DE102021213088A1 - Process for drying a fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Trocknen eines Brennstoffzellensystems (100), insbesondere eines Brennstoffzellenstacks (101) des Brennstoffzellensystems (100), insbesondere bei einem Abstellen, bei einem Stillstand, bei einem Standby-Betrieb und/oder bei einem Start-Stopp-Betrieb des Brennstoffzellensystems (100), vorzugsweise in Vorbereitung auf einen Start, insbesondere einen Gefrierstart, des Brennstoffzellensystems (100), aufweisend:- Absperren eines Kathodenpfades (K) des Brennstoffzellensystems (100),- Einleiten eines Rezirkulationsbetriebes (opZ) in dem Kathodenpfad (K), insbesondere durch eine Bypass-Leitung (13) eines Kathodensystems (10),- Homogenisieren und Inertisieren eines in dem Kathodenpfad (K) eingeschlossenen Kathodengases durch den Rezirkulationsbetrieb (opZ).The invention relates to a method for drying a fuel cell system (100), in particular a fuel cell stack (101) of the fuel cell system (100), in particular when the fuel cell system (100) is switched off, at a standstill, in standby mode and/or in start-stop mode Fuel cell system (100), preferably in preparation for a start, in particular a freeze start, of the fuel cell system (100), comprising: - shutting off a cathode path (K) of the fuel cell system (100), - initiating a recirculation operation (opZ) in the cathode path (K) , in particular through a bypass line (13) of a cathode system (10), - homogenization and inerting of a cathode gas enclosed in the cathode path (K) by the recirculation mode (opZ).
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Trocknen eines Brennstoffzellensystems, insbesondere eines Brennstoffzellenstacks des Brennstoffzellensystems, insbesondere bei einem Abstellen, bei einem Stillstand, bei einem Standby-Betrieb und/oder bei einem Start-Stopp-Betrieb des Brennstoffzellensystems, vorzugsweise in Vorbereitung auf einen Start, insbesondere einen Gefrierstart, des Brennstoffzellensystems. Zudem betrifft die Erfindung ein entsprechendes Brennstoffzellensystem.The invention relates to a method for drying a fuel cell system, in particular a fuel cell stack of the fuel cell system, in particular when the fuel cell system is switched off, at a standstill, in standby mode and/or in start-stop mode, preferably in preparation for a start. in particular a freeze start of the fuel cell system. In addition, the invention relates to a corresponding fuel cell system.
Stand der TechnikState of the art
Bei Fahrzeugen, sog. Brennstoffzellenfahrzeugen, bei denen die Antriebsenergie u.a. durch ein oder mehrere Brennstoffzellensysteme geliefert wird, wird in der Regel das Oxidationsmittel Sauerstoff aus der Umgebungsluft und als Reduktionsmittel bzw. Brennstoff Wasserstoff benutzt, um in der Brennstoffzelle zu Wasser (bzw. Wasserdampf) zu reagieren und damit durch elektrochemische Wandlung eine elektrische Leistung zu liefern. Die Brennstoffzellensysteme umfassen zumeist mehrere Brennstoffzellen, die zu einem Stack zusammengeführt werden. Herausfordernd ist bei den mobilen Brennstoffzellensystemen der Start des Systems bei allen weltweit relevanten Bedingungen und bei unterschiedlich langen Stillstandszeiten der Fahrzeuge:
- - funktional zu realisieren und
- - dabei die Lebenszeitanforderungen an das System zu erreichen.
- - to implement functionally and
- - while achieving the lifetime requirements for the system.
Ein kritischer Startfall ist der Gefrierstart (bei tiefen Temperaturen < 0°C), da bei diesem sowohl das entstehende Reaktionswasser einfrieren kann, als auch die zuvor in der Stillstandphase entstandene Feuchtigkeit auskondensieren und einfrieren kann. Das Wasser kann im System einfrieren und die funktionswesentlichen Komponenten des Systems mit Eis belegen. Somit sind den Starts vorgelagerte Zustände und Betriebsarten essentiell wichtig, um bereits vorbereitende Maßnahmen für den Wiederstart sicherzustellen, wie z. B.:
- - Ausblasen des Kathodenpfades durch das Luftverdichtungssystem, und/oder
- - Spülen des Anodenpfades mit trockenem Wasserstoff während der Stillstandphase des Systems.
