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Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystems mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Patentanspruches 1. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren Regenerieren oder zur Vorkonditionierung eines Trocknungsmittels oder eines Zeolithbehälters innerhalb eines Brennstoffzellensystems mit den Merkmalen des Patentanspruches 5.
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Stand der Technik
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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.
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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.
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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.
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Um dies zu vermeiden, sind aus dem Stand der Technik Systemtopologien bekannt, die eine Trocknungseinrichtung im Bereich der Anode bzw. im Anodenpfad aufweisen. Handelt es sich bei dieser Trocknungseinrichtung um einen Zeolithbehälter, so muss dieser regelmäßig regeneriert werden. Aus dem Stand der Technik sind elektrische Heizer bekannt, um die Trocknungseinrichtung zu regenerieren.
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Ausgehend von dem vorstehend genannten Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Möglichkeit zur Regeneration einer Trocknungseinrichtung, insbesondere eines Zeolithbehälters, bereitzustellen.
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Zur Lösung der Aufgabe wird das Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1, sowie das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 5 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den jeweiligen Unteransprüchen zu entnehmen.
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Offenbarung der Erfindung
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Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystems mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruches 1 und das Verfahren zum Regenerieren oder zur Vorkonditionierung haben den Vorteil, dass zur Regeneration der Trocknungseinrichtung auf einen elektrischen Heizer im Anodenkreis verzichtet werden kann. Durch die Einsparung des Heizers können Kosten gespart werden, des Weiteren findet eine Einsparung der elektrischen Leistung für die Regenerierung des Zeolith-Behälters statt. Insgesamt lässt sich auf diese Weise der H2-Verbrauch senken.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ist kostengünstig, da auf bereits im System verbaute Komponenten, wie den Verdichter zurückgegriffen werden kann, um das Fluid, welches das Trocknungsmittel oder den Zeolithbehälter erwärmt auf die notwendige Temperatur zu bringen, welche sich meist oberhalb von 160 °C befindet. Des Weiteren kann im Wesentlichen die bestehende Topologie des Brennstoffzellensystems genutzt werden und es müssen keine zusätzlichen Leitungen in das Brennstoffzellensystem integriert werden.
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In den abhängigen Ansprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems angegeben.
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Es ist von Vorteil, wenn der Zeolithbehälter mit Luft aus der Bypassleitung durchströmbar ist, da aufgrund der Regelungsstrategie regelmäßig erwärmte Luft aus der Luftleitung über die Bypassleitung in den Abgaspfad strömt, so dass diese erwärmte Luft bereits zur Vorkonditionierung oder Regeneration genutzt werden kann. Ein zusätzlicher Eintrag von Energie ist folglich nicht nötig.
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Sollte die Wärmeenergie, die durch das Fluid in der Bypassleitung auf das Trocknungsmittel oder den Zeolithbehäölter übertragen wird nicht innerhalb einer geforderten Zeit die Regeneration sicherstellen, kann zusätzlich ein elektrischer Heizer, welcher am Zeolithbehälter angeordnet ist, unterstützend betätigt werden, dies kann beispielsweise mit Hilfe von rekupierte elektrische Energie erfolgen, welche beispielsweise bei einer Bergabfahrt gewonnen wurde.
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Es ist vorteilhaft, wenn im dem Abgaspfad oder in der Bypassleitung ein Absperrventil angeordnet ist, welches während der Regeneration teilweise oder vollständig geschlossen wird, da auf diese Weise eine höhere Ausgangstemperatur des Luftverdichtungssystem erreicht wird für einen höheren Energieeintrrag in das Trocknungsmittel oder den Zeolithbehältner.
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Es ist von Vorteil, wenn ein Verdichter im Luftpfad einen Massenstrom liefert, welcher über dem vom Brennstoffzellenstack benötigten Massenstrom liegt, so dass ein Teil der Luft über die Bypassleitung strömen kann, da auf diese Weise die zur Verfügung stehende thermische Energie zum Erwärmen des Tocknungsmittels oder Zeolithbehälters erhöht werden kann.
