den Bipolarplatten 10 für Oxidationsmittel bilden, zugeführt, so dass das Oxidationsmittel den Gasraum 32 für das Oxidationsmittel durchströmt. Der Gasraum 32 für das Oxidationsmittel ist von den Kanälen 13 und der GDL 9 an der Kathode 8 gebildet. Nach dem Durchströmen der Kanäle 13 bzw. des Gasraumes 32 für das Oxidationsmittel 32 wird das nicht an der Kathode 8 verbrauchte Oxidationsmittel und das an der Kathode 8 aufgrund der elektrochemischen Redoxreaktion entstehenden Reaktionswasser durch eine Abfuhrleitung 26 aus den Brennstoffzellen 2 abgeleitet. Die Abfuhrleitung 26 für Oxidationsmittel mündet in die Umgebung. Eine Zufuhrleitung 27 dient zur Zuführung von Kühlmittel in die Kanäle 14 für Kühlmittel und eine Abfuhrleitung 28 dient zur Ableitung des durch die Kanäle 14 geleiteten Kühlmittels. Die Zu- und Abfuhrleitungen 15, 16, 25, 26, 27, 28 sind in Fig. 1 aus Vereinfachungsgründen als gesonderte Leitungen dargestellt und sind konstruktiv tatsächlich am Endbereich in der Nähe der Kanäle 12, 13, 14 als fluchtende Fluidöffnungen (nicht dargestellt) am Endbereich der aufeinander liegenden Membranelektrodenanordnungen 6 ausgebildet. Analog sind auch an plattenförmigen Verlängerungen (nicht dargestellt) der Bipolarplatten 10 Fluidöffnungen (nicht dargestellt) ausgebildet und die Fluidöffnungen in den plattenförmigen Verlängerungen der Bipolarplatten 10 fluchten mit den Fluidöffnungen (nicht dargestellt) an den Membranelektrodenanordnungen 6 zur teilweisen Ausbildung der Zu- und Abfuhrleitungen 15, 16, 25, 26, 27, 28. Die Brennstoffzelleneinheit 1 zusammen mit dem Druckgasspeicher 21 und der Gasfördereinrichtung 22 bildet ein Brennstoffzellensystem 4.

In der Brennstoffzelleneinheit 1 sind die Brennstoffzellen 2 zwischen zwei Spannelementen 33 als Spannplatten 34 angeordnet. Eine obere Spannplatte 35 liegt auf der obersten Brennstoffzelle 2 auf und eine untere Spannplatte 36 liegt auf der untersten Brennstoffzelle 2 auf. Die Brennstoffzelleneinheit 1 umfasst ungefähr 200 bis 400 Brennstoffzellen 2, die aus zeichnerischen Gründen nicht alle in Fig. 4 bis 5 dargestellt sind. Die Spannelemente 33 bringen auf die Brennstoffzellen 2 eine Druckkraft auf, d. h. die obere Spannplatte 35 liegt mit einer Druckkraft auf der obersten Brennstoffzelle 2 auf und die untere Spannplatte 36 liegt mit einer Druckkraft auf der untersten Brennstoffzelle 2 auf. Damit ist der Brennstoffzellenstapel 40 verspannt, um die Dichtheit für den Brennstoff, das Oxidationsmittel und das Kühlmittel, insbesondere aufgrund der elastischen Dichtung 11 , zu gewährleisten und außerdem den elektrischen Kontaktwiderstand innerhalb des Brennstoffzellenstapels 40 möglichst klein zu halten. Zur Verspannung der Brennstoffzellen 2 mit den Spannelementen 33 sind an der Brennstoffzelleneinheit 1 vier Verbindungsvorrichtungen 38 als Bolzen 39 ausgebildet, welche auf Zug beansprucht sind. Die vier Bolzen 39 sind mit den Spannplatten 34 fest verbunden.