- - purging of the cathode path by the air compression system, and/or
- - Purge the anode path with dry hydrogen during the system shutdown phase.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of Invention
Die vorliegende Erfindung sieht vor: ein Verfahren zum Trocknen eines Brennstoffzellensystems, insbesondere eines Brennstoffzellenstacks des Brennstoffzellensystems, insbesondere bei einem Abstellen, bei einem Stillstand, bei einem Standby-Betrieb und/oder bei einem Start-Stopp-Betrieb des Brennstoffzellensystems, vorzugsweise in Vorbereitung auf einen Start, insbesondere einen Gefrierstart, des Brennstoffzellensystems, mit den Merkmalen des unabhängigen Verfahrensanspruches. Zudem sieht die Erfindung ein entsprechendes Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des unabhängigen Systemanspruches vor. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit den unterschiedlichen Ausführungsformen und/oder Aspekten der Erfindung beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit den anderen Ausführungsformen und/oder Aspekten und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Ausführungsformen und/oder Aspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.The present invention provides: a method for drying a fuel cell system, in particular a fuel cell stack of the fuel cell system, in particular when the fuel cell system is switched off, at a standstill, in standby mode and/or in start-stop mode, preferably in preparation for a start, in particular a freeze start, of the fuel cell system, with the features of the independent method claim. In addition, the invention provides a corresponding fuel cell system with the features of the independent system claim. Features and details that are described in connection with the different embodiments and/or aspects of the invention also apply, of course, in connection with the other embodiments and/or aspects and vice versa, so that the disclosure of the individual embodiments and/or aspects is reversed is or can always be mutually referred to.
Die vorliegende Erfindung sieht gemäß dem ersten Aspekt vor: ein Verfahren zum Trocknen eines Brennstoffzellensystems, insbesondere eines Brennstoffzellenstacks des Brennstoffzellensystems, insbesondere bei einem Abstellen, bei einem Stillstand, bei einem Standby-Betrieb und/oder bei einem Start-Stopp-Betrieb des Brennstoffzellensystems, vorzugsweise in Vorbereitung auf einen Start, insbesondere einen Gefrierstart, des Brennstoffzellensystems.According to the first aspect, the present invention provides: a method for drying a fuel cell system, in particular a fuel cell stack of the fuel cell system, in particular when the fuel cell system is switched off, at a standstill, in standby mode and/or in start-stop mode, preferably in preparation for a start, in particular a freeze start, of the fuel cell system.
Das Verfahren weist folgende Schritte auf:
- - Absperren eines Kathodenpfades des Brennstoffzellensystems,
- - Einleiten eines Rezirkulationsbetriebes in dem Kathodenpfad, insbesondere durch eine Bypass-Leitung eines Kathodensystems,
- - Homogenisieren (bzw. Vergleichmäßigen) und Inertisieren (bzw. Sauerstoffverarmung) eines in dem Kathodenpfad eingeschlossenen Kathodengases durch den Rezirkulationsbetrieb.
- - shutting off a cathode path of the fuel cell system,
- - Initiating a recirculation operation in the cathode path, in particular through a bypass line of a cathode system,
- - Homogenization (or equalization) and inerting (or oxygen depletion) of a cathode gas enclosed in the cathode path by the recirculation mode.
