Die vorliegende Erfindung betrifft ein Abgasnachbehandlungssystem für ein Brenn stoffzellensystem, ein Reaktorsystem mit einem Abgasnachbehandlungssystem so wie einem stationären Brennstoffzellensystem, und ein Verfahren zur Abgasnachbe handlung für ein Brennstoffzellensystem.

Die Erfindung betrifft insbesondere ein Abgasnachbehandlungssystem für ein statio näres Hochtemperatur-Brennstoffzellensystem. Unter einem Hochtemperatur- Brennstoffzellensystem versteht der Fachmann beispielsweise ein Schmelzkarbonat- Brennstoffzellensystem bzw. ein MCFC-System, welches bei Betriebstemperaturen von etwa 580°C bis 675°C arbeitet. Als Elektrolyt wird bei diesem Brennstoffzellentyp meist eine Alkalicarbonat-Mischschmelze aus Lithium- und Kaliumcarbonat verwen det.

Ebenso handelt es sich bei einem Festoxid-Brennstoffzellensystem bzw. einem SOFC-System um ein Hochtemperatur-Brennstoffzellensystem. SOFC-Systeme werden bei Betriebstemperaturen von etwa 650°C bis 1000°C betrieben. Der Elektro lyt dieses Zelltyps besteht aus einem festen keramischen Werkstoff, der in der Lage ist, Sauerstoffionen zu leiten, für Elektronen jedoch isolierend wirkt. An beiden Seiten der Elektrolytschicht sind die Elektroden, also Kathode und Anode, angebracht. Die Elektroden sind gasdurchlässige elektrische Leiter. Der sauerstoffionenleitende Elektrolyt ist beispielsweise als dünne Membran vorgesehen, um die Sauerstoffionen energiearm transportieren zu können. Die dem Elektrolyt abgewandte, äußere Seite der Kathode wird von Luft umgeben, die äußere Anodenseite von Brenngas. Unge nutzte Luft und ungenutztes Brenngas sowie Verbrennungsprodukte in Form von Prozessabgas werden in der Regel abgesaugt.

Abgesaugtes Prozessabgas wird bei im Stand der Technik bekannten Brennstoffzel lensystemen direkt in die Umgebung des Brennstoffzellensystems ausgegeben und/oder zumindest teilweise kondensiert und als Abgaskondensat in geeigneten Speicherbehältern gespeichert. Da das vorstehend beschriebene Abgaskondensat mit Schadstoffen wie Chrom und/oder Nickel belastet sein kann, muss es fachge recht entsorgt werden. Dies kann einen Eingriff in den Betriebsablauf des Brennstoff zellensystems bedingen, welcher zu einem ungewollten, temporären Stillstand des Brennstoffzellensystems führt. Ferner ist ein Entleeren oder ein Austausch des Spei cherbehälters mit Aufwand verbunden, welchen es möglichst zu vermeiden gilt.

Aus der internationalen Patentanmeldung WO 2010/096028 A1 geht ein Kondensat behandlungssystem für ein Brennstoffzellensystem hervor, in welchem Abgaskon densat lokal am Brennstoffzellensystem gereinigt wird. Genauer gesagt wird in einem Wassertank gespeichertes Kondensat über ein stromabwärts des Wassertanks an geordnetes Filtersystem gereinigt und durch einen Verdampfer zurück in einen Heiz- bereich des Brennstoffzellensystems geführt. Dies bedingt gemäß WO 2010/096028 A1 jedoch ein aufwändiges Leitungs- und Pumpensystem, welches nicht nur Bau raum benötigt, sondern auch mit entsprechenden Kosten verbunden ist.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, der voranstehend beschriebenen Prob lematik zumindest teilweise Rechnung zu tragen. Insbesondere ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Abgasnachbehandlungssystem, ein Reaktorsystem so wie ein Verfahren zur Abgasnachbehandlung eines Brennstoffzellensystems zu schaffen, wobei ein Ausgeben von Schadstoffen in die Umgebung des Brennstoffzel lensystems auf einfache, effiziente und zuverlässige Weise verhindert werden kann, während das Brennstoffzellensystem möglichst effizient und ungestört betrieben werden kann.

Die voranstehende Aufgabe wird durch die Patentansprüche gelöst. Insbesondere wird die voranstehende Aufgabe durch das Abgasnachbehandlungssystem gemäß Anspruch 1 , das Reaktorsystem gemäß Anspruch 9 sowie das Verfahren gemäß An spruch 10 gelöst. Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprü chen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem Abgasnachbehandlungssystem beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Reaktor system, dem erfindungsgemäßen Verfahren und jeweils umgekehrt, sodass bezüg lich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.

Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Abgasnachbehand lungssystem für ein Brennstoffzellensystem zur Verfügung gestellt. Das Abgasnach behandlungssystem weist einen Kondensierabschnitt zum Erzeugen von Abgaskon densat aus Prozessabgas des Brennstoffzellensystems sowie einen Auffangab schnitt stromabwärts des Kondensierabschnitts zum Auffangen des erzeugten Ab- gaskondensats auf. Ferner weist das Abgasnachbehandlungssystem eine Saugvor richtung zum Ansaugen von Prozessabgas aus dem Brennstoffzellensystem in den Kondensierabschnitt unter Erzeugung eines Unterdrucks im Brennstoffzellensystem auf. Das Abgasnachbehandlungssystem weist zudem eine Reinigungseinheit zur Reinigung des erzeugten Abgaskondensats stromabwärts des Auffangabschnitts und eine Ventilanordnung zur Rückführung von gereinigtem Abgaskondensat in das Brennstoffzellensystem auf, wobei die Ventilanordnung zwischen einem Sperrzu stand, in welchem die Rückführung gesperrt ist, und wenigstens einem Durchlasszu stand, in welchem Abgaskondensat durch den Unterdrück im Brennstoffzellensystem rückführbar ist, schaltbar ist.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wurde herausgefunden, dass der durch die Saugvorrichtung erzeugte Unterdrück im Brennstoffzellensystem genutzt werden kann, um auf einfache und effiziente Weise das gereinigte Abgaskondensat als Pro zesswasser zurück in das Brennstoffzellensystem zu fördern. Erfindungsgemäß wird eine passive Rezirkulation durch das gereinigte Abgaskondensat, das durch den be stehenden Unterdrück im Brennstoffzellensystem in dasselbe gesaugt wird, genutzt. Auf ein bisher für den Zweck der Kondensatrückführung zusätzlich erforderliches Pumpensystem kann verzichtet werden. Das vorliegende Abgasnachbehandlungs system kann dadurch besonders kostengünstig sowie platzsparend realisiert werden. Die Saugvorrichtung kann als Fluidfördervorrichtung, zum Fördern des Abgaskon densats aus dem Brennstoffzellensystem durch den Kondensierabschnitt in die Um gebung des Abgasnachbehandlungssystems, verstanden werden.

Das dargestellte Abgasnachbehandlungssystem kann durch seinen einfachen Auf bau außerdem besonders leicht an bestehenden Brennstoffzellensystemen ergänzt werden. An einem bestehenden Brennstoffzellensystem müssen hierbei keine oder kaum Modifikationen vorgenommen werden. Durch die integrierte Reinigungseinheit kann ein Brennstoffzellensystem außerdem problemlos als stationäres Kraftwerk in Wohn- und/oder Gewerbeeinheiten integriert werden, ohne sich Gedanken über die Entsorgung von verunreinigtem Abgaskondensat machen zu müssen.

Dadurch, dass das Abgaskondensat gereinigt und zur erneuten Verwendung in das Brennstoffzellensystem rückführbar ist, kann auf eine aufwändige Entsorgung von ungereinigtem Abgaskondensat verzichtet werden. Insbesondere kann dadurch er reicht werden, dass der Betrieb des Brennstoffzellensystems während der Entsor gung von verunreinigtem Abgaskondensat unterbrochen werden muss. Das Abgasnachbehandlungssystem ist vorzugsweise zur Verwendung an einem sta tionären Brennstoffzellensystem, insbesondere an einem stationären Hochtempera tur-Brennstoffzellensystem wie beispielsweise einem SOFC-System, ausgestaltet. Der Kondensierabschnitt ist bevorzugt direkt stromabwärts des Brennstoffzellensys tems, insbesondere direkt stromabwärts eines Hochtemperaturabschnitts des Brenn stoffzellensystems, einer sogenannten Hotbox, angeordnet. Die Saugvorrichtung ist vorzugsweise direkt stromabwärts des Kondensierabschnitts angeordnet. Dadurch kann das Prozessabgas besonders effizient und effektiv aus dem Brennstoffzellen system bzw. der Hotbox in den Kondensierabschnitt gesaugt werden. Die Saugvor richtung bietet bei einer solchen Anordnung eine Sperrventilfunktion. D.h., durch eine solche Anordnung kann auf einer Seite stromaufwärts der Saugvorrichtung Unter drück gehalten werden, während auf einer Seite stromabwärts der Saugvorrichtung Umgebungsdruck herrschen kann.