Der Brennstoffzellenstapel 40 ist in einem Gehäuse 42 (Fig. 5) angeordnet. Das Gehäuse 42 weist eine Innenseite 43 und eine Außenseite 44 auf. Zwischen dem Brennstoffzellenstapel 40 und dem Gehäuse 42 ist ein Zwischenraum 41 ausgebildet. Das Gehäuse 42 ist außerdem von einer Anschlussplatte 47 aus Metall, insbesondere Stahl, gebildet. Das übrige Gehäuse 42 ohne der Anschlussplatte 47 ist mit Fixierungselementen 48 als Schrauben 49 an der Anschlussplatte 47 befestigt. In der Anschlussplatte 47 sowie in der unteren Spannplatte 36 ist eine Öffnung 45 zum Einleiten von Rezirkulationsbrennstoff in die Kanäle 12 für Rezirkulationsbrennstoff ausgebildet. Außerdem ist in der Anschlussplatte 47 sowie in der unteren Spannplatte 36 eine Öffnung 46 zum Ausleiten von Rezirkulationsbrennstoff aus den Kanälen 12 für Rezirkulationsbrennstoff ausgebildet. In der Anschlussplatte 47 und der unteren Spannplatte 36 als dem Spannelemente 33 sind weitere, nicht dargestellte Öffnungen ausgebildet zum Einleiten von Oxidationsmittel, zum Ausleiten von Oxidationsmittel, zum Einleiten von Kühlmittel und zum Ausleiten von Kühlmittel. Damit sind in der Anschlussplatte 47 und der unteren Spannplatte 36 insgesamt 6 Öffnungen ausgebildet.

Der Rezirkulationsbrennstoff als Rezirkulationswasserstoff wird durch die Kanäle 12 für Rezirkulationsbrennstoff und damit auch durch den Gasraum 31 für Rezirkulationsbrennstoff geleitet. Eine Rezirkulationsleitung 50 dient zur Rezirkulation des aus den Kanälen 12 für Rezirkulationsbrennstoff ausgeleiteten Rezirkulationsbrennstoffes, d. h. der aus den Kanälen 12 für Rezirkulationsbrennstoff ausgeleitete Rezirkulationsbrennstoff wird mit der Rezirkulationsleitung 50 wieder den Kanälen 12 für Rezirkulationsbrennstoff und damit auch dem Gasraum 31 für Rezirkulationsbrennstoff zugeführt. Die Abfuhrleitung 15 für Rezirkulationsbrennstoff und die Zufuhrleitung 16 für Rezirkulationsbrennstoff fungieren damit auch als die Rezirkulationsleitung 50. In die Rezirkulationsleitung 50 ist ein Wasserabscheider 51 integriert. Der Wasserabscheider 51 (Fig. 5) ist somit in die Rezirkulationsleitung 50 eingebaut und ist außerdem auch als ein mechanischer Wasserabscheider 52 ausgebildet mit einem Abscheidungsströmungsraum 53. In Fig. 1 ist der

Wasserabscheider 51 nicht dargestellt. Der Abscheidungsströmungsraum 53 weist eine wesentlich größere Strömungsquerschnittsfläche auf als die Rezirkulationsleitung 50, sodass dadurch die Strömungsgeschwindigkeit des Rezirkulationsbrennstoffes in dem Abscheidungsströmungsraum 53 wesentlich kleiner ist als in der Rezirkulationsleitung 50 und damit kleine Wassertröpfchen in dem Rezirkulationsbrennstoff als Anodengas in dem Abscheidungsströmungsraum 53 mittels Sedimentation abgeschieden werden, sodass damit ein mechanischer Wasserabscheider 53 vorliegt. Der Abscheidungsströmungsraum 53 ist von Wandungen 54 des Wasserabscheiders 51 begrenzt.