Das Brennstoffzellensystem im Sinne der Erfindung kann vorzugsweise für mobile Anwendungen, bspw. in Fahrzeugen, insbesondere brennstoffangetriebenen Fahrzeugen, verwendet werden. Das Brennstoffzellensystem im Sinne der Erfindung kann als Hauptenergielieferant für ein Fahrzeug dienen. Zugleich ist es aber auch denkbar, dass das Brennstoffzellensystem im Sinne der Erfindung ein als Energielieferant für einen Nebenantrieb und/oder Hilfsantrieb eines Fahrzeuges, bspw. eines Hybridfahrzeugs, dienen kann. Das Brennstoffzellensystem im Sinne der Erfindung kann zudem für stationäre Anwendungen, bspw. in Generatoren, verwendet werden.The fuel cell system according to the invention can preferably be used for mobile applications, for example in vehicles, in particular fuel-powered vehicles. The fuel cell system according to the invention can serve as the main energy supplier for a vehicle. At the same time, however, it is also conceivable that the fuel cell system according to the invention can serve as an energy supplier for an auxiliary drive and/or auxiliary drive of a vehicle, for example a hybrid vehicle. The fuel cell system according to the invention can also be used for stationary applications, for example in generators.
Das Brennstoffzellensystem im Sinne der Erfindung kann dabei einen oder mehrere Stacks mit jeweils mehreren gestapelten Brennstoffzellen und den dazugehörigen Funktionssystemen aufweisen, umfassend: Mediensysteme (Luft- bzw. Kathodensystem, Brennstoff- bzw. Anodensystem, Kühlsystem) sowie ein elektrisches System.The fuel cell system according to the invention can have one or more stacks, each with a number of stacked fuel cells and the associated functional systems, comprising: media systems (air or cathode system, fuel or anode system, cooling system) and an electrical system.
Der Erfindungsgedanke liegt dabei darin, dass eine homogene Trocknung des Brennstoffzellensystems bereitgestellt wird. Die Trocknung des Brennstoffzellensystems kann die Trocknung des Kathodenpfades und, wenn erforderlich des Anodenpfades, durch den Brennstoffzellenstack umfassen. Die homogene Trocknung und eine Inertisierung beziehen sich über das Kathodengas hinaus auf die damit zusammenhängenden Komponenten des Brennstoffzellensystems, wie insbesondere die Membran (MEA, membrane electrode assembly), die Gasdiffusionslagen, die Oberflächen der Kanäle und Verteiler. Hierzu sieht die Erfindung vor, dass nach dem Abstellen des Systems, ggf. Ausblasen des Kathodenpfades, und dem Absperren des Kathodenpfades eine Rezirkulation des in dem Kathodenpfad eingeschlossenen Kathodengases und eine Inertisierung d.h. Sauerstoffverarmung durchgeführt wird, um die Feuchtigkeitsverteilung auf der Kathodenseite des Systems zu homogenisieren bzw. zu vergleichmäßigen. Der Erfindungsgedanke sieht auch vor, dass das bei der Inertisierung / Sauerstoffverarmung entstehendes Wasser auf Kathodenseite, welches auch eine Rückbefeuchtung der Membran ermöglicht - sofern der Ausblasvorgang zuvor eine stellenweise oder insgesamt zu trockene Membrane verursacht hat - gleichmäßig verteilt wird. Durch die Rezirkulation des in dem Kathodenpfad eingeschlossenen Kathodengases werden außerdem die Spitzen bei der Feuchtigkeitsverteilung gesenkt. Auf diese Weise kann der Kathodenpfad, zumindest indirekt, getrocknet werden. Zudem kann ein Trocknungsmittel, umfassend z.B. Zeolith, Silicagel, Kieselgel o. Ä., im Kathodenpfad, vorzugsweise in einem rezirkulationsfähigen Pfad, bspw. durch eine Bypass-Leitung, angeordnet werden, um eine direkte Trocknung durch eine Absenkung der mittleren Feuchtigkeit aus dem in dem Kathodenpfad eingeschlossenen Kathodengases zu ermöglichen. Zusätzlich kann die Trocknung des Systems durch eine Rezirkulation eines in dem Anodenpfad eingeschlossenen Anodengases unterstützt werden. Dabei kann ein höherer Druck auf der Anodenseite eingestellt werden als auf der Kathodenseite, um zu bewirken, dass das Wasser von der Anodenseite auf die Kathodenseite gedrückt wird und dass die Luft nicht von der Kathodenseite auf die Anodenseite durchdringt. Weiterhin kann ein Kühlsystem unterstützend eingeschaltet werden, um ein Auskondensieren des Wassers zu begünstigen