DE102019207172A1 - Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems, Brennstoffzellensystem - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems, insbesondere eines PEM-Brennstoffzellensystems, bei dem einer Anode (1) einer Brennstoffzelle über einen Versorgungspfad (2) ein wasserhaltiges Anodengas zugeführt wird, das über einen an die Anode (1) angeschlossenen Rezirkulationspfad (3) rückgeführt wird. Erfindungsgemäß wird zum eisfreien Starten der Brennstoffzelle nach einem Betriebsstillstand dem Anodengas während des Betriebsstillstands mit Hilfe einer Trocknungseinrichtung (4), insbesondere mit Hilfe eines Adsorbers oder eines Absorbers, Wasser entzogen.Die Erfindung betrifft ferner ein Brennstoffzellensystem, insbesondere ein PEM-Brennstoffzellensystem, das zur Durchführung des Verfahrens geeignet ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems, insbesondere eines PEM-Brennstoffzellensystems, mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Brennstoffzellensystem, insbesondere ein PEM-Brennstoffzellensystem, das zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet bzw. nach dem erfindungsgemäßen Verfahren betreibbar ist.
  • Stand der Technik
  • Mit Hilfe einer Brennstoffzelle eines Brennstoffzellensystems der eingangs genannten Art wird unter Verwendung von Wasserstoff und Sauerstoff chemische in elektrische Energie umgewandelt. Dabei kann eine Polymermembran als Elektrolyt dienen. Ist dies der Fall, handelt es sich um eine PEM („Proton Exchange Membran“) -Brennstoffzelle. Brennstoffzellensysteme mit derartigen Brennstoffzellen werden als PEM-Brennstoffzellensysteme bezeichnet.
  • Die mit Hilfe eines Brennstoffzellensystems im Wege der elektrochemischen Wandlung gewonnene elektrische Energie kann als Antriebsenergie, beispielsweise zum Antrieb eines Fahrzeugs, genutzt werden. Der hierzu benötigte Wasserstoff wird an Bord des Fahrzeugs in einem geeigneten Tank mitgeführt. Der ferner benötigte Sauerstoff kann der Umgebungsluft entnommen werden.
  • Wasserstoffbasierte Brennstoffzellensysteme gelten als Mobilitätskonzept der Zukunft, da nur Wasser bzw. Wasserdampf emittiert wird. Darüber hinaus sind schnelle Betankungszeiten realisierbar. Als problematisch erweist sich jedoch, dass bei einem Stillstand des Systems und einer damit einhergehenden Systemabkühlung ein im Wasserstoff enthaltener gasförmiger Wasseranteil kondensieren und - bei entsprechend tiefen Umgebungstemperaturen - gefrieren kann. Eisbildung im System wiederum kann zu einer Leitungs- und/oder Düsenverstopfung führen, die ggf. ein erneutes Starten des Systems unmöglich macht. Der bei sinkender Temperatur eintretende Dichteverlust des Eises kann zudem Beschädigungen verursachen.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, mit möglichst geringem technischen Zusatzaufwand ein eisfreies Starten einer Brennstoffzelle eines Brennstoffzellensystems nach einem Betriebsstillstand zu ermöglichen.
  • Zur Lösung der Aufgabe werden das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie das Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Anspruchs 5 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den jeweiligen Unteransprüchen zu entnehmen.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Bei dem vorgeschlagenen Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems, insbesondere eines PEM-Brennstoffzellensystems, wird einer Anode einer Brennstoffzelle über einen Versorgungspfad ein wasserhaltiges Anodengas zugeführt und über einen an die Anode angeschlossenen Rezirkulationspfad rückgeführt. Erfindungsgemäß wird zum eisfreien Starten der Brennstoffzelle nach einem Betriebsstillstand dem Anodengas während des Betriebsstillstands mit Hilfe einer Trocknungseinrichtung, insbesondere mit Hilfe eines Adsorbers oder eines Absorbers, Wasser entzogen.
  • Bei dem Anodengas handelt es sich vorzugsweise um wasserhaltigen Wasserstoff (H2). Das Wasser kann insbesondere in Form von Wasserdampf enthalten sein. Sinken die Umgebungstemperaturen kondensiert der enthaltene Wasserdampf, so dass bei entsprechend tiefen Temperaturen zur Eisbildung kommen kann. Um dies zu verhindern, wird erfindungsgemäß vor dem Starten der Brennstoffzelle das Anodengas vorgetrocknet. Durch Eisbildung verstopfte Leitungen und/oder Düsen werden somit verhindert. Ferner werden Beschädigungen, die insbesondere durch den Dichteverlust des Eises hervorgerufen werden, vermieden.
  • Zum Vortrocknen des Anodengases wird bevorzugt eine Trocknungseinrichtung in Form eines Adsorbers oder eines Absorbers eingesetzt. Der Adsorber umfasst einen Feststoff, vorzugsweise Zeolith, als Adsorbenten. Wird ein Absorber als Trocknungseinrichtung verwendet, umfasst dieser einen flüssigen Stoff, beispielsweise Ammoniak, als Absorbenten.
  • Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung sieht die Verwendung eines Adsorbers mit Zeolith als Adsorbenten zum Vortrocknen des Anodengases vor. Das wasserhaltige Anodengas wird hierzu nach dem Abschalten der Brennstoffzelle an dem Zeolithmaterial vorbeigeführt, so dass dem Anodengas Wasser entzogen und in das Zeolithmaterial eingelagert wird. Zeolithmaterial ist vergleichsweise kostengünstig und kann, insbesondere als Granulat, in einen beliebig geformten Behälter eingefüllt werden. Der Behälter mit dem Zeolithmaterial kann dann in oder an einer das wasserhaltige Anodengas führenden Leitung angeordnet werden. Das heißt, dass die Anordnung im Bereich des Versorgungspfads oder im Bereich des Rezirkulationspfads erfolgen kann.
  • Gleiches gilt im Übrigen für einen Behälter mit einem flüssigen Absorbenten. Auch dieser kann im Bereich des Versorgungspfads oder im Bereich des Rezirkulationspfads angeordnet werden.
  • Zur Förderung der Adsorption oder Absorption während eines Betriebsstillstands der Brennstoffzelle wird vorzugsweise der Betrieb eines im Rezirkulationspfad angeordneten Gebläses aufrechterhalten. Das Gebläse unterstützt die Rezirkulation bzw. Zirkulation des Anodengases und ist üblicherweise bereits vorhanden, so dass kein zusätzlicher technischer Aufwand erforderlich ist.
  • In Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass während des Betriebs der Brennstoffzelle der Trocknungseinrichtung Wasser durch Desorption entzogen wird. Das heißt, dass über den Versorgungspfad zugeführter, trockener oder vorgetrockneter Wasserstoff an dem Adsorber bzw. Absorber vorbeigeführt und erneut mit Wasser beladen wird. Das aufgenommene Wasser gelangt mit dem Anodengas in den Rezirkulationspfad und kann anschließend über einen Abgastrakt in die Umgebung entlassen werden. Der auf diese Weise während des Betriebs der Brennstoffzelle getrocknete Adsorber bzw. Absorber steht somit bei abgeschalteter Brennstoffzelle erneut zur Aufnahme von Wasser bereit.
  • Zur Förderung der Desorption während des Betriebs der Brennstoffzelle wird vorgeschlagen, dass die Trocknungseinrichtung beheizt wird. Die im Wege der Beheizung eingebrachte Wärme beschleunigt die Desorption und damit die Trocknung der Trocknungsvorrichtung. Die Beheizung kann beispielsweise mit Hilfe einer elektrischen Widerstandsheizung bewirkt werden, die hierzu in oder an der Trocknungseinrichtung angeordnet werden kann.
  • Das darüber hinaus vorgeschlagene Brennstoffzellensystem, insbesondere PEM-Brennstoffzellensystem, umfasst mindestens eine Brennstoffzelle mit einer Anode, der über einen Versorgungspfad ein wasserhaltiges Anodengas zuführbar ist. Über einen an die Anode angeschlossenen Rezirkulationspfad ist das wasserhaltige Anodengas rückführbar. Erfindungsgemäß ist im Bereich des Versorgungspfads oder im Bereich des Rezirkulationspfads eine Trocknungseinrichtung, insbesondere ein Adsorber oder Absorber, angeordnet. Mit Hilfe der Trocknungseinrichtung kann dem wasserhaltigen Anodengas Wasser entzogen werden. Vorzugsweise erfolgt dieser Vorgang bei abgeschalteter Brennstoffzelle, um die Anode bzw. das Anodengas vor einem erneuten Starten der Brennstoffzelle vorzutrocknen. Auf diese Weise kann ein eisfreies Starten der Brennstoffzelle sichergestellt werden.
  • Das vorgeschlagene Brennstoffzellensystem ist demnach insbesondere zur Durchführung des zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet bzw. nach diesem Verfahren betreibbar. Hinsichtlich der Vorteile des vorgeschlagenen Brennstoffzellensystems kann demzufolge auf die Vorteile des zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens verwiesen werden.
  • Die Trocknungseinrichtung kann sowohl im Bereich des Versorgungspfads als auch im Bereich des Rezirkulationspfads angeordnet sein. Vorzugsweise erfolgt die Anordnung in der Weise, dass das wasserhaltige Anodengas an einem Adsorbenten oder Absorbenten der Trocknungseinrichtung vorbeigeführt wird. Bei dem Adsorbenten kann es sich insbesondere um Zeolith handeln. Der Absorbent kann beispielsweise Ammoniak sein.
  • Bevorzugt ist im Rezirkulationspfad ein Gebläse angeordnet. Das Gebläse unterstützt die Rezirkulation des Anodengases, so dass das Vortrocknen des Anodengases beschleunigt wird. Nach dem Abschalten der Brennstoffzelle wird daher bevorzugt der Betrieb des Gebläses solange aufrechterhalten, bis das Anodengas ausreichend vorgetrocknet ist.
  • Alternativ oder ergänzend wird vorgeschlagen, dass im Versorgungspfad, vorzugsweise zwischen der Trocknungseinrichtung und der Anode, eine Pumpe, insbesondere eine Saugstrahlpumpe, angeordnet ist. Die Pumpe unterstützt die Rezirkulation bzw. Zirkulation des Anodengases während des Betriebs der Brennstoffzelle, so dass der Anode stets eine ausreichende Menge des Anodengases zugeführt wird.
  • Während des Betriebs der Brennstoffzelle wird vorzugsweise die Trocknungseinrichtung selbst einem Trocknungsprozess unterzogen. Die entsprechend getrocknete Trocknungseinrichtung kann dann nach Abschalten der Brennstoffzelle erneut zum Vortrocknen des Anodengases eingesetzt werden. Das Trocknen der Trocknungseinrichtung wird mittels Desorption bewirkt. Hierzu wird trockenes oder vorgetrocknetes Anodengas an der Trocknungseinrichtung vorbeigeführt, so dass zuvor endotherm adsorbiertes bzw. absorbiertes Wasser wieder exotherm desorbiert wird.
  • Die gewünschte Desorption wird durch den Betrieb der Pumpe nicht behindert. Anders kann es sich jedoch bei der Adsorption bzw. Absorption nach Abschalten der Brennstoffzelle verhalten, sofern das wasserhaltige Anodengas der Trocknungseinrichtung über die Pumpe zugeführt wird, da in diesem Fall ein reduzierter Strömungsquerschnitt zur Verfügung steht.
  • In Weiterbildung der Erfindung wird daher vorgeschlagen, dass zur Umgehung der Pumpe eine Bypass-Leitung vorgesehen ist, über welche die Trocknungseinrichtung, vorzugsweise in Abhängigkeit von der Schaltstellung eines in der Bypass-Leitung angeordneten Ventils, mit der Anode verbunden oder verbindbar ist. Die Verbindung mit der Anode kann dabei auch mittelbar über den Rezirkulationspfad hergestellt sein. Mit Öffnen des in der Bypass-Leitung angeordneten Ventils wird ein zusätzlicher Strömungsquerschnitt freigegeben, über den der Trocknungseinrichtung wasserhaltiges Anodengas zuführbar ist. Das Vortrocknen des Anodengases kann somit beschleunigt werden.
  • Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass die Trocknungseinrichtung aktiv oder passiv beheizbar ist. Die Beheizung unterstützt den Desorptionsvorgang und damit das Trocknen der Trocknungseinrichtung während des Betriebs der Brennstoffzelle. Bei abgeschalteter Brennstoffzelle ist vorzugsweise auch die Beheizung der Trocknungseinrichtung abgeschaltet, so dass umgekehrt der Adsorptions- bzw. Absorptionsvorgang zum Vortrocknen des Anodengases nicht beeinträchtigt wird.
  • Zum Beheizen kann in oder an der Trocknungseinrichtung eine Heizung, insbesondere eine elektrische Widerstandsheizung, angeordnet sein. Die elektrischen Leiter der Widerstandsheizung können über die gesamte Trocknungseinrichtung verteilt angeordnet werden, so dass sich diese gleichmäßig erwärmt.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst die Trocknungseinrichtung einen mit Zeolith gefüllten Behälter, der zumindest bereichsweise für das Anodengas durchlässig ausgestaltet ist. Beispielsweise kann der Behälter zumindest bereichsweise perforiert sein oder zumindest bereichsweise als Käfig ausgestaltet sein. Das Weitern bevorzugt ist die Zeolithfüllung als Schüttung ausgeführt. Das heißt, dass das Zeolithmaterial als Granulat vorliegt. Dies hat den Vorteil, dass eine besonders große Oberfläche geschaffen wird, über die Wasser adsorbiert bzw. desorbiert werden kann. Ferner kann das Anodengas durch den Behälter bzw. durch das im Behälter aufgenommene Zeolithmaterial hindurchgeleitet werden.
  • Alternativ oder ergänzend wird vorgeschlagen, dass die Trocknungseinrichtung einen offenporigen Metallschaum als Trägerstruktur umfasst, in den Zeolith eingelagert ist. Der Metallschaum vermag einen Behälter zur Aufnahme des Zeolithmaterials zu ersetzen, so dass der Kontakt des Zeolithmaterials mit dem Anodengas verbessert wird. Vorzugsweise besteht der Metallschaum aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung. Durch chemische Umwandlung bildet sich an der Aluminiumoberfläche ein fest mit der Trägerstruktur verwachsener Zeolith aus, so dass sichergestellt ist, dass keine Zeolithpartikel durch die Anodengasströmung abgetragen werden. Bei Verwendung von Aluminium oder einer Aluminiumlegierung kann zudem Gewicht eingespart werden. Ferner weisen diese Materialien eine hohe Wärmeleitfähigkeit auf, so dass während des Betriebs der Brennstoffzelle erzeugte Wärme zur passiven Beheizung der Trocknungseinrichtung genutzt werden kann. Nach dem Abschalten der Brennstoffzelle und der damit einhergehenden Systemabkühlung kann die Trocknungseinrichtung passiv gekühlt werden, um den Adsorptionsvorgang zu unterstützen.
  • Bevorzugt sind die Trocknungseinrichtung und die Anode in wärmeübertragender Weise verbunden, so dass hierüber - je nachdem, ob sich das System im Desorptions- oder Adsorptionsmodus befindet - eine passive Beheizung bzw. passive Kühlung der Trocknungseinrichtung erzielbar ist. Die Beheizung fördert den Desorptionsvorgang, während die Kühlung die Adsorption unterstützt.
  • Ferner bevorzugt weist die Anode ein Gehäuse auf, das zumindest bereichsweise aus Metall gefertigt ist. Vorzugsweise ist zumindest der Bereich aus Metall gefertigt, der in thermischen Kontakt mit der Trocknungseinrichtung, insbesondere mit dem Adsorber- oder Absorbermaterial der Trocknungseinrichtung, steht. Auf diese Weise kann der gewünschte Wärmeaustausch zwischen der Anode und der Trocknungseinrichtung weiter verbessert werden.
  • In der Regel befindet sich während des Betriebs einer Brennstoffzelle im Anodenbereich - bei einer Betriebstemperatur von etwa 65 °C bis 85 °C - mit Wasser gesättigter Wasserstoff. Nach dem Abschalten der Brennstoffzelle kühlt sich das System ab, so dass in Form von Wasserdampf enthaltenes Wasser kondensiert. Mit zunehmender Abkühlung des Systems nimmt das Adsorptions- bzw. Absorptionsvermögen der Trocknungseinrichtung zu. Vorteilhafterweise fällt die Temperatur des Anodengases unter die Taupunkttemperatur des Gases, damit als Wasserdampf enthaltenes Wasser auskondensieren kann. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass die Anode beim erneuten Starten der Brennstoffzelle eisfrei ist.