In dem Abscheidungsströmungsraum 53 ist eine Wasserableitungsöffnung 57 eingebaut, sodass dadurch in dem Abscheidungsströmungsraum 53 abgeschiedenes Wasser durch die Wasserableitungsöffnung 57 in die Umgebung abgeleitet werden kann. An der Wasserableitungsöffnung 57 ist ein Ablassventil 63 ausgebildet, sodass das abgeschiedene Wasser zunächst in dem Abscheidungsströmungsraum 53 gesammelt und gezielt in die Umgebung abgegeben werden kann. Hierzu ist optional zusätzlich an dem Wasserabscheider 51 ein nicht dargestellter Sensor zur Erfassung des Wasserstandes in dem Abscheidungsströmungsraum 53 vorhanden, sodass damit mittels des Ablassventiles 63 automatisch und selbsttätig eine Öffnung des Ableitungsventiles 63 bei dem Erreichen eines vorgegebenen Wasserstandes in dem Abscheidungsströmungsraum 53 aktiviert wird in Abhängigkeit von einem weiteren Parameter, beispielsweise dem Standort eines Kraftfahrzeuges. In dem Wasserabscheider 51 ist eine Einleitungsöffnung 55 zum Einleiten des Rezirkulationsbrennstoffes in den Abscheidungsströmungsraum 53 ausgebildet und eine Ausleitungsöffnung 56 zum Ausleiten des Rezirkulationsbrennstoffes aus dem Abscheidungsströmungsraum 53. Die Rezirkulationsleitung 50 mündet in die Einleitungsöffnung 55 und die Ausleitungsöffnung 56. Die Mitteldruckleitung 17 und die Hochdruckleitung 18 werden als Oberbegriff auch mit Druckgasleitung 59 für Brennstoff bezeichnet. Der Brennstoff ist in dem Druckgasspeicher 21 unter einem sehr großen Druck von beispielsweise 400 oder 800 bar gespeichert.

Ein Rezirkulationssystem 65 der Brennstoffzelleneinheit 1 umfasst somit die Rezirkulationsleitung 50 und den Wasserabscheider 51. Das Rezirkulationssystem 65 umfasst außerdem eine Fördereinrichtung 60 für den Rezirkulationsbrennstoff als ein Gebläse 61. Mit der Fördereinrichtung 60 wird der Rezirkulationsbrennstoff, d. h. eine Mischung aus dem Rezirkulationsbrennstoff Wasserstoff, Stickstoff, Wasserdampf und flüssigen Wasser, in dem Kreislauf umgewälzt. Die Fördereinrichtung 60 wird von einem nicht dargestellten Elektromotor angetrieben. Zur Einsparung von elektrischer Energie zum Antrieb der elektrisch betriebenen Fördereinrichtung 60 umfasst das Rezirkulationssystem 65 zusätzlich die Strahlpumpe 62. Mithilfe der Strahlpumpe 62 wird der hohe Druck des Rezirkulationsbrennstoffes ausgenutzt, um den Rezirkulationsbrennstoff umzuwälzen und dadurch elektrische Energie für die Fördereinrichtung 60 einzusparen. Bei einer kleinen, von der elektrischen Brennstoffzelleneinheit 1 abzugebenden elektrischen Leistung wird auch nur ein kleiner Volumenstrom an Wasserstoff mittels des Injektors 19 und der Strahlpumpe 62 in die Rezirkulationsleitung 50 eingeleitet, sodass auch nur eine geringe Energie pro Zeiteinheit aus dem Volumenstrom an Wasserstoff für die Förderung des Rezirkulationsbrennstoffes ausgenutzt werden kann. Aus diesem Grund ist es notwendig, bei einer kleinen, von der Brennstoffzelleneinheit 1 abzugebenden elektrischen Leistung zusätzlich die Fördereinrichtung 60 mittels elektrischer Energie zu betreiben. Andererseits wird bei einer großen, von der Brennstoffzelleneinheit 1 abzugebenden Leistung die Fördereinrichtung 60 nicht benötigt und ist abgeschaltet, weil der Volumenstrom an Wasserstoff zur Forderung des Rezirkulationsbrennstoffes mittels der Strahlpumpe 62 ausreichend ist.

An der Wasserableitungsöffnung 57 des Wasserabscheiders 51 ist das Ablassventil 63 ausgebildet. Das Ablassventil 63 mündet in die Ablassleitung 64 und die Ablassleitung 64 mündet in die Abfuhrleitung 26 für Oxidationsmittel und Wasser. Die Abfuhrleitung 26 mündet in die Umgebung. Da sich auch an der Fördereinrichtung 60 als dem Gebläse 61 Kondensationswasser ansammeln kann, ist auch an der Fördereinrichtung 60 das Ablassventil 63 mit Ablassleitung 64 ausgebildet nur zur Ableitung von Wasser.

