DE102021205455A1

DE102021205455A1 - Fuel cell system with improved anti-icing protection

Info

Publication number: DE102021205455A1
Application number: DE102021205455.2A
Authority: DE
Inventors: Jochen Braun
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2021-05-28
Filing date: 2021-05-28
Publication date: 2022-12-01

Abstract

Es wird ein Brennstoffzellensystem vorgeschlagen, aufweisend mindestens eine Brennstoffzelle, einen in dem Brennstoffzellensystem ausgebildeten Kathodenpfad, und ein Luftverdichtungs-system mit mindestens einem Verdichter und mindestens einem mit dem mindestens einen Verdichter gekoppelten Motor, wobei das Luftverdichtungssystem dazu ausgebildet ist, Luft druckbeaufschlagt an die mindestens eine Brennstoffzelle zu leiten. Es ist vorgesehen, dass mindestens eine Trocknungseinheit mit mindestens einer Komponente des Luftverdichtungssystems in Fluidverbindung steht, wobei die mindestens eine Trocknungseinheit ein Trocknungsmittel umfasst, das hydrophile Adsorbentien aufweist.A fuel cell system is proposed, having at least one fuel cell, a cathode path formed in the fuel cell system, and an air compression system with at least one compressor and at least one motor coupled to the at least one compressor, the air compression system being designed to deliver air under pressure to the at least to run a fuel cell. It is provided that at least one drying unit is in fluid connection with at least one component of the air compression system, wherein the at least one drying unit comprises a drying agent which has hydrophilic adsorbents.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem mit mindestens einer Brennstoffzelle, ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems und die Verwendung eines Trocknungsmittels.The present invention relates to a fuel cell system with at least one fuel cell, a method for operating a fuel cell system and the use of a drying agent.

Stand der TechnikState of the art

Es sind Fahrzeuge bekannt, bei denen elektrische Leistung durch ein Brennstoffzellensystem geliefert wird und zum Versorgen von Antriebsmotoren genutzt wird. Dabei wird Wasserstoff mit einem Oxidanten, in der Regel Sauerstoff aus der Umgebungsluft, katalytisch zu Wasser verbunden, um elektrische Leistung zu erzeugen. Die Umgebungsluft wird mittels eines Luftfördersystems bzw. Luftverdichtungssystems einem Kathodenpfad der Brennstoffzellen zugeführt. Der Luftstrom im Kathodenpfad transportiert zudem das durch Reaktion entstehende Wasser in Form von Wasserdampf oder flüssig in Tröpfchenform. Sauerstoffabgereicherte feuchte Kathodenabluft wird über einen Abgaspfad an die Umgebung abgeführt. Meist werden in diesen Abgasmassenstrom noch Spülgase und Wasser aus einem Anodenpfad eingeleitet. Dabei weist der Abgaspfad Aktoren für Ventile, eine Turbine oder ähnliches auf, sowie Sensoren zur Überwachung verschiedener Parameter. Alle Komponenten müssen für den reibungslosen Betrieb des Brennstoffzellensystems über den kompletten Betriebsbereich funktionieren und gestartet bzw. angehalten werden können. Dies ist insbesondere bei Fahrzeugen mit darin installierten Brennstoffzellensystemen eine Herausforderung, da alle weltweit relevanten Bedingungen und unterschiedlich lange Stillstandszeiten des Fahrzeugs zu berücksichtigen sind und gleichzeitig entsprechende Lebenszeitanforderungen zu erreichen sind.Vehicles are known in which electrical power is provided by a fuel cell system and used to power traction motors. Hydrogen is catalytically combined with an oxidant, usually oxygen from the ambient air, to form water in order to generate electrical power. The ambient air is supplied to a cathode path of the fuel cells by means of an air conveying system or air compression system. The air flow in the cathode path also transports the water produced by the reaction in the form of water vapor or liquid in the form of droplets. Oxygen-depleted moist cathode exhaust air is discharged to the environment via an exhaust path. Purge gases and water from an anode path are usually introduced into this exhaust gas mass flow. The exhaust path has actuators for valves, a turbine or the like, as well as sensors for monitoring various parameters. All components must function and be able to be started and stopped for the smooth operation of the fuel cell system over the entire operating range. This is a particular challenge for vehicles with fuel cell systems installed in them, since all relevant global conditions and vehicle downtimes of different lengths have to be taken into account, while at the same time corresponding service life requirements have to be met.

Ein kritischer Startfall ist etwa der Gefrierstart bei tiefen Temperaturen unter 0°C, da bei diesem sowohl beim Start entstehendes Reaktionswasser einfrieren kann, als auch bereits beim Start aufgetautes Wasser im System an anderen Stellen wieder einfrieren kann und/oder zuvor in der Stillstandsphase Feuchtigkeit auskondensieren und einfrieren und/oder Wasser im System einfrieren kann und Komponenten mit Eisbildung belegt und blockiert werden können.A critical start is, for example, a freeze start at low temperatures below 0°C, since the reaction water produced during the start can freeze, water that has already thawed at the start can freeze again in other places in the system and/or moisture can condense out beforehand during the standstill phase and freeze and/or water in the system can freeze and components can become icy and blocked.