und die Aufnahme des Wassers in dem Trocknungsmittel zu unterstützen. Nach Bedarf kann das Trocknungsmittel mit trockener heißer Luft und ggf. mittels eines (optionalen) elektrischen Heizers freigeblasen bzw. regeneriert werden. Dies kann vor oder nach dem Trocknen des Brennstoffzellenstacks erfolgen, ggf. auch im Normalbetrieb des Brennstoffzellensystems.The idea of the invention is that a homogeneous drying of the fuel cell system is provided. Drying the fuel cell system may include drying the cathode path and, if necessary, the anode path through the fuel cell stack. In addition to the cathode gas, homogeneous drying and inerting relate to the associated components of the fuel cell system, such as in particular the membrane (MEA, membrane electrode assembly), the gas diffusion layers, the surfaces of the channels and distributors. For this purpose, the invention provides that after the system has been switched off, the cathode path has been blown out if necessary, and the cathode path has been shut off, the cathode gas trapped in the cathode path is recirculated and inerted, i.e. oxygen depleted, in order to homogenize the moisture distribution on the cathode side of the system or to compare. The inventive concept also provides that the water produced during inerting/oxygen depletion on the cathode side, which also enables rewetting of the membrane - if the blow-out process previously caused the membrane to be too dry in places or overall - is evenly distributed. The recirculation of the cathode gas trapped in the cathode path also reduces the peaks in the moisture distribution. In this way, the cathode path can be dried, at least indirectly. In addition, a desiccant, comprising e.g. zeolite, silica gel, silica gel or similar, can be arranged in the cathode path, preferably in a path capable of recirculation, e.g. through a bypass line, in order to achieve direct drying by lowering the average humidity from the in to allow the cathode gas trapped in the cathode path. In addition, the drying of the system can be supported by a recirculation of an anode gas enclosed in the anode path. At this time, a higher pressure can be set on the anode side than on the cathode side in order to cause the water to be pressed from the anode side to the cathode side and the air not to permeate from the cathode side to the anode side. Furthermore, a cooling system can be switched on as a support in order to encourage the water to condense out and to support the absorption of the water in the desiccant. If required, the desiccant can be blown out or regenerated with dry, hot air and, if necessary, using an (optional) electric heater. This can take place before or after the drying of the fuel cell stack, possibly also during normal operation of the fuel cell system.
Das Verfahren kann mit sämtlichen Systemtopologien durchgeführt werden, die über einen rezirkulationsfähigen Pfad im Kathodensystem verfügen. Ein rezirkulationsfähiger Pfad im Kathodensystem kann bspw. durch eine Bypassleitung realisiert werden, die dazu dient, die Zuluft zumindest zum Teil vorbei an dem Stack zu leiten. Der rezirkulationsfähige Pfad kann über eine eigene Fördermaschine, bspw. Verdichter, verfügen oder über vorhandene Fördermaschinen im Kathodensystem betrieben werden.The method can be carried out with all system topologies that have a path capable of recirculation in the cathode system. A path capable of recirculation in the cathode system can be implemented, for example, by a bypass line, which is used to direct the supply air at least partially past the stack. The path capable of recirculation can have its own conveyor, e.g. compressor, or can be operated using existing conveyors in the cathode system.
Das Verfahren kann bei einem Stillstand, bei einem Standby-Betrieb und/oder bei einem Start-Stopp-Betrieb des Brennstoffzellensystems, vorzugsweise in Vorbereitung auf einen Start, insbesondere einen Gefrierstart, des Brennstoffzellensystems durchgeführt werden.The method can be carried out when the fuel cell system is at a standstill, in standby mode and/or in start-stop mode, preferably in preparation for a start, in particular a freeze start, of the fuel cell system.