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Die Regeneration des Zeolithbehälters kann besonders einfach und vorteilhaft während einer Phase, in der der Brennstoffzellenstack keine Luft benötigt oder im Stand-by-Modus betrieben wird, durchgeführt wird. Wenn die gesamte erwärmte Luft aus dem Luftpfad durch die Bypassleitung strömt, steht besonders viel thermische Energie zum Erwärmen des Trocknungsmittels oder Zeolithbehälters zur Verfügung.
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Es ist von Vorteil, wenn während der Regeneration ein Purgevorgang intensiviert wird, um überschüssiges Wasser oder Wasserdampf aus dem Trocknungsmittel bzw. dem Zeolithbehälter und der Rezirkulationsleitung zu entfernen. Hierbei wird das Öffnen eines Purgeventils im Rezirkulationskreis von der Dauer oder von der Häufigkeit, erhöht und trockener Wasserstoff vom Tanksystem in den Anodenkreis zugeführt.
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Das erfindungsgemäße Verfahren kann insbesondere in brennstoffzellenbetriebenen Kraftfahrzeugen eingesetzt werden. Ebenso ist jedoch auch ein Einsatz in anderen brennstoffzellenbetriebenen Fortbewegungsmitteln, wie Kränen, Schiffen, Schienenfahrzeugen, Flugobjekten oder auch in stationären brennstoffzellenbetriebenen Objekten denkbar.
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Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel und
- 2 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel.
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In der 1 ist eine schematische Topologie eines Brennstoffzellensystems gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt mit mindestens einem Brennstoffzellenstack 101. Das mindestens eine Brennstoffzellensystem weist einen Luftpfad 10, eine Abgasleitung 12 und eine Anodenleitung 20 auf. Der mindestens eine Brennstoffzellenstack 101 kann für mobile Anwendungen mit hohem Leistungsbedarf, bspw. in LKW's, oder für stationäre Anwendungen, bspw. in Generatoren, eingesetzt werden.
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Der Luftpfad 10 dient als Zuluftleitung, um einer Kathode 105 des Brennstoffzellenstacks 101 über einen Einlass 16 Luft aus der Umgebung zuzuführen. In dem Luftpfad 10 sind Komponenten angeordnet sein, welche für den Betrieb des Brennstoffzellenstacks 101 benötigt werden. Im Luftpfad 10 ist ein Luftverdichter 11 und/oder Kompressor 11 angeordnet, welcher die Luft entsprechend der jeweiligen Betriebsbedingungen des Brennstoffzellenstacks 101 verdichtet bzw. ansaugt.
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Es ist eine Bypassleitung 14 stromabwärts vom Luftverdichter 11 und/oder Kompressor 11 angeordnet. Die Bypassleitung 14 verbindet den Luftpfad 10 mit den Abgaspfad 12. In der Bypassleitung 14 befindet sich ein Bypassventil 33 befinden, welches geöffnet werden muss, um die Verbindung zwischen Luftpfad 10 und Abgaspfad 12 freizugeben.
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Innerhalb des Luftpfades 10 können noch weitere Komponenten wie beispielsweise ein Wärmetauscher und/oder mindestens ein Filter und/oder ein Befeuchter und/oder Ventile vorgesehen sein. Über den Luftpfad 10 wird dem Brennstoffzellenstack 101 sauerstoffhaltige Luft bereitgestellt.
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Im Eingang der Anodenleitung 20 befinden sich ein Hochdrucktank 21 und ein Absperrventil 22. Es können weitere Komponenten in der Anodenleitung 20 angeordnet sein, um eine Anode 103 des Brennstoffzellenstack 101 nach Bedarf mit Brennstoff zu versorgen.
