DE102019214711A1 - Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems, Brennstoffzellensystem - Google Patents

Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems, Brennstoffzellensystem Download PDF

Info

Publication number
DE102019214711A1
DE102019214711A1 DE102019214711.9A DE102019214711A DE102019214711A1 DE 102019214711 A1 DE102019214711 A1 DE 102019214711A1 DE 102019214711 A DE102019214711 A DE 102019214711A DE 102019214711 A1 DE102019214711 A1 DE 102019214711A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
fuel cell
cell system
drying device
anode gas
anode
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
DE102019214711.9A
Other languages
English (en)
Inventor
Joerg Heyse
Helerson Kemmer
Ralf Brandenburger
Pere Antoni Pastor Nigorra
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Priority to DE102019214711.9A priority Critical patent/DE102019214711A1/de
Priority to US17/763,878 priority patent/US20220352531A1/en
Priority to CN202080068521.4A priority patent/CN114450830A/zh
Priority to PCT/EP2020/075816 priority patent/WO2021058343A1/de
Publication of DE102019214711A1 publication Critical patent/DE102019214711A1/de
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H01M8/04119—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying
    • H01M8/04156—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying with product water removal
    • H01M8/04171—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying with product water removal using adsorbents, wicks or hydrophilic material
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04007—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids related to heat exchange
    • H01M8/04014—Heat exchange using gaseous fluids; Heat exchange by combustion of reactants
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04007—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids related to heat exchange
    • H01M8/04037—Electrical heating
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H01M8/04097—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with recycling of the reactants
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H01M8/04119—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying
    • H01M8/04156—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying with product water removal
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04201—Reactant storage and supply, e.g. means for feeding, pipes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04223—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids during start-up or shut-down; Depolarisation or activation, e.g. purging; Means for short-circuiting defective fuel cells
    • H01M8/04225—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids during start-up or shut-down; Depolarisation or activation, e.g. purging; Means for short-circuiting defective fuel cells during start-up
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04223—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids during start-up or shut-down; Depolarisation or activation, e.g. purging; Means for short-circuiting defective fuel cells
    • H01M8/04253—Means for solving freezing problems
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/043—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems applied during specific periods
    • H01M8/04302—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems applied during specific periods applied during start-up
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/043—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems applied during specific periods
    • H01M8/04303—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems applied during specific periods applied during shut-down
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04828—Humidity; Water content
    • H01M8/04835—Humidity; Water content of fuel cell reactants
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M2008/1095—Fuel cells with polymeric electrolytes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2250/00—Fuel cells for particular applications; Specific features of fuel cell system
    • H01M2250/20—Fuel cells in motive systems, e.g. vehicle, ship, plane
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T90/00—Enabling technologies or technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02T90/40—Application of hydrogen technology to transportation, e.g. using fuel cells

Landscapes

  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems, insbesondere eines PEM-Brennstoffzellensystems, bei dem ein Anodengas über einen Versorgungspfad (2) einer Anode (1) einer Brennstoffzelle zugeführt und über einen an die Anode (1) angeschlossenen Rezirkulationspfad (3) rückgeführt wird, wobei Wasserstoff als Anodengas verwendet wird. Erfindungsgemäß wird während des Startens des Brennstoffzellensystems das Anodengas über mindestens ein stromlos offenes Ventil (8, 9, 10) einer Trocknungseinrichtung (4), insbesondere einem Adsorber, zugeführt und dem Anodengas wird mit Hilfe der Trocknungseinrichtung (4) 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 ein im Wasserstoff enthaltener gasförmiger Wasseranteil auskondensieren und bei entsprechend tiefen Umgebungstemperaturen gefrieren kann. Wird das System bei entsprechend tiefen Umgebungstemperaturen gestartet, besteht demnach die Gefahr einer Vereisung eines wasserstoffführenden Anodenpfads des Brennstoffzellensystems.
  • Um dies zu vermeiden, sind aus dem Stand der Technik Systemtopologien bekannt, die mindestens eine elektrische Heizeinrichtung im Bereich der Anode bzw. im Anodenpfad aufweisen. Der Betrieb der mindestens einen Heizeinrichtung belastet jedoch die Fahrzeugbatterie. Darüber hinaus kann der Enteisungsvorgang mit Hilfe der mindestens einen Heizeinrichtung etliche Sekunden bis Minuten in Anspruch nehmen, so dass sich die Startzeit verlängert.
  • Ausgehend von dem vorstehend genannten Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Startzeiten eines Brennstoffzellensystems zu verkürzen, und zwar insbesondere bei tiefen Umgebungstemperaturen, bei denen im Anodengas enthaltenes Wasser gefriert.
  • 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 ein Anodengas über einen Versorgungspfad einer Anode einer Brennstoffzelle zugeführt und über einen an die Anode angeschlossenen Rezirkulationspfad rückgeführt. Als Anodengas wird Wasserstoff verwendet. Erfindungsgemäß wird während des Startens des Brennstoffzellensystems das Anodengas über mindestens ein stromlos offenes Ventil einer Trocknungseinrichtung, insbesondere einem Adsorber, zugeführt und dem Anodengas wird mit Hilfe der Trocknungseinrichtung Wasser entzogen.
  • Der Entzug von Wasser während des Startens minimiert die Gefahr, dass beim Starten kondensierendes Wasser gefriert und den Startvorgang verzögert. Die Gefahr ist insbesondere beim Starten groß, da zu diesem Zeitpunkt das System noch nicht warm gefahren ist und im Anodengas enthaltender Wasserdampf leicht kondensieren kann. Durch Verwendung eines Adsorbers als Trocknungseinrichtung kann das Verfahren einfach und kostengünstig umgesetzt werden. Die Einbindung der Trocknungseinrichtung über mindestens ein stromlos offenes Ventil gewährleistet, dass mit dem Starten des Brennstoffzellensystems die Trocknungseinrichtung sofort betriebsbereit ist, bei Bedarf jedoch abgeschaltet werden kann.
  • In Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass während des Betriebsstillstands des Brennstoffzellensystems das Anodengas über mindestens ein stromlos offenes Ventil der Trocknungseinrichtung zugeführt und dem Anodengas mit Hilfe der Trocknungseinrichtung Wasser entzogen wird. In diesem Fall wird das Brennstoffzellensystem mit bereits vorgetrocknetem Anodengas gestartet, so dass beim Starten des Brennstoffzellensystems im Anodengas weniger Wasserdampf enthalten ist, das kondensieren kann. Auf diese Weise kann der Startvorgang weiter verkürzt werden.
  • Zur Förderung der Vortrocknung des Anodengases wird vorzugsweise der Betrieb eines im Rezirkulationspfad angeordneten Gebläses während des Betriebsstillstands des Brennstoffzellensystems aufrechterhalten. Das Gebläse unterstützt die Rezirkulation bzw. Zirkulation des Anodengases. Da oftmals bereits ein Gebläse im Rezirkulationspfad vorhanden ist, erfordert diese Maßnahme keinen zusätzlichen technischen Aufwand.
  • Im Normalbetrieb des Brennstoffzellensystems kann das mindestens eine stromlos offene Ventil, über das die Trocknungseinrichtung mit dem Versorgungspfad und/oder dem Rezirkulationspfad verbunden ist, geschlossen werden. Denn dann hat das System seine normale Betriebstemperatur erreicht, so dass keine Gefahr mehr besteht, dass im Anodengas enthaltenes Wasser gefriert. Ferner ist durch das geschlossene Ventil sichergestellt, das die Beladung der Trocknungseinrichtung mit Wasser nicht weiter steigt.
  • Da die Aufnahmekapazität der Trocknungseinrichtung nicht unendlich ist, wird vorgeschlagen, dass während des Betriebs des Brennstoffzellensystems der Trocknungseinrichtung Wasser durch Desorption entzogen wird. Hierzu wird das mindestens eine stromlos offene Ventil wieder geöffnet, so dass die Verbindung der Trocknungseinrichtung mit dem Versorgungspfad und/oder dem Rezirkulationspfad erneut hergestellt ist. In diesem Fall wird der Trocknungseinrichtung durch Desorption Wasser entzogen und über das Anodengas, welches das Wasser aufnimmt, abgeführt. Das heißt, dass der Trocknungsprozess umgekehrt abläuft.
  • Zur Förderung der Desorption während des Betriebs des Brennstoffzellensystems kann der Trocknungseinrichtung frisches und damit weitgehend trockenes Anodengas aus einem Tank zugeführt werden. Alternativ kann der Trocknungseinrichtung rezirkuliertes Anodengas zugeführt werden, das im Betrieb bereits warm und trocken gefahren worden ist, beispielsweise durch häufiges „Purgen“ bzw. Spülen, das vorrangig der Entfernung von Stickstoff dient, aber auch im Anodengas enthaltenen Wasserdampf bzw. enthaltenes Wasser mit abführt.
  • Darüber hinaus kann die Desorption dadurch gefördert werden, dass die Trocknungseinrichtung mit Hilfe einer Heizeinrichtung beheizt wird.
  • Das ferner zur Lösung der eingangs genannten Aufgabe vorgeschlagene Brennstoffzellensystem, insbesondere PEM-Brennstoffzellensystem, umfasst mindestens eine Brennstoffzelle mit einer Anode, die eintrittsseitig an einen Versorgungspfad zur Zuführung eines Anodengases und austrittsseitig an einen Rezirkulationspfad zur Rückführung des Anodengases angeschlossen ist. Das Brennstoffzellensystem zeichnet sich erfindungsgemäß durch eine Trocknungseinrichtung, insbesondere durch einen Adsorber, aus, die bzw. der über mindestens ein stromlos offenes Ventil mit dem Versorgungspfad und/oder dem Rezirkulationspfad verbunden ist.
  • Mit Hilfe der Trocknungseinrichtung kann dem Anodengas Wasser entzogen werden, insbesondere, um ein eisfreies und damit schnelles Starten des Brennstoffzellensystems nach einem Betriebsstillstand zu ermöglichen. 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 des vorgeschlagenen Brennstoffzellensystems kann über das mindestens eine stromlos offene Ventil nur mit dem Versorgungspfad oder nur mit dem Rezirkulationspfad verbunden sein. Ferner kann die Trocknungseinrichtung über mindestens zwei Ventile, von denen mindestens ein Ventil als stromlos offenes Ventil ausgeführt ist, sowohl mit dem Versorgungspfad als auch mit dem Rezirkulationspfad verbunden bzw. verbindbar sein. Die Trocknungseinrichtung kann beispielsweise parallel zur Anode geschaltet sein. Die Anbindung der Trocknungseinrichtung über mindestens ein stromlos offenes Ventil ermöglicht ein Trocknen bzw. Vortrocknen des Anodengases sowohl im Betrieb als auch während eines Betriebsstillstands des Brennstoffzellensystems. Soll die Beladung der Trocknungseinrichtung mit Wasser unterbunden werden, kann das Ventil geschlossen werden.
  • Alternativ kann das mindestens eine stromlos offene Ventil im Normalbetrieb des Brennstoffzellensystems gezielt offengelassen bzw. geöffnet werden, um durch Desorption der Trocknungseinrichtung Wasser zu entziehen. Auf diese Weise kann die Beladung der Trocknungseinrichtung mit Wasser gesenkt werden, damit die Trocknungseinrichtung aufnahmebereit bleibt. Denn die Aufnahmekapazität der Trocknungseinrichtung ist nicht unbegrenzt. Bei der Desorption gibt die Trocknungseinrichtung Wasser an das Anodengas ab, über welches das Wasser abgeführt wird. Durch anschließendes „Purgen“ bzw. Spülen wird das Wasser dann - zumindest teilweise - aus dem System gänzlich entfernt.
  • Vorteilhafterweise kann das mindestens eine stromlos offene Ventil zur Einbindung der Trocknungseinrichtung in das System mit unterschiedlichen Öffnungsquerschnitten geöffnet werden. Auf diese Weise ist es möglich, den Anodengasmassenstrom in Richtung der Trocknungseinrichtung zu steuern bzw. zu regeln. Das mindestens eine stromlos offene Ventil kann demnach als Schaltventil oder als Proportionalventil ausgeführt sein.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Trocknungseinrichtung über mindestens ein stromlos offenes Ventil mit dem Versorgungspfad verbunden und über ein in Richtung des Rezirkulationspfads öffnendes Rückschlagventil mit dem Rezirkulationspfad verbindbar. Auf diese Weise wird eine Strömungsrichtung durch die Trocknungseinrichtung vorgegeben.
  • Bevorzugt ist im Versorgungspfad eine Saugstrahlpumpe angeordnet. Mit Hilfe der Saugstrahlpumpe kann nicht nur frisches Anodengas einem Tank entnommen, sondern zugleich die Rezirkulation des Anodengases gefördert werden. Alternativ oder ergänzend wird vorgeschlagen, dass im Rezirkulationspfad ein Gebläse zur Förderung der Rezirkulation des Anodengases angeordnet ist.
  • Des Weiteren bevorzugt weist die Trocknungseinrichtung eine Heizeinrichtung auf. Mit Hilfe der Heizeinrichtung kann bei Bedarf die Desorption unterstützt werden, so dass die Trocknungseinrichtung schneller Wasser an das Anodengas abgibt.
  • 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.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen:
    • 1 eine schematische Darstellung eines Anodenbereichs einer ersten bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsmäßen Brennstoffzellensystems,
    • 2 eine schematische Darstellung eines Anodenbereichs einer zweiten bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsmäßen Brennstoffzellensystems,
    • 3 eine schematische Darstellung eines Anodenbereichs einer dritten bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsmäßen Brennstoffzellensystems,
    • 4 eine schematische Darstellung eines Anodenbereichs einer vierten bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsmäßen Brennstoffzellensystems,
    • 5 eine schematische Darstellung eines Anodenbereichs einer fünften bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsmäßen Brennstoffzellensystems,
    • 6 eine schematische Darstellung eines Anodenbereichs einer sechsten bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsmäßen Brennstoffzellensystems und
    • 7 eine schematische Darstellung eines Anodenbereichs einer siebten bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsmäßen Brennstoffzellensystems.
  • Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
  • Den 1 ist der Anodenbereich eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem zu entnehmen. Im Betrieb des Brennstoffzellensystems wird einer Anode 1 des Brennstoffzellensystems über einen Versorgungspfad 2 ein Anodengas zugeführt, das einem Tank 6 entnommen wird. Die Entnahme erfolgt durch Öffnen eines im Versorgungspfad 2 angeordneten Dosierventils 14, dem vorliegend ein Druckminderer 13 vorgeschaltet ist. Das Anodengas wird der Anode 1 über eine im Versorgungspfad 2 angeordnete Saugstrahlpumpe 12 zugeführt, die bewirkt, dass aus der Anode 1 austretendes Anodengas über einen Rezirkulationspfad 3 rückgeführt wird. Im Rezirkulationspfad 3 kann - wie vorliegend dargestellt - ein Wasserabscheider 15 angeordnet sein, der einen Wasserüberschuss an ein Spülventil 16 weiterleitet. Mit Öffnen des Spülventils 16 wird somit der Wasserüberschuss abgeführt und aus dem System entfernt.
  • Zum Entferner von Wasser, das insbesondere durch Kondensation von im Anodengas enthaltenem Wasserdampf entstanden ist, weist ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem eine Trocknungseinrichtung 4 auf. Im Ausführungsbeispiel der 1 ist die Trocknungseinrichtung 4 über ein erstes stromlos offenes Ventil 8 an den Versorgungspfad 2 und über ein zweites stromlos offenes Ventil 10 an den Rezirkulationspfad 3 angebunden. Die Trocknungseinrichtung 4 ist somit parallel zur Anode 1 angeordnet. Die Trocknungseinrichtung 4 ist vorzugsweise als Adsorber ausgeführt, wobei als Adsorber insbesondere ein mit Zeolith gefüllter Behälter dienen kann.
  • Durch das mindestens eine stromlos offene Ventil 8, 10 wird während eines Betriebsstillstands im Anodengas enthaltenes Wasser adsorbiert, so dass dieses bei entsprechend tiefen Umgebungstemperaturen nicht gefriert. Während des nachfolgenden Startens des Brennstoffzellensystems bleibt das mindestens eine Ventil 8, 10 geöffnet, so dass weiterhin Wasser adsorbiert und eine Vereisung des Systems oder einzelner Systemkomponenten verhindert wird. Insbesondere wird Wasser adsorbiert, das erst während der Startphase durch Kondensation entstanden ist. Bei gestiegenen Umgebungstemperaturen bzw. im Normalbetrieb des Brennstoffzellensystems, wenn sich die Temperatur im System sicher oberhalb der Frosttemperatur befindet, wird das mindestens eine stromlos offene Ventil 8, 10 geschlossen, so dass keine Verbindung der Trocknungseinrichtung 4 mit dem Versorgungspfad 2 und dem Rezirkulationspfad 3 mehr besteht. Die Trocknungseinrichtung 4 wird somit nicht weiter mit Wasser beladen. Um die Beladung der Trocknungseinrichtung 4 mit Wasser zu senken, kann das mindestens eine stromlos offene Ventil 8, 10 wieder geöffnet werden, so dass durch Desorption Wasser von der Trocknungseinrichtung 4 an das Anodengas abgegeben wird. Dies setzt voraus, dass sich im Versorgungspfad 2 und/oder im Rezirkulationspfad 3 weitgehend trockenes Anodengas befindet. Dies ist beispielsweise der Fall, wenn es sich um dem Tank 6 entnommenes frisches Anodengas oder um „trockengefahrenes“ Anodengas handelt. Zum „Trockenfahren“ muss lediglich das Spülventil 16 häufiger geöffnet werden.
  • Der 2 ist eine Abwandlung der Ausführungsform der 1 zu entnehmen. Anstelle eines zweiten stromlos offenen Ventils 10 ist die Trocknungseinrichtung 4 über ein Rückschlagventil 11 mit dem Rezirkulationspfad 3 verbunden bzw. verbindbar. Das Rückschlagventil 11 öffnet in Richtung des Rezirkulationspfads 3, so dass hiermit die Strömungsrichtung des Anodengases durch die Trocknungseinrichtung 4 vorgegeben ist.
  • Eine weitere Abwandlung der Ausführungsform der 1 ist in der 3 dargestellt. Hier ist zusätzlich im Rezirkulationspfad 3 ein Gebläse 5 angeordnet, das die Rezirkulation von Anodengas fördert.
  • Die 4 zeigt eine entsprechende Abwandlung der Ausführungsform der 2, das heißt die Ausführungsform der 2 mit einem Gebläse 5 im Rezirkulationspfad 3.
  • Eine weitere bevorzugte Ausführungsform ist der 5 zu entnehmen. Hier ist die Verbindung der Trocknungseinrichtung 4 mit dem Versorgungspfad 2 über ein stromlos offenes Ventil 9 hergestellt, dass zwischen dem Dosierventil 14 und der Saugstrahlpumpe 12 in den Versorgungspfad 2 mündet. Über das Ventil 9 ist somit der Trocknungseinrichtung 4 frisches und damit weitgehend trockenes Anodengas aus dem Tank 6 zuführbar, so dass durch die Zufuhr von trockenem Wasserstoff die Desorption der Trocknungseinrichtung 4 begünstigt wird.
  • Da der frische bzw. trockene Wasserstoff aus dem Tank 6 ggf. nicht heiß genug für eine schnelle Desorption ist, wird ferner vorgeschlagen, dass - wie beispielhaft in der 6 dargestellt - zusätzlich eine Heizeinrichtung 7 vorgesehen ist. Die für eine schnelle Desorption erforderliche Wärme kann somit über die Heizeinrichtung 7 eingebracht werden. Die dargestellte Variante weist zusätzlich den Vorteil auf, dass ein Ventil 8 bzw. 9 eingespart wird. Die Trocknungseinrichtung 4 wird durch ein einzelnes Ventil 10 sowohl während der Adsorptionsphase als auch während der Desorptionsphase angeströmt.
  • Eine weitere Variante ist in der 7 dargestellt. Hier ist die Trocknungseinrichtung 4 über zwei stromlos offene Ventile 8, 9 mit dem Versorgungspfad 2 verbunden. Analog der in der 5 dargestellten Ausführungsform kann somit der Trocknungseinrichtung 4 frisches bzw. trockenes Anodengas aus dem Tank 6 zugeführt werden, um die Desorption zu beschleunigen.

Claims (9)

  1. Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems, insbesondere eines PEM-Brennstoffzellensystems, bei dem ein Anodengas über einen Versorgungspfad (2) einer Anode (1) einer Brennstoffzelle zugeführt und über einen an die Anode (1) angeschlossenen Rezirkulationspfad (3) rückgeführt wird, wobei Wasserstoff als Anodengas verwendet wird, dadurch gekennzeichnet, dass während des Startens des Brennstoffzellensystems das Anodengas über mindestens ein stromlos offenes Ventil (8, 9, 10) einer Trocknungseinrichtung (4), insbesondere einem Adsorber, zugeführt wird und dem Anodengas mit Hilfe der Trocknungseinrichtung (4) Wasser entzogen wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass während des Betriebsstillstands des Brennstoffzellensystems das Anodengas über mindestens ein stromlos offenes Ventil (8, 9, 10) der Trocknungseinrichtung (4) zugeführt wird und dem Anodengas mit Hilfe der Trocknungseinrichtung (4) Wasser entzogen wird, wobei vorzugsweise der Betrieb eines im Rezirkulationspfad (3) angeordneten Gebläses (5) aufrechterhalten wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass während des Betriebs des Brennstoffzellensystems der Trocknungseinrichtung (4) Wasser durch Desorption entzogen wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass zur Förderung der Desorption während des Betriebs des Brennstoffzellensystems der Trocknungseinrichtung (4) frisches Anodengas aus einem Tank (6) zugeführt wird und/oder die Trocknungseinrichtung (4) mit Hilfe einer Heizeinrichtung (7) beheizt wird.
  5. Brennstoffzellensystem, insbesondere PEM-Brennstoffzellensystem, umfassend mindestens eine Brennstoffzelle mit einer Anode (1), die eintrittsseitig an einen Versorgungspfad (2) zur Zuführung eines Anodengases und austrittsseitig an einen Rezirkulationspfad (3) zur Rückführung des Anodengases angeschlossen ist, gekennzeichnet durch eine Trocknungseinrichtung (4), insbesondere einen Adsorber, die bzw. der über mindestens ein stromlos offenes Ventil (8, 9, 10) mit dem Versorgungspfad (2) und/oder dem Rezirkulationspfad (3) verbunden ist.
  6. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Trocknungseinrichtung (4) über mindestens ein stromlos offenes Ventil (8, 9) mit dem Versorgungspfad (2) verbunden und über ein in Richtung des Rezirkulationspfads (3) öffnendes Rückschlagventil (11) mit dem Rezirkulationspfad (3) verbindbar ist.
  7. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass im Versorgungspfad (2) eine Saugstrahlpumpe (12) und/oder im Rezirkulationspfad (3) ein Gebläse (5) zur Förderung der Rezirkulation des Anodengases angeordnet ist.
  8. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Trocknungseinrichtung (4) eine Heizeinrichtung (7) aufweist.
  9. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 5 bis 8, 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.
DE102019214711.9A 2019-09-26 2019-09-26 Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems, Brennstoffzellensystem Pending DE102019214711A1 (de)

Priority Applications (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102019214711.9A DE102019214711A1 (de) 2019-09-26 2019-09-26 Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems, Brennstoffzellensystem
US17/763,878 US20220352531A1 (en) 2019-09-26 2020-09-16 Method for operating a fuel cell system, and fuel cell system
CN202080068521.4A CN114450830A (zh) 2019-09-26 2020-09-16 用于运行燃料电池系统的方法以及燃料电池系统
PCT/EP2020/075816 WO2021058343A1 (de) 2019-09-26 2020-09-16 Verfahren zum betreiben eines brennstoffzellensystems, sowie brennstoffzellensystem

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102019214711.9A DE102019214711A1 (de) 2019-09-26 2019-09-26 Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems, Brennstoffzellensystem

Publications (1)

Publication Number Publication Date
DE102019214711A1 true DE102019214711A1 (de) 2021-04-01

Family

ID=72560578

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE102019214711.9A Pending DE102019214711A1 (de) 2019-09-26 2019-09-26 Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems, Brennstoffzellensystem

Country Status (4)

Country Link
US (1) US20220352531A1 (de)
CN (1) CN114450830A (de)
DE (1) DE102019214711A1 (de)
WO (1) WO2021058343A1 (de)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102021201398A1 (de) 2021-02-15 2022-08-18 Robert Bosch Gesellschaft mit beschränkter Haftung Brennstoffzellensystem und Verfahren zum Regenerieren einer Trocknungseinrichtung
DE102021118977B3 (de) 2021-07-22 2022-09-08 Audi Aktiengesellschaft Festoxidbrennstoffzellenvorrichtung mit einer Wasserentzugseinheit für das Anodenabgas
DE102021108793A1 (de) 2021-04-08 2022-10-13 Robert Bosch Gesellschaft mit beschränkter Haftung Verfahren zur Trocknung des Anodengases in einem Anodenkreis eines Brennstoffzellensystems, Steuergerät
DE102021204421A1 (de) 2021-05-03 2022-11-03 Robert Bosch Gesellschaft mit beschränkter Haftung Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems, Brennstoffzellensystem

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102021210060A1 (de) * 2021-09-13 2023-03-16 Robert Bosch Gesellschaft mit beschränkter Haftung Vorrichtung und Verfahren zur Rezirkulation von Anodengas in einem Anodenkreis eines Brennstoffzellensystems, Brennstoffzellensystem

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102011114721A1 (de) * 2011-10-01 2013-04-04 Daimler Ag Brennstoffzellensystem

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CA2379709A1 (en) * 1999-07-19 2001-01-25 Ebara Corporation Acid gas scrubbing apparatus and method
US20050186458A1 (en) * 2003-09-22 2005-08-25 Ali Rusta-Sallehy Electrolyzer cell stack system
US8043755B2 (en) * 2004-04-23 2011-10-25 Nucellsys Gmbh Fuel cell based power generation systems and methods of operating the same
DE102007026652A1 (de) * 2007-06-08 2008-12-11 Forschungszentrum Jülich GmbH Hochtemperatur-Polymerelektrolyt-Brennstoffzellensystem sowie Verfahren zum Betreiben desselben
DE102007052149A1 (de) * 2007-10-31 2009-05-07 Robert Bosch Gmbh Brennstoffzelle und Verfahren zur Erwärmung einer Brennstoffzelle
US8347645B1 (en) * 2010-02-05 2013-01-08 Marz Industries, Inc. Hydrogen fuel cell driven HVAC and power system for engine-off operation including PEM regenerative hydrogen production
DE102017210339A1 (de) * 2017-06-21 2018-12-27 Robert Bosch Gmbh Brennstoffzellenvorrichtung mit Befeuchtungseinheit zur Befeuchtung von Brennstoff

