DE102015224486A1 - Redox fuel cell system - Google Patents

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Janine Grammel
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Redox-Brennstoffzellensystem, umfassend: mindestens eine Redox-Brennstoffzelle mit einer Anode und einer Kathode, die durch einen ionenselektiven Separator getrennt sind, wobei die Redox-Brennstoffzelle zum Durchleiten eines Brennstoffes und einer Katholytlösung ausgebildet ist, mindestens einen Regenerator zur Regeneration der Katholytlösung, wobei der Regenerator zum Durchleiten der Katholytlösung und eines Oxidationsfluides ausgebildet ist, wobei die Katode und der Regenerator fluidverbunden sind, sodass die Katholytlösung zwischen der Katode dem Regenerator zirkulieren kann, zumindest einen Detektor zum Erfassen zumindest eines Kennwertes in der Katholytlösung, und eine Recheneinheit zum Ermitteln eines Verunreinigungsgrades der Katholytlösung aus dem zumindest einen erfassten Kennwert.The invention relates to a redox fuel cell system comprising: at least one redox fuel cell having an anode and a cathode separated by an ion selective separator, wherein the redox fuel cell is configured to pass a fuel and a catholyte solution, at least one regeneration regenerator the catholyte solution, wherein the regenerator is configured to pass the catholyte solution and an oxidizing fluid, wherein the cathode and the regenerator are fluidly connected so that the catholyte solution between the cathode can circulate the regenerator, at least one detector for detecting at least one characteristic in the catholyte solution, and a Arithmetic unit for determining a degree of contamination of the catholyte solution from the at least one detected characteristic value.

Description

Die Erfindung betrifft ein Redox-Brennstoffzellensystem. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Überprüfen eines Zustandes des Katholyts des Redox-Brennstoffzellensystems. The invention relates to a redox fuel cell system. In particular, the invention relates to an apparatus and method for checking a condition of the catholyte of the redox fuel cell system.

Brennstoffzellensysteme für mobile Anwendungen wie Kraftfahrzeuge sind aus dem Stand der Technik bekannt. In ihrer einfachsten Form ist eine Brennstoffzelle ein elektrochemischer Energiewandler, der Brennstoff und Oxidationsmittel in Reaktionsprodukte umwandelt und dabei Elektrizität und Wärme produziert. Beispielsweise wird in einer solchen Brennstoffzelle Wasserstoff als Brennstoff und Luft oder Sauerstoff als Oxidationsmittel verwendet. Die Gase werden dabei in entsprechende Diffusionselektroden gespeist, die durch einen festen oder flüssigen Elektrolyten voneinander getrennt werden. Der Elektrolyt transportiert geladene Ionen zwischen den beiden Elektroden. Fuel cell systems for mobile applications such as motor vehicles are known in the art. In its simplest form, a fuel cell is an electrochemical energy converter that converts fuel and oxidant into reaction products, producing electricity and heat. For example, hydrogen is used as the fuel and air or oxygen as the oxidizing agent in such a fuel cell. The gases are fed into corresponding diffusion electrodes, which are separated by a solid or liquid electrolyte. The electrolyte transports charged ions between the two electrodes.

In einem indirekten oder Redox-Brennstoffzellensystem reagiert das Oxidationsmittel nicht direkt an der Kathode. Vielmehr reagiert eine reduzierte Form eines Redox-Moleküls (Katholyt) an einer Stelle beabstandet von der Kathode, um oxidiert zu werden. Diese oxidierte Form des Redox-Moleküls wird dann der Kathode zugeführt. Solch ein Redox-Brennstoffzellensystem wird hier betrachtet und ist zum Beispiel in DE 10 2013 217 858 A1 beschrieben. In an indirect or redox fuel cell system, the oxidizer does not react directly at the cathode. Rather, a reduced form of redox molecule (catholyte) reacts at a location spaced from the cathode to be oxidized. This oxidized form of the redox molecule is then fed to the cathode. Such a redox fuel cell system is considered here and is, for example, in DE 10 2013 217 858 A1 described.

Redox-Brennstoffzellen sind außerdem zu unterscheiden von Redox-Flow-Batterien, bei denen die Kathode und die Anode mit einem Katholyt bzw. einem Anolyt versorgt werden, die i.d.R. in entsprechenden Behältern aufbewahrt werden. Beide Subsysteme werden hier also indirekt betrieben. Bei dem vorliegend betrachteten Redox-Brennstoffzellensystem wird indes der Brennstoff in einem Druckbehälter gespeichert und direkt der Anode zugeführt. Das dem Regenerator zugeführte Oxidationsmittel, i.d.R. Luft, wird indes nicht in einem Behälter gespeichert. Redox fuel cells are also distinguished from redox flow batteries, in which the cathode and the anode are supplied with a catholyte or anolyte, the i.d.R. stored in appropriate containers. Both subsystems are therefore operated indirectly. In the presently considered redox fuel cell system, however, the fuel is stored in a pressure vessel and fed directly to the anode. The oxidizer supplied to the regenerator, i.d.R. Air, however, is not stored in a container.