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Um den Brennstoffzellenstack 101 immer ausreichend mit Brennstoff zu versorgen, besteht die Notwendigkeit einer überstöchiometrischen Dosierung von Brennstoff über die Brennstoffleitung 20. Der überschüssige Brennstoff, sowie gewisse Mengen von Wasser und Stickstoff, die durch die Zellmembranen auf die Anodenseite diffundieren, werden in einen Rezirkulationskreis 50 zurückgeführt und mit dem zudosierten Brennstoff aus der Brennstoffleitung 20 vermischt.
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Zum Antrieb der Strömung im Rezirkulationskreis 50 können verschiedene Komponenten, wie beispielsweise eine mit dem zudosierten Brennstoff betriebene Strahlpumpe 51 oder eine Rezirkulationspumpe 52 verbaut sein. Auch eine Kombination von Strahlpumpe 51 und Rezirkulationspumpe 52 sind möglich.
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Zum Entfernen von Wasser, das insbesondere durch Kondensation von im Anodengas enthaltenem Wasserdampf entstanden ist, weist das Brennstoffzellensystem eine Trocknungseinrichtung 40 auf. Die Trocknungseinrichtung 40 ist vorzugsweise als Adsorber ausgeführt, wobei als Adsorber insbesondere ein Zeolithbehälter 40 dienen kann. Das Entfernen von Wasser durch das Trocknungsmittel wird insbesondere in gefrierkritischen Betriebszuständen eingesetzt beispielsweise beim Gefrierstart, bei dem entstehendes Wasser einfrieren kann. Damit das Trocknungsmittel hierzu genug Wasser aufnehmen kann, muss es zuvor regeneriert worden sein.
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Das Trocknungsmittel 40 ist über eine Trocknungsleitung 35 mit der Rezirkulationsleitung 50 verbunden. Das Trocknungsmittel 40 steht in Kontakt mit der Bypassleitung 14, welche den Luftpfad 10 mit dem Abgaspfad 12 verbindet, so dass thermische Energie zwischen der Bypassleitung 14 und dem Trocknungsmittel 40 ausgetauscht werden kann.
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Das Trocknungsmittel 40 bzw. der Zeolithbehälter 40 ist mit Luft aus der Bypassleitung 14 durchströmbar. Beispielsweise kann die erwärmte Luft der Bypassleitung 40 den Zeolithbehälter 40 in einer Art Wäremeübertrager/Heatexchanger-Anordnung durchströmen.
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Um die Regeneration des Trocknungsmittels 40 oder des Zeolithbehälter 40 weiter zu unterstützen kann in einer Ausführungsform zusätzlich ein elektrischer Heizer 41 am Trocknungsmittels 40 oder Zeolithbehälter 40 angeordnet ist.
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In der Trocknungsleitung 35 ist ein erstes Ventil 36 angeordnet, so dass Fluid aus dem Rezirkulationskreis 50 nur bei Bedarf im Falle eines geöffneten ersten Ventils 36 zum Trocknungsmittel 40 oder Zeolithbehälter 40 strömen kann.
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Nach dem Durchströmen des Zeolithbehälters 40 gelang das Fluid über eine Verbindungsleitung 37 in die Rezirkulationsleitung 50. In der Verbindungsleitung 37 kann ein zweites Ventil 38 angeordnet sein, welches als Rückschlagventil oder als steuerbares Ventil ausgebildet sein kann.
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Die Abgasleitung 12 dient dazu Abgas über einen Auslass 18 in die Umgebung zu transportieren. Das Abgas weist ein Gasgemisch mit Bestandteilen der Luft aus dem Luftpfad 10 und Wasser auf. Das Abgas der Abgasleitung 12 kann auch Wasserstoff (H2) enthalten, weil Teile des Wasserstoffes aus der Brennstoffleitung 20 durch die Membran des Brennstoffzellenstacks 101 diffundieren können.
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Des Weiteren können über ein Purgeventil 55, welches in einer Purgeleitung 56 angeordnet ist, Wasserstoff und ein Gasgemisch mit Stickstoff in die Abgasleitung 12 gelangen.
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In der Abgasleitung 12 kann ein Absperrventil 32 stromab der Bypassleitung 14 angeordnet sein, welches teilweise geschlossen werden kann, um eine Drosselung des Abgases hervorzurufen.
