DE102021202494A1 - Fuel cell system, method for operating a fuel cell system and use of an electrochemical compressor in a fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem, umfassend mindestens eine Brennstoffzelle und einen Anodenpfad (1), über den die Brennstoffzelle mit Wasserstoff als Anodengas sowie mit rezirkuliertem Anodengas versorgbar ist, ferner umfassend ein Purge-Ventil (2) zum Ableiten von rezirkuliertem Anodengas aus dem Anodenpfad (1). Erfindungsgemäß ist dem Purge-Ventil (2) eine Kammer (3) vorgelagert, die vom Anodenpfad (1) durch einen elektrochemischen Kompressor (4) getrennt ist.Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems sowie die Verwendung eines elektrochemischen Kompressors (4) in einem Brennstoffzellensystem.The invention relates to a fuel cell system, comprising at least one fuel cell and an anode path (1) via which the fuel cell can be supplied with hydrogen as anode gas and with recirculated anode gas, further comprising a purge valve (2) for discharging recirculated anode gas from the anode path ( 1). According to the invention, the purge valve (2) is preceded by a chamber (3) which is separated from the anode path (1) by an electrochemical compressor (4). The invention also relates to a method for operating a fuel cell system and the use of an electrochemical compressor (4th ) in a fuel cell system.
Description
Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems sowie die Verwendung eines elektrochemischen Kompressors in einem Brennstoffzellensystem.The invention relates to a fuel cell system. In addition, the invention relates to a method for operating a fuel cell system and the use of an electrochemical compressor in a fuel cell system.
Stand der TechnikState of the art
Eine Brennstoffzelle wandelt Wasserstoff mit Hilfe von Sauerstoff zu elektrischer Energie, wobei ferner Wärme und Wasser erzeugt werden. Die Brennstoffzelle weist hierzu eine Membran-Elektroden-Anordnung mit einer Anode und einer Kathode auf. Im Betrieb der Brennstoffzelle werden der Anode über einen Anodenpfad Wasserstoff und der Kathode über einen Kathodenpfad Luft als Sauerstofflieferant zugeführt.A fuel cell converts hydrogen into electrical energy with the help of oxygen, while also producing heat and water. For this purpose, the fuel cell has a membrane-electrode assembly with an anode and a cathode. During operation of the fuel cell, hydrogen is supplied to the anode via an anode path and air is supplied to the cathode via a cathode path as an oxygen supplier.
Zur Leistungssteigerung werden in der Regel eine Vielzahl von Brennstoffzellen übereinanderliegend angeordnet, so dass die mehreren Brennstoffzellen einen Brennstoffzellenstapel bilden. Dieser ist von mehreren Kanälen durchzogen, die der Versorgung der Brennstoffzellen mit den benötigten Gasen sowie dem Abführen der aus den Brennstoffzellen austretenden abgereicherten Gase dienen. Da aus den Brennstoffzellen austretendes Anodengas unverbrauchten Wasserstoff enthält, wird austretendes Anodengas in der Regel rezirkuliert und erneut den Brennstoffzellen zugeführt. Als Gasfördereinheiten können eine Strahlpumpe und/oder ein Rezirkulationsgebläse verwendet werden.In order to increase performance, a large number of fuel cells are generally arranged one on top of the other, so that the multiple fuel cells form a fuel cell stack. This is traversed by several channels, which serve to supply the fuel cells with the required gases and to discharge the depleted gases emerging from the fuel cells. Since anode gas escaping from the fuel cells contains unused hydrogen, escaping anode gas is generally recirculated and fed back to the fuel cells. A jet pump and/or a recirculation fan can be used as gas delivery units.