An der Fördereinrichtung 60, der Strahlpumpe 62 und den Ablassventilen 63 sind elektrische Widerstandsheizelemente 58 angeordnet. Bei einem Start der Brennstoffzelleneinheit 1 bei Temperaturen unter 0 °C gefriert das Wasser an der Fördereinrichtung 60, der Strahlpumpe 62 und den Ablassventilen 63, sodass dadurch das Rezirkulationssystem 65 nicht funktionsfähig ist und somit auch die Brennstoffzelleneinheit 1 nicht gestartet werden kann. Ein Antriebssystem für ein Kraftfahrzeuge umfasst eine Batterie als Pufferbatterie zur Speicherung von elektrischer Energie. Bei einem Start der Brennstoffzelleneinheit 1 bei Temperaturen unter 0° werden mittels elektrischer Energie aus der Batterie (nicht dargestellt) die elektrischen Widerstandsheizelemente 58 betrieben und dadurch die Fördereinrichtung 60, die Strahlpumpe 62 und die Ablassventiles 63 erwärmt, sodass das darin enthaltene gefrorene Wasser als Eis aufgetaut und in Form von flüssigem Wasser vorliegt. Anschließend kann die Brennstoffzelleneinheit 1 gestartet werden.

Das Rezirkulationssystem 65 umfasst eine Anschlussplatte 66. Die Anschlussplatte 66 ist aus Metall, insbesondere Stahl oder Aluminium, ausgebildet und ist im Wesentlichen eben und/oder scheibenförmig. Die Anschlussplatte 66 des Rezirkulationssystems 65 ist im Wesentlichen parallel zu der Anschlussplatte 47 des Brennstoffzellenstapels 40 ausgerichtet. Im Wesentlichen parallel bedeutet vorzugsweise mit einer Abweichung von weniger als 30°, 20°, 10° oder 5°. Das Rezirkulationssystem 65 umfasst optional ein Gehäuse 71. Das in Fig. 5 strichliert dargestellte Gehäuse 71 umhüllt die Komponenten des Rezirkulationssystems 65 zusammen mit der Anschlussplatte 66. Die Anschlussplatte 66 ist somit auch Bestandteil des

Gehäuses 71 des Rezirkulationssystems 65.

Das Rezirkulationssystem 65 ist mit mechanischen Kontaktelementen 73 aus Metall mit der übrigen Brennstoffzelleneinheit 1, d. h. dem Brennstoffzellenstapel 40 mit dem Gehäuse 42, mechanisch verbunden. Die mechanischen Kontaktelemente 73 sind von Fixierungselementen 67 und Abstandselementen 70 gebildet. Die Fixierungselemente 67 als Verbindungselemente 69 aus Metall dienen zur mechanischen Verbindung des Rezirkulationssystems 65 mit der Anschlussplatte 47 des Brennstoffzellenstapels 40. Die Fixierungselemente 67 sind dabei vorzugsweise als Schrauben 68 ausgebildet.

Ein Abscheidungssystem 72 der Brennstoffzelleneinheit 1 umfasst den Wasserabscheider 51 und das Ablassventil 63. In dem Wasserabscheider 51 mit dem Abscheidungsströmungsraum 53 fungiert ein unterer Teilbereich des Abscheidungsströmungsraumes 53 auch als Sammelraum 78 zur Speicherung von in dem Wasserabscheider 51 abgeschiedenen Wasser. Das Ablassventil 63 fungiert sowohl als Drainventil 75 zum Ablassen von in dem Sammelraum 78 gespeicherten Wasser in die Umgebung und als Purgeventil 76 zum Ablassen von Rezirkulationsbrennstoff in die Umgebung. Dabei ist an dem Abscheidungssystem 72 nur ein Ablassventil 63 mit diesen beiden Funktionen ausgebildet, sodass dieses Ablassventil 63 somit ein Doppelfunktionsventil 77 ausgebildet zum Ablassen sowohl von Wasser als auch von Rezirkulationsbrennstoff in die Umgebung. In dem Abscheidungsströmungsraum 53 und damit auch in dem Sammelraum 78 ist an einem unteren Endbereich die Wasserableitungsöffnung 57 ausgebildet, welche auch als Rezirkulationsbrennstoffableitungsöffnung 57 fungiert. Diese Öffnung 57 mit der Doppelfunktion zum Ableiten sowohl von Wasser als auch von Rezirkulationsbrennstoff mündet in die Ablassleitung 64 zum Ableiten sowohl von Wasser als auch von Rezirkulationsbrennstoff. Dabei ist an der Ablassleitung 64 einen Unterscheidungssensor 79 als ein Drucksensor 80 ausgebildet. Der Unterscheidungssensor 79 dient dazu während des Ableitens eines Fluides, nämlich Wasser oder Rezirkulationsbrennstoff, durch die Wasserableitungsöffnung 57, die Rezirkulationsbrennstoffableitungsöffnung 57 und die Ablassleitung 64 zu erfassen und zu erkennen, ob aktuell Wasser oder Rezirkulationsbrennstoff durch das Doppelfunktionsventil 77 und die Ablassleitung 64 geleitet wird.