Dies betrifft auch ein Luftverdichtungssystem, welches aufgrund von Vorgaben zum Vermeiden eines Ölgehalts der geförderten Luft üblicherweise mit Luftlagern ausgeführt ist. Derartige Luftlager sind in der Regel passiv ausgeführt und es wird ohne externe Druckversorgung durch eine ausreichende Drehzahl ein Druckpolster aufgebaut. Dazu sind in den Luftlagern sehr enge Spalte erforderlich. Auch Verdichter-Laufräder erfordern enge Spalte zwischen dem Laufrad und einem umgebenden Gehäuse, um einen möglichst hohen Wirkungsgrad zu erhalten. Wird das Luftverdichtungssystem mit Energierekuperation mittels einer Turbine mit einem Turbinenlaufrad umgesetzt, so sind auch hier enge Spalte zwischen dem Turbinenlaufrad und einem umgebenden Gehäuse erforderlich. Zudem ist die Turbine aufgrund der Durchströmung feuchter Luft im Abgaspfad systeminhärent im Betrieb erhöhter Feuchtigkeit ausgesetzt, was sich auch auf das nachfolgende Abstellen, eine Stillstandsphase und einen Wiederstart auswirkt.This also applies to an air compression system, which is usually designed with air bearings due to specifications to avoid an oil content in the conveyed air. Such air bearings are usually passive and a pressure cushion is built up without an external pressure supply by means of a sufficient speed. This requires very narrow gaps in the air bearings. Compressor impellers also require narrow gaps between the impeller and a surrounding housing in order to obtain the highest possible efficiency. If the air compression system with energy recuperation is implemented by means of a turbine with a turbine wheel, narrow gaps between the turbine wheel and a surrounding housing are also required here. In addition, due to the flow of moist air in the exhaust gas path, the turbine is inherently exposed to increased moisture during operation, which also affects the subsequent shutdown, a standstill phase and a restart.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of Invention

Es ist folglich eine Aufgabe der Erfindung, eine Brennstoffzelle oder ein Brennstoffzellensystem vorzuschlagen, bei dem eine verbesserte Gefrierstartfähigkeit insbesondere im Hinblick auf ein Luftverdichtungssystem erreicht wird, um alle zu berücksichtigenden Betriebsgrenzen abzudecken, wobei die Komplexität und die Kosten des Brennstoffzellensystems hierfür möglichst nicht oder nicht signifikant steigen sollten und gleichzeitig Lebensdauerforderungen erfüllbar sind.It is therefore an object of the invention to propose a fuel cell or a fuel cell system in which an improved freeze start capability is achieved, in particular with regard to an air compression system, in order to cover all operating limits to be taken into account, with the complexity and costs of the fuel cell system being as small as possible or not significant for this should increase and at the same time service life requirements can be met.

Die Aufgabe wird gelöst durch ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen sind den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung zu entnehmen.The object is achieved by a fuel cell system having the features of independent claim 1. Advantageous embodiments and developments can be found in the dependent claims and the following description.

Die mindestens eine Brennstoffzelle könnte eine Polymerelektrolytmembran (PEM)-Brennstoffzelle sein. Diese wird anodenseitig mit Wasserstoff oder einem Wasserstoff aufweisenden Gas und kathodenseitig mit Luft versorgt. Beim Betrieb fällt hauptsächlich an der Kathode Wasser an, welches über eine Abgasleitung in die Umgebung gelangt. Alternativ könnten auch andere Formen von Brennstoffzellen realisiert sein, die unter anderem Festoxid- und Direkt-Methanol-Brennstoffzellen umfassen können.The at least one fuel cell could be a polymer electrolyte membrane (PEM) fuel cell. This is supplied with hydrogen or a gas containing hydrogen on the anode side and with air on the cathode side. During operation, water accumulates mainly at the cathode, which is released into the environment via an exhaust pipe. Alternatively, other forms of fuel cells could also be implemented, which may include solid oxide and direct methanol fuel cells, among others.