Während der Rückführung des gereinigten Abgaskondensats von der Reinigungs einheit in das Brennstoffzellensystem sind im Brennstoffzellensystem zumindest ab schnittsweise, insbesondere im Hochtemperaturbereich des Brennstoffzellensys tems, Unterdrück, in und/oder an der Reinigungseinheit Überdruck, und im und/oder am Rückführspeicher Umgebungsdruck eingestellt.

Die Reinigungseinheit weist ein Filtersystem zum Filtern von unerwünschten Sub stanzen wie Chrom und/oder Nickel im Abgaskondensat auf. Das Filtersystem kann beispielsweise als lonentauscher (Harzgranulat in Patronen), der die Chrom- und/oder Nickelionen bindet, ausgebildet sein. Die Reinigungseinheit kann vorteilhaft auch dazu ausgebildet sein, dass dadurch sämtliche gesetzlichen Grenzwerte einge halten werden können, wie beispielsweise ein Grenzwert für Nitrit oder einen pH- Wert. Die Ventilanordnung ist zum Sperren bzw. Steuern und/oder zur Regelung ei nes Abgaskondensat-Durchflusses in Richtung des Brennstoffzellensystems ausge staltet. Hierzu weist die Ventilanordnung vorzugsweise ein Sperrventil bzw. ein Stromventil auf. Im Sperrzustand ist ein Fluidweg von der Reinigungseinheit zum Brennstoffzellensystem an zumindest einer Stelle gesperrt. Zwischen der Reini gungseinheit und der Ventilanordnung können noch weitere Funktionsbauteile ange ordnet sein. In einem Durchlasszustand der Ventilanordnung kann durch Unterdrück im Brennstoffzellensystem gereinigtes Abgaskondensat aus der Reinigungseinheit durch die Ventilanordnung hindurch in das Brennstoffzellensystem gesaugt werden. Zwischen der Ventilanordnung und der Reinigungseinheit können weitere Funktions- bauteile angeordnet sein, durch welche das Abgaskondensat auf seinem Weg von der Reinigungseinheit zum Brennstoffzellensystem passieren kann bzw. muss. D.h., darunter, dass die Ventilanordnung stromabwärts der Reinigungseinheit angeordnet ist, muss nicht verstanden werden, dass die Ventilanordnung direkt stromabwärts der Reinigungseinheit, also ohne dazwischen angeordnete Funktionsbauteile des Ab gasnachbehandlungssystems, angeordnet ist.

Das Prozessabgas weist Prozessgas auf. Bereits in der Hotbox wird das Anodenab gas mit dem Kathodenabgas vermischt und Brennstoffreste werden in einem Oxicat verbrannt. Das Prozessabgas, welches im Abgaskühler auskondensiert, beinhaltet üblicherweise folglich kein Brenngas mehr. Über den Kondensierabschnitt können Abgaskondensat in Richtung des Auffangabschnitts und nichtkondensiertes Pro zessabgas in die Umgebung des Abgasnachbehandlungssystems geleitet werden.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es möglich, dass der Auffangabschnitt einen Pufferspeicher zum zumindest temporären Spei chern des aufgefangenen Abgaskondensats aufweist. Der Pufferspeicher sorgt dafür, dass kein Abgas in die Reinigungseinheit gepumpt wird, wenn zu wenig Kondensat vorhanden ist. Der Pufferspeicher garantiert eine Mindestmenge, die gefördert wer den kann, wenn die Pumpe aktiv ist. Insbesondere kann durch den Pufferspeicher ein möglichst gleichmäßiger Abgaskondensatstrom in Richtung der Reinigungsein heit ermöglicht werden, da es dadurch nicht nur möglich ist, gleichmäßig zu fördern, sondern auch exakt den Durchfluss und den Druck zur Verfügung zu stellen, bei der die Reinigungseinheit optimal funktioniert. Unter dem Pufferspeicher ist vorzugswei se ein Flüssigkeitstank zu verstehen. Der Flüssigkeitstank bzw. der Pufferspeicher kann einen Fluideingang zur Aufnahme des Abgaskondensats vom Kondensierab schnitt und einen Fluidausgang zum Ausgeben von zwischengespeicherten Abgas kondensat in Richtung der Reinigungseinheit aufweisen.