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102011114721A1 (de) * 2011-10-01 2013-04-04 Daimler Ag Brennstoffzellensystem

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102021201398A1 (de) 2021-02-15 2022-08-18 Robert Bosch Gesellschaft mit beschränkter Haftung Brennstoffzellensystem und Verfahren zum Regenerieren einer Trocknungseinrichtung
DE102021108793A1 (de) 2021-04-08 2022-10-13 Robert Bosch Gesellschaft mit beschränkter Haftung Verfahren zur Trocknung des Anodengases in einem Anodenkreis eines Brennstoffzellensystems, Steuergerät
DE102021204421A1 (de) 2021-05-03 2022-11-03 Robert Bosch Gesellschaft mit beschränkter Haftung Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems, Brennstoffzellensystem
DE102021118977B3 (de) 2021-07-22 2022-09-08 Audi Aktiengesellschaft Festoxidbrennstoffzellenvorrichtung mit einer Wasserentzugseinheit für das Anodenabgas

Also Published As

Publication number Publication date
CN114450830A (zh) 2022-05-06
US20220352531A1 (en) 2022-11-03
WO2021058343A1 (de) 2021-04-01

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE102019214711A1 (de) Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems, Brennstoffzellensystem
EP2483958B1 (de) Verfahren zum betreiben eines brennstoffzellensystems
DE102012023799A1 (de) Verfahren zum Vorbereiten des Wiederstarts eines Brennstoffzellensystems
DE102018108777A1 (de) Brennstoffzellensystem
DE102015213913A1 (de) Verfahren und System zum Ablassen von Anodenabgas einer Brennstoffzelle
DE102014201169A1 (de) Verfahren zum Trockenblasen einer Brennstoffzelle sowie Brennstoffzellensystem
WO2013079149A1 (de) Verfahren zum vorbereiten des wiederstarts einer brennstoffzelle
DE112004002069T5 (de) Brennstoffzellensystem und Wasserrückgewinnungsverfahren desselben
DE102011122306A1 (de) Brennstoffzellensystem
DE102014018141A1 (de) Brennstoffzellenstapel
WO2020229065A1 (de) Verfahren zum betreiben eines brennstoffzellensystems, brennstoffzellensystem
WO2011157334A1 (de) Vorrichtung zur befeuchtung von anodengas
EP2537200A1 (de) Brennstoffzellensystem mit wenigstens einer brennstoffzelle
DE102007058868A1 (de) Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzelle sowie ein Brennstoffzellensystem mit mindestens einer Brennstoffzelle
DE102019202703A1 (de) Verfahren und System zum energieoptimierten Trocknen einer Brennstoffzelle
DE102021108793A1 (de) Verfahren zur Trocknung des Anodengases in einem Anodenkreis eines Brennstoffzellensystems, Steuergerät
DE102015213917B4 (de) Verfahren und System zum Ablassen von Anodenabgas einer Brennstoffzelle
DE102013003470A1 (de) Brennstoffzellensystem
DE102020113991A1 (de) Brennstoffzellensystem mit einem kathodenseitigen Flüssigkeitsreservoir und Kraftfahrzeug
WO2020177987A1 (de) Verfahren zum vermeiden von eisdruckschäden in wasserbefüllten komponenten eines brennstoffzellensystems
WO2016000978A1 (de) Brennstoffzellenvorrichtung mit wasser übertragendem anodengaspfad und verfahren zum betreiben einer brennstoffzelle
DE102021202938A1 (de) Brennstoffzellensystem und Verfahren zum Regenerieren oder zur Vorkonditionierung eines Trocknungsmittels oder Zeolithbehälters
DE102021210202A1 (de) Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems, Brennstoffzellensystem
DE102020209976A1 (de) Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems, Brennstoffzellensystem
DE102022205644A1 (de) Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems, Brennstoffzellensystem

Legal Events

Date Code Title Description
R163 Identified publications notified