DE102019202703A1 - Verfahren und System zum energieoptimierten Trocknen einer Brennstoffzelle - Google Patents

Verfahren und System zum energieoptimierten Trocknen einer Brennstoffzelle Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum energieoptimierten Trocknen einer Brennstoffzelle (6'), umfassend die Schritte eines Abführens (30) von gasförmigem Wasser (8) aus einem Brennstoffzellen-Stack (6) durch Aufnahme des gasförmigen Wassers (8) mittels eines Sorptionsspeichers (4), eines Entfernens (32) des gasförmigen Wassers (8) aus dem Sorptionsspeicher (4) für eine weitere Aufnahme von gasförmigem Wasser (8) aus dem Brennstoffzellen-Stack (6) mittels eines Entfeuchtungsmittels (10) sowie eines Separierens (34) des Sorptionsspeichers (4) zur Bereitstellung für eine weitere Aufnahme von gasförmigem Wasser (8) aus dem Brennstoffzellen-Stack (6) mittels zumindest zweier Separierungsmittel (12).

Description

  • Die vorliegende Erfindung geht aus von einem Verfahren nach Gattung des unabhängigen Verfahrensanspruchs, einer Vorrichtung nach Gattung des unabhängigen Vorrichtungsanspruchs sowie einem System nach Gattung des unabhängigen Systemanspruchs.
  • Stand der Technik
  • Während des Betriebs von PEM-Brennstoffzellen entsteht auf der Kathodenseite der Brennstoffzellen Produktwasser. Das Produktwasser muss beim Einsatz betreffender Brennstoffzellen bei Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts aus den Brennstoffzellen entfernt werden, damit das Wasser nicht in den Kathoden-Luftkanälen gefriert und diese zerstört. Daher werden die Brennstoffzellen-Stacks beim Abstellen betreffender Systeme in der Regel trocken geblasen. Hierzu wird im Allgemeinen ein Luftgebläse beziehungsweise ein Luftverdichter für mindestens 20 bis 30 Sekunden bei voller Leistung betrieben. Dies erfordert jedes Mal eine große Energiemenge. Aus dem Stand der Technik sind Verfahren und Systeme bekannt, die zumindest Ansätze bereitstellen, um den Energieaufwand bei einer erforderlichen Trocknung betreffender Brennstoffzellensysteme so niedrig wie möglich zu halten. Die Druckschrift US 2006/0134472 A1 betrifft ein Verfahren und System zur Trocknung einer Brennstoffzelle, bei dem zwischen einem Sommer- und einem Wintermodus unterschieden wird, wobei in einem Sommermodus auf das Trocknen verzichtet wird, weil keine Gefahr eines Einfrierens besteht, sodass auf diese Weise bereits Energie eingespart werden kann.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Verfahrensanspruchs, eine Vorrichtung mit den Merkmalen des unabhängigen Vorrichtungsanspruchs sowie ein System mit den Merkmalen des unabhängigen Systemanspruchs. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung sowie dem erfindungsgemäßen System und jeweils umgekehrt, so dass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird beziehungsweise werden kann.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren gemäß dem Hauptanspruch dient insbesondere einem energieoptimierten Trocknen von Brennstoffzellen. Hierbei ist der Vorteil des Verfahrens vor allem darin zu sehen, eine Trocknung eines Brennstoffzellen-Stacks mit möglichst geringem Energieaufwand zu gewährleisten, beziehungsweise einen Energieaufwand für eine Trocknung eines Brennstoffzellensystems gegebenenfalls vollständig zu vermeiden.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zum energieoptimierten Trocknen einer Brennstoffzelle kann hierbei vorzugsweise in einem Fahrzeug, insbesondere in einem Brennstoffzellen-Fahrzeug, wie beispielsweise bei einem Kraftfahrzeug, einem Kran oder einem Gabelstapler oder dergleichen zum Einsatz kommen. Ebenso ist ein Einsatz in stationären Systemen denkbar. Hierbei kann das Verfahren sowohl in einem eingeschalteten als auch in einem ausgeschalteten Zustand eines betreffenden Systems durchgeführt werden.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zum energieoptimierten Trocknen einer Brennstoffzelle umfasst hierbei die Schritte eines Abführens von gasförmigem Wasser aus einem Brennstoffzellen-Stack durch Aufnahme des gasförmigen Wassers mittels eines Sorptionsspeichers, eines Entfernens des gasförmigen Wassers aus dem Sorptionsspeicher für eine weitere Aufnahme von gasförmigem Wasser aus dem Brennstoffzellen-Stack mittels eines Entfeuchtungsmittels sowie eines Separierens des Sorptionsspeichers zur Bereitstellung für eine weitere Aufnahme von gasförmigem Wasser aus dem Brennstoffzellen-Stack mittels zumindest zweier Separierungsmittel.