Aufgrund von Diffusionsprozessen reichert sich rezirkuliertes Anodengas mit Stickstoff an. Stickstoff stellt für die in den Brennstoffzellen stattfindende elektrochemische Reaktion ein Inertgas dar. Als solches reduziert es die Zellspannung und kann, wenn es in hoher Konzentration vorliegt, die Zellen schädigen, da diese nicht mehr mit ausreichend Wasserstoff versorgt werden. Von Zeit zu Zeit wird daher ein Teil des rezirkulierten Anodengases aus dem Anodenpfad abgeleitet und durch frischen Wasserstoff ersetzt. Dieser Vorgang wird „Purgen“ genannt. Zum Ableiten wird ein Ventil geöffnet, das sogenannte „Purge-Ventil“. Durch häufiges Ableiten bzw. Purgen kann zwar die Stickstoffkonzentration im rezirkulierten Anodengas gering gehalten werden, es wird jedoch immer auch Wasserstoff mit abgeführt. Zu häufiges Purgen erhöht demnach den Wasserstoffverbrauch, was sich wiederum negativ auf den Systemwirkungsgrad des Brennstoffzellensystems auswirkt.Due to diffusion processes, recirculated anode gas is enriched with nitrogen. Nitrogen is an inert gas for the electrochemical reaction taking place in fuel cells. As such, it reduces cell voltage and, if present in high concentrations, can damage the cells as they are no longer supplied with sufficient hydrogen. From time to time, therefore, part of the recirculated anode gas is diverted from the anode path and replaced with fresh hydrogen. This process is called "purging". A valve is opened for draining, the so-called "purge valve". Although the nitrogen concentration in the recirculated anode gas can be kept low by frequent discharge or purging, hydrogen is always discharged as well. Accordingly, too frequent purging increases the hydrogen consumption, which in turn has a negative effect on the system efficiency of the fuel cell system.
Eine weitere Quelle von Stickstoff stellt der üblicherweise im frischen Wasserstoff enthaltene Anteil von Schlechtgas dar. Beim Purgen wird daher über den frischen Wasserstoff zugleich Schlechtgas eingeleitet. Die über das Purge-Ventil abgeleitete Menge muss jedoch ersetzt werden, um den Druck im Anodenpfad konstant zu halten.Another source of nitrogen is the proportion of bad gas usually contained in the fresh hydrogen. During purging, bad gas is therefore introduced at the same time via the fresh hydrogen. However, the amount drained via the purge valve must be replaced in order to keep the pressure in the anode path constant.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Verbrauch von Wasserstoff im Betrieb eines Brennstoffzellensystems zu senken. Auf diese Weise soll der Systemwirkungsgrad des Brennstoffzellensystems gesteigert werden. Zugleich soll vermieden werden, dass zu viel Wasserstoff in die Umgebung gelangt, da Wasserstoff ein Treibhausgas ist.The object of the present invention is to reduce the consumption of hydrogen during the operation of a fuel cell system. In this way, the system efficiency of the fuel cell system is to be increased. At the same time, it should be avoided that too much hydrogen gets into the environment, since hydrogen is a greenhouse gas.
Zur Lösung der Aufgabe werden das Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 4 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den jeweiligen Unteransprüchen zu entnehmen. Des Weiteren wird die Verwendung eines elektrochemischen Kompressors in einem Brennstoffzellensystem vorgeschlagen.To solve the problem, the fuel cell system with the features of claim 1 and the method with the features of claim 4 are proposed. Advantageous developments of the invention can be found in the respective dependent claims. Furthermore, the use of an electrochemical compressor in a fuel cell system is proposed.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of Invention
Das vorgeschlagene Brennstoffzellensystem umfasst mindestens eine Brennstoffzelle und einen Anodenpfad, über den die Brennstoffzelle mit Wasserstoff als Anodengas sowie mit rezirkuliertem Anodengas versorgbar ist. Das Brennstoffzellensystem umfasst ferner ein Purge-Ventil zum Ableiten von rezirkuliertem Anodengas aus dem Anodenpfad. Erfindungsgemäß ist dem Purge-Ventil eine Kammer vorgelagert, die vom Anodenpfad durch einen elektrochemischen Kompressor getrennt ist.The proposed fuel cell system comprises at least one fuel cell and an anode path via which the fuel cell can be supplied with hydrogen as the anode gas and with recirculated anode gas. The fuel cell system also includes a purge valve for discharging recirculated anode gas from the anode path. According to the invention, the purge valve is preceded by a chamber that is separated from the anode path by an electrochemical compressor.