  • Vorzugsweise wird die Brennstoffzelle oberhalb einer Temperatur von -40 °C eisfrei gestartet. Weiterhin vorzugsweise wird dem Anodengas nach dem Abschalten und Auskühlen der Brennstoffzelle bis zum Erreichen einer Gastemperatur von etwa 0 °C so viel Wasser entzogen, dass sich eine Taupunkttemperatur von etwa -40 °C einstellt. Das Erreichen dieser Taupunkttemperatur sollte unterhalb einer Anodengastemperatur von etwa 0 °C abgeschlossen sein, da andernfalls bei weiterer Abkühlung restliches im Anodengas enthaltenes Wasser auskondensieren und gefrieren kann. Da die Sublimation von gefrorenem Wasser gegenüber der Verdunstung von Wasser nur erschwert möglich ist, wird auf diese Weise die Adsorption bzw. Absorption bei weiterer Abkühlung des Anodengases beeinträchtigt.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen:
    • 1 eine schematische Darstellung einer Anode einer Brennstoffzelle für ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem einschließlich Leitungen und Komponenten zur Zuführung und Rückführung von Anodengas, und zwar während des Betriebs der Brennstoffzelle,
    • 2 eine schematische Darstellung der Anode der 1 während eines Betriebsstillstands der Brennstoffzelle,
    • 3 eine schematische Darstellung einer Brennstoffzelle eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems, umfassend eine Anode gemäß der 1 und 2,
    • 4 eine schematische Darstellung einer Anode einer Brennstoffzelle für ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem mit modifizierter Anordnung der Trocknungseinrichtung,
    • 5 eine schematische Darstellung einer Anode einer Brennstoffzelle für ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem mit modifizierter Leitungsanordnung im Versorgungspfad,
    • 6 eine schematische Darstellung einer Anode einer Brennstoffzelle für ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem mit modifizierter Leitungsanordnung im Rezirkulationspfad, und
    • 7 ein Beladungsdiagramm mit anwendungsspezifischen Endzuständen der Adsorption und der Desorption zum Auffinden des Beladungsvermögens eines Zeolithen.
  • Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
  • Den 1 und 2 ist der Anodenbereich einer Brennstoffzelle eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem zu entnehmen. Im Betrieb der Brennstoffzelle wird der Anode 1 bei geöffnetem Dosierventil 9 über einen Versorgungspfad 2 Wasserstoff (H2) als Anodengas zugeführt. Das Anodengas wird dabei durch eine im Versorgungspfad 2 angeordnete Trocknungseinrichtung 4 geleitet, wobei das Anodengas Wasser (H2O) aufnimmt, so dass im Anodenbereich mit Wasser gesättigter Wasserstoff (H2 + H2O) vorliegt. Über einen ebenfalls an die Anode 1 angeschlossenen Rezirkulationspfad 3 wird das Anodengas rückgeführt (siehe 3).
  • Im Versorgungspfad 2 ist stromabwärts der Trocknungseinrichtung 4 und stromaufwärts der Anode 1 eine Pumpe 6 angeordnet, wobei es sich vorliegend um eine Saugstrahlpumpe handelt. Die Pumpe 6 unterstützt die Zirkulation bzw. Rezirkulation des Anodengases. Zwischen der Pumpe 6 und der Anode 1 ist ferner ein Überdruckventil 10 angeordnet, das der Sicherheit dient.
  • Die Trocknungseinrichtung 4 kann insbesondere als Adsorber oder Absorber ausgelegt sein. Vorzugsweise besitzt sie einen Behälter, der mit einem Adsorber- bzw. Absorbermaterial gefüllt ist. Alternativ oder ergänzend kann eine Trägerstruktur aus einem Metallschaum zur Aufnahme eines Adsorbermaterials, wie beispielsweise Zeolith, vorhanden sein. Durch Adsorption bzw. Absorption nimmt die Trocknungseinrichtung 4 Wasser aus dem Anodengas auf. Durch Desorption gibt die Trocknungseinrichtung 4 das zuvor aufgenommene Wasser wieder an das Anodengas ab. Auf diese Weise kann die Trocknungseinrichtung 4 wiederholt zum Trocknen des Anodengases eingesetzt werden.
  • Das Trocknen des Anodengases erfolgt bei abgeschalteter Brennstoffzelle, um das Gefrieren von auskondensiertem Wasser zu verhindern, wenn die Brennstoffzelle erneut gestartet werden soll. Der Wasserentzug ermöglicht auf diese Weise ein eisfreies Starten der Brennstoffzelle. Während des Betriebs der Brennstoffzelle kann dann das zuvor aufgenommene Wasser über die Trocknungsvorrichtung 4 wieder an das Anodengas abgegeben und über das Anodengas abgeführt werden. Denn mit dem Anodengas gelangt das Wasser in den Rezirkulationspfad 3, in dem vorzugsweise - wie beispielhaft in der 3 dargestellt - ein Abflussventil 13 und ein Spülventil 14 aufgenommen sind. Hierüber kann das Wasser vollständig aus dem Anodenbereich entfernt werden. Der 3 ist ferner ein Gebläse 5 zu entnehmen, dass die Rezirkulation des Anodengases fördert. Die Brennstoffzelle weist neben der Anode 1 eine Kathode 11 auf. Darüber hinaus ist ein Kühlsystem 12 vorgesehen.
  • Wie in der 1 dargestellt, strömt das Anodengas bei geöffnetem Dosierventil 9 als zunächst noch trockenes Gas in Richtung der Trocknungseinrichtung 4. Beim Hindurchleiten durch die Trocknungseinrichtung 4 gibt diese zuvor aufgenommenes Wasser durch Desorption an das Anodengas ab, so dass mit Wasser gesättigter Wasserstoff zur Anode 1 gelangt.
  • Wird die Brennstoffzelle abgeschaltet, wird vorzugsweise der Betrieb des Gebläses 5 aufrechterhalten, so dass das rezirkulierte Anodengas wieder zur Trocknungseinrichtung 4 geleitet wird (siehe 2). Der im Anodengas enthaltene Wasseranteil (H2O, siehe Pfeil) wird dann von der Trocknungseinrichtung 4 adsorbiert bzw. absorbiert. Das Anodengas wird demnach vor dem erneuten Starten der Brennstoffzelle getrocknet bzw. vorgetrocknet, so dass ein eisfreier Start der Brennstoffzelle ermöglicht wird.
  • Abweichend von den 1 bis 3 kann die Trocknungseinrichtung 4 nicht im, sondern am Versorgungspfad 2 angeordnet sein (siehe 4). Das Anodengas wird demzufolge nicht durch die Trocknungseinrichtung 4 hindurch, sondern an dieser entlang geleitet. Auf diese Weise kann das Risiko minimiert werden, dass während der Desorption im Brennstoffzellenbetrieb Adsorbermaterial mit ausgetragen wird, das sich dann auf der Oberfläche der Anode 1 absetzt. Da durch diese Maßnahme der Desorptionsprozess verlangsamt wird, kann zum Ausgleich die Trocknungseinrichtung 4 beheizt werden. Die Beheizung kann beispielsweise mittels einer in oder an der Trocknungseinrichtung 4 vorgesehenen elektrischen Widerstandsheizung (nicht dargestellt) realisiert werden. Der nachfolgende Adsorption- bzw. Absorptionsvorgang wird nicht beeinträchtigt, wenn zuvor die Beheizung unterbrochen wird.
  • Weist die Pumpe 6 einen reduzierten Strömungsquerschnitt auf, kann die Rückdiffusion von Wasser im Wege der Adsorption bzw. Absorption viel Zeit in Anspruch nehmen. Um dem entgegenzuwirken, kann - wie beispielhaft in den 5 und 6 dargestellt - eine Bypass-Leitung 7 zur Umgehung der Pumpe 6 vorgesehen sein. Über ein in der Bypass-Leitung 7 angeordnetes Ventil 8 kann diese während des normalen Brennstoffzellenbetriebs geschlossen werden.
  • In der 5 verbindet die Bypass-Leitung 7 die Trocknungseinrichtung 4 mit einem Bereich des Versorgungspfads 2, der stromabwärts der Pumpe 6 liegt. Bei dem Ausführungsbeispiel der 6 verbindet die Bypass-Leitung 7 die Trocknungseinrichtung 4 mit einem Bereich des Rezirkulationspfads 3, der stromaufwärts der Pumpe 6 liegt.
  • Nicht dargestellt, aber möglich, ist die alternative Anordnung der Trocknungseinrichtung 4 im Rezirkulationspfad 3.