  • Die gemäß dem ersten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehene Beladung des Sorptionsspeichers mit gasförmigem Wasser aus der zu trocknenden Brennstoffzelle kann hierbei beispielsweise erfolgen, indem ein Separierungsmittel, wie ein Ventil oder dergleichen zwischen dem Sorptionsspeicher und dem zu trocknenden Brennstoffzellen-Stack geöffnet wird, während andere Zugänge zu dem Brennstoffzellen-Stack mittels weiterer Ventile geschlossen werden oder geschlossen bleiben. Auf diese Weise kann das gasförmige Wasser durch Temperatur- und/oder Druckunterschiede getrieben aus dem Brennstoffzellen-Stack in den vorab vorzugsweise vollständig desorbierten Sorptionsspeicher strömen und von dem Sorptionsspeicher adbeziehungsweise absorbiert werden. Die gemäß dem zweiten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehene Desorption des Sorptionsspeichers kann ferner insbesondere erfolgen, indem ein weiterer Zugang zu dem Sorptionsspeicher - beispielsweise über ein weiteres Ventil - geöffnet wird. Über diesen Zugang kann das in dem Sorptionsspeicher gespeicherte Wasser entfernt werden. Die gemäß dem dritten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehene Separierung kann ebenfalls wieder über das Schließen von Ventilen erfolgen, von denen dann vorzugsweise eins vor und das andere nach dem Sorptionsspeicher angeordnet ist. Der zur Bereitstellung für eine weitere Aufnahme von gasförmigem Wasser separierte Sorptionsspeicher liegt hierbei vorteilhafterweise in einem vollständig desorbierten Zustand vor. Die gegenständlichen Separierungsmittel können hierbei vorzugsweise in Form von Ventilen, insbesondere in Form von 2/2-Wege- beziehungsweise 3/2-Wege-Ventilen gebildet sein.
  • Im Hinblick auf eine besonders schnelle und effektive Aufnahme von Wasser durch den gegenständlich vorgesehenen Sorptionsspeicher kann erfindungsgemäß insbesondere vorgesehen sein, dass ein Kühlen des Sorptionsspeichers durchgeführt wird, wobei der Sorptionsspeicher vorzugsweise mittels einer externen Kühlvorrichtung gekühlt werden kann. Alternativ oder kumulativ können für eine schnelle und effektive Abführung von Wasser aus einem Brennstoffzellen-Stack auch zusätzliche Heizvorrichtungen vorgesehen sein, die vorzugsweise entlang des Brennstoffzellen-Stacks angeordnet sein können. Vorzugsweise wird hierdurch erreicht, dass vor einem Trocknungsvorgang möglichst nur dampf- beziehungsweise gasförmiges Wasser in dem Brennstoffzellen-Stack vorliegt, so dass die Trocknung allein durch den Sorptionsspeicher realisiert werden kann. Dadurch lässt sich der Energieaufwand für eine Trocknung deutlich reduzieren beziehungsweise im besten Fall sogar vermeiden.
  • Im Rahmen einer besonders ökonomischen und konstruktiv einfachen Möglichkeit zur effektiven Desorption des Sorptionsspeichers kann erfindungsgemäß ferner vorgesehen sein, dass das Entfeuchtungsmittel in Form von aus dem Brennstoffzellen-Stack strömender Prozessluft gebildet ist, wobei die Prozessluft zur Aufnahme von Feuchtigkeit vorzugsweise eine relative Luftfeuchtigkeit von weniger als 15 %, vorzugsweise von weniger als 10 %, insbesondere von weniger als 5 %, aufweist und/oder die mittlere Temperatur der Prozessluft zur Aufnahme von Feuchtigkeit zumindest 80 °C, vorzugsweise zumindest 100 °C, insbesondere zumindest mehr als 100 °C, beträgt. Unter der relativen Luftfeuchtigkeit wird im Rahmen der Erfindung hierbei das Gewichtsverhältnis des momentanen Wasserdampfgehalts zu dem Wasserdampfgehalt verstanden, der für die aktuelle Temperatur und den aktuellen Druck maximal möglich ist. Eine heiße und trockene Prozessluft ist hierbei insbesondere direkt zur Desorption des Sorptionsspeichers geeignet. Ist die Prozessluft hingegen noch nass oder feucht, so muss die Luft erst noch entfeuchtet werden, damit eine Desorption des Sorptionsspeichers durchgeführt werden kann. Dies kann beispielsweise mittels eines vorhandenen externen Befeuchters und/oder anderen Entfeuchtungsvorrichtungen durchgeführt werden. So können beispielsweise auch Heizvorrichtungen zur Entfeuchtung der Prozessluft aus dem Brennstoffzellen-Stack vorgesehen sein, die dann vorzugsweise um den Brennstoffzellen-Stack herum angeordnet sein können. Vor einer Zuführung von Prozessluft zur Aufnahme von Feuchtigkeit kann im Hinblick auf einen möglichst energiesparenden Prozess vorteilhafterweise zunächst eine Bewertung eines Zustands der Prozessluft hinsichtlich des aktuellen Feuchtigkeitszustands der Prozessluft erfolgen, die vorzugsweise anhand von innerhalb des Brennstoffzellen-Stacks angeordneten Sensoren erfolgen kann.