Um rezirkuliertes Anodengas über das Purge-Ventil aus dem Anodenpfad abzuleiten, muss dieses erst in die Kammer geleitet werden, die dem Purge-Ventil vorgelagert ist. Dem in der Kammer vorhandenen rezirkulierten Anodengas kann dann mit Hilfe des elektrochemischen Kompressors zumindest ein Teil des noch enthaltenen Wasserstoffs entzogen und zurück in den Anodenpfad gepumpt werden. Die über das Purge-Ventil abgeleitete Menge enthält somit deutlich weniger, im Idealfall keinen Wasserstoff. Der Wasserstoffverbrauch kann auf diese Weise gesenkt werden. Zugleich steigt der Wirkungsgrad des Brennstoffzellensystems. Da weniger bzw. kein Wasserstoff über das Purge-Ventil abgeleitet und an die Umgebung abgegeben wird, kann die Belastung der Umwelt mit Treibhausgasen gesenkt werden.In order to discharge recirculated anode gas from the anode path via the purge valve, it must first be routed into the chamber upstream of the purge valve. At least part of the hydrogen still contained in the recirculated anode gas in the chamber can then be extracted with the aid of the electrochemical compressor and pumped back into the anode path. The amount discharged via the purge valve therefore contains significantly less, ideally no, hydrogen. The hydrogen consumption can be reduced in this way. At the same time, the efficiency of the fuel cell system increases. Since less or no hydrogen is discharged via the purge valve and released into the environment, the burden on the environment with greenhouse gases can be reduced.
Weitere Vorteile können sich bei der Betrachtung des Gesamtsystems ergeben. Beispielsweise können die Anforderungen an den Kathodenpfad reduziert werden, in den üblicherweise die über das Purge-Ventil abgeleitete Menge zum Verdünnen eingeleitet wird. Da die eingeleitete Menge weniger bzw. keinen Wasserstoff enthält, kann die Systemeffizienz dadurch gesteigert werden, dass keine Erhöhung der Fördermenge eines im Kathodenpfad angeordneten Luftkompressors erforderlich ist, um eine ausreichende Verdünnung zu erzielen. Ferner kann auf der Abgasseite auf einen Wasserstoffsensor zur Messung der Wasserstoffkonzentration im Abgas verzichtet werden.Further advantages can arise when considering the overall system. For example, the requirements on the cathode path can be reduced, into which the amount discharged via the purge valve is usually introduced for dilution. Since the amount introduced contains less or no hydrogen, the system efficiency be increased in that no increase in the flow rate of an air compressor arranged in the cathode path is required to achieve sufficient dilution. Furthermore, a hydrogen sensor for measuring the hydrogen concentration in the exhaust gas can be dispensed with on the exhaust gas side.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst der elektrochemische Kompressor eine Polymer-Elektrolyt-Membran(PEM)-Brennstoffzelle, die den Anodenpfad von der dem Purge-Ventil vorgelagerten Kammer trennt. Der elektrochemische Kompressor kann somit analog einer PEM-Brennstoffzelle zur Erzeugung elektrischer Energie aufgebaut sein. Im Unterschied zu dieser wird die PEM-Brennstoffzelle vorliegend jedoch nicht zur Erzeugung elektrischer Energie eingesetzt, sondern zur Gewinnung von Wasserstoff aus einem wasserstoffhaltigen Gasgemisch. Hierzu wird an die PEM-Brennstoffzelle eine elektrische Spannung angelegt, die dazu führt, dass Wasserstoff separiert und durch die Membran hindurch auf die andere Seite transportiert wird.According to a preferred embodiment of the invention, the electrochemical compressor comprises a polymer electrolyte membrane (PEM) fuel cell, which separates the anode path from the chamber upstream of the purge valve. The electrochemical compressor can thus be constructed analogously to a PEM fuel cell for generating electrical energy. In contrast to this, however, the PEM fuel cell is not used in the present case to generate electrical energy, but to obtain hydrogen from a hydrogen-containing gas mixture. For this purpose, an electrical voltage is applied to the PEM fuel cell, which causes hydrogen to be separated and transported through the membrane to the other side.