In Redox-Brennstoffzellensystemen wird üblicherweise der Redoxzustand, d.h. der Anteil an reduzierten zu oxidierten Molekülen, in der Katholytlösung bestimmt. Dieser Redoxzustand wird zur Regelung verwendet. Über die Lebensdauer des Redox-Brennstoffzellensystems degeneriert das Katholyt, beispielsweise durch den Eintrag von Schadstoffen. Um eine Funktionsfähigkeit des Systems über eine lange Lebensdauer zu gewährleisten, werden zum Teil überdimensionierte Regeneratoren oder Filter vorgehalten. Dies bedingt relativ hohe Kosten und ein erhöhtes Systemgewicht. In redox fuel cell systems, the redox state, i. the proportion of reduced to oxidized molecules, determined in the catholyte solution. This redox state is used for regulation. Over the life of the redox fuel cell system degenerates the catholyte, for example by the entry of pollutants. In order to ensure a long life of the system, over-dimensioned regenerators or filters are kept in stock. This requires relatively high costs and an increased system weight.

Es ist Aufgabe vorliegender Erfindung ein Redox-Brennstoffzellensystem anzugeben, das ein relativ geringes Volumen und ein relativ geringes Gewicht aufweist, und über eine möglichst lange Lebensdauer sicher und effizient betrieben werden kann. Ferner ist es Aufgabe der Erfindung ein entsprechendes Verfahren zum Betreiben des Redox-Brennstoffzellensystems anzugeben. It is an object of the present invention to provide a redox fuel cell system which has a relatively low volume and a relatively low weight, and can be operated safely and efficiently over the longest possible service life. It is another object of the invention to provide a corresponding method for operating the redox fuel cell system.

Die Lösung der Aufgabe erfolgt durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche. Die Unteransprüche haben vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung zum Gegenstand. The object is achieved by the features of the independent claims. The dependent claims have advantageous embodiments of the invention the subject.

Die hier offenbarte Technologie umfasst ein Redox-Brennstoffzellensystem mit einem Regenerator und mindestens einer Redox-Brennstoffzelle. Die Redox-Brennstoffzelle umfasst eine Anode und eine Kathode, die insbesondere durch einen ionenselektiven Separator getrennt sind. Es ist eine Zufuhr für einen Brennstoff zur Anode vorgesehen. So ist die Anode bei Betrieb der Redox-Brennstoffzelle in Fluidverbindung mit einem Brennstoffreservoir. The technology disclosed herein includes a redox fuel cell system having a regenerator and at least one redox fuel cell. The redox fuel cell comprises an anode and a cathode, which are separated in particular by an ion-selective separator. There is provided a supply for a fuel to the anode. Thus, during operation of the redox fuel cell, the anode is in fluid communication with a fuel reservoir.

Bevorzugte Brennstoffe für das Redox-Brennstoffzellensystem sind: Wasserstoff, niedrigmolekularer Alkohol, Biokraftstoffe, oder verflüssigtes Erdgas. Die Kathode weist beispielsweise eine Zufuhr für eine Katholytlösung (auch: POM) zur Kathode auf. Der ionenselektive Separator kann bspw. als Protonenaustauschmembran (proton exchange membrane, PEM) ausgebildet sein. Bevorzugt kommt eine kationenselektive Polymerelektrolytmembran zum Einsatz. Materialien für eine solche Membran sind: Nafion®, Flemion® und Aciplex®. Preferred fuels for the redox fuel cell system are: hydrogen, low molecular weight alcohol, biofuels, or liquefied natural gas. The cathode has, for example, a supply for a catholyte solution (also: POM) to the cathode. The ion-selective separator can be designed, for example, as a proton exchange membrane (PEM). Preferably, a cation-selective polymer electrolyte membrane is used. Materials for such a membrane include Nafion ®, Flemion ® and Aciplex ®.

Die oben genannte Aufgabe wird gelöst durch ein Redox-Brennstoffzellensystem umfassend mindestens eine Redox-Brennstoffzelle mit einer Anode und einer Katode, die durch einen ionenselektiven Separator getrennt sind. Die Redox-Brennstoffzelle ist zum Durchleiten des Brennstoffes und der Katholytlösung ausgebildet. Des Weiteren umfasst das Redox-Brennstoffzellensystem mindestens einen Regenerator. Der Regenerator dient zum Regenerieren der Katholytlösung. Die Katode, bzw. die mehreren Katoden bei Verwendung mehrerer Redox-Brennstoffzellen, sind mit dem Regenerator fluidverbunden. Über diese Fluidverbindung zirkuliert die Katholytlösung zwischen Katode und Regenerator. The above object is achieved by a redox fuel cell system comprising at least one redox fuel cell with an anode and a cathode, which are separated by an ion-selective separator. The redox fuel cell is designed to pass the fuel and the catholyte solution. Furthermore, the redox fuel cell system comprises at least one regenerator. The regenerator serves to regenerate the catholyte solution. The cathode, or the plurality of cathodes when using multiple redox fuel cells, are fluidly connected to the regenerator. Via this fluid connection, the catholyte solution circulates between the cathode and the regenerator.