Wasser als Flüssigkeit und Rezirkulationsbrennstoff als Gas weisen eine unterschiedliche Viskosität auf. Bei einem im Wesentlichen konstanten Druck in dem Abscheidungsströmungsraum 53 weist aufgrund der unterschiedlichen Viskosität von Wasser und Rezirkulationsbrennstoff das Wasser eine kleinere Strömungsgeschwindigkeit auf als der Rezirkulationsbrennstoff. Mit dem Drucksensor 80 kann beispielsweise der Staudruck des Wassers und des Rezirkulationsbrennstoffes in der Ablassleitung 64 erfasst werden. Für die Erfassung des Staudruck befindet sich innerhalb des Strömungsraumes der Ablassleitung 64 eine Strömungshindernis und an diesen Stimmungshindernis (nicht dargestellt) wird der Staudruck mit dem Drucksensor 80 erfasst. Nach dem Erreichen eines bestimmten Füllungsstandes des Sammelraum 78 mit Wasser wird das Doppelfunktionsventil 77 geöffnet. Während einer ersten Strömungszeitdauer wird Wasser durch das Doppelfunktionsventil 77 und die Ablassleitung 64 geleitet. Nachdem das gesamte Wasser aus dem Sammelraum 78 ausgeleitet worden ist strömt während einer zweiten Strömungszeitdauer Rezirkulationsbrennstoff durch das Doppelfunktionsventil 77 und die Ablassleitung 64. Der Drucksensor 80 erfasst während der ersten Strömungszeitdauer einen ersten Staudruck und während der zweiten Strömungszeitdauer einen zweiten Staudruck. Der erste und zweite Staudruck sind unterschiedlich, d. h. der zweite Staudruck ist größer als der erste Staudruck. Der Druck des Rezirkulationsbrennstoffes in dem Sammelraum 78 und in dem Abscheidungsströmungsraum 53 ist bekannt.

Mit dem Drucksensor 80 kann die erste Strömungszeitdauer während des Ausleitens von Wasser und die zweite Strömungszeitdauer während des Ausleitens von Rezirkulationsbrennstoff getrennt erfasst werden. Aufgrund der bekannten geometrischen Verhältnisse, insbesondere der Strömungsquerschnittsfläche für das Wasser und den Rezirkulationsbrennstoff in der Ablassleitung 64 und dem Doppelfunktionsventil 77 sowie der Länge der Ablassleitung 64, kann mit empirischen oder berechneten Werten und/oder Funktionen der Volumenstrom des Wassers und des Rezirkulationsbrennstoffes während der ersten und zweiten Strömungszeitdauer getrennt berechnet werden. Zur Berechnung der Strömungsgeschwindigkeit kann beispielsweise die Bernoulligleichung verwendet werden und der Volumenstrom ergibt sich aus der Multiplikation der Strömungsgeschwindigkeit mit der Strömungsquerschnittsfläche. Da jedoch auch die erste und zweite Strömungszeitdauer bekannt ist kann das Volumen des ausgeleiteten Wassers und des ausgeleiteten Rezirkulationsbrennstoffes berechnet werden. Bei einem konstanten Druck und konstanten Volumenstrom ergibt sich das Volumen des ausgeleiteten Rezirkulationsbrennstoffes einfach aus der Multiplikation des bestimmten Volumenstromes mit der Zeit der zweiten Strömungszeitdauer. Bei einem unterschiedlichen Druck während des Ausleitens von Rezirkulationsbrennstoffes kann das ausgeleitete Volumen des Rezirkulationsbrennstoffes durch Integration berechnet werden. Diese Vorgehensweise kann einfach von einer entsprechenden Steuerungs- und/oder Regelungseinheit (nicht dargestellt) ausgeführt und berechnet werden. Anstelle der Bestimmung des Staudruck mit dem Drucksensor 80 kann der Druck ohne Strömungshindernis in der Ablassleitung mit dem Drucksensor 80 erfasst werden.

Für die Erfassung der 2 Fluidarten Wasser und Rezirkulationsbrennstoff kann anstelle des Drucksensor 80 bei dem Unterscheidungssensor 79 auch ein Durchflusssensor zur direkten Erfassung des Volumenstromes des Fluides in der Ablassleitung 64 und in dem Doppelfunktionsventil 77 verwendet werden. Der Rezirkulationsbrennstoff und das Wasser strömen mit einer unterschiedlichen Strömungsgeschwindigkeit und unterschiedlichen Volumenstrom aufgrund der unterschiedlichen Viskosität durch die Ablassleitung 64 und das Doppelfunktionsventil 77, sodass durch die erfassten unterschiedlichen Volumenströme zwischen den 2 Fluidarten differenziert werden kann. Damit kann die erste und zweite Strömungszeitdauer jeweils für das Wasser und den Rezirkulationsbrennstoff erfasst werden und das Volumen ergibt sich aus der Multiplikation des Volumenstromes mit der Strömungszeitdauer oder durch Integration bei einem unterschiedlichen Volumenstrom.

In Fig. 6 ist ein weiteres analoges zweites Ausführungsbeispiel des Abscheidungssystem 72 dargestellt. Das Abscheidungssystem 72 in dem zweiten Ausführungsbeispiel weist einen Wasserabscheider 51 mit Zyklonabscheidung auf. Insgesamt betrachtet sind mit dem erfindungsgemäßen Abscheidungssystem 72, mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben der Brennstoffzelleneinheit 1 und der erfindungsgemäßen Brennstoffzelleneinheit 1 wesentliche Vorteile verbunden. In dem Rezirkulationsbrennstoff reichern sich nicht erwünschte Gase, insbesondere Stickstoff welcher durch die Protonenaustauschermembran 5 von dem Kanal 13 in den Kanal 12 für Rezirkulationsbrennstoff diffundiert ist, an. Aus diesem Grund ist es notwendig in Abhängigkeit vom der Betriebsweise der Brennstoffzelleneinheit 1 und des Brennstoffzellensystems 4 ein bestimmtes Volumen an Rezirkulationsbrennstoff in die Umgebung abzuleiten. Hierfür ist es notwendig, das Volumen des abgeleiteten Rezirkulationsbrennstoffes zu erfassen. In dem Abscheidungssystem 72 ist in vorteilhafter Weise nur ein

Doppelfunktionsventil 77 sowohl als Drainventil 75 für Wasser als auch als Purgeventil 76 für Rezirkulationsbrennstoff vorhanden. Das ausgeleitete Volumen des Rezirkulationsbrennstoffes kann einfach mit dem Unterscheidungssensor 79 und der Öffnungsdauer des Doppelfunktionsventils 77 gesteuert und geregelt werden. Für ein vorgegebenes Volumen des abzuleitenden Rezirkulationsbrennstoffes wird somit eine vorgegebene Öffnungsdauer des Doppelfunktionsventils 77 berechnet und das Doppelfunktionsventil 77 wird für die berechnete Öffnungsdauer geöffnet, so dass vorgegebenes Volumen des abzuleitenden Rezirkulationsbrennstoffes abgelassen wird. Das Abscheidungssystem 74 und die Brennstoffzelleneinheit 1 ist damit einfach und preiswert in der Herstellung bei einer hohen Zuverlässigkeit.