Bei längeren Stillstandphasen kann das Verfahren mittels einer Wake-Up-Funktion getriggert werden. Ferner kann das Verfahren in bestimmten Zeitabständen getriggert werden. Weiterhin kann das Verfahren bei einem Unterschreiten bestimmter Temperaturschwellen getriggert werden. Vorteilhafterweise kann das Verfahren eine verbrauchfreundliche Alternative zum Parking-Purge darstellen, welches den Brennstoff-Verbrauch erheblich reduziert.In the case of longer periods of standstill, the process can be triggered using a wake-up function. Furthermore, the method can be triggered at specific time intervals. Furthermore, the method can be triggered when the temperature falls below certain thresholds. Advantageously, the method can represent a consumption-friendly alternative to parking purge, which significantly reduces fuel consumption.
Mithilfe des Verfahrens kann das Trocknen des Stacks auf Anoden- und Kathodenseite verbessert werden. Zudem ermöglicht das Verfahren eine Reduktion der Brennstoff-Verluste. Außerdem verbessert das Verfahren die Vorbereitung auf einen Gefrierstart (Homogenisierung + Trocknung). Weiterhin ermöglicht das Verfahren eine flexible Abdeckung vieler Betriebsmodi des Systems, z.B. Abstellen/Stoppen, Inertisierung/Bleed-down, Standby, Start-Stopp, Betrieb in Stillstandphasen, Wake-Up usw.The process can be used to improve the drying of the stack on the anode and cathode side. In addition, the process enables a reduction in fuel losses. In addition, the process improves the preparation for a freezing start (homogenization + drying). Furthermore, the method enables flexible coverage of many operating modes of the system, e.g. shutdown/stopping, inerting/bleed-down, standby, start-stop, operation in standstill phases, wake-up, etc.
Ferner kann das Verfahren aufweisen:
- - Durchführen des in dem Kathodenpfad eingeschlossenen Kathodengases durch ein Trocknungsmittel in dem Kathodenpfad.
- - passing the cathode gas trapped in the cathode path through a desiccant in the cathode path.
Auf diese Weise kann direkt und/oder aktiv die mittlere Feuchtigkeit aus dem in dem Kathodenpfad eingeschlossenen Kathodengases abgesenkt werden. Das Trocknen des Brennstoffzellensystems, insbesondere des Stacks, kann auf diese Weise verbessert werden.In this way, the average humidity from the cathode gas enclosed in the cathode path can be reduced directly and/or actively. The drying of the fuel cell system, in particular of the stack, can be improved in this way.
Das Trocknungsmittel kann bspw. in einem rezirkulationsfähigen Pfad des Kathodensystems angeordnet werden, bspw. in einer Bypass-Leitung. Eine solche Anordnung des Trocknungsmittels hat keinen negativen Einfluss auf die Systemauslegung, auf die Leistung des Systems, da keine zusätzlichen Druckverluste im Kathodenpfad durch den Stack verursacht werden.The desiccant can be arranged, for example, in a path of the cathode system capable of recirculation, for example in a bypass line. Such an arrangement of the desiccant has no negative impact on the system design, on the performance of the system, since no additional pressure losses in the cathode path are caused by the stack.
Weiterhin kann das Verfahren aufweisen:
- - Rezirkulieren eines in dem Anodenpfad eingeschlossenen Anodengases. Auf diese Weise kann die Homogenisierung der Feuchte auf der Anodenseite bewirkt werden und der Wassertransport auf die Kathodenseite begünstigt werden.
- - recirculating an anode gas trapped in the anode path. In this way, the moisture can be homogenized on the anode side and the transport of water to the cathode side can be promoted.