Ferner ist zumindest ein Detektor vorgesehen. Der Detektor ist zum Erfassen zumindest eines Kennwerts in der Katholytlösung ausgebildet. Dabei kann ein Detektor mehrere Kennwerte ermitteln. Ferner ist auch vorgesehen, dass mehrere Detektoren verwendet werden, um unterschiedliche Kennwerte zu ermitteln. Die Detektoren können an beliebiger Stelle innerhalb des Redox-Brennstoffzellensystems in oder an der Katholytlösung angeordnet werden. Furthermore, at least one detector is provided. The detector is designed to detect at least one characteristic in the catholyte solution. In this case, a detector can determine several characteristic values. Furthermore, it is also provided that a plurality of detectors are used to determine different characteristic values. The detectors may be located anywhere within the redox fuel cell system in or on the catholyte solution.

Des Weiteren ist eine Recheneinheit vorgesehen. Die Recheneinheit wertet den zumindest einen Kennwert aus und ermittelt daraus einen Verunreinigungsgrad der Katholytlösung. Der „Verunreinigungsgrad“ kann auch als Alterungsgrad der Katholytlösung beschrieben werden. Mit steigendem Eintrag von Schadgas und Fremdpartikeln steigt der Verunreinigungsgrad. Furthermore, a computing unit is provided. The arithmetic unit evaluates the at least one characteristic value and determines therefrom a degree of contamination of the catholyte solution. The "degree of contamination" can also be described as the degree of aging of the catholyte solution. With increasing entry of noxious gas and foreign particles, the degree of contamination increases.

Abhängig von dem Verunreinigungsgrad der Katholytlösung können unterschiedliche Maßnahmen ergriffen werden. Wie noch im Detail beschrieben wird, kann beispielsweise eine Aufbereitung der Katholytlösung erfolgen. Zusätzlich oder alternativ können ein übergeordnetes System oder ein Benutzer informiert werden. Im Gegensatz zum Stand der Technik wird also nicht nur der Redoxzustand in der Katholytlösung ermittelt, sondern es werden Kennwerte erfasst, aufgrund derer der Verunreinigungsgrad ermittelt werden kann. Depending on the degree of contamination of the catholyte solution, different measures can be taken. As will be described in detail, for example, a treatment of the catholyte solution can take place. Additionally or alternatively, a higher-level system or a user can be informed. In contrast to the prior art, not only the redox state in the catholyte solution is determined, but also characteristic values are recorded, on the basis of which the degree of contamination can be determined.

In einer bevorzugten Variante ist der Detektor dazu ausgebildet die Leitfähigkeit der Katholytlösung zu messen. Insbesondere durch Schadgaseintrag (z.B.: NOx, SOx, Kohlenwasserstoffe, NH3) oder Aerosoleintrag (z.B. Salzpartikel) steigt die Anzahl ungewollter Ionen in der Katholytlösung. Dies kann durch Messen der Leitfähigkeit erfasst werden. In einfacher Ausgestaltung stellt die gemessene Leitfähigkeit den „Kennwert“ dar. In Abhängigkeit dieses Kennwerts kann in der Recheneinheit der Verunreinigungsgrad erfasst werden. Dies erfolgt insbesondere durch eine vorab hinterlegte Korrelation zwischen Kennwert und Verunreinigungsgrad. In a preferred variant, the detector is designed to measure the conductivity of the catholyte solution. In particular due to the introduction of pollutants (for example NOx, SOx, hydrocarbons, NH3) or aerosol input (for example salt particles), the number of unwanted ions in the catholyte solution increases. This can be detected by measuring the conductivity. In a simple embodiment, the measured conductivity represents the "characteristic value". Depending on this characteristic value, the degree of contamination can be detected in the arithmetic unit. This is done in particular by a previously deposited correlation between characteristic value and degree of contamination.

Besonders bevorzugt ist dabei vorgesehen, vor den Detektor eine selektive Membran zu setzen, die die für den Prozess notwendigen Ionen abhält. Dadurch wird die Leitfähigkeit nur basierend auf den für die Verunreinigung relevanten Ionen bestimmt. It is particularly preferred to provide a selective membrane in front of the detector which prevents the ions necessary for the process. As a result, the conductivity is determined only based on the relevant for the impurity ions.

In allgemeiner Betrachtung ist der Detektor zum Erfassen folgender Kennwerte ausgebildet. Dabei können die unterschiedlichen Kennwerte mit unterschiedlichen Detektoren erfasst werden. Alternativ ist es auch möglich, dass ein Detektor zum Erfassen mehrerer Kennwerte ausgebildet ist:
Bevorzugt ist der Detektor dazu ausgebildet als Kennwert die Ionenquantität und/oder Ionenqualität in der Katholytlösung zu erfassen. Das Erfassen der Ionen erfolgt insbesondere über eine Leitfähigkeitsmessung der Katholytlösung. Es muss also nicht eine direkte Korrelation zwischen Leitfähigkeit der Katholytlösung und dem Verunreinigungsgrad hergestellt werden. So kann basierend auf der Leitfähigkeitsmessung auf die Qualität oder Quantität der Ionen geschlossen werden. Diese Kennwerte lassen eine differenziertere Aussage zur Verunreinigung der Katholytlösung zu. In general consideration, the detector is designed to detect the following characteristic values. The different characteristic values can be recorded with different detectors. Alternatively, it is also possible that a detector is designed to detect a plurality of characteristic values:
Preferably, the detector is designed as a parameter to detect the ion quantity and / or ion quality in the catholyte solution. The detection of the ions takes place in particular via a conductivity measurement of the catholyte solution. Thus, there is no need to establish a direct correlation between the conductivity of the catholyte solution and the level of contamination. Thus, based on the conductivity measurement, the quality or quantity of the ions can be deduced. These characteristics allow a more differentiated statement about the contamination of the catholyte solution.

Ferner ist bevorzugt vorgesehen, eine Partikelquantität und/oder Partikelqualität in der Katholytlösung zu erfassen. Dies erfolgt bevorzugt mittels einer Streulichtmessung im Detektor. So können Qualität und Quantität von Schadpartikeln, beispielsweise Eisen aus Leitungen, Ruß oder abgelöste Teile der Membran-Elektroden-Einheit, z.B. Faserbestandteile oder Trägerpartikel, als Kennwerte erfasst werden und entsprechende Rückschlüsse auf den Verunreinigungsgrad gezogen werden. Furthermore, it is preferably provided to detect a particle quantity and / or particle quality in the catholyte solution. This is preferably done by means of a scattered light measurement in the detector. Thus, quality and quantity of noxious particles, for example, iron from conduits, soot or detached parts of the membrane-electrode assembly, e.g. Fiber constituents or carrier particles are recorded as characteristic values and corresponding conclusions are drawn on the degree of contamination.

Bevorzugt ist auch vorgesehen organische Verunreinigungen in Quantität und/oder Qualität zu erfassen. Dies erfolgt vorteilhafterweise über Infrarotspektroskopie. Preference is also provided to detect organic impurities in quantity and / or quality. This is advantageously done by infrared spectroscopy.

Darüber hinaus ist bevorzugt vorgesehen, mittels des Detektors eine Dichteänderung in der Katholytlösung zu erfassen. Dies erfolgt insbesondere mittels einer Ultraschallmessung. Je nach Verunreinigung kann die Dichte beeinflusst werden. Insbesondere steigt die Dichte bei bestimmten Verunreinigungsgraden an. In addition, it is preferably provided to detect a density change in the catholyte solution by means of the detector. This is done in particular by means of an ultrasonic measurement. Depending on the contamination, the density can be influenced. In particular, the density increases at certain levels of contamination.

Die Recheneinheit ist vorzugsweise dazu ausgebildet, bei entsprechendem Verunreinigungsgrad einen Aufbereitungszyklus zu aktivieren. Dieser Aufbereitungszyklus dient zum Aufbereiten der Katholytlösung und somit zum Reduzieren des Verunreinigungsgrades. Dadurch kann die Lebensdauer des Redox-Brennstoffzellensystems erheblich erhöht werden bzw. muss weniger Reserve an Katholytlösung vorgehalten werden, wodurch sich Kosten, Gewicht und Volumen reduzieren. The arithmetic unit is preferably designed to activate a reprocessing cycle with a corresponding degree of contamination. This conditioning cycle is used to treat the catholyte solution and thus to reduce the level of contamination. As a result, the life of the redox fuel cell system can be significantly increased or less reserve of catholyte solution must be maintained, which reduces costs, weight and volume.

Bevorzugt ist vorgesehen, dass während des Aufbereitungszyklus die Katholytlösung durch eine Aufbereitungsvorrichtung geleitet wird. Die Katholytlösung wird also nicht immer durch diese Aufbereitungsvorrichtung geleitet, sondern nur wenn ein entsprechender Verunreinigungsgrad erkannt wurde und der Aufbereitungszyklus aktiviert wurde. Die Aufbereitungsvorrichtung ist dazu ausgebildet den Verunreinigungsgrad der Katholytlösung zu reduzieren. It is preferably provided that the catholyte solution is passed through a treatment device during the treatment cycle. The catholyte solution is therefore not always passed through this treatment device, but only if a corresponding degree of contamination was detected and the treatment cycle was activated. The treatment device is designed to reduce the degree of contamination of the catholyte solution.

Vorteilhafterweise umfasst die Aufbereitungsvorrichtung einen Filter und/oder einen Ionentauscher. Insbesondere ist eine Bypassleitung vorgesehen, die die Katholytlösung in die Aufbereitungsvorrichtung leitet. An der Bypassleitung ist ein Bypassventil angeordnet. Mittels des Bypassventils kann ein Teil des Volumenstroms oder der vollständige Volumenstrom durch die Bypassleitung geführt werden. Advantageously, the treatment device comprises a filter and / or an ion exchanger. In particular, a bypass line is provided which directs the catholyte solution into the treatment device. At the bypass line a bypass valve is arranged. By means of the bypass valve, a part of the volume flow or the complete volume flow can be guided through the bypass line.

Der Ionentauscher ist entweder selbst ionenselektiv oder mit entsprechenden Maßnahmen dazu befähigt. So wird beispielsweise vor den Ionentauscher eine selektive Membran gesetzt, die die prozessrelevanten Ionen abhält. The ion exchanger is either itself ion-selective or with appropriate measures to do so. For example, a selective membrane is placed in front of the ion exchanger to prevent the process-relevant ions.

Vorteilhafterweise ist die Recheneinheit dazu ausgebildet den Aufbereitungszyklus in Abhängigkeit eines Betriebszustandes des Redox Brennstoffzellensystems zu steuern. Der Aufbereitungszyklus wird dabei in Abhängigkeit dieses Betriebszustandes eingeleitet, verzögert oder verändert. Insbesondere wird der Aufbereitungszyklus in Abhängigkeit der Temperatur der Katholytlösung gesteuert. Dabei wird beispielsweise beachtet, dass bei relativ hoher Temperatur eine geringe Viskosität vorliegt. Dadurch reduziert sich der Pumpaufwand beim Fördern der Katholytlösung durch den Filter. Dies wiederum führt zu einer energieeffizienten Durchführung des Aufbereitungszyklus. Auf der anderen Seite kann auch beachtet werden, dass eine relativ niedrige Temperatur, beispielsweise unter 60 °C, optimal für das Filtern organischer Stoffe ist. Advantageously, the arithmetic unit is designed to control the reprocessing cycle as a function of an operating state of the redox fuel cell system. The preparation cycle is initiated, delayed or changed depending on this operating state. In particular, the conditioning cycle is controlled as a function of the temperature of the catholyte solution. It is noted, for example, that at relatively high temperature, a low viscosity is present. This reduces the pumping effort required to pump the catholyte solution through the filter. This in turn leads to an energy-efficient implementation of the treatment cycle. On the other hand, it can also be noted that a relatively low temperature, for example below 60 ° C, is optimal for filtering organic matter.

Aufgrund der speziellen Maßnahmen zur Reduzierung des Verunreinigungsgrades in der Katholytlösung mittels der Aufbereitungszyklen ist es nicht unbedingt vonnöten einen Filter, beispielsweise Aktivkohlefilter, im Redox-Brennstoffzellensystem anzuordnen, der stetig von der Katholytlösung durchströmt wird. Due to the special measures for reducing the degree of contamination in the catholyte by means of the treatment cycles, it is not absolutely necessary to arrange a filter, for example activated carbon filter, in the redox fuel cell system, which is continuously flowed through by the catholyte solution.

Bevorzugt ist eine Ausgabeeinheit vorgesehen. Diese Ausgabeeinheit dient zum Melden des Verunreinigungsgrades an ein übergeordnetes System oder einen Menschen. Dabei kann beispielsweise die Meldung für ein entsprechendes Serviceintervall, ein Fehlerspeichereintrag für eine Diagnose oder eine Rückmeldung an einem Menschen erfolgen. Insbesondere bei der Verwendung des Redox-Brennstoffzellensystems in einem Fahrzeug erfolgt beispielsweise die Rückmeldung an den Fahrer bezüglich des Servicebedarfs. Preferably, an output unit is provided. This output unit is used to report the degree of contamination to a higher-level system or a human. In this case, for example, the message for a corresponding service interval, a fault memory entry for a diagnosis or a response to a person can be made. In particular, when using the redox fuel cell system in a vehicle, for example, the feedback to the driver with respect to the service needs.

Das Redox-Brennstoffzellensystem wird vorteilhafterweise in einem Kraftfahrzeug eingesetzt. Dabei wird der Antrieb des Kraftfahrzeuges über das Redox-Brennstoffzellensystem mit elektrischer Energie versorgt. The redox fuel cell system is advantageously used in a motor vehicle. The drive of the motor vehicle is supplied with electrical energy via the redox fuel cell system.

Die Erfindung umfasst des Weiteren ein Verfahren zum Betrieb des beschriebenen Redox-Brennstoffzellensystems. Dabei folgt ein Erfassen zumindest eines Kennwerts der Katholytlösung und ein Ermitteln des Verunreinigungsgrades aus dem zumindest einen Kennwert. Die zum Redox-Brennstoffzellensystem beschriebenen Unteransprüche und vorteilhaften Ausgestaltungen finden entsprechend vorteilhafte Anwendung auf das erfindungsgemäße Verfahren. The invention further includes a method of operating the described redox fuel cell system. This is followed by detecting at least one characteristic value of the catholyte solution and determining the degree of contamination from the at least one characteristic value. The subclaims and advantageous embodiments described for the redox fuel cell system accordingly find advantageous application to the method according to the invention.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und den Figuren. Es zeigen: Further details, features and advantages of the invention will become apparent from the following description and the figures. Show it:

1 eine schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen Redox-Brennstoffzellensystems gemäß einem Ausführungsbeispiel. 1 a schematic view of a redox fuel cell system according to the invention according to an embodiment.

1 zeigt ein Redox-Brennstoffzellensystem 1. Durch die Zufuhr 10 gelangt Brennstoff, hier Wasserstoff, in eine Anode 2 einer Redox-Brennstoffzelle 13. Über eine Rückführung wird überflüssiger Brennstoff abgeführt. Die Anode 2 ist durch einen Separator 4, hier als Protonenaustauschmembran PEM ausgeführt, von einer Kathode 3 getrennt. An Anode 2 und Kathode 3 ist ein Stromabgriff 5 vorgesehen. 1 zeigt lediglich eine Redox-Brennstoffzelle 13. Üblicherweise werden jedoch mehrere dieser Redox-Brennstoffzellen 13 aneinandergereiht. 1 shows a redox fuel cell system 1 , By the feed 10 Fuel, in this case hydrogen, enters an anode 2 a redox fuel cell 13 , About a return superfluous fuel is discharged. The anode 2 is through a separator 4 , here designed as a proton exchange membrane PEM, from a cathode 3 separated. At anode 2 and cathode 3 is a power tap 5 intended. 1 shows only a redox fuel cell 13 , Usually, however, several of these redox fuel cells 13 strung together.

Anodenseitig wird wie bei herkömmlichen Brennstoffzellen Wasserstoff oxidiert. Die Protonen gelangen durch den Separator 4 in den Bereich der Kathode 3. Die Kathode 3 ist über ein Fluidleitungssystem (mit erster Fluidleitung 11 und zweiter Fluidleitung 12) mit einem Regenerator 6 (auch: Regeneratorstapel 6) verbunden. Aus dem Regenerator 6 austretende regenerierte Katholytlösung Lox mit einem erhöhten Anteil an oxidierten Redox-Molekülen gelangt durch die zweite Fluidleitung 12 zur Kathode 3. Dort wird die Katholytlösung L zumindest teilweise reduziert. Gleichzeitig nimmt sie die Protonen auf. Die reduzierte Katholytlösung Lred gelangt anschließend durch die erste Fluidleitung 11 in den Regenerator 6. On the anode side, hydrogen is oxidized as in conventional fuel cells. The protons pass through the separator 4 in the area of the cathode 3 , The cathode 3 is via a fluid line system (with first fluid line 11 and second fluid line 12 ) with a regenerator 6 (also: regenerator stack 6 ) connected. From the regenerator 6 exiting regenerated catholyte solution Lox with an increased proportion of oxidized redox molecules passes through the second fluid line 12 to the cathode 3 , There, the catholyte solution L is at least partially reduced. At the same time she picks up the protons. The reduced catholyte solution Lred then passes through the first fluid line 11 in the regenerator 6 ,

Im Regenerator 6 wird die Katholytlösung regeneriert. D. h. die Redox-Moleküle werden wieder weitestgehend oxidiert und geben dabei auch die Protonen wieder ab. Es entsteht ein Kreislauf, angetrieben durch die Pumpvorrichtung 8, in dem zumindest Teile der Katholytlösung L fortwährend reduziert und oxidiert werden. In the regenerator 6 the catholyte solution is regenerated. Ie. the redox molecules are again oxidized as much as possible and also release the protons. It creates a cycle, driven by the pumping device 8th in which at least parts of the catholyte solution L are continuously reduced and oxidized.

Eine Hauptoxidationsfluidfördereinheit 7 fördert Oxidationsfluid, hier Sauerstoff oder Luft, in den Regenerator 6. Als Reaktionsprodukt verlässt Wasser bzw. Wasserdampf den Regenerator 6. Stromabwärts des Regenerators 6 ist eine Fluidauffangeinrichtung 9 angeordnet. Die Fluidauffangeinrichtung 9 ist hier als Kondensator ausgeführt und scheidet Wasser aus dem ausströmenden Gasen ab. A major oxidation fluid delivery unit 7 promotes oxidation fluid, here oxygen or air, in the regenerator 6 , As a reaction product, water or water vapor leaves the regenerator 6 , Downstream of the regenerator 6 is a fluid catcher 9 arranged. The fluid collecting device 9 is designed here as a condenser and separates water from the outflowing gases.

In rein schematische Darstellung befindet sich ein Detektor 14 in der ersten Fluidleitung 11. Stromab des Detektors 14 ist ein Bypassventil 16 angeordnet. Das Bypassventil 16 kann angesteuert werden um einen Teil oder den vollständigen Volumenstrom der Katholytlösung L durch eine Aufbereitungsvorrichtung 17 zu leiten. In purely schematic representation is a detector 14 in the first fluid line 11 , Downstream of the detector 14 is a bypass valve 16 arranged. The bypass valve 16 can be controlled by a part or the complete volume flow of the catholyte solution L by a treatment device 17 to lead.

Der Detektor 14 meldet erfasste Kennwerte an eine Recheneinheit 15. Die Recheneinheit 15 wiederum ermittelt aus diesen Kennwerten einen Verunreinigungsgrad der Katholytlösung L und steuert entsprechend das Bypassventil 16 an. Beispielsweise wird mit dem Detektor 14 die Leitfähigkeit der Katholytlösung L gemessen. Diese Leitfähigkeit stellt den Kennwert dar. In der Recheneinheit 15 ist die Korrelation zwischen dem Kennwert und dem Verunreinigungsgrad hinterlegt The detector 14 reports recorded characteristic values to a computing unit 15 , The arithmetic unit 15 in turn determines from these characteristics a degree of contamination of the catholyte solution L and controls according to the bypass valve 16 at. For example, with the detector 14 the conductivity of the catholyte solution L is measured. This conductivity represents the characteristic value. In the arithmetic unit 15 the correlation between the characteristic value and the degree of contamination is stored