  • Um einen dauerhaften Systemschutz auch in einem abgeschalteten Zustand eines Brennstoffzellensystems zu gewährleisten, wird im Rahmen der Erfindung ferner vorgeschlagen, dass zumindest die ersten beiden Schritte des Verfahrens, das Trocknen des Brennstoffzellen-Stacks und die Desorption des Sorptionsspeichers, in regelmäßigen Abständen zyklisch wiederholt werden.
  • Im Rahmen einer weiteren besonders ökonomischen und konstruktiv einfachen Möglichkeit zur effektiven Desorption des Sorptionsspeichers kann erfindungsgemäß ferner vorgesehen sein, dass das Entfeuchtungsmittel in Form von Abwärme, vorzugsweise in Form von Abwärme des Brennstoffzellen-Stacks, gebildet ist. Die Wärmeübertragung kann hierbei insbesondere über den Kühlkreislauf des Brennstoffzellen-Stacks erfolgen, indem der Sorptionsspeicher beispielsweise in den Kühlkreis des Brennstoffzellen-Stacks integriert und vorzugsweise von aufgewärmten heißen Kühlmittel umströmt werden kann. Bei vorhandenen Kühlmittelanschlüssen für die Kühlung des Sorptionsspeichers zur effektiven Ad- beziehungsweise Absorption des Produktwassers aus dem Brennstoffzellen-Stack können diese - sofern es sich bei dem Medium zur Kühlung des Brennstoffzellen-Stacks und zur Aufheizung des Sorptionsspeichers um das gleiche Medium handelt - in Doppelfunktion verwendet werden. Bei unterschiedlichen Kühlmitteln können hingegen vorzugsweise unterschiedliche Anschlüsse vorgesehen sein.
  • Im Hinblick auf weitere synergistische Effekte kann erfindungsgemäß zudem vorgesehen sein, dass eine Befeuchtung der Membranen der Brennstoffzellen des Brennstoffzellen-Stacks mittels des Sorptionsspeichers durchgeführt wird. Bezüglich der Durchführung einer für die Funktionsfähigkeit der Membranen der Brennstoffzellen erforderliche Befeuchtung ist es im Hinblick auf eine topologisch sinnvolle Anordnung insbesondere vorteilhaft, wenn der Sorptionsspeicher topologisch vor dem Brennstoffzellen-Stack angeordnet ist.
  • Ebenfalls Gegenstand der Erfindung ist zudem eine Vorrichtung zum energieoptimierten Trocknen einer Brennstoffzelle, umfassend ein Sorptionsspeicher zum Abführen von gasförmigen Wasser aus einem Brennstoffzellen-Stack, ein Entfeuchtungsmittel zum Entfernen des gasförmigen Wassers aus dem Sorptionsspeicher sowie zumindest zwei Separierungsmittel zum Separieren des Sorptionsspeichers zur Bereitstellung für eine weitere Aufnahme von gasförmigem Wasser aus dem Brennstoffzellen-Stack. Hiermit weist die erfindungsgemäße Vorrichtung die gleichen Vorteile auf, wie sie bereits ausführlich in Bezug auf das erfindungsgemäße Verfahren beschrieben worden sind.
  • Hinsichtlich einer großen Wasseraufnahmekapazität des Sorptionsspeichers kann erfindungsgemäß insbesondere vorgesehen sein, dass der Sorptionsspeicher in Form eines hygroskopischen Feststoffes, vorzugweise in Form eines Silicagels, insbesondere in Form eines Zeoliths gebildet ist. Alternativ kann der Sorptionsspeicher auch in Form von Metallhydriden, MOF's oder dergleichen gebildet sein.
  • Ebenfalls Gegenstand der Erfindung ist zudem ein System zum energieoptimierten Trocknen einer Brennstoffzelle, umfassend eine voranstehend beschriebene Vorrichtung sowie ein Brennstoffzellen-Stack. Hiermit weist das erfindungsgemäße System die gleichen Vorteile auf, wie sie bereits ausführlich in Bezug auf das erfindungsgemäße Verfahren sowie die erfindungsgemäße Vorrichtung beschrieben worden sind. Der innerhalb der erfindungsgemäßen Vorrichtung vorgesehene Sorptionsspeicher kann hierbei vor oder nach dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellen-Stack angeordnet sein.
  • Im Hinblick auf eine effektive Umsetzung innerhalb einer Brennstoffzellenreaktion sowie mögliche synergistische Effekte zur Entfeuchtung eines Sorptionsspeichers ist es ebenfalls denkbar, dass eine externe Befeuchtungsvorrichtung zur Befeuchtung einer Membran einer Brennstoffzelle eines Brennstoffzellen-Stacks vorgesehen ist, wobei die Befeuchtungsvorrichtung vorzugweise seriell zum Sorptionsspeicher, insbesondere topologisch zum Sorptionsspeicher nachgeschaltet angeordnet ist. Alternativ ist es ebenfalls möglich, dass die externe Befeuchtungsvorrichtung parallel zum Sorptionsspeicher angeordnet ist, beziehungsweise bei einer seriellen Anordnung zum Sorptionsspeicher vorgeschaltet angeordnet ist. Die externe Befeuchtungsvorrichtung kann ferner derart zu einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum energieoptimierten Trocknen einer Brennstoffzelle angeordnet und beispielsweise von in Form von Ventilen gebildeten Separationsmitteln umgeben sein, dass die externe Befeuchtungsvorrichtung auf der Zuluftseite und/oder der Abluftseite gebypasst werden kann. Ferner kann die externe Befeuchtungsvorrichtung derart zur Vorrichtung zum energieoptimierten Trocknen einer Brennstoffzelle angeordnet sein, dass die Befeuchtungsvorrichtung durch den Sorptionsspeicher mitgetrocknet werden kann.
  • Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen beschrieben sind. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein.
  • Es zeigen:
    • 1 eine schematische Darstellung der einzelnen Schritte eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum energieoptimierten Trocknen einer Brennstoffzelle,
    • 2 bis 20d (jeweils) eine schematische Darstellung eines beispielhaften Aufbaus eines erfindungsgemäßen Systems zum energieoptimierten Trocknen einer Brennstoffzelle gemäß weiteren Ausführungsbeispielen.
  • 1 zeigt eine schematische Darstellung der einzelnen Schritte eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum energieoptimierten Trocknen einer Brennstoffzelle 6'. Hierbei umfasst das erfindungsgemäße Verfahren zunächst den Schritt eines Abführens 30 von gasförmigem Wasser 8 aus einem Brennstoffzellen-Stack 6 durch Aufnahme des gasförmigen Wassers 8 mittels eines Sorptionsspeichers 4, indem das zwischen dem Brennstoffzellen-Stack 6 und dem Sorptionsspeicher 4 angeordnete und in Form eines 2/2-Wege-Ventils gebildete Separierungsmittel geöffnet wird, so dass das innerhalb des Brennstoffzellen-Stacks 6 vorhandene gasförmige Wasser 8 durch Temperatur- und/oder Druckunterschiede getrieben aus dem Brennstoffzellen-Stack 6 in den vorab vorzugsweise vollständig desorbierten Sorptionsspeicher 4 strömen kann und von dem Sorptionsspeicher 4 ad- beziehungsweise absorbiert wird. Die anderen innerhalb des Leitungssystems 3 angeordneten und ebenfalls in Form von Ventilen gebildeten Separierungsmitteln 12 bleiben hierzu vorzugsweise geschlossen.
  • Der Sorptionsspeicher kann hierbei insbesondere in Form eines hygroskopischen Feststoffes, vorzugsweise in Form eines Silicagels, insbesondere in Form eines Zeoliths oder dergleichen gebildet sein. Alternativ kann der Sorptionsspeicher auch in Form von Metallhydriden, MOF's oder dergleichen gebildet sein.
  • Im Hinblick auf eine besonders schnelle und effektive Aufnahme von Wasser durch den gegenständlich vorgesehenen Sorptionsspeicher 4 kann erfindungsgemäß ferner ein (vorliegend nicht dargestelltes) Kühlen des Sorptionsspeichers 4 durchgeführt werden, wobei der Sorptionsspeicher 4 in diesem Fall dann vorzugsweise mittels (vorliegend nicht dargestellten) externen Kühlvorrichtungen oder dergleichen gekühlt werden kann. Alternativ oder kumulativ können für eine schnelle und effektive Abführung von Wasser aus dem Brennstoffzellen-Stack 6 auch zusätzliche Heizvorrichtungen vorgesehen sein, die vorzugsweise entlang des Brennstoffzellen-Stacks 6 angeordnet sein können. Hierdurch wird vorzugsweise erreicht, dass vor einem Trocknungsvorgang möglichst nur dampf- beziehungsweise gasförmiges Wasser in dem Brennstoffzellen-Stack 6 vorliegt, so dass die Trocknung allein durch den Sorptionsspeicher 4 realisiert werden kann. Dadurch lässt sich der Energieaufwand für eine Trocknung deutlich reduzieren beziehungsweise im besten Fall sogar vermeiden.