Das Luftverdichtungssystem kann einen oder mehrere Verdichter aufweisen, die stromaufwärts der mindestens einen Brennstoffzelle druckbeaufschlagte Luft in den Kathodenpfad einleitet. Der mindestens eine Verdichter kann auch eine Anordnung aus mehreren Verdichtern sein, beispielsweise zwei oder mehr parallel oder sequentiell zueinander angeordnete Verdichter, ein Vorverdichter, ein Hauptverdichter und ähnliches. Der mindestens eine Verdichter kann mittels eines Elektromotors betrieben werden. Der Elektromotor könnte dabei mit einer Spannung versorgt werden, die von dem Brennstoffzellensystem selbst und/oder einer externen Spannungsquelle, etwa einer Pufferbatterie, bereitgestellt wird. Zusätzlich dazu könnte auch eine Turbine vorgesehen sein, die stromabwärts der mindestens einen Brennstoffzelle in dem Kathodenpfad angeordnet ist und die den mindestens einen Verdichter unterstützt oder alleinig antreibt. Wie vorangehend dargestellt, könnten folglich in dem Luftverdichtungssystem rotierende Komponenten vorgesehen sein, die mittels Luftlagern gelagert sind. Da der mindestens eine Rotor mit Verdichter oder Turbine mit feuchter Luft aus der Brennstoffzelle oder feuchter Luft aus der Umgebung beaufschlagt wird, kann auch der Verdichter an einem Verdichterlaufrad, an einem Turbinenlaufrad oder einem Lager einer Vereisungsgefahr unterworfen sein.The air compression system may include one or more compressors that introduce pressurized air into the cathode path upstream of the at least one fuel cell. The at least one compressor can also be an arrangement of a plurality of compressors, for example two or more compressors arranged in parallel or sequentially to one another, a pre-compressor, a main compressor and the like. The at least one compressor can be operated by an electric motor. The electric motor could be supplied with a voltage that is provided by the fuel cell system itself and/or an external voltage source, such as a buffer battery. In addition to this, a turbine could also be provided, which is arranged downstream of the at least one fuel cell in the cathode path and which supports the at least one compressor or drives it alone. Consequently, as presented above, rotating components could be provided in the air compression system, which are mounted by means of air bearings. Since the at least one rotor with compressor or turbine is exposed to humid air from the fuel cell or humid air from the environment, the compressor can also be subject to the risk of icing on a compressor impeller, on a turbine impeller or on a bearing.

Mindestens eine Komponente des Luftverdichtungssystems kann mit der mindestens einen Trocknungseinheit in Fluidverbindung stehen, was dazu führt, dass das darin befindliche Trocknungsmittel Wasser aus der betreffenden Komponente aufnimmt. Die hydrophilen Adsorbentien sind dabei Stoffe, welche aufgrund ihrer Oberflächenstruktur befähigt sind, Wasser an ihrer Grenzfläche anzureichern. Diese können sauerstoffhaltige Verbindungen wie aktiviertes Aluminiumoxid, Silikagel und zeolithische Molekularsiebe aufweisen.At least one component of the air compression system may be in fluid communication with the at least one drying unit, resulting in the desiccant therein imbibing water from that component. The hydrophilic adsorbents are substances which, due to their surface structure, are capable of enriching water at their interface. These may include oxygenated compounds such as activated alumina, silica gel, and zeolitic molecular sieves.

Das Trocknungsmittel kann folglich Feuchtigkeit bzw. Wasser aufnehmen und damit das Festfrieren eines Rotors, eines Laufrades, eines Läufers eines Motors, und anderer Elemente vermeiden. Eine Blockade des mindestens einen Verdichters kann damit vermieden werden. Eine Degradation der Funktion des Brennstoffzellensystems sowie Eisdruckschäden können vermieden werden. Die Gefrierstartfähigkeit des gesamten Brennstoffzellensystems kann dadurch gewährleistet werden.Consequently, the desiccant can absorb moisture or water and thus prevent a rotor, an impeller, a rotor of a motor, and other elements from freezing. A blockage of the at least one compressor can thus be avoided. Degradation of the function of the fuel cell system and ice pressure damage can be avoided. The freeze start capability of the entire fuel cell system can be guaranteed as a result.

Eine Regeneration bzw. Trocknung des Trocknungsmittels kann durch einen erwärmten Luftmassenstrom durch das Luftverdichtungssystem erlangt werden, sodass das Trocknungsmittel wiederholt Feuchtigkeit aufnehmen kann. Die Trocknung kann während des Betriebs, in Sonderphasen während des Betriebs (z.B. Start und Stopp), kurz vor oder beim Abstellen des Brennstoffzellensystems und beim Parken bzw. einem Stillstand über eine Wake-up-Funktion durchgeführt werden.A regeneration or drying of the desiccant can be achieved by a heated air mass flow through the air compression system, so that the desiccant can repeatedly absorb moisture. Drying can be carried out during operation, in special phases during operation (e.g. start and stop), shortly before or when the fuel cell system is switched off and when parked or at a standstill using a wake-up function.