Vorteilhafterweise kann beim Durchführen des Verfahrens eine bestimmte, insbesondere abfallende, Druckdifferenz zwischen einem Anodenraum und einem Kathodenraum des Brennstoffzellensystems eingestellt werden. Somit kann verhindert werden, dass Luft von der Kathodenseite zur Anodenseite durchdringt. Zudem kann dadurch bewirkt werden, dass die Feuchtigkeit auf die Kathodenseite verdrängt wird, wo es besser abtransportiert werden kann.Advantageously, when carrying out the method, a specific, in particular decreasing, pressure difference can be adjusted between an anode space and a cathode space of the fuel cell system. Thus, air can be prevented from permeating from the cathode side to the anode side. In addition, this can cause the moisture to be displaced to the cathode side, where it can be transported away better.
Zudem kann das Verfahren aufweisen:
- - Betreiben eines Kühlsystems des Brennstoffzellensystems.
- - Operating a cooling system of the fuel cell system.
Dies kann die Kondensation des Wassers begünstigen, sodass das Wasser besser abtransportiert und/oder durch ein Trocknungsmittel aufgenommen werden kann.This can promote the condensation of the water, so that the water can be better transported away and/or absorbed by a desiccant.
Vorteilhafterweise kann das Verfahren weiterhin einen Modus zur Regeneration des Trocknungsmittels aufweisen. Hierzu kann das Verfahren aufweisen:
- - Durchführen eines Regenerationsbetriebs eines Trocknungsmittels in dem Kathodenpfad, insbesondere über eine Bypass-Leitung, vorzugsweise zum Entfeuchten des Trocknungsmittels.
- - Carrying out a regeneration operation of a desiccant in the cathode path, in particular via a bypass line, preferably for dehumidifying the desiccant.
Zum Durchführen des Regenerationsbetriebes kann der Stack abgeschlossen bleiben und das Trocknungsmittel mit trockener heißer Luft (ca. 120°C bis 150°C) freigeblasen werden. Dies kann auch im Normalbetrieb geschehen, wenn z. B. ein Teil der Zuluft durch die Bypass-Leitung abgeleitet wird.To carry out the regeneration operation, the stack can remain closed and the desiccant can be blown free with dry, hot air (approx. 120°C to 150°C). This can also happen in normal operation if z. B. part of the supply air is derived through the bypass line.
Weiterhin kann vorteilhaft sein, wenn vor dem Durchführen des Verfahrens bzw. vor dem Abstellen des Systems, insbesondere vor dem Absperren eines Kathodenpfades des Brennstoffzellensystems, mindestens ein Schritt durchgeführt wird:
- - Ausblasen des Kathodenpfades des Brennstoffzellensystems.
- - Blow out the cathode path of the fuel cell system.
Auf diese Weise kann die im System vorhandene Feuchtigkeit zumindest zum Teil abtransportiert werden, bevor das System abgestellt wird.In this way, the moisture present in the system can be at least partially removed before the system is shut down.
Die vorliegende Erfindung sieht gemäß dem zweiten Aspekt vor: ein Brennstoffzellensystem, aufweisend:
- - mindestens einen Brennstoffzellenstack,
- - ein Kathodensystem zum Bereitstellen eines Kathodengases zum Bren nstoffzel lenstack, wobei das Kathodensystem mit einem rezirkulationsfähigen Pfad ausgeführt ist, welcher insbesondere mithilfe einer Bypass-Leitung zu einem Kathodenpfad durch den Brennstoffzellenstack gebildet ist,
- - und eine Steuereinheit zum Ansteuern des Brennstoffzellensystems, wobei die Steuereinheit dazu ausgeführt ist, ein Verfahren wie oben beschrieben durchzuführen, welches zum Trocknen eines Brennstoffzellensystems, vorzugsweise eines Brennstoffzellenstacks des Brennstoffzellensystems, insbesondere bei einem Abstellen, bei einem Stillstand, bei einem Standby-Betrieb und/oder bei einem Start-Stopp-Betrieb des Brennstoffzellensystems, vorzugsweise in Vorbereitung auf einen Start, insbesondere einen Gefrierstart, des Brennstoffzellensystems dient.