Ferner ist es möglich, dass bei einem erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungs system stromabwärts des Auffangabschnitts und stromaufwärts der Reinigungsein heit eine Pumpe zum Pumpen des Abgaskondensats aus dem Auffangabschnitt in die Reinigungseinheit angeordnet ist. Die Pumpe erfüllt erfindungsgemäß eine Dop pelfunktion. Einerseits kann durch die Pumpe stets eine definierte Menge an Abgas kondensat aus dem Auffangabschnitt bzw. aus dem Pufferspeicher in die Reini gungseinheit gefördert werden. Andererseits weist die Pumpe eine Ventilfunktion auf, durch welche ein gewünschtes Druckniveau stromaufwärts der Pumpe im Auffan- gabschnitt, im Kondensierabschnitt sowie im Brennstoffzellensystem, und stromab wärts der Pumpe in und/oder an der Reinigungseinheit gehalten werden kann. Es kann jedoch auch zusätzliches Rückschlagventil vorgesehen sein, um eine Sicher heit weiter zu erhöhen. Stromaufwärts der Pumpe kann insbesondere ein Unterdrück gehalten werden, während stromabwärts der Pumpe zumindest abschnittsweise ein Hochdruck bzw. Überdruck gehalten und/oder durch einen Pumpvorgang der Pumpe erzeugt werden kann. Dieses Druckgefälle wirkt sich positiv auf die gewünschte Ab gaskondensatrückführung aus. Die Pumpe ist dazu vorzugsweise als zwangsför dernde Pumpe ausgestaltet.

Weiterhin ist es bei einem Abgasnachbehandlungssystem gemäß der vorliegenden Erfindung möglich, dass stromabwärts der Reinigungseinheit und stromaufwärts der Ventilanordnung ein Rückführspeicher zum Speichern von gereinigtem Abgaskon densat angeordnet ist. Mit Hilfe des Rückführspeichers lässt sich ein möglichst gleichmäßiger und/oder vordefinierter Abgaskondensat-Rückführstrom einstellen. Durch den Rückführspeicher kann die Abgaskondensatrückführung relativ unabhän gig vom Reinigungsbetrieb der Reinigungseinheit durchgeführt werden. D.h., wäh rend sich die Reinigungseinheit in einem deaktivierten Zustand befindet, da die Pumpe vorübergehend kein Abgaskondensat aus dem Auffangabschnitt in die Reini gungseinheit pumpt, kann trotzdem oder insbesondere in einem solchen Zustand ge speichertes gereinigtes Abgaskondensat aus dem Rückführspeicher in das Brenn stoffzellensystem geführt bzw. gesaugt werden. Der Rückführspeicher kann als wei terer Pufferspeicher zum Zwischenspeichern von gereinigtem Abgaskondensat ver standen werden.

Darüber hinaus ist es bei einer Ausgestaltungsvariante der vorliegenden Erfindung möglich, dass stromabwärts des Rückführspeichers und stromaufwärts der Ventilan ordnung ein Durchflussmesser zum Einstellen einer definierten Rückführmenge von Abgaskondensat in das Brennstoffzellensystem angeordnet ist. Mit Hilfe des Durch flussmessers können zu hohe sowie zu niedrige Rückführmengen in das Brennstoff zellensystem verhindert und das Brennstoffzellensystem entsprechend geschützt werden. Außerdem kann unter Verwendung des Durchflussmessers verhindert wer den, dass der Rückführspeicher in Richtung des Brennstoffzellensystems zu schnell und/oder ineffizient entleert wird. Alternativ oder zusätzlich kann eine Effizienz auch durch eine gezielte Dosierung einer Wassermenge erhöht werden. Bei einem erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungssystem ist es zudem möglich, dass am Rückführspeicher ein Belüftungsventil zum Belüften des Rückführspeichers angeordnet ist. Durch das Belüftungsventil kann auf einfache Weise stets der ge wünschte Druck am Rückführspeicher und somit entsprechend stromaufwärts der Ventilanordnung gewährleistet werden. Insbesondere kann dadurch auf einfache Weise das gewünschte Druckgefälle zwischen dem Rückführspeicher und dem Brennstoffzellensystem bei geöffneter Ventilanordnung ermöglicht werden, sodass das Abgaskondensat aus dem Rückführspeicher stets ohne zusätzlichen Pumpen bedarf in das Brennstoffzellensystem gesaugt werden kann.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es möglich, dass bei einem Abgasnachbehandlungssystem am Rückführspeicher ein Auslass ventil zum vordefinierten Auslassen von gereinigtem Abgaskondensat aus dem Rückführspeicher in die Umgebung des Rückführspeichers angeordnet ist. Sobald sich eine ausreichende Menge von gereinigtem Abgaskondensat im Rückführspei cher befindet oder sobald sich im Rückführspeicher eine maximal zulässige Menge an Abgaskondensat befindet, kann das Auslassventil in einen Durchlasszustand ge schaltet bzw. geöffnet werden. Dadurch kann beispielsweise verhindert werden, dass der Betrieb der Reinigungseinheit unterbrochen werden muss, um ein etwaiges Überfüllen des Rückführspeichers zu verhindern. Das Auslassventil ist vorzugsweise in einer separaten Fluidleitung stromabwärts des Rückführspeichers angeordnet.