In einer vorteilhaften Ausführungsform weist der mindestens eine Antrieb eine Turbine auf, wobei eine erste Trocknungseinheit stromaufwärts und/oder eine zweite Trocknungseinheit stromabwärts der Turbine in dem Kathodenpfad angeordnet ist. Die Turbine wird von Abgas bzw. Abluft aus der mindestens einen Brennstoffzelle durchströmt und generiert hieraus eine mechanische Antriebsleistung für ein Verdichterlaufrad. Die Turbine kann dabei einen elektromotorischen Antrieb unterstützen oder selbstständig zum Antrieb eines Verdichters genutzt werden. Durch die Anordnung einer ersten Trocknungseinheit stromaufwärts oder einer zweiten Trocknungseinheit stromabwärts kann angesammelte Feuchtigkeit im Bereich von Turbinen-Laufrädern reduziert werden. In der Stillstandsphase könnte folglich das Trocknungsmittel Feuchtigkeit aufnehmen und die Turbine damit auch im Gefrierstartfall funktionsfähig halten und Degradationsvorgänge beim Starten verhindern. Insbesondere wenn eine Turbine mit einem für den Systemstart notwendigen Verdichter auf einer Welle sitzt, könnte im ungünstigen Fall ein festgefrorenes Turbinenlaufrad dazu führen, dass das gesamte Brennstoffzellensystem nicht gestartet werden kann. Durch Verwendung der insbesondere ersten und/oder zweiten Trocknungseinheit kann dies verhindert werden.In an advantageous embodiment, the at least one drive has a turbine, with a first drying unit being arranged upstream and/or a second drying unit being arranged downstream of the turbine in the cathode path. Exhaust gas or exhaust air from the at least one fuel cell flows through the turbine and uses this to generate mechanical drive power for a compressor impeller. The turbine can support an electric motor drive or be used independently to drive a compressor. By arranging a first drying unit upstream or a second drying unit downstream, accumulated moisture in the area of turbine impellers can be reduced. In the standstill phase, the desiccant could therefore absorb moisture and thus keep the turbine functional even in the event of a freeze start and prevent degradation processes when starting. In particular, if a turbine with a compressor required for starting the system is sitting on a shaft, in the worst case a frozen turbine impeller could mean that the entire fuel cell system cannot be started. This can be prevented by using the in particular first and/or second drying unit.

Ein Kathodenbypass könnte parallel zu der mindestens einen Brennstoffzelle angeordnet und dazu ausgebildet sein, selektiv druckbeaufschlagte Luft direkt zu der Turbine zum Regenerieren der ersten und/oder zweiten Trocknungseinheit zu leiten. Der Kathodenbypass ist dazu vorgesehen, die mindestens eine Brennstoffzelle zu überbrücken, d.h., über den Kathodenbypass einen stromaufwärts der mindestens einen Brennstoffzelle befindlichen Anschluss mit einem stromabwärts der mindestens einen Brennstoffzelle befindlichen Anschluss des Kathodenpfads miteinander zu verbinden. Hierdurch kann verdichtete Luft ohne die mindestens eine Brennstoffzelle zu durchströmen durch die erste Trocknungseinheit und/oder zweite Trocknungseinheit geleitet werden. Die verdichtete Luft weist eine erhöhte Temperatur auf und kann folglich die in der ersten Trocknungseinheit und/oder der zweiten Trocknungseinheit befindliche Feuchtigkeit heraustragen und dazu entsprechend hohe Lastpunkte des Luftverdichtungssystems ansteuern.A cathode bypass could be arranged in parallel with the at least one fuel cell and configured to selectively direct pressurized air to the turbine for regenerating the first and/or second drying unit. The cathode bypass is intended to bypass the at least one fuel cell, i.e. to connect a connection of the cathode path located upstream of the at least one fuel cell to a connection of the cathode path located downstream of the at least one fuel cell via the cathode bypass. As a result, compressed air can be passed through the first drying unit and/or second drying unit without flowing through the at least one fuel cell. The compressed air has an increased temperature and can consequently carry out the moisture located in the first drying unit and/or the second drying unit and, for this purpose, control correspondingly high load points of the air compression system.

Der mindestens eine Verdichter könnte eine Welle aufweisen, die mittels mindestens eines Luftlagers gelagert ist, wobei das mindestens eine Luftlager mit einem Verdichterausgang zur Aufnahme druckbeaufschlagter Luft gekoppelt ist, und wobei eine dritte Trocknungseinheit zwischen dem Verdichterausgang und dem mindestens einen Luftlager angeordnet ist. Wie vorangehend dargestellt, ist das mindestens eine Luftlager durch Luft geschmiert bzw. gekühlt. Um zu verhindern, dass sich darin Feuchtigkeit ansammelt und einen Gefrierstart verhindert, ist zwischen dem Verdichterausgang und dem mindestens einen Luftlager eine dritte Trocknungseinheit angeordnet. Luft, die in das Luftlager dringt oder sich in der Nähe des Luftlagers im Stillstand des Brennstoffzellensystems befindet, wird folglich getrocknet. Durch den regulären Betrieb des Brennstoffzellensystems kann die dritte Trocknungseinheit getrocknet werden. Eine Regeneration im Normalbetrieb ist auch durch eine zusätzliche temporäre Anhebung des Lastpunktes möglich, falls nur Verdichtungs-Lastpunkte gefahren werden, die keine höheren Verdichteraustrittstemperaturen ergeben.The at least one compressor could have a shaft supported by at least one air bearing, the at least one air bearing being coupled to a compressor outlet for receiving pressurized air, and a third drying unit between the compressor outlet and the at least one air bearing is arranged. As explained above, the at least one air bearing is lubricated or cooled by air. In order to prevent moisture from accumulating therein and preventing the start of freezing, a third drying unit is arranged between the compressor outlet and the at least one air bearing. Air that penetrates into the air bearing or is in the vicinity of the air bearing when the fuel cell system is at a standstill is consequently dried. The third drying unit can be dried by the regular operation of the fuel cell system. Regeneration in normal operation is also possible through an additional temporary increase in the load point if only compression load points are run that do not result in higher compressor outlet temperatures.