- - at least one fuel cell stack,
- - a cathode system for providing a cathode gas to the fuel cell stack, the cathode system being designed with a path capable of recirculation, which is formed in particular with the aid of a bypass line to a cathode path through the fuel cell stack,
- - and a control unit for controlling the fuel cell system, wherein the control unit is designed to carry out a method as described above, which is used to dry a fuel cell system, preferably a fuel cell stack of the fuel cell system, in particular when it is switched off, when it is at a standstill, when it is in standby mode and /or in a start-stop operation of the fuel cell system, preferably in preparation for a start, in particular a freeze start, of the fuel cell system.
Mithilfe des erfindungsgemäßen Systems werden die gleichen Vorteile erreicht, die oben im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben wurden. Auf diese Vorteile wird vorliegend vollumfänglich Bezug genommen.The system according to the invention achieves the same advantages as described above in connection with the method according to the invention. Reference is made in full to these advantages here.
Vorteilhafterweise kann in dem Kathodensystem, insbesondere in der Bypass-Leitung zum Kathodenpfad, ein Trocknungsmittel vorgesehen sein. Das Trocknungsmittel kann zum Absenken der Feuchtigkeit aus dem Kathodenabgas dienen.A desiccant can advantageously be provided in the cathode system, in particular in the bypass line to the cathode path. The desiccant can be used to lower the moisture from the cathode exhaust gas.
Denkbar ist des Weiteren: dass:
- - das Trocknungsmittel in der Bypass-Leitung integriert ist,
- - das Trocknungsmittel ein wasserabsorbierendes Material, bspw. Zeolith, Silicagel, Kieselgel, usw. aufweist, insbesondere wobei das wasserabsorbierende Material pulvrig, körnig und/oder shüttgutartig ausgeführt ist, und/oder wobei das wasserabsorbierende Material offenporös ausgeführt ist, und/oder wobei das wasserabsorbierende Material eine vergrößerte Oberfläche für einen verbesserten fluidischen Kontakt zum Kathodengas bildet, um ein Beladen und Abgeben von Feuchtigkeit von dem Trocknungsmittel zu begünstigen,
- - das Trocknungsmittel einen, insbesondere gitterartigen und/oder siebartigen, Rohreinsatz aufweist, insbesondere wobei der Rohreinsatz zumindest zum Teil zylindermantelförmig und/oder hülsenförmig ausgeführt ist, und/oder wobei der Rohreinsatz zumindest zum Teil umfangsseitig in der Bypass-Leitung angeordnet ist, und/oder wobei der Rohreinsatz zumindest zum Teil den Querschnitt der Bypass-Leitung, bspw. teilkreisförmig und/oder sektorförmig, abdeckt, und/oder wobei der Rohreinsatz ein wasserabsorbierendes Material aufnimmt, und/oder
- - das Trocknungsmittel mindestens einen, insbesondere gitterartigen und/oder siebartigen, Injektor aufweist, insbesondere wobei der Injektor endoskopisch in die Bypass-Leitung integriert ist, und/oder wobei der Injektor ein wasserabsorbierendes Material aufnimmt.
- - the desiccant is integrated in the bypass line,
- - the desiccant has a water-absorbing material, e.g. zeolite, silica gel, silica gel, etc., in particular where the water-absorbing material is powdery, granular and/or bulky, and/or where the water-absorbing material is open-pored, and/or where the water-absorbing material has an increased surface area for improved fluidic contact with the catho forms dengas to promote loading and shedding of moisture from the desiccant,
- - the desiccant has a, in particular grid-like and/or sieve-like, tube insert, in particular wherein the tube insert is designed at least partially in the shape of a cylinder jacket and/or sleeve-shaped, and/or wherein the tube insert is arranged at least partially on the peripheