DE102020210300A1

DE102020210300A1 - Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems, Brennstoffzellensystem

Info

Publication number: DE102020210300A1
Application number: DE102020210300.3A
Authority: DE
Inventors: Helerson Kemmer; Friedrich Muehleder; Markus Brenk
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2020-08-13
Filing date: 2020-08-13
Publication date: 2022-02-17
Also published as: WO2022033812A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems (1), bei dem Wasserstoff in einem Druckgasbehälter (2) bevorratet und über einen Anodenpfad (3) einer Anode (4) eines Brennstoffzellenstapels (5) zugeführt wird, und bei dem mit Hilfe eines im Anodenpfad (3) angeordneten Druckminderers (6) der Gasdruck des dem Druckgasbehälter (2) entnommenen Wasserstoffs reduziert wird. Erfindungsgemäß wird der dem Druckgasbehälter (2) entnommene Wasserstoff mit Hilfe mindestens eines im Anodenpfad (3) angeordneten Wärmeübertragers (7) thermisch konditioniert.Die Erfindung betrifft ferner ein Brennstoffzellensystem (1), das zur Durchführung des Verfahrens geeignet ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Brennstoffzellensystem, das zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet ist bzw. nach dem erfindungsgemäßen Verfahren betreibbar ist.
Stand der Technik
In wasserstoffbasierten Brennstoffzellen wird Wasserstoff mit Hilfe von Sauerstoff in elektrische Energie gewandelt. Die einzelne Brennstoffzelle weist hierzu eine Membran-Elektroden-Anordnung mit einer Anode und einer Kathode auf. Im Betrieb eines Brennstoffzellensystems wird der Anode über einen Anodenpfad Wasserstoff und der Kathode über einen Kathodenpfad Sauerstoff zugeführt. In mobilen Anwendungen dient Umgebungsluft als Sauerstofflieferant. Der ferner benötigte Wasserstoff muss in einem geeigneten Tank bevorratet und mitgeführt werden. Aufgrund schneller Betankungszeiten sowie geringen und zudem unschädlichen Emissionen, da diese nur aus Wasser bestehen, gelten wasserstoffbasierte Brennstoffzellen als Mobilitätskonzept der Zukunft.
Die Bevorratung von Wasserstoff an Bord eines Fahrzeugs stellt jedoch aufgrund der geringen Dichte von Wasserstoff eine Herausforderung dar. Zur gasförmigen Bevorratung bzw. Speicherung haben sich verschiedene Tanktypen etabliert, die sich im Wesentlichen hinsichtlich ihres Materials und des maximal zulässigen Speicherdrucks unterscheiden. In mobilen Anwendungen hat sich ein Speicherdruck von 350 bar oder 700 bar durchgesetzt.
Der Betankungsvorgang ist durch international gültige Normen standardisiert, beispielsweise durch die Norm SAE TIR J2601. Diese gibt den Tankstellen vor, dass Wasserstoff auf -40°C vorgekühlt werden muss. Denn beim Tanken heizt sich Wasserstoff aufgrund Expansion bzw. Entspannung und des „umgekehrten“ Joule-Thomson-Effekts stark auf. Die Vorkühlung verhindert eine Überhitzung des Gases während des Tankvorgangs. Dennoch werden beim Tanken oftmals Temperaturen von 85°C oder mehr erreicht. Eine weitere Erwärmung erfährt der Wasserstoff, wenn er während der Fahrt dem Tank entnommen und einem Druckminderer zugeführt wird, um den Speicherdruck auf einen sogenannten Mitteldruck zu reduzieren. Dies kann zu Temperaturen führen, die nicht nur den Druckminderer, sondern auch nachfolgende Komponenten bis hin zur Anode eines Brennstoffzellenstapels schädigen können. Weitere die Temperatur und/oder den Druck des Wasserstoffs beeinflussende Faktoren sind die aktuellen Umgebungsbedingungen, der zeitliche Abstand vom Tankzeitpunkt, der Tankfüllstand, der kalibrierte Druck nach dem Druckminderer sowie der geforderte Wasserstoffmassenstrom. Der Temperatur- und Druckbereich von Wasserstoff in einem Brennstoffzellensystem ist somit sehr breit. Dies muss bei der Auslegung des Brennstoffzellensystems, insbesondere bei der Auslegung der Komponenten, die der Bereitstellung von Wasserstoff dienen, berücksichtigt werden. Entsprechend steigen die thermischen Anforderungen an diese Komponenten.