Zwischen der dritten Trocknungseinheit und dem mindestens einen Luftlager könnte eine Kühleinheit zum Kühlen von dem mindestens einen Luftlager zugeführter Luft angeordnet sein. Da die druckbeaufschlagte Luft erwärmt oder erhitzt sein kann und das mindestens eine Luftlager gekühlt werden sollte, ist die Kühleinheit vorgesehen. Die Kühleinheit kann zumindest einen Wärmetauscher aufweisen, der das Ausleiten von Wärme von dem mindestens einen Luftlager nach außen erlaubt.A cooling unit for cooling air supplied to the at least one air bearing could be arranged between the third drying unit and the at least one air bearing. Since the pressurized air can be warmed up or heated and the at least one air bearing should be cooled, the cooling unit is provided. The cooling unit can have at least one heat exchanger, which allows heat to be dissipated from the at least one air bearing to the outside.

Die Kühleinheit könnte mit einem externen Kühlkreislauf gekoppelt sein. Der externe Kühlkreislauf könnte mit einem flüssigen Kälteträger betrieben werden, der zu einem externen Wärmeabgabemittel geführt wird. Weiterhin könnte der Antrieb einen Elektromotor aufweisen, der zusammen mit der Welle und dem mindestens einen Luftlager von einem Gehäuse umgeben ist, wobei ein Innenraum des Gehäuses mit dem Verdichterausgang derart gekoppelt ist, dass Luft aus dem Verdichterausgang den Motor umspült und danach aus dem Gehäuse austritt. Das Gehäuse kapselt folglich zumindest einen Teil des Luftverdichtungssystems. Die in den Innenraum des Gehäuses eintretende Luft ist zumeist bereits getrocknet bzw. in ihrer Feuchtigkeit abgereichert und umspült dort zu kühlende Komponenten.The cooling unit could be coupled to an external cooling circuit. The external cooling circuit could be operated with a liquid refrigerant that is led to an external heat dissipation means. Furthermore, the drive could have an electric motor which, together with the shaft and the at least one air bearing, is surrounded by a housing, with an interior space of the housing being coupled to the compressor outlet in such a way that air from the compressor outlet flows around the motor and then exits from the housing . The housing thus encapsulates at least part of the air compression system. The air entering the interior of the housing is usually already dried or depleted in moisture and flows around the components to be cooled there.

Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems, aufweisend die Schritte des Zuführens von druckbeaufschlagter Luft an mindestens eine Brennstoffzelle durch ein Luftverdichtungssystem mit mindestens einem Verdichter und des Leitens der druckbeaufschlagten Luft durch mindestens eine Trocknungseinheit, die mit mindestens einer Komponente des Luftverdichtungssystems in Fluidverbindung steht, wobei die mindestens eine Trocknungseinheit ein Trocknungsmittel umfasst, das hydrophile Adsorbentien aufweist.The invention further relates to a method for operating a fuel cell system, comprising the steps of supplying pressurized air to at least one fuel cell through an air compression system with at least one compressor and conducting the pressurized air through at least one drying unit which is in fluid communication with at least one component of the air compression system stands, wherein the at least one drying unit comprises a drying agent which has hydrophilic adsorbents.

Das Verfahren könnte das Öffnen eines Kathodenbypass zum Zuführen der druckbeaufschlagten Luft bei ausgeschalteter mindestens einer Brennstoffzelle zum Trocknen der mindestens einen Trocknungseinheit aufweisen.The method could include opening a cathode bypass to supply the pressurized air while the at least one fuel cell is off to dry the at least one drying unit.

Die Erfindung betrifft ferner die Verwendung eines Trocknungsmittels, das hydrophile Adsorbentien aufweist, zum Trocknen mindestens einer Komponente eines Luftverdichtungssystems eines Brennstoffzellensystems.The invention also relates to the use of a drying agent, which has hydrophilic adsorbents, for drying at least one component of an air compression system of a fuel cell system.

Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von Figuren näher dargestellt.Further measures improving the invention are presented in more detail below together with the description of the preferred exemplary embodiments of the invention with the aid of figures.

Ausführungsbeispieleexemplary embodiments

Es zeigt:

1 ein Brennstoffzellensystem in einer schematischen, blockbasierten Darstellung;
2 ein weiteres Brennstoffzellensystem in einer schematischen, blockbasierten Darstellung;
3 ein weiteres Brennstoffzellensystem in einer schematischen, blockbasierten Darstellung;
4 eine Einheit aus Verdichter, Turbine und Elektromotor mit integrierter Trocknungseinheit;
5 eine Einheit aus Verdichter und Turbine mit integrierter Trocknungseinheit;
6 schematische Darstellung des Verfahrens.