  • Gemäß dem zweiten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt anschließend ein Entfernen 32 des gasförmigen Wassers 8 aus dem Sorptionsspeicher 4 für eine weitere Aufnahme von gasförmigem Wasser 8 aus dem Brennstoffzellen-Stack 6 mittels eines Entfeuchtungsmittels 10, indem vorliegend das vor dem Sorptionsspeicher 4 angeordnete und ebenfalls in Form eines Ventils gebildete Separierungsmittel 12 geöffnet wird und ein Zugang bereitgestellt wird, über den das in dem Sorptionsspeicher 4 gespeicherte Wasser entfernt werden kann. Das Entfeuchtungsmittel 10 kann hierbei beispielsweise in Form von aus dem Brennstoffzellen-Stack 6 strömender Prozessluft gebildet sein, wobei die Prozessluft zur Aufnahme von Feuchtigkeit vorzugsweise eine relative Luftfeuchtigkeit von weniger als 15 %, vorzugsweise von weniger als 10 %, insbesondere von weniger als 5 %, aufweist und/oder die mittlere Temperatur der Prozessluft zur Aufnahme von Feuchtigkeit zumindest 80 °C, vorzugsweise zumindest 100 °C, insbesondere zumindest mehr als 100 °C, beträgt. Eine heiße und trockene Prozessluft ist hierbei insbesondere direkt zur Desorption des Sorptionsspeichers 4 geeignet. Ist die Prozessluft hingegen noch nass oder feucht, so muss die Luft erst noch entfeuchtet werden, damit eine Desorption des Sorptionsspeichers 4 durchgeführt werden kann. Dies könnte beispielsweise mittels eines externen Befeuchters und/oder anderen Entfeuchtungsvorrichtungen durchgeführt werden. Im Rahmen einer weiteren ökonomischen und konstruktiv einfachen Möglichkeit zur effektiven Desorption des Sorptionsspeichers 4 kann zudem vorgesehen sein, dass das Entfeuchtungsmittel 10 in Form von Abwärme, vorzugsweise in Form von Abwärme des Brennstoffzellen-Stacks 6, gebildet ist. Die Wärmeübertragung kann hierbei insbesondere über den Kühlkreislauf des Brennstoffzellen-Stacks 6 erfolgen, indem der Sorptionsspeicher 4 beispielsweise in den Kühlkreis des Brennstoffzellen-Stacks 6 integriert und vorzugsweise von aufgewärmtem heißem Kühlmittel umströmt werden kann.
  • Gemäß dem dritten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt schließlich ein Separieren 34 des Sorptionsspeichers 4 zur Bereitstellung für eine weitere Aufnahme von gasförmigem Wasser 8 aus dem Brennstoffzellen-Stack 6 mittels zumindest zweier Separierungsmittel 12, indem die vor und hinter dem Sorptionsspeicher 4 angeordneten, in Form von Ventilen gebildeten Separierungsmittel 12 geschlossen werden. Der zur Bereitstellung für eine weitere Aufnahme von gasförmigem Wasser separierte Sorptionsspeicher 4 liegt hierbei vorteilhafterweise in einem vollständig desorbierten Zustand vor. Die gegenständlichen Separierungsmittel 12 können hierbei insbesondere in Form von 2/2-Wege- beziehungsweise 3/2-Wege-Ventilen oder dergleichen gebildet sein. Die einzelnen Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens, insbesondere die ersten beiden Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens 30, 32 können gegenständlich ferner vorzugsweise zyklisch wiederholt werden.
  • 2 zeigt eine schematische Darstellung eines beispielhaften Aufbaus eines erfindungsgemäßen Systems 1 zum energieoptimierten Trocknen einer Brennstoffzelle 6' gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel, in dem der Sorptionsspeicher 4 vor dem Brennstoffzellen-Stack 6 angeordnet ist und kein externer Befeuchter 14 vorgesehen ist.
  • 3 zeigt eine schematische Darstellung eines beispielhaften Aufbaus eines erfindungsgemäßen Systems 1 zum energieoptimierten Trocknen einer Brennstoffzelle 6' gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel, in dem der Sorptionsspeicher 4 vor dem Brennstoffzellen-Stack 6 angeordnet ist und ein parallel geschalteter externer Befeuchter 14 vorgesehen ist.
  • 4 zeigt eine schematische Darstellung eines beispielhaften Aufbaus eines erfindungsgemäßen Systems 1 zum energieoptimierten Trocknen einer Brennstoffzelle 6' gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel, in dem der Sorptionsspeicher 4 vor dem Brennstoffzellen-Stack 6 angeordnet ist und ein parallel geschalteter, auf der Abluftseite des Brennstoffzellen-Stacks 6 bypassbarer externer Befeuchter 14 vorgesehen ist.
  • 5 zeigt eine schematische Darstellung eines beispielhaften Aufbaus eines erfindungsgemäßen Systems 1 zum energieoptimierten Trocknen einer Brennstoffzelle 6' gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel, in dem der Sorptionsspeicher 4 vor dem Brennstoffzellen-Stack 6 angeordnet ist und ein auf der Zuluftseite des Brennstoffzellen-Stacks 6 bypassbarer externer Befeuchter 14 vorgesehen ist. Das in Form eines gestrichelten Kastens umrahmte Separierungsmittel 12 ist vorliegend optional.
  • 6 zeigt eine schematische Darstellung eins beispielhaften Aufbaus eines erfindungsgemäßen Systems 1 zum energieoptimierten Trocknen einer Brennstoffzelle 6' gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel, in dem der Sorptionsspeicher 4 vor dem Brennstoffzellen-Stack 6 angeordnet ist und ein parallel geschalteter auf der Zu- und Abluftseite des Brennstoffzellen-Stacks 6 bypassbarer externer Befeuchter 14 vorgesehen ist.
  • 7a zeigt eine schematische Darstellung eines beispielhaften Aufbaus eines erfindungsgemäßen Systems 1 zum energieoptimierten Trocknen einer Brennstoffzelle 6' gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel, in dem der Sorptionsspeicher 4 vor dem Brennstoffzellen-Stack 6 angeordnet ist und ein seriell nachgeschalteter externer Befeuchter 14 vorgesehen ist.
  • 7b zeigt eine schematische Darstellung eines beispielhaften Aufbaus eines erfindungsgemäßen Systems 1 zum energieoptimierten Trocknen einer Brennstoffzelle 6' gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel, in dem der Sorptionsspeicher 4 vor dem Brennstoffzellen-Stack 6 angeordnet ist und ein seriell nachgeschalteter, auf der Abluftseite des Brennstoffzellen-Stacks 6 bypassbarer, externer Befeuchter 14 vorgesehen ist.
  • 8a zeigt eine schematische Darstellung eines beispielhaften Aufbaus eines erfindungsgemäßen Systems 1 zum energieoptimierten Trocknen einer Brennstoffzelle 6 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel, in dem der Sorptionsspeicher 4 vor dem Brennstoffzellen-Stack 6 angeordnet ist und ein seriell nachgeschalteter, auf der Zuluftseite des Brennstoffzellen-Stacks 6 bypassbarer, externer Befeuchter 14 vorgesehen ist.
  • 8b zeigt eine schematische Darstellung eines beispielhaften Aufbaus eines erfindungsgemäßen Systems 1 zum energieoptimierten Trocknen einer Brennstoffzelle 6' gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel, in dem der Sorptionsspeicher 4 vor dem Brennstoffzellen-Stack 6 angeordnet ist und ein seriell nachgeschalteter, auf der Zu- und Abluftseite des Brennstoffzellen-Stacks 6 bypassbarer, externer Befeuchter 14 vorgesehen ist.
  • 9a zeigt eine schematische Darstellung eines beispielhaften Aufbaus eines erfindungsgemäßen Systems 1 zum energieoptimierten Trocknen einer Brennstoffzelle 6' gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel, in dem der Sorptionsspeicher 4 vor dem Brennstoffzellen-Stack 6 angeordnet ist und ein seriell vorgeschalteter externer Befeuchter 14 vorgesehen ist.
  • 9b zeigt eine schematische Darstellung eines beispielhaften Aufbaus eines erfindungsgemäßen Systems 1 zum energieoptimierten Trocknen einer Brennstoffzelle 6 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel, in dem der Sorptionsspeicher 4 vor dem Brennstoffzellen-Stack 6 angeordnet ist und ein seriell vorgeschalteter, auf der Abluftseite des Brennstoffzellen-Stacks 6 bypassbarer, externer Befeuchter 14 vorgesehen ist.
  • 10a zeigt eine schematische Darstellung eines beispielhaften Aufbaus eines erfindungsgemäßen Systems 1 zum energieoptimierten Trocknen einer Brennstoffzelle 6' gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel, in dem der Sorptionsspeicher 4 vor dem Brennstoffzellen-Stack 6 angeordnet ist und ein seriell geschalteter, auf der Zuluftseite des Brennstoffzellen-Stacks 6 bypassbarer, externer Befeuchter 14 vorgesehen ist.
  • 10b zeigt eine schematische Darstellung eines beispielhaften Aufbaus eines erfindungsgemäßen Systems 1 zum energieoptimierten Trocknen einer Brennstoffzelle 6' gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel, in dem der Sorptionsspeicher 4 vor dem Brennstoffzellen-Stack 6 angeordnet ist und ein seriell geschalteter, auf der Zu- und Abluftseite des Brennstoffzellen-Stacks 6 bypassbarer, externer Befeuchter 14 vorgesehen ist.
  • 11 zeigt eine schematische Darstellung eines beispielhaften Aufbaus eines erfindungsgemäßen Systems 1 zum energieoptimierten Trocknen einer Brennstoffzelle 6' gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel, in dem ein Sorptionsspeicher 4 nach einem Brennstoffzellen-Stack 6 angeordnet und kein externer Befeuchter 14 vorgesehen ist.
  • 12a zeigt eine schematische Darstellung eines beispielhaften Aufbaus eines erfindungsgemäßen Systems 1 zum energieoptimierten Trocknen einer Brennstoffzelle 6' gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel, in dem ein Sorptionsspeicher 4 nach einem Brennstoffzellen-Stack 6 angeordnet ist und ein seriell vorgeschalteter externer Befeuchter 14 vorgesehen ist.
  • 12b zeigt eine schematische Darstellung eines beispielhaften Aufbaus eines erfindungsgemäßen Systems 1 zum energieoptimierten Trocknen einer Brennstoffzelle 6' gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel, in dem ein Sorptionsspeicher 4 nach einem Brennstoffzellen-Stack 6 angeordnet ist und ein seriell vorgeschalteter, auf der Zuluftseite des Brennstoffzellen-Stacks 6 bypassbarer, externer Befeuchter 14 vorgesehen ist.
  • 13a zeigt eine schematische Darstellung eines beispielhaften Aufbaus eines erfindungsgemäßen Systems 1 zum energieoptimierten Trocknen einer Brennstoffzelle 6' gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel, in dem ein Sorptionsspeicher 4 nach einem Brennstoffzellen-Stack 6 angeordnet ist und ein seriell vorgeschalteter, auf der Abluftseite des Brennstoffzellen-Stacks 6 bypassbarer, externer Befeuchter 14 vorgesehen ist.