  • Die Trocknungseinrichtung 4 ist je nach Ausführung, ob als Adsorber oder Absorber, zu dimensionieren. Die Dimensionierung erfolgt zudem in Abhängigkeit von der jeweils zu adsorbierenden bzw. absorbierenden Wassermenge.
  • In der 7 sind beispielhaft die Beladungstiefen x eines im Versorgungspfad 2 angeordneten Adsorbers (hier: Zeolith) bei unterschiedlichen Randbedingungen zu entnehmen (hier: Wasserdampfpartialdruck [Pa] über der Temperatur [K]). Die Beladung des Zeoliths wird durch die durchgezogenen Linien dargestellt. Die gepunkteten Linien geben die Dampfdruckkurve wieder. Punkt 15 markiert die Adsorption bei einer Anodengastemperatur von etwa 0 °C. Punkt 16 markiert die Desorption bei einer Anodengastemperatur von etwa 20 °C.

Claims (12)

  1. Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems, insbesondere eines PEM-Brennstoffzellensystems, bei dem einer Anode (1) einer Brennstoffzelle über einen Versorgungspfad (2) ein wasserhaltiges Anodengas zugeführt wird, das über einen an die Anode (1) angeschlossenen Rezirkulationspfad (3) rückgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass zum eisfreien Starten der Brennstoffzelle nach einem Betriebsstillstand dem Anodengas während des Betriebsstillstands mit Hilfe einer Trocknungseinrichtung (4), insbesondere mit Hilfe eines Adsorbers oder eines Absorbers, Wasser entzogen wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Förderung der Adsorption oder Absorption während eines Betriebsstillstands der Brennstoffzelle der Betrieb eines im Rezirkulationspfad (3) angeordneten Gebläses (5) aufrechterhalten wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass während des Betriebs der Brennstoffzelle der Trocknungseinrichtung (4) Wasser durch Desorption entzogen wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass zur Förderung der Desorption während des Betriebs der Brennstoffzelle die Trocknungseinrichtung (4) beheizt wird.
  5. Brennstoffzellensystem, insbesondere PEM-Brennstoffzellensystem, umfassend mindestens eine Brennstoffzelle mit einer Anode (1), der über einen Versorgungspfad (2) ein wasserhaltiges Anodengas zuführbar ist, das über einen an die Anode (1) angeschlossenen Rezirkulationspfad (3) rückführbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich des Versorgungspfads (2) oder im Bereich des Rezirkulationspfads (3) eine Trocknungseinrichtung (4), insbesondere ein Adsorber oder Absorber, angeordnet ist.
  6. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass im Rezirkulationspfad (3) ein Gebläse (5) angeordnet ist.
  7. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass im Versorgungspfad (2), vorzugsweise zwischen der Trocknungseinrichtung (4) und der Anode (1), eine Pumpe (6), insbesondere eine Saugstrahlpumpe, angeordnet ist.
  8. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass zur Umgehung der Pumpe (6) eine Bypass-Leitung (7) vorgesehen ist, über welche die Trocknungseinrichtung (4), vorzugsweise in Abhängigkeit von der Schaltstellung eines in der Bypass-Leitung (7) angeordneten Ventils (8), mit der Anode (1) verbunden oder verbindbar ist.
  9. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Trocknungseinrichtung (4) aktiv oder passiv beheizbar ist, wobei vorzugsweise in oder an der Trocknungseinrichtung (4) eine Heizung, insbesondere eine elektrische Widerstandsheizung, angeordnet ist.
  10. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Trocknungseinrichtung (4) einen mit Zeolith gefüllten Behälter umfasst, der zumindest bereichsweise für das Anodengas durchlässig ausgestaltet ist, wobei vorzugsweise die Zeolithfüllung als Schüttung ausgeführt ist.
  11. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Trocknungseinrichtung (4) einen offenporigen Metallschaum, vorzugsweise aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung, als Trägerstruktur umfasst, in den Zeolith eingelagert ist.
  12. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 5 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Trocknungseinrichtung (4) und die Anode (1) in wärmeübertragender Weise verbunden sind, wobei vorzugsweise die Anode (1) ein Gehäuse aufweist, das zumindest bereichsweise aus Metall gefertigt ist.
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