Bevorzugt sind der Anodenpfad und die Kammer über eine Undichtstelle verbunden, die bei geöffnetem Purge-Ventil einen Druckausgleich ermöglicht. Die Befüllung der Kammer mit rezirkuliertem Anodengas aus dem Anodenpfad erfolgt somit automatisch beim Öffnen des Purge-Ventils, um einen Druckausgleich herzustellen. Das heißt, dass kein weiteres Ventil am Anodenpfad zum Befüllen der Kammer erforderliche ist. Da beim Pumpen von Wasserstoff ebenfalls ein Druckausgleich über die Undichtstelle erfolgt, füllt sich die Kammer mit rezirkuliertem Anodengas auch während des Pumpens.The anode path and the chamber are preferably connected via a leak, which enables pressure equalization when the purge valve is open. The filling of the chamber with recirculated anode gas from the anode path thus takes place automatically when the purge valve is opened in order to equalize the pressure. This means that no additional valve is required on the anode path to fill the chamber. Since the pressure is also equalized via the leak when hydrogen is pumped, the chamber also fills with recirculated anode gas during pumping.
Bei dem darüber hinaus vorgeschlagenen Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems wird mindestens eine Brennstoffzelle über einen Anodenpfad mit Wasserstoff als Anodengas versorgt und aus der Brennstoffzelle austretendes Anodengas wird rezirkuliert. Bei dem Verfahren wird ferner von Zeit zu Zeit ein Purge-Ventil geöffnet, um ein Teil des rezirkulierten Anodengases abzuleiten und durch frischen Wasserstoff zu ersetzen. Erfindungsgemäß wird rezirkuliertes Anodengas aus dem Anodenpfad in eine dem Purge-Ventil vorgelagerte Kammer abgeleitet und dem in der Kammer vorhandenen Anodengas wird mit Hilfe eines elektrochemischen Kompressors Wasserstoff entzogen und zurück in den Anodenpfad gepumpt.In the additionally proposed method for operating a fuel cell system, at least one fuel cell is supplied with hydrogen as anode gas via an anode path, and anode gas exiting the fuel cell is recirculated. In the process, a purge valve is also opened from time to time in order to divert part of the recirculated anode gas and replace it with fresh hydrogen. According to the invention, recirculated anode gas is discharged from the anode path into a chamber upstream of the purge valve, and hydrogen is extracted from the anode gas present in the chamber with the aid of an electrochemical compressor and pumped back into the anode path.
Das vorgeschlagene Verfahren senkt den Wasserstoffverbrauch, da das über das Purge-Ventil abgeleitete Menge weniger oder sogar keinen Wasserstoff enthält. Damit gelangt auch weniger Wasserstoff in die Umwelt, so dass diese besser geschützt wird. Wird die über das Purge-Ventil abgeleitete Menge zum Verdünnen zuvor in einen Kathodenpfad des Brennstoffzellensystems eingeleitet, sinken die hieran gestellten Anforderungen. Insbesondere kann auf eine Erhöhung der Fördermenge eines im Kathodenpfad angeordneten Luftkompressors verzichtet werden. Ein Abgaskonzentrationssensor ist ggf. ebenso verzichtbar.The proposed method reduces hydrogen consumption, since the amount discharged via the purge valve contains less or no hydrogen at all. This also means that less hydrogen gets into the environment, so that it is better protected. If the amount diverted via the purge valve is first introduced into a cathode path of the fuel cell system for dilution, the requirements placed on it decrease. In particular, an increase in the flow rate of an air compressor arranged in the cathode path can be dispensed with. An exhaust gas concentration sensor may also be unnecessary.