  • 13b zeigt eine schematische Darstellung eines beispielhaften Aufbaus eines erfindungsgemäßen Systems 1 zum energieoptimierten Trocknen einer Brennstoffzelle 6' gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel, in dem ein Sorptionsspeicher 4 nach einem Brennstoffzellen-Stack 6 angeordnet ist und ein seriell vorgeschalteter, auf Zu- und Abluftseite des Brennstoffzellen-Stacks 6 bypassbarer, externer Befeuchter 14 vorgesehen ist.
  • 14a zeigt eine schematische Darstellung eines beispielhaften Aufbaus eines erfindungsgemäßen Systems 1 zum energieoptimierten Trocknen einer Brennstoffzelle 6' gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel, in dem ein Sorptionsspeicher 4 nach einem Brennstoffzellen-Stack 6 angeordnet ist und ein seriell nachgeschalteter externer Befeuchter 14 vorgesehen ist.
  • 14b zeigt eine schematische Darstellung eines beispielhaften Aufbaus eines erfindungsgemäßen Systems 1 zum energieoptimierten Trocknen einer Brennstoffzelle 6' gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel, in dem ein Sorptionsspeicher 4 nach einem Brennstoffzellen-Stack 6 angeordnet ist und ein seriell nachgeschalteter, auf der Zuluftseite des Brennstoffzellen-Stacks 6 bypassbarer, externer Befeuchter 14 vorgesehen ist.
  • 15 zeigt eine schematische Darstellung eines beispielhaften Aufbaus eines erfindungsgemäßen Systems 1 zum energieoptimierten Trocknen einer Brennstoffzelle 6' gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel, in dem ein Sorptionsspeicher 4 nach einem Brennstoffzellen-Stack 6 angeordnet ist und ein seriell nachgeschalteter, auf der Abluftseite des Brennstoffzellen-Stacks 6 bypassbarer, externer Befeuchter 14 vorgesehen ist. Auch hier ist wie in einigen voranstehenden und nachfolgenden Ausführungsbeispielen dargestellt, die optionale Anordnung eines Separierungsmittels 12 anhand einer gestrichelten Umrahmung dargestellt.
  • 16 zeigt eine schematische Darstellung eines beispielhaften Aufbaus eines erfindungsgemäßen Systems 1 zum energieoptimierten Trocknen einer Brennstoffzelle 6' gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel, in dem ein Sorptionsspeicher 4 nach einem Brennstoffzellen-Stack 6 angeordnet ist und ein seriell nachgeschalteter, auf der Zu- und Abluftseite des Brennstoffzellen-Stacks 6 bypassbarer, externer Befeuchter 14 vorgesehen ist. Auch hier ist wie in einigen voranstehenden und nachfolgenden Ausführungsbeispielen dargestellt, die optionale Anordnung eines Separierungsmittels 12 anhand einer gestrichelten Umrahmung dargestellt.
  • 17a zeigt eine schematische Darstellung eines beispielhaften Aufbaus eines erfindungsgemäßen Systems 1 zum energieoptimierten Trocknen einer Brennstoffzelle 6' gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel, in dem ein Sorptionsspeicher 4 nach einem Brennstoffzellen-Stack 6 angeordnet ist und ein parallel geschalteter externer Befeuchter 14 vorgesehen ist. Gemäß dem in 17a dargestellten Ausführungsbeispiel sind vorliegend zwei optional anordenbare, in Form von Ventilen gebildete Separationsmittel 12 angeordnet, die wie voranstehend und nachfolgend anhand gestrichelter Umrahmungen gekennzeichnet sind.
  • 17b zeigt eine schematische Darstellung eines beispielhaften Aufbaus eines erfindungsgemäßen Systems 1 zum energieoptimierten Trocknen einer Brennstoffzelle 6' gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel, in dem ein Sorptionsspeicher 4 nach einem Brennstoffzellen-Stack 6 angeordnet ist und ein parallel geschalteter externer Befeuchter 14 vorgesehen ist.
  • 18a bis 18d zeigen schematische Darstellungen von beispielhaften Aufbauten erfindungsgemäßer Systeme 1 zum energieoptimierten Trocknen von Brennstoffzellen 6' gemäß weiteren Ausführungsbeispielen, in denen ein Sorptionsspeicher 4 nach einem Brennstoffzellen-Stack 6 angeordnet ist und ein parallel geschalteter, auf der Zu- und Abluftseite des Brennstoffzellen-Stacks 6 bypassbarer, externer Befeuchter 14 vorgesehen ist.
  • 19a bis 19d zeigen schematische Darstellungen von beispielhaften Aufbauten erfindungsgemäßer Systeme 1 zum energieoptimierten Trocknen von Brennstoffzellen 6' gemäß weiteren Ausführungsbeispielen, in denen ein Sorptionsspeicher 4 nach einem Brennstoffzellen-Stack 6 angeordnet ist und parallel geschaltete, auf der Abluftseite des Brennstoffzellen-Stacks 6 bypassbare, externe Befeuchter 14 vorgesehen sind.