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die thermischen Anforderungen zu senken, um auf diese Weise die Kosten für diese Komponenten reduziert werden.
Zur Lösung der Aufgabe werden das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie das Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Anspruchs 7 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den jeweiligen Unteransprüchen zu entnehmen.
Offenbarung der Erfindung
Vorgeschlagen wird ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems, bei dem Wasserstoff in einem Druckgasbehälter bevorratet und über einen Anodenpfad einer Anode eines Brennstoffzellenstapels zugeführt wird, und bei dem mit Hilfe eines im Anodenpfad angeordneten Druckminderers der Gasdruck des dem Druckgasbehälter entnommenen Wasserstoffs reduziert wird. Erfindungsgemäß wird der dem Druckgasbehälter entnommene Wasserstoff mit Hilfe mindestens eines im Anodenpfad angeordneten Wärmeübertragers thermisch konditioniert.
Mit Hilfe der vorgeschlagenen thermischen Konditionierung kann der eingangs erwähnte sehr breite Temperaturbereich enger gestaltet werden. Auf diese Weise sinken die thermischen Anforderungen, die an die im Wasserstoffpfad vorhandenen Komponenten gestellt werden. Gleichzeitig können die Kosten für diese Komponenten gesenkt werden. Beispielsweise können alternative Materialien eingesetzt werden, die kostengünstiger sind. Das vorgeschlagene Verfahren bietet zudem einen zusätzlichen Freiheitsgrad sowohl für den Tankvorgang als auch den Betrieb des Brennstoffzellensystems.
Die vorgeschlagene thermische Konditionierung mit Hilfe des mindestens einen Wärmeübertragers kann sowohl zum Kühlen als auch zum Erwärmen des Wasserstoffs genutzt werden. Der Normalfall wird sein, dass mit Hilfe des Wärmeübertragers die Temperatur des Wasserstoffs herabgesetzt wird. Bei sehr niedrigen Außentemperaturen kann jedoch das Verfahren auch zum Erwärmen des Wasserstoffs genutzt werden.
Vorteilhafterweise wird der Wasserstoff stromaufwärts des Druckminderers thermisch konditioniert, das heißt noch im Hochdruckbereich des Anodenpfads. Auf diese Weise ist auch der Druckminderer vor zu hohen Temperaturen des Wasserstoffs geschützt. Grundsätzlich kann der mindestens eine Wärmeübertrager oder zumindest ein Wärmeübertrager auch stromabwärts des Druckminderers angeordnet sein.
Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass der Wärmeübertrager - oder zumindest ein Wärmeübertrager - passiv mit Hilfe von Umgebungsluft betrieben wird. Das heißt, dass Umgebungsluft als wärmeübertragendes Medium verwendet wird, so dass kein zusätzliches Medium vorgehalten werden muss. Ferner können durch den passiven Betrieb weitere Kosten eingespart werden.
Alternativ oder ergänzend wird vorgeschlagen, dass der Wärmeübertrager - oder zumindest ein Wärmeübertrager - aktiv mit Hilfe eines im Kreis geführten Fluids betrieben wird. Dies erfordert nur dann einen zusätzlichen Medienkreislauf, wenn der Wärmeübertrager nicht an einen bereits vorhandenen Medienkreislauf, beispielsweise an einen Kühlkreis zum Kühlen des Brennstoffzellenstapels, angeschlossen werden kann. Mit Hilfe eines aktiv im Kreis geführten Fluids kann der Wasserstoff gezielt thermisch konditioniert werden, und zwar unabhängig von den jeweils herrschenden Umgebungstemperaturen.
Darüber hinaus kann auch eine Wärmepumpe als Wärmeübertrager verwendet werden.
Bevorzugt wird der Wärmeübergang am Wärmeübertrager auf eine für den Betrieb des Brennstoffzellenstapels relevante Temperatur geregelt, beispielsweise auf die Eintrittstemperatur des Wasserstoffs in den Brennstoffzellenstapel. Auf diese Weise kann mit Hilfe des vorgeschlagenen Verfahrens zugleich der Betrieb des Brennstoffzellenstapels bzw. der im Brennstoffzellenstapel stattfindende Energiewandlungsprozess optimiert werden. Der Wärmeübertrager - oder zumindest ein Wärmeübertrager - ist in diesem Fall bevorzugt im Bereich des Eintritts des Wasserstoffs in den Brennstoffzellenstapel angeordnet.
Das ferner zur Lösung der eingangs genannten Aufgabe vorgeschlagene Brennstoffzellensystem umfasst einen Druckgasbehälter zum Bevorraten von Wasserstoff, der über einen Anodenpfad mit einer Anode eines Brennstoffzellenstapels verbunden ist. Im Anodenpfad ist dabei ein Druckminderer angeordnet. Erfindungsgemäß ist zudem im Anodenpfad mindestens ein Wärmeübertrager zur thermischen Konditionierung des dem Druckgasbehälter entnommenen Wasserstoffs angeordnet.
Durch die Implementierung des mindestens einen Wärmeübertragers ist das Brennstoffzellensystem zur Durchführung des zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet bzw. nach diesem Verfahren betreibbar. Das heißt, dass die thermischen Anforderungen an die im Wasserstoffpfad vorgesehenen Komponenten sinken, so dass kostengünstigere Komponenten verbaut werden können. Ferner kann durch thermische Konditionierung des Wasserstoffs der Energiewandlungsprozess im Brennstoffzellenstapel optimiert werden.
Vorzugsweise kann der dem Druckgasbehälter entnommene Wasserstoff mit Hilfe des mindestens einen im Anodenpfad angeordneten Wärmeübertragers sowohl gekühlt, als auch erwärmt werden.
Der Wärmeübertrager - oder zumindest ein Wärmeübertrager - ist bevorzugt stromaufwärts des Druckminderers im Anodenpfad angeordnet. Auf diese Weise kann die Temperatur des Wasserstoffs bereits vor dem Druckminderer gesenkt werden, so dass der Druckminderer vor Schäden durch zu hohe Wasserstofftemperaturen geschützt ist.
Alternativ oder ergänzend wird vorgeschlagen, dass der Wärmeübertrager - oder zumindest ein Wärmeübertrager - stromabwärts des Druckminderers im Anodenpfad angeordnet ist. Dies erleichtert das Einregeln des Wärmeübergangs am Wärmeübertrager auf eine für den Betrieb des Brennstoffzellenstapels relevante Temperatur, beispielsweise die Eintrittstemperatur des Wasserstoffs in den Brennstoffzellenstapel.
Der Wärmeübertrager kann als passiver oder als aktiver Wärmeübertrager ausgeführt sein. Die passive Ausführung kann besonders kostengünstig realisiert werden, beispielsweise durch Zuführung von Umgebungsluft. Die aktive Ausführung, beispielsweise mit Hilfe eines im Kreis geführten Fluids, ermöglicht eine gezielte thermische Konditionierung.
Der Wärmeübertrager - oder zumindest ein Wärmeübertrager - kann zudem als Wärmepumpe ausgeführt sein.
Die Erfindung und ihre Vorteile werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen:

1 eine schematische Darstellung eines ersten erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems und
2 eine schematische Darstellung eines zweiten erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems.

Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
Das in der 1 dargestellte Brennstoffzellensystem umfasst einen Brennstoffzellenstapel 5 mit einer Vielzahl von Brennstoffzellen in gestapelter Anordnung. Die Darstellung der 1 beschränkt sich auf den Bereich einer Anode 4 des Brennstoffzellenstapels 5 sowie die Komponenten zur Versorgung der Anode 4 mit Wasserstoff.
Der benötigte Wasserstoff wird in mehreren Druckgasbehältern 2 bevorratet, die über einen Anodenpfad 3 mit der Anode 4 des Brennstoffzellenstapels 5 verbunden sind. Die Druckgasbehälter 2 weisen jeweils ein Ventil 8 zum Zu- und Abschalten auf. Da der Speicherdruck in den Druckgasbehältern 2 üblicherweise sehr hoch ist, ist im Anodenpfad 3 ein Druckminderer 6 angeordnet, mit dessen Hilfe der Speicherdruck auf den sogenannten Mitteldruck gesenkt werden kann. Dies wiederum hat zur Folge, dass sich der Wasserstoff erwärmt. Stromabwärts des Druckminderers 6 ist daher ein Wärmeübertrager 7 im Anodenpfad 3 angeordnet, der den Wasserstoff kühlt und damit thermisch konditioniert.
Die thermische Konditionierung mit Hilfe des Wärmeübertragers 7 muss nicht zwingend zu einer Kühlung des Wasserstoffs führen. Beispielsweise bei sehr tiefen Außentemperaturen kann es erforderlich sein, den aus den Druckgasbehältern 2 entnommenen Wasserstoff zu erwärmen. Auch dies kann mit Hilfe des Wärmeübertragers 7 realisiert werden.
Bei dem in der 1 dargestellten Brennstoffzellensystem ist der Wärmeübertrager 7 stromaufwärts eines Wasserstoffinjektors 9 und einer Saugstrahlpumpe 10 des Anodenpfads 3 angeordnet. Mit Hilfe des Wasserstoffinjektors 9 kann die Menge von frischem Wasserstoff gesteuert werden, die im Bereich der Saugstrahlpumpe 10 einem Anodenabgasstrom beigemischt wird, der über einen Rezirkulationspfad 12 mit Hilfe eines Gebläses 11 rezirkuliert wird. Durch die zuvor bewirkte Kühlung des Wasserstoffs sinkt die thermische Belastung der stromabwärts des Wärmeübertragers 7 im Anodenpfad 3 angeordneten Komponenten. Das heißt, dass die thermischen Anforderungen an diese Komponenten sinken, so dass diese kostengünstiger werden. Ferner kann mit Hilfe des Wärmeübertragers 7 die Wasserstofftemperatur auf einen Wert eingestellt werden, der zu einer Optimierung des Energiewandlungsprozesses im Brennstoffzellenstapel 5 führt.
Das in der 2 dargestellte Brennstoffzellensystem 1 unterscheidet sich von dem der 1 dadurch, dass der Wärmeübertrager 7 nicht stromabwärts, sondern stromaufwärts des Druckminderers 6 im Anodenpfad 3 angeordnet ist. Diese Anordnung besitzt den Vorteil, dass die Temperatur des Wasserstoffs bereits vor dem Druckminderer 6 gesenkt wird, so dass auch dieser vor zu hohen Temperaturen geschützt ist. Somit können auch die thermischen Anforderungen an den Druckminderer 6 gesenkt werden.

Claims

Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems (1), bei dem Wasserstoff in einem Druckgasbehälter (2) bevorratet und über einen Anodenpfad (3) einer Anode (4) eines Brennstoffzellenstapels (5) zugeführt wird, und bei dem mit Hilfe eines im Anodenpfad (3) angeordneten Druckminderers (6) der Gasdruck des dem Druckgasbehälter (2) entnommenen Wasserstoffs reduziert wird, dadurch gekennzeichnet, dass der dem Druckgasbehälter (2) entnommene Wasserstoff mit Hilfe mindestens eines im Anodenpfad (3) angeordneten Wärmeübertragers (7) thermisch konditioniert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wasserstoff stromaufwärts des Druckminderers (6) thermisch konditioniert wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeübertrager (7) passiv mit Hilfe von Umgebungsluft betrieben wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeübertrager (7) aktiv mit Hilfe eines im Kreis geführten Fluids betrieben wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Wärmepumpe als Wärmeübertrager (7) verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeübergang am Wärmeübertrager (7) auf eine für den Betrieb des Brennstoffzellenstapels (5) relevante Temperatur geregelt wird, beispielsweise auf die Eintrittstemperatur des Wasserstoffs in den Brennstoffzellenstapel (5).
Brennstoffzellensystem (1), umfassend einen Druckgasbehälter (2) zum Bevorraten von Wasserstoff, der über einen Anodenpfad (3) mit einer Anode (4) eines Brennstoffzellenstapels (5) verbunden ist, wobei im Anodenpfad (3) ein Druckminderer (6) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass im Anodenpfad (3) mindestens ein Wärmeübertrager (7) zur thermischen Konditionierung des dem Druckgasbehälter (2) entnommenen Wasserstoffs angeordnet ist.
Brennstoffzellensystem (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeübertrager (7) stromaufwärts des Druckminderers (6) im Anodenpfad (3) angeordnet ist.
Brennstoffzellensystem (1) nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeübertrager (7) stromabwärts des Druckminderers (6) im Anodenpfad (3) angeordnet ist.
Brennstoffzellensystem (1) nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeübertrager (7) als passiver Wärmeübertrager ausgeführt ist.
Brennstoffzellensystem (1) nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeübertrager (7) als aktiver Wärmeübertrager ausgeführt ist.
Brennstoffzellensystem (1) nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeübertrager (7) als Wärmepumpe ausgeführt ist.