Zur Durchführung des vorgeschlagenen Verfahrens kann insbesondere das zuvor beschriebene erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem eingesetzt werden, da dieses eine dem Purge-Ventil vorgelagerte Kammer sowie einen elektrochemischen Kompressor umfasst.In particular, the fuel cell system according to the invention described above can be used to carry out the proposed method, since it comprises a chamber upstream of the purge valve and an electrochemical compressor.
Bevorzugt wird zur Durchführung des Verfahrens ein elektrochemischer Kompressor mit einer Polymer-Elektrolyt-Membran-(PEM)-Brennstoffzelle verwendet. An die PEM-Brennstoffzelle wird zum Pumpen von Wasserstoff eine elektrische Spannung angelegt. Dies führt dazu, dass Wasserstoff separiert und auf die andere Seite der Membran, das heißt zurück in den Anodenpfad gepumpt wird.An electrochemical compressor with a polymer electrolyte membrane (PEM) fuel cell is preferably used to carry out the method. An electrical voltage is applied to the PEM fuel cell to pump hydrogen. As a result, hydrogen is separated and pumped to the other side of the membrane, i.e. back into the anode path.
In Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, das rezirkuliertes Anodengas über eine Undichtstelle aus dem Anodenpfad in die Kammer abgeleitet wird. Über die Undichtstelle wird der erforderliche Druckausgleich beim Öffnen des Purge-Ventils bewirkt, so dass beim Öffnen des Purge-Ventils zugleich die Kammer mit rezirkuliertem Anodengas aus dem Anodenpfad befüllt wird. Analog wird beim Pumpen ein Druckausgleich über die Undichtstelle realisiert.In a further development of the invention, it is proposed that recirculated anode gas be discharged from the anode path into the chamber via a leak. The pressure equalization required when the purge valve is opened is effected via the leak point, so that when the purge valve is opened, the chamber is filled with recirculated anode gas from the anode path at the same time. Similarly, when pumping, a pressure equalization is realized via the leak.
Darüber hinaus wird die Verwendung eines elektrochemischen Kompressors in einem Brennstoffzellensystem mit mindestens einer Brennstoffzelle vorgeschlagen, und zwar zur Rückgewinnung von Wasserstoff aus rezirkuliertem Anodengas bevor dieses über ein Purge-Ventil abgeleitet wird. Vor dem Ableiten kann demnach aus dem Anodengas Wasserstoff rückgewonnen und zurück in den Anodenpfad eingeleitet werden. Dadurch sinkt der Wasserstoffverbrauch, während die Systemeffizienz steigt. Ferner wird die Umwelt geschont, da weniger Wasserstoff in die Umgebung abgelassen wird.In addition, the use of an electrochemical compressor in a fuel cell system with at least one fuel cell is proposed, namely for the recovery of hydrogen from recirculated anode gas before this is discharged via a purge valve. Accordingly, before it is discharged, hydrogen can be recovered from the anode gas and fed back into the anode path. This reduces hydrogen consumption while increasing system efficiency. Furthermore, the environment is protected because less hydrogen is released into the environment.
Die Erfindung und ihre Vorteile werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Diese zeigt in einer schematischen Darstellung einen Ausschnitt eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems, und zwar im Bereich eines an einem Anodenpfad angeordneten elektrochemischen Kompressors.The invention and its advantages are explained in more detail below with reference to the attached drawing. This shows a schematic representation of a section of a fuel cell system according to the invention, specifically in the area of an electrochemical compressor arranged on an anode path.