  • 20a bis 20d zeigen schematische Darstellungen von beispielhaften Aufbauten erfindungsgemäßer Systeme 1 zum energieoptimierten Trocknen von Brennstoffzellen 6' gemäß weiteren Ausführungsbeispielen, in denen ein Sorptionsspeicher 4 nach einem Brennstoffzellen-Stack 6 angeordnet ist und parallel geschaltete, auf der Zuluftseite des Brennstoffzellen-Stacks 6 bypassbare, externe Befeuchter 14 vorgesehen sind.
  • Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie der erfindungsgemäßen Vorrichtung und dem erfindungsgemäßen System ist es insbesondere möglich, den Energieaufwand für einen Trocknungsvorgang von Brennstoffzellensystemen zu reduzieren beziehungsweise sogar zu vermeiden.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • US 2006/0134472 A1 [0002]

Claims (10)

  1. Verfahren zum energieoptimierten Trocknen einer Brennstoffzelle (6'), umfassend die Schritte: - Abführen (30) von gasförmigem Wasser (8) aus einem Brennstoffzellen-Stack (6) durch Aufnahme des gasförmigen Wassers (8) mittels eines Sorptionsspeichers (4), - Entfernen (32) des gasförmigen Wassers (8) aus dem Sorptionsspeicher (4) für eine weitere Aufnahme von gasförmigem Wasser (8) aus dem Brennstoffzellen-Stack (6) mittels eines Entfeuchtungsmittels (10), - Separieren (34) des Sorptionsspeichers (4) zur Bereitstellung für eine weitere Aufnahme von gasförmigem Wasser (8) aus dem Brennstoffzellen-Stack (6) mittels zumindest zweier Separierungsmittel (12).
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kühlen des Sorptionsspeichers (4) durchgeführt wird, wobei der Sorptionsspeicher (4) vorzugsweise mittels einer externen Kühlvorrichtung gekühlt werden kann.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Entfeuchtungsmittel (10) in Form von aus dem Brennstoffzellen-Stack (6) strömender Prozessluft gebildet ist, wobei die Prozessluft zur Aufnahme von Feuchtigkeit vorzugsweise eine relative Luftfeuchtigkeit von weniger als 15%, vorzugsweise von weniger als 10%, insbesondere von weniger als 5%, aufweist und/oder die mittlere Temperatur der Prozessluft zur Aufnahme von Feuchtigkeit zumindest 80°C, vorzugsweise zumindest 100°C, insbesondere zumindest mehr als 100°C, beträgt.
  4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die ersten beiden Schritte des Verfahrens (30, 32) zyklisch wiederholt werden.
  5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Entfeuchtungsmittel (10) in Form von Abwärme, vorzugsweise in Form von Abwärme des Brennstoffzellen-Stacks (6) gebildet ist.
  6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Befeuchtung der Membranen der Brennstoffzellen (6') des Brennstoffzellen-Stacks (6) mittels des Sorptionsspeichers (4) durchgeführt wird.
  7. Vorrichtung (2) zum energieoptimierten Trocknen einer Brennstoffzelle (6'), umfassend: - ein Sorptionsspeicher (4) zum Abführen von gasförmigem Wasser (8) aus einem Brennstoffzellen-Stack (6), - ein Entfeuchtungsmittel (10) zum Entfernen des gasförmigen Wassers (8) aus dem Sorptionsspeicher (4), - zumindest zwei Separierungsmittel (12) zum Separieren des Separationsspeichers (4) zur Bereitstellung für eine weitere Aufnahme von gasförmigem Wasser (8) aus dem Brennstoffzellen-Stack (6).
  8. Vorrichtung (2) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Sorptionsspeicher (4) in Form eines hygroskopischen Feststoffes, vorzugsweise in Form eines Silicagels, insbesondere in Form eines Zeoliths gebildet ist.
  9. System (1) zum energieoptimierten Trocknen einer Brennstoffzelle (6'), umfassend: - eine Vorrichtung (2) nach einem der Ansprüche 7 oder 8, - ein Brennstoffzellen-Stack (6).
  10. System (1) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine externe Befeuchtungsvorrichtung (14) zur Befeuchtung einer Membran einer Brennstoffzelle (6') eines BSZ-Stacks (6) vorgesehen ist, wobei die Befeuchtungsvorrichtung (14) vorzugsweise seriell zum Sorptionsspeicher (4), insbesondere topologisch zum Sorptionsspeicher (4) nachgeschaltet, angeordnet ist.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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DE102021100185A1 (de) 2021-01-08 2022-07-14 Audi Aktiengesellschaft Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems mit Befeuchtungsspeicher, Brennstoffzellensystem und Kraftfahrzeug mit einem solchen Brennstoffzellensystem
DE102021202938A1 (de) 2021-03-25 2022-09-29 Robert Bosch Gesellschaft mit beschränkter Haftung Brennstoffzellensystem und Verfahren zum Regenerieren oder zur Vorkonditionierung eines Trocknungsmittels oder Zeolithbehälters

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