It shows:

1 a fuel cell system in a schematic, block-based representation;
2 another fuel cell system in a schematic, block-based representation;
3 another fuel cell system in a schematic, block-based representation;
4 a unit consisting of a compressor, turbine and electric motor with an integrated drying unit;
5 a unit of compressor and turbine with integrated drying unit;
6 schematic representation of the process.

1 zeigt ein Brennstoffzellensystem 2 in einer schematischen Darstellung. Das Brennstoffzellensystem 2 weist eine Brennstoffzelle 4 auf, die einen Lufteinlass 6 und einen Abgasauslass 8 besitzt. Der Lufteinlass 6 ist über ein erstes Ausschaltventil 10 mit einer als Luftleitung 12 ausgeführten Oxidantleitung verbunden. Das erste Ausschaltventil 10 kann eine Luftzufuhr an die Brennstoffzelle 4 ermöglichen und bei Bedarf unterbinden. Ein Zwischenkühler 14 kühlt verdichtete Luft, bevor sie in die Brennstoffzelle 4 gerät. Luft gelangt aus der Umgebung 16 beispielhaft über einen Partikelfilter 18 in einen Verdichter 20. Dieser ist mit einem Elektromotor 22 gekoppelt, der über einen Inverter 24 betrieben wird, welcher elektrische Spannung beispielsweise von der Brennstoffzelle 4 erhält. 1 shows a fuel cell system 2 in a schematic representation. The fuel cell system 2 has a fuel cell 4 which has an air inlet 6 and an exhaust gas outlet 8 . The air inlet 6 is connected via a first switch-off valve 10 to an oxidant line designed as an air line 12 . The first switch-off valve 10 can allow air to be supplied to the fuel cell 4 and, if necessary, prevent it. An intercooler 14 cools compressed air before it enters the fuel cell 4 . Air from the environment 16 reaches a compressor 20 via a particle filter 18, for example. This is coupled to an electric motor 22, which is operated via an inverter 24, which receives electrical voltage from the fuel cell 4, for example.

Der Verdichter 20 wird zusätzlich von einer Turbine 26 angetrieben, die mit einer Abgasleitung 28 gekoppelt ist. Die Abgasleitung 28 ist über ein zweites Ausschaltventil 30 dem Kathodenauslass 8 nachgeordnet. Die Luftleitung 12 und die Abgasleitung 28 bilden zusammen den Kathodenpfad.The compressor 20 is additionally driven by a turbine 26 which is coupled to an exhaust gas line 28 . The exhaust pipe 28 is connected to the cathode outlet 8 via a second switch-off valve 30 subordinate. The air line 12 and the exhaust line 28 together form the cathode path.

Zwischen der Luftleitung 12 und der Abgasleitung 28 ist beispielhaft ein Kathodenbypass 32 vorgesehen, der über ein Kathodenbypassventil 34 selektiv aktivierbar ist. Ebenso könnte optional ein hier gestrichelter Turbinenbypass 36 vorgesehen sein, der bedarfsweise die Turbine 26 überbrückt. Dies ist über ein Turbinenbypassventil 38 steuerbar. Des Weiteren ist stromabwärts der Turbine 26 ein Steuerventil 40 angeordnet, das das Abgas bedarfsweise gedrosselt an die Umgebung 16 leitet.By way of example, a cathode bypass 32 is provided between the air line 12 and the exhaust gas line 28 and can be activated selectively via a cathode bypass valve 34 . A turbine bypass 36 , which is dashed here, could also optionally be provided, which bypasses the turbine 26 as required. This can be controlled via a turbine bypass valve 38 . Furthermore, a control valve 40 is arranged downstream of the turbine 26, which, if necessary, directs the exhaust gas to the environment 16 in a throttled manner.

Stromaufwärts der Turbine 26 ist eine erste Trocknungseinheit 42 angeordnet. Diese weist ein Trocknungsmittel auf, welches hydrophile Adsorbentien umfasst. Gas, das durch die erste Trocknungseinheit 42 strömt oder sich in der Nähe befindet, wird dadurch zumindest zum Teil getrocknet. Stromabwärts der Turbine 26 ist eine zweite Trocknungseinheit 44 vorgesehen, die wie die erste Trocknungseinheit 42 aufgebaut ist. Die Trocknungseinheiten 42 und 44 können mittels heißer Luft über den Bypass 32 regeneriert bzw. getrocknet werden, wenn der Brennstoffzellen 4 abgetrennt ist.A first drying unit 42 is arranged upstream of the turbine 26 . This has a drying agent which includes hydrophilic adsorbents. Gas flowing through or near the first drying unit 42 is at least partially dried thereby. A second drying unit 44 which is constructed like the first drying unit 42 is provided downstream of the turbine 26 . The drying units 42 and 44 can be regenerated or dried by means of hot air via the bypass 32 when the fuel cell 4 is separated.

Eine dritte Trocknungseinheit 46 ist mit einem Innenraum 48 eines Gehäuses 50 gekoppelt, das den Elektromotor 22 und eine Welle 51 umschließt. Luft, die sich darin befindet, wird durch die dritte Trocknungseinheit 46 demnach zumindest teilweise getrocknet. Zum Regenerieren der dritten Trocknungseinheit 46 wird Luft stromabwärts des Verdichters 20 über eine Zweigleitung 52 der dritten Trocknungseinheit 46 zugeführt. Von dort strömt die Luft durch Kühleinheiten 54, um anschließend die Gaslager und den Innenraum 48 zu erreichen. Somit wird der Kühlluftpfad für die Gaslager genutzt, um die Trocknungseinheit 46 zu regenerieren.A third drying unit 46 is coupled to an interior 48 of a housing 50 enclosing the electric motor 22 and a shaft 51 . Air that is located therein is accordingly at least partially dried by the third drying unit 46 . To regenerate the third drying unit 46 , air is fed to the third drying unit 46 downstream of the compressor 20 via a branch line 52 . From there the air flows through cooling units 54 in order to subsequently reach the gas storage and the interior 48 . The cooling air path for the gas bearings is thus used to regenerate the drying unit 46 .

In 2 wird ein Brennstoffzellensystem 56 dargestellt, welches etwas modifiziert ist. Hier ist ein Vorverdichter 58 vorgesehen, der zwei Verdichter 20 aufweist, welche durch den Elektromotor 22 betrieben werden. Zwei dritte Trocknungseinheiten 46 sind vorgesehen, die über Kühleinheiten 54 mit den jeweiligen Gaslagern und dem Innenraum 48 des Gehäuses 50 in Verbindung stehen.In 2 a fuel cell system 56 is shown which is somewhat modified. A precompressor 58 is provided here, which has two compressors 20 which are operated by the electric motor 22 . Two third drying units 46 are provided, which are connected to the respective gas bearings and the interior 48 of the housing 50 via cooling units 54 .

Über den Zwischenkühler 14 wird ein Nachverdichter 60 mit vorverdichteter Luft beaufschlagt, welche dann in die Luftleitung 12 und zu der Brennstoffzelle 4 gerät. Der Nachverdichter 60 wird über die Turbine 26 betrieben. Auch hier ist ein Gehäuse 50 vorgesehen, dessen Gaslager und Innenraum mit Luft aus einer dritten Trocknungseinheit 46 und einer Kühleinheit 54 versorgt wird.Via the intermediate cooler 14 , a booster 60 is charged with precompressed air, which then gets into the air line 12 and to the fuel cell 4 . The booster 60 is operated via the turbine 26 . A housing 50 is also provided here, the gas bearing and interior of which is supplied with air from a third drying unit 46 and a cooling unit 54 .

Weitere verschiedene Varianten werden in 3 gezeigt. Ein Brennstoffzellensystem 62 weist einen einzelnen Verdichter 20 auf, der durch einen Elektromotor 22 angetrieben wird. Der Aufbau entspricht im Wesentlichen dem des Brennstoffzellensystems 2 aus 1. Alternativ hierzu könnten auch zwei Verdichter 20 vorgesehen sein, die in Reihe geschaltet sind, wie in dem Detail ergänzt. Hier könnte zwischen den beiden Verdichtern 20 ein Zwischenkühler 14 angeordnet sein.Other different variants are in 3 shown. A fuel cell system 62 includes a single compressor 20 driven by an electric motor 22 . The structure essentially corresponds to that of the fuel cell system 2 1 . As an alternative to this, two compressors 20 could also be provided, which are connected in series, as added in the detail. An intercooler 14 could be arranged between the two compressors 20 here.

4 zeigt eine Darstellung eines Verdichters 20, der mit einem Elektromotor 22 und einer Turbine 26 gekoppelt ist. Hier sind Luftlager 64 vorgesehen, die eine Welle 51 in einem Gehäuse 50 lagern. Luft 66 tritt ein und wird verdichtet und tritt aus einem Verdichterausgang 68 aus. Ein Teil der Luft wird den Luftlagern 64 zugeführt und strömen durch die dritte Trocknungseinheit 46 und eine Kühleinheit 54 in die Luftlager/Gaslager und in das Innere des Gehäuses 50 und um den E-Motor ein. Die Kühleinheit 54 wird von einem Kühlmittel durchströmt, welches einem externen Kühlkreislauf 70 zugeordnet ist. Die Turbine nimmt Abluft 72 auf und generiert hieraus mechanische Leistung unter Entspannung der Abluft 72. Die Abluft 72 strömt dabei durch die Trocknungseinheiten 42 und 44. 4 12 is an illustration of a compressor 20 coupled to an electric motor 22 and a turbine 26. FIG. Air bearings 64 are provided here, which mount a shaft 51 in a housing 50 . Air 66 enters and is compressed and exits a compressor exit 68 . A portion of the air is supplied to the air bearings 64 and flows through the third drying unit 46 and a cooling unit 54 into the air bearings/gas bearings and into the interior of the housing 50 and around the electric motor. A coolant, which is assigned to an external cooling circuit 70 , flows through the cooling unit 54 . The turbine takes in exhaust air 72 and uses it to generate mechanical power while expanding the exhaust air 72. The exhaust air 72 flows through the drying units 42 and 44.

5 zeigt eine analoge Darstellung, jedoch ohne Elektromotor 22. 5 shows an analog representation, but without the electric motor 22.

6 zeigt eine schematische Darstellung eines Verfahrens zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems. Dieses weist die Schritte des Zuführens 74 von druckbeaufschlagter Luft an mindestens eine Brennstoffzelle 4 durch ein Luftverdichtungssystem mit mindestens einem Verdichter und das Leiten 76 der druckbeaufschlagten Luft durch mindestens eine Trocknungseinheit auf, die mit mindestens einer Komponente des Luftverdichtungssystems in Fluidverbindung steht, wobei die mindestens eine Trocknungseinheit ein Trocknungsmittel umfasst, das hydrophile Adsorbentien aufweist. Selbstverständlich sind weitere Schritte erforderlich, um das Brennstoffzellensystem zu betreiben, wie etwa das Zuführen von Wasserstoff. Allerdings steht hier der erfindungsgemäße Gedanken des Trocknens von Komponenten des Luftverdichtungssystems im Fokus. Das Verfahren weist ferner das Öffnen 78 eines Kathodenbypass zum Zuführen der druckbeaufschlagten Luft bei ausgeschalteter mindestens einer Brennstoffzelle zum Trocknen der mindestens einen Trocknungseinheit auf. 6 shows a schematic representation of a method for operating a fuel cell system. This comprises the steps of supplying 74 pressurized air to at least one fuel cell 4 through an air compression system having at least one compressor and directing 76 the pressurized air through at least one drying unit which is in fluid communication with at least one component of the air compression system, the at least one Drying unit comprises a desiccant having hydrophilic adsorbents. Of course, additional steps are required to operate the fuel cell system, such as supplying hydrogen. However, the focus here is on the idea according to the invention of drying components of the air compression system. The method further includes opening 78 a cathode bypass to supply the pressurized air with the at least one fuel cell off to dry the at least one drying unit.

Claims

Fuel cell system (2, 56, 62), comprising at least one fuel cell (4), a cathode path formed in the fuel cell system (2, 56, 62), and an air compression system with at least one compressor (20, 60) and at least one drive coupled to the at least one compressor (20, 60), the air compression system being designed to conduct pressurized air to the at least one fuel cell (4), characterized in that at least a drying unit (42, 44, 46) is provided which is in fluid communication with at least one component of the air compression system, wherein the at least one drying unit (42, 44, 46) comprises a desiccant having hydrophilic adsorbents.

Fuel cell system (2, 56, 62) after claim 1 , characterized in that the at least one drive has a turbine (26), wherein a first drying unit (42) is arranged upstream and/or a second drying unit (44) downstream of the turbine (26) in the cathode path.

Fuel cell system (2, 56, 62) after claim 2 , characterized in that a cathode bypass (32) is arranged parallel to the at least one fuel cell (4) and is designed to selectively pressurized air directly to the turbine (26) for regenerating the first drying unit (42) and / or the second drying unit (44) to direct.

Fuel cell system (2, 56, 62) according to one of the preceding claims, characterized in that the at least one compressor (20, 60) has a shaft (51) which is mounted by means of at least one air bearing (64), that the at least one air bearing (64) is coupled to a compressor outlet (68) for receiving pressurized air, and that a third drying unit (46) is arranged between the compressor outlet (68) and the at least one air bearing (64).

Fuel cell system (2, 56, 62) after claim 4 , characterized in that between the third drying unit (46) and the at least one air bearing (64) a cooling unit (54) for cooling the at least one air bearing (64) supplied air is arranged.

Fuel cell system (2, 56, 62) after claim 5 , characterized in that the cooling unit (54) is coupled to an external cooling circuit (70).

Fuel cell system (2, 56, 62) according to one of Claims 4 until 6 , characterized in that the drive has an electric motor (22) which is surrounded by a housing (50) together with the shaft (51) and the at least one air bearing (64), an interior space (48) of the housing (50) is coupled to the compressor outlet (68) in such a way that air from the compressor outlet (68) flows around the electric motor (22) and then exits from the housing (50), the desiccant also being fluidically connected to the electric motor (22) in order to remove moisture also in its area to eliminate or reduce.

Method for operating a fuel cell system (2, 56, 62), comprising the steps: - Supplying (74) pressurized air to at least one fuel cell (4) by an air compression system with at least one compressor (20, 60) and - passing (76) the pressurized air through at least one drying unit (42, 44, 46) in fluid communication with at least one component of the air compression system, wherein the at least one drying unit (42, 44, 46) comprises a desiccant comprising hydrophilic adsorbents having.

procedure after claim 8 , further comprising: - opening (78) a cathode bypass (32) for supplying the pressurized air when the at least one fuel cell (4) is switched off for drying the at least one drying unit (42, 44, 46).

Use of a drying agent, which has hydrophilic adsorbents, for drying at least one component of an air compression system of a fuel cell system (2, 56, 62).