Ausführliche Beschreibung der ZeichnungDetailed description of the drawing
Der Figur ist lediglich ein Ausschnitt eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems zu entnehmen. Gezeigt wird ein Abschnitt eines Anodenpfads 1 des Brennstoffzellensystems, über den eine oder mehrere Brennstoffzellen (nicht dargestellt) mit Wasserstoff als Anodengas versorgbar sind. Da aus einer Brennstoffzelle austretendes Anodengas unverbrauchten Wasserstoff enthält, wird dieses rezirkuliert und der Brennstoffzelle erneut über den Anodenpfad 1 zur Verfügung gestellt. Das rezirkulierte Anodengas reichert sich über die Zeit mit Stickstoff an, der von der Kathodenseite (nicht dargestellt) auf die Anodenseite diffundiert. Der Anodenpfad 1 wird demnach nicht von reinem Wasserstoff, sondern von einem Gasgemisch durchströmt (siehe Pfeil 7), das Wasserstoff und Stickstoff enthält. Ferner enthalten ist Wasser, und zwar als Wasserdampf und/oder in flüssiger Form, da bei dem in der Brennstoffzelle stattfindenden elektrochemischen Prozess zur Erzeugung elektrischer Energie zugleich Wasser erzeugt wird. Das Gasgemisch im Anodenpfad 1 enthält somit Wasserstoff (H2), Stickstoff (N2) und Wasser (H2O).The figure is only a section of a fuel cell system according to the invention remove. A section of an anode path 1 of the fuel cell system is shown, via which one or more fuel cells (not shown) can be supplied with hydrogen as the anode gas. Since anode gas emerging from a fuel cell contains unused hydrogen, this is recirculated and made available again to the fuel cell via the anode path 1 . Over time, the recirculated anode gas is enriched with nitrogen, which diffuses from the cathode side (not shown) to the anode side. Accordingly, the anode path 1 is not traversed by pure hydrogen, but by a gas mixture (see arrow 7) containing hydrogen and nitrogen. It also contains water, namely as water vapor and/or in liquid form, since water is produced at the same time during the electrochemical process for generating electrical energy that takes place in the fuel cell. The gas mixture in the anode path 1 thus contains hydrogen (H 2 ), nitrogen (N 2 ) and water (H 2 O).
Seitlich neben dem Anodenpfad 1 befindet sich eine Kammer 3, die vom Anodenpfad 1 von einer Polymer-Elektrolyt-Membran(PEM)-Brennstoffzelle 5 eines elektrochemischen Kompressors 4 getrennt ist. Die Kammer 3 ist mit rezirkuliertem Anodengas aus dem Anodenpfad 1 befüllt. Wird an die PEM-Brennstoffzelle 5 eine elektrische Spannung angelegt, werden Wasserstoffprotonen separiert und durch die Membran der PEM-Brennstoffzelle 5 zurück auf die andere Seite gepumpt (siehe Pfeile 8), wo sie zu H2-Molekülen rekombiniert werden. In der Kammer 3 befindet sich demnach ein Gasgemisch, das nur noch wenig, idealerweise keinen Wasserstoff mehr enthält. Das in der Kammer 3 verbleibende Gasgemisch kann dann durch Öffnen eines Purge-Ventils 2 aus dem Anodenbereich ausgeleitet werden.A chamber 3 is located to the side of the anode path 1 and is separated from the anode path 1 by a polymer electrolyte membrane (PEM) fuel cell 5 of an electrochemical compressor 4 . Chamber 3 is filled with recirculated anode gas from anode path 1 . If an electrical voltage is applied to the PEM fuel cell 5, hydrogen protons are separated and pumped back through the membrane of the PEM fuel cell 5 to the other side (see arrow 8), where they are recombined to form H 2 molecules. In the chamber 3 is therefore a gas mixture that contains little, ideally no more hydrogen. The gas mixture remaining in the chamber 3 can then be discharged from the anode area by opening a purge valve 2 .
In die Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzelle 5 ist vorliegend eine Undichtstelle 6 integriert, über welche die Kammer 3 mit dem Anodenpfad 1 verbunden ist. Wird das Purge-Ventil 2 von Zeit zu Zeit zum Ableiten von rezirkuliertem Anodengas geöffnet, strömt über die Undichtstelle 6 rezirkuliertes Anodengas aus dem Anodenpfad 1 nach, so dass sich die Kammer 3 erneut füllt (siehe Pfeil 9). Die Befüllung der Kammer 3 erfolgt somit automatisch durch den sich über die Undichtstelle 6 einstellenden Druckausgleich.In the present case, a
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