Das Auslassventil kann jedoch auch stromaufwärts des Rückführspeichers angeord net sein, sodass an dieser Stelle ein Bypass zum Rückführspeicher gebildet ist. So kann gereinigtes Abgaskondensat aus der Reinigungseinheit direkt in die Umgebung des Rückführspeichers bzw. des Abgasnachbehandlungssystems geleitet werden, noch bevor es den Rückführspeicher erreicht.

Bei einem erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungssystem kann der Konden sierabschnitt einen Wärmetauscher bzw. einen Wärmeübertrager zum Erzeugen des Abgaskondensats aufweisen. D.h., der Wärmetauscher ist zum Erzeugen des Ab gaskondensats aus dem Prozessabgas des Brennstoffzellensystems angeordnet und ausgestaltet. Bei Versuchen im Rahmen der vorliegenden Erfindung hat sich heraus gestellt, dass ein Wärmetauscher auf besonders effiziente und effektive Weise für die gewünschte Kondensation geeignet ist. Der Wärmetauscher ist vorzugsweise derart im Abgasnachbehandlungssystem angeordnet, dass das Brennstoffzellensystem sowie die Saugvorrichtung einer kalten Seite bzw. kalten Seiten des Wärmetau- schers zugewandt sind. Zur Bereitstellung der heißen Seite bzw. heißen Seiten des Wärmetauschers kann dieser mit einer geeigneten Heizquelle verbunden sein, ins besondere in Fluidverbindung stehen. Zum Aufheizen des Wärmetauschers kann dieser mit einer Heizquelle des Brennstoffzellensystems in Fluidverbindung stehen, welche als alleinige oder zusätzliche Heizquelle dienen kann. Die Heizquelle des Brennstoffzellensystems steht dann entsprechend mit einer heißen Seite des Wär metauschers in Fluidverbindung. So kann der Wärmetauscher insbesondere durch heiße Prozessfluide des Brennstoffzellensystems geheizt werden.

Der Wärmetauscher ist grundsätzlich zur Nutzung einer Systemabwärme ausgebildet und angeordnet. Thermische Energie kann beispielsweise über den Abgaswärme tauscher in Haustechnik und/oder Boiler einspeist werden. Je tiefer abgekühlt wird, desto besser ist dies für eine gesamte Systemeffizienz. Eine Kondensation des Was sers erhöht die Effizienz weiter, weil damit der Brennwert des Brennstoffs genutzt werden kann. Das Abgas des SOFC-Systems wird über die heiße Seite des Wärme tauschers geleitet. Gekühlt wird in den meisten Anwendungen insbesondere mit Wasser aus der Haustechnik.

Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Reaktorsystem mit einem wie vorstehend im Detail beschriebenen Abgasnachbehandlungssystem sowie einem stationären Brennstoffzellensystem, durch welches das Prozessabgas erzeugt wird, zur Verfügung gestellt. Damit bringt ein erfindungsgemäßes Reaktor system die gleichen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit Bezug auf das erfin dungsgemäße Abgasnachbehandlungssystem beschrieben worden sind. Das Brenn stoffzellensystem des Reaktorsystems ist insbesondere als stationäres Brennstoffzel lensystem, bevorzugt als stationäres SOFC-System, ausgestaltet. Das Brennstoffzel lensystem kann mithin als stationäres Kraftwerk verstanden werden.

Darüber hinaus wird ein Verfahren zur Abgasnachbehandlung für ein Brennstoffzel lensystem mit dem vorstehend im Detail erläuterten Abgasnachbehandlungssystem zur Verfügung gestellt. Das Verfahren weist die folgenden Schritte auf:

Saugen von Prozessabgas aus dem Brennstoffzellensystem in den Konden sierabschnitt durch die Saugvorrichtung unter Erzeugung eines Unterdrucks im

Brennstoffzellensystem, Leiten des erzeugten Abgaskondensats von dem Kondensierabschnitt in die Reinigungseinheit zur Reinigung des Abgaskondensats, und

Einstellen der Ventilanordnung in den Durchlasszustand, während ein Druckge fälle von stromaufwärts der Ventilanordnung in Richtung stromabwärts der Ven tilanordnung herrscht.

Damit bringt auch ein erfindungsgemäßes Verfahren die gleichen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit Bezug auf das erfindungsgemäße Abgasnachbehandlungs system beschrieben worden sind. Bei Versuchen im Rahmen der vorliegenden Erfin dung hat sich herausgestellt, dass eine besonders vorteilhafte Rückführung des Ab gaskondensats erreicht werden kann, wenn durch das Ansaugen des Abgases aus dem Brennstoffzellensystem ein Unterdrück in einem Bereich zwischen 0.9 bar und 1 bar im Brennstoffzellensystem erzeugt wird. Wenn die Ventilanordnung in den Durch lasszustand gestellt wird, während ein Druckgefälle von stromaufwärts der Ventilan ordnung in Richtung stromabwärts der Ventilanordnung herrscht, kann das gereinigte Abgaskondensat stromaufwärts der geöffneten Ventilanordnung, also von der Reini gungseinheit oder vom Rückführspeicher, ggf. über den Durchflussmesser, automa tisch in das Brennstoffzellensystem gesaugt werden. Die Ventilanordnung ist dabei vorzugsweise derart eingestellt, dass sie nur dann in den Durchlasszustand gestellt wird, wenn sich im Rückführspeicher eine vordefinierte Menge an gereinigtem Ab gaskondensat befindet. Dadurch kann sichergestellt werden, dass das Brennstoffzel lensystem an dieser Stelle keine Luft saugt, wodurch das Brennstoffzellensystem be schädigt werden und/oder den Unterdruckzustand verlieren könnte.

Weiterhin ist es möglich, dass bei einem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfin dung das gereinigte Abgaskondensat von der Reinigungseinheit in das Brennstoffzel lensystem rückgeführt wird, während im Brennstoffzellensystem ein niedrigerer Druck als in und/oder an der Reinigungseinheit und/oder im und/oder am Rückführ speicher eingestellt ist. Insbesondere wird in und/oder an der Reinigungseinheit, vor zugsweise durch die Pumpe, ein Überdruck erzeugt, während im Bereich des Rück führspeichers Umgebungsdruck herrscht bzw. eingestellt wird. Sobald gereinigtes Abgaskondensat in das Brennstoffzellensystem rückgeführt werden soll, können in diesem Zustand die Pumpe in einen Sperrzustand und die Ventilanordnung in einen Durchlasszustand geschaltet werden. Gemäß einer weiteren Ausgestaltungsvariante der vorliegenden Erfindung kann bei einem Verfahren der Durchlasszustand der Ventilanordnung zum diskontinuierlichen Rückführen des Abgaskondensats auf eine vordefinierte Öffnungsdauer eingestellt werden. Dadurch kann automatisiert verhindert werden, dass zu viel Abgaskonden sat in das Brennstoffzellensystem geleitet wird. Die Öffnungsdauer kann vorzugswei se in Abhängigkeit eines Betriebszustands des Brennstoffzellensystems und/oder ei nes Füllzustandes des Rückführspeichers eingestellt bzw. vordefiniert werden. Es scheint jedoch, dass ein kontinuierliches Rückführen zweckmäßiger ist.

Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen ergeben sich aus der nachfolgen den Beschreibung zu verschiedenen Ausführungsbeispielen der Erfindung, welche in den Figuren schematisch dargestellt sind. Sämtliche aus den Ansprüchen, der Be schreibung oder der Zeichnung hervorgehende Merkmale und/oder Vorteile, ein schließlich konstruktiver Einzelheiten und räumlicher Anordnungen können sowohl für sich als auch in den verschiedenen Kombinationen erfindungswesentlich sein.

Es zeigen jeweils schematisch:

Figur 1 ein Reaktorsystem mit einem Brennstoffzellensystem sowie einem Abgas nachbehandlungssystem gemäß einer ersten Ausführungsform der vorlie genden Erfindung,

Figur 2 ein Reaktorsystem mit einem Brennstoffzellensystem sowie einem Abgas nachbehandlungssystem gemäß einer zweiten Ausführungsform der vor liegenden Erfindung, und

Figur 3 ein Flussdiagramm zur Erläuterung eines erfindungsgemäßen Verfahrens.

Elemente mit gleicher Funktion und Wirkungsweise sind in den Figuren 1 bis 3 je weils mit denselben Bezugszeichen versehen.

In Fig. 1 ist ein Reaktorsystem mit einem Brennstoffzellensystem 2 und einem daran angeschlossenen Abgasnachbehandlungssystem 1 a dargestellt. Das Brennstoffzel lensystem 2 weist einen Flochtemperaturabschnitt 12, eine sogenannte Hot Box, auf, aus welcher Prozessabgas in das Abgasnachbehandlungssystem 1 a geleitet bzw. gesaugt werden kann. Das Abgasnachbehandlungssystem 1 a weist einen Konden sierabschnitt 3 in Form eines Wärmetauschers zum Erzeugen von Abgaskondensat aus dem Prozessabgas des Brennstoffzellensystems 2 auf. Das Abgasnachbehand- lungssystem 1 a weist ferner einen Auffangabschnitt 7 stromabwärts des Kondensier abschnitts 3 zum Auffangen des erzeugten Abgaskondensats auf, wobei der Auffan gabschnitt 7 einen Pufferspeicher zum zumindest temporären Speichern des aufge fangenen Abgaskondensats aufweist.

Weiterhin weist das Abgasnachbehandlungssystem 1 a eine Saugvorrichtung 4 zum Ansaugen von Prozessabgas aus dem Brennstoffzellensystem 2 in den Kondensier abschnitt 3 unter Erzeugung eines Unterdrucks im Brennstoffzellensystem 2 auf. Die Saugvorrichtung 4 ist direkt stromabwärts des Kondensierabschnitts 4 an einer kal ten Seite desselben angeordnet, da diese dort wegen der niedrigen Temperaturen beständiger und effizienter betreibbar ist. Mittels der Saugvorrichtung 4 kann somit nicht kondensiertes Prozessabgas durch den Kondensierabschnitt 3 hindurch in die Umgebung des Reaktorsystems gesaugt bzw. geleitet werden.

Das Abgasnachbehandlungssystem 1 a weist zudem eine Reinigungseinheit 5 zur Reinigung des erzeugten Abgaskondensats stromabwärts des Auffangabschnitts 7 auf, wobei stromaufwärts der Reinigungseinheit 5 und stromabwärts des Konden sierabschnitts 3 eine Pumpe 8 zum Pumpen des Abgaskondensats aus dem Auffan gabschnitt 7 in die Reinigungseinheit 5 angeordnet ist. Außerdem weist das Abgas nachbehandlungssystem 1 a eine Ventilanordnung 6 zur Rückführung von gereinig tem Abgaskondensat in das Brennstoffzellensystem 2 auf, wobei die Ventilanord nung 6 zwischen einem Sperrzustand, in welchem die Rückführung gesperrt ist, und wenigstens einem Durchlasszustand, in welchem Abgaskondensat durch den Unter drück im Brennstoffzellensystem 2 rückführbar ist, schaltbar ist.

Stromabwärts der Reinigungseinheit 5 und stromaufwärts der Ventilanordnung 6 ist ein Rückführspeicher 9 zum Speichern von gereinigtem Abgaskondensat angeord net. Stromabwärts des Rückführspeichers 9 und stromaufwärts der Ventilanordnung 6 ist ein Durchflussmesser 10 zum Einstellen einer definierten Rückführmenge von Abgaskondensat in das Brennstoffzellensystem 2 angeordnet.

In Fig. 1 ist ein Betriebszustand des Reaktorsystems dargestellt, in welchem bei ei ner Ventilanordnung 6, die sich im Durchlasszustand befindet, gereinigtes Abgas kondensat aus dem Rückführspeicher kontrolliert in das Brennstoffzellensystem 2 gesaugt wird. Hierbei befinden sich, wie in Fig. 1 dargestellt, das Brennstoffzellen system 2, der Kondensierabschnitt 3 sowie der Auffangabschnitt 7 in einem Unter druckbereich U, die Reinigungseinheit 5 in einem Hochdruckbereich H und der Rück- führspeicher, der Durchflussmesser 10 sowie die Ventilanordnung 6 in einem Umge bungsdruckbereich. Die jeweiligen Funktionsbauteile befinden sich mithin ebenfalls in den entsprechenden Druckzuständen. Unter dem Hochdruckbereich H ist ein Bereich des Reaktorsystems zu verstehen, in welchem ein höherer Druck als im Unterdruck bereich U und im Umgebungsdruckbereich A herrscht.

In Fig. 2 ist ein Reaktorsystem mit einem Abgasnachbehandlungssystem 1 b gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Bei dem in Fig. 2 dargestellten Abgasnachbehandlungssystem 1 b ist an einem geschlossenen Rückführspeicher 9 ein Belüftungsventil 13 zum Belüften des Rückführspeichers 9 angeordnet. Außerdem ist stromabwärts des Rückführspeichers 9 ein Auslassventil 14 zum vordefinierten Auslassen von gereinigtem Abgaskondensat aus dem Rück führspeicher 9 in die Umgebung 1 1 des Rückführspeichers 9 angeordnet. Gereinig tes Abgaskondensat kann beispielsweise über einen Kamin an die Umgebung abge geben werden. Um eine Ansammlung von Kondensat im Kamin zu vermeiden ist unmittelbar beim Kamin eine Rückleitung vorgesehen, über welche Kondensat aus dem Kamin in den Auffangabschnitt 7 gesaugt wird. Im Auffangabschnitt 7 wird also Kondensat gesammelt und gemeinsam mit dem erzeugten Abgaskondensat abge führt. Dadurch ist sichergestellt, dass, falls doch noch Anodenabgas bis zum Kamin kommt und dort kondensiert, dieses vor einer Abgabe an die Umgebung in das Sys tem zurückgeführt wird. Diese Rückleitung kann selbstverständlich auch bei einer Ausführungsform gemäß Fig. 1 vorgesehen sein. Günstig kann es auch sein, ein Ein- Weg-Belüftungsventil anzubringen, um den die Umgebung 1 1 nicht im Unterdrück zu betreiben. Hierbei kann das Auslassventil 14 als Überdruckventil ausgebildet sein, welches auf einen fixen Wert eingestellt ist.

Mit Bezug auf Fig. 3 wird anschließend ein Verfahren zur Abgasnachbehandlung für ein Brennstoffzellensystem 2 mit einem wie in Fig. 1 dargestellten Abgasnachbe handlungssystem 1 a erläutert. In einem ersten Schritt S1 wird Prozessabgas aus dem Brennstoffzellensystem 2 in den Kondensierabschnitt 3 durch die Saugvorrich tung 4 unter Erzeugung eines Unterdrucks im Brennstoffzellensystem 2 gesaugt. Hierzu wird bzw. ist die Ventilanordnung 6 in einen Sperrzustand geschaltet.

In einem zweiten Schritt S2 wird das erzeugte Abgaskondensat von dem Konden sierabschnitt 3 in die Reinigungseinheit 5 zur Reinigung des Abgaskondensats gelei tet. Für eine Rückführung des gereinigten Abgaskondensats in das Brennstoffzellensys tem 2 bzw. in den Hochtemperaturabschnitt 12 des Brennstoffzellensystems 2 wird die Ventilanordnung 6 in einem dritten Schritt in einen Durchlasszustand geschaltet, während ein Druckgefälle von stromaufwärts der Ventilanordnung 6 in Richtung stromabwärts der Ventilanordnung 6 herrscht. Das gereinigte Abgaskondensat wird gemäß der dargestellten Ausführungsform von der Reinigungseinheit 5 in das Brennstoffzellensystem 2 rückgeführt, wenn im Brennstoffzellensystem 2 ein niedri gerer Druck als an der Reinigungseinheit 5 sowie am Rückführspeicher 9 eingestellt ist. Der Durchlasszustand der Ventilanordnung 6 wird hierbei abhängig vom Be- triebszustand des Brennstoffzellensystems 2 sowie vom Füllstand des Rückführspei chers 9 zum diskontinuierlichen Rückführen des Abgaskondensats auf eine vordefi nierte Öffnungsdauer eingestellt.

Die Erfindung lässt neben den dargestellten Ausführungsformen weitere Gestal tungsgrundsätze zu. D.h., die Erfindung soll nicht auf die in den Figuren dargestellten Ausführungsformen beschränkt betrachtet werden.

Bezugszeichenliste

1 a, 1 b Abgasnachbehandlungssystem

2 Brennstoffzellensystem

3 Kondensierabschnitt

4 Saugvorrichtung

5 Reinigungseinheit

6 Ventilanordnung

7 Auffangabschnitt

8 Pumpe

9 Rückführspeicher

10 Durchflussmesser

11 Umgebung

12 Hochtemperaturabschnitt

13 Entlüftungsventil

14 Auslassventil

A Umgebungsdruck

H Hochdruck

U Unterdrück