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In einem zweiten Ausführungsbeispiel gemäß 2 ist das Trocknungsmittel 40 oder der Zeolithbehälter 40 über die Trocknungsleitung 35 mit der Anodenleitung 20 verbunden. Ansonsten existieren keine Veränderungen zum ersten Ausführungsbeispiel.
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Bei dem Verfahren zum Vorkonditionieren des Trocknungsmittels 40 oder Zeolithbehälters 40 strömt erwärmte Luft aus dem Luftpfad 10 über die Bypassleitung 14 erwärmt dabei das Trocknungsmittels 40 oder den Zeolithbehälters 40. Dies erfolgt bereits, wenn nur ein Teilmassenstrom der Luft duch die Bypassleitung 14 strömt. Dies erfolgt oft bereits beim Normalbetrieb des Brennstoffzellenstacks 10, da aufgrund der Steuerung des gesamten Brennstoffzellensystems und aus Komponentenschutzgründen (z. B. unter Berücksichtigung der Pumpenkennlinie) oft ein Teil des durch den Verdichter 11 geförderten Massenstroms der Luft über die Bypassleitung abgesteuert wird und nicht zum Brennstoffzellenstack 101 strömt.
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Eine Regeneration des Trocknungsmittels 40 oder Zeolithbehälters 40 erfolgt, wenn während des Normalbetriebs der Betriebspunkt des Verdichter 11 bewusst erhöht, so dass der Verdichter 11 im Luftpfad 10 einen Massenstrom liefert, welcher über dem vom Brennstoffzellenstack 101 benötigten Massenstrom liegt. Auf diese Weise kann bewusst mehr Luft verdichtet und erwärmt werden und über die Bypassleitung 14 zur Regenation des Trocknungsmittels 40 oder Zeolithbehälters 40 genutzt werden.
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Eine Regeneration des Trocknungsmittels 40 oder Zeolithbehälters 40 kann in einer bevorzugten Ausführungsform während einer Phase, in der der Brennstoffzellenstack 101 keine oder sehr wenig Luft benötigt oder im Stand-by-Modus betrieben wird, durchgeführt wird, so dass die gesamte Luft aus dem Luftpfad 10 durch die Bypassleitung 14 strömt.
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Dies kann beispielsweise bei einer Bergabfahrt oder bei Standby-Phasen (Start-Stopp, Staufahrt), beim Ausschalten oder während einer Stillstandsphase des Brennstoffzellenstacks sein.
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Falls die für die Regeneation des Trocknungsmittels 40 oder Zeolithbehälters 40 benötigten Temperaturen nicht erreicht werden können, kann zusätzlich ein elektrischer Heizer 41, welcher am Trocknungsmittel 40 oder am Zeolithbehälter (40) angeordnet ist, und/oder rekupierte elektrische Energie eingesetzt werden.
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Während der Regeneration ausserhalb des Normalbetriebs kann weiterhin die Rezirkulation in der Rezirkulationsleitung 50 und die Kühlung über einen Kühlmittelkreis 108 fortgesetzt werden.
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Aufgrund der Regeneration des Trocknungsmittels 40 oder Zeolithbehälters 40 kann sich in der Rezirkulationsleitung 50 mehr Feuchtigkeit anreichern. Um die erhöhte Menge an Wasser bzw. Wasserdampf aus dem Trocknungsmittel bzw. Zeolithbehälter der Rezirkulationsleitung 50 zu entfernen, kann ein Purgevorgang über ein Purgeventil 55 von der Dauer oder von der Häufigkeit, erhöht werden und trockener Wasserstoff vom Tanksystem in den Anodenkreis zugeführt werden.
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Die Regeneration des Trocknungsmittels 40 oder Zeolithbehalters 40 kann unterstützt werden, indem ein Absperrventil 32, welches im Abgaspfad 12 stromabwärts der Bypassleitung 14 angeordnet ist, teilweise oder vollständig geschlossen wird.