Basierend auf dem Verunreinigungsgrad wird der Aufbereitungszyklus über das Bypassventil 16 aktiviert. Bevorzugt wird dabei auch die Temperatur der Katholytlösung L berücksichtigt. So kann der Aufbereitungszyklus in Abhängigkeit der Temperatur verzögert, aktiviert oder verändert werden. Zusätzlich kann der ermittelte Verunreinigungsgrad an eine Ausgabeeinheit 18 übergeben werden. Based on the degree of contamination, the reprocessing cycle is via the bypass valve 16 activated. Preferably, the temperature of the catholyte solution L is also taken into account. Thus, the conditioning cycle can be delayed, activated or changed depending on the temperature. In addition, the determined impurity level can be sent to an output unit 18 be handed over.

Die Anordnung und Ausgestaltung des Detektors 14, des Bypassventil 16 und der Aufbereitungsvorrichtung 17 in 1 ist rein schematisch. Diese Bauteile können auch an anderer Stelle der zirkulierenden Katholytlösung L oder an einem Reservoir der Katholytlösung L angeordnet werden. Ferner können mehrere Detektoren 14 verwendet werden um unterschiedliche Kennwerte zu erfassen. The arrangement and design of the detector 14 , the bypass valve 16 and the processing device 17 in 1 is purely schematic. These components can also be arranged elsewhere in the circulating catholyte solution L or at a reservoir of the catholyte solution L. Furthermore, several detectors 14 used to capture different characteristics.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

1 1
Redox-Brennstoffzellensystem Redox fuel cell system
2 2
Anode anode
3 3
Kathode cathode
4 4
Separator separator
5 5
Stromabgriff current tap
6 6
Regenerator regenerator
7 7
Hauptoxidationsfluidfördereinheit Main oxidizing fluid delivery unit
8 8th
Pumpvorrichtung pumping device
9 9
Fluidauffangeinrichtung (Kondensator) Fluid collecting device (condenser)
10 10
Zufuhr supply
11 11
erste Fluidleitung first fluid line
12 12
zweite Fluidleitung second fluid line
13 13
Redox-Brennstoffzelle Redox fuel cell
14 14
Detektor detector
15 15
Recheneinheit computer unit
16 16
Bypassventil bypass valve
17 17
Aufbereitungsvorrichtung treatment device
18 18
Ausgabeeinheit output unit
L L
Katholytlösung catholyte

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • DE 102013217858 A1 [0003] DE 102013217858 A1 [0003]

Claims (12)

Redox-Brennstoffzellensystem (1), umfassend: • mindestens eine Redox-Brennstoffzelle (13) mit einer Anode (2) und einer Kathode (3), die durch einen ionenselektiven Separator (4) getrennt sind, wobei die Redox-Brennstoffzelle (13) zum Durchleiten eines Brennstoffes und einer Katholytlösung (L) ausgebildet ist, • mindestens einen Regenerator (6) zur Regeneration der Katholytlösung (L), wobei der Regenerator (6) zum Durchleiten der Katholytlösung (L) und eines Oxidationsfluides ausgebildet ist, • wobei die Katode (3) und der Regenerator (6) fluidverbunden sind, sodass die Katholytlösung (L) zwischen der Katode (3) dem Regenerator (6) zirkulieren kann, • zumindest einen Detektor (14) zum Erfassen zumindest eines Kennwertes in der Katholytlösung (L), und • eine Recheneinheit (15) zum Ermitteln eines Verunreinigungsgrades der Katholytlösung (L) aus dem zumindest einen erfassten Kennwert. Redox fuel cell system ( 1 ) comprising: • at least one redox fuel cell ( 13 ) with an anode ( 2 ) and a cathode ( 3 ) separated by an ion-selective separator ( 4 ), wherein the redox fuel cell ( 13 ) is designed to pass a fuel and a catholyte solution (L), • at least one regenerator ( 6 ) for the regeneration of the catholyte solution (L), wherein the regenerator ( 6 ) is designed to pass through the catholyte solution (L) and an oxidizing fluid, wherein the cathode ( 3 ) and the regenerator ( 6 ) are fluid-connected so that the catholyte solution (L) between the cathode ( 3 ) the regenerator ( 6 ), at least one detector ( 14 ) for detecting at least one characteristic value in the catholyte solution (L), and 15 ) for determining a degree of contamination of the catholyte solution (L) from the at least one detected characteristic value. Redox-Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Detektor (14) dazu ausgebildet ist, als Kennwert die elektrische Leitfähigkeit in der Katholytlösung (L) zu messen. Redox fuel cell system according to claim 1, characterized in that the at least one detector ( 14 ) is designed to measure as characteristic value the electrical conductivity in the catholyte solution (L). Redox-Brennstoffzellensystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Detektor (14) eine selektive Membran angeordnet ist, die die für den Prozess notwendigen Ionen abhält, um die Leitfähigkeit im Detektor (14) nur basierend auf den für die Verunreinigung relevanten Ionen zu bestimmen. Redox fuel cell system according to claim 2, characterized in that in front of the detector ( 14 ) a selective membrane is arranged, which holds the necessary for the process ions to the conductivity in the detector ( 14 ) only based on the ions relevant to the contamination. Redox-Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Detektor (14) dazu ausgebildet ist folgende Kennwerte zu erfassen: • Ionenquantität in der Katholytlösung (L), vorzugsweise über eine Leitfähigkeitsmessung, und/oder • Ionenqualität in der Katholytlösung (L), vorzugsweise über eine Leitfähigkeitsmessung, und/oder • Partikelquantität in der Katholytlösung (L), vorzugsweise über eine Streulichtmessung, und/oder • Partikelqualität in der Katholytlösung (L), vorzugsweise über eine Streulichtmessung, und/oder • Quantität organischer Substanzen in der Katholytlösung (L), vorzugsweise über eine Infrarotspektroskopie, und/oder • Qualität organischer Substanzen in der Katholytlösung (L), vorzugsweise über eine Infrarotspektroskopie, und/oder • Dichteänderung in der Katholytlösung (L), vorzugsweise über Ultraschallmessung. Redox fuel cell system according to one of the preceding claims, characterized in that the at least one detector ( 14 ) is designed to record the following characteristic values: ion quantity in the catholyte solution (L), preferably via a conductivity measurement, and / or ion quality in the catholyte solution (L), preferably via a conductivity measurement, and / or particle quantity in the catholyte solution (L ), preferably via a scattered light measurement, and / or • particle quality in the catholyte solution (L), preferably via a scattered light measurement, and / or • quantity of organic substances in the catholyte solution (L), preferably via infrared spectroscopy, and / or • quality of organic substances in the catholyte solution (L), preferably via an infrared spectroscopy, and / or • density change in the catholyte solution (L), preferably via ultrasound measurement. Redox-Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Recheneinheit (15) dazu ausgebildet ist, bei entsprechendem Verunreinigungsgrad einen Aufbereitungszyklus zum Aufbereiten der Katholytlösung (L) zu aktivieren. Redox fuel cell system according to one of the preceding claims, characterized in that the arithmetic unit ( 15 ) is designed to activate a treatment cycle for the treatment of the catholyte solution (L) with a corresponding degree of contamination. Redox-Brennstoffzellensystem nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch eine Aufbereitungsvorrichtung (17) zum Durchleiten der Katholytlösung (L) im Aufbereitungszyklus, wobei die Aufbereitungsvorrichtung (17) dazu ausgebildet ist, den Verunreinigungsgrad der Katholytlösung (L) zu reduzieren. Redox fuel cell system according to claim 5, characterized by a treatment device ( 17 ) for passing the catholyte solution (L) in the treatment cycle, wherein the treatment device ( 17 ) is adapted to reduce the degree of contamination of the catholyte solution (L). Redox-Brennstoffzellensystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufbereitungsvorrichtung (17) einen Filter und/oder Ionentauscher umfasst. Redox fuel cell system according to claim 6, characterized in that the treatment device ( 17 ) comprises a filter and / or ion exchanger. Redox-Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 6 oder 7, gekennzeichnet durch ein Bypassventil (16) zum Abzweigen und Leiten der Katholytlösung (L) in die Aufbereitungsvorrichtung (17). Redox fuel cell system according to one of claims 6 or 7, characterized by a bypass valve ( 16 ) for diverting and passing the catholyte solution (L) into the treatment device ( 17 ). Redox-Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Recheneinheit (15) dazu ausgebildet ist, den Aufbereitungszyklus in Abhängigkeit zumindest eines Betriebszustandes des Redox Brennstoffzellensystems, vorzugsweise der Temperatur der Katholytlösung (L), zu steuern. Redox fuel cell system according to one of claims 5 to 8, characterized in that the arithmetic unit ( 15 ) is designed to control the conditioning cycle as a function of at least one operating state of the redox fuel cell system, preferably the temperature of the catholyte solution (L). Redox-Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass kein dauerhaft von der Katholytlösung (L) durchströmter Filter, insbesondere Aktivkohlefilter, vorgesehen ist. Redox fuel cell system according to one of the preceding claims, characterized in that no permanently from the catholyte (L) through-flow filter, in particular activated carbon filter, is provided. Redox-Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Ausgabeeinheit (18), ausgebildet zum Melden des Verunreinigungsgrades an ein übergeordnetes System oder an einen Benutzer. Redox fuel cell system according to one of the preceding claims, characterized by an output unit ( 18 ) configured to report the level of contamination to a higher level system or to a user. Verfahren zum Betrieb eines Redox-Brennstoffzellensystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend die folgenden Schritte (i) Erfassen zumindest eines Kennwertes in der Katholytlösung (L), und (ii) Ermitteln eines Verunreinigungsgrades der Katholytlösung (L) aus dem zumindest einen erfassten Kennwert. Method for operating a redox fuel cell system ( 1 ) according to one of the preceding claims, comprising the following steps (i) detecting at least one characteristic value in the catholyte solution (L), and (ii) determining a degree of contamination of the catholyte solution (L) from the at least one detected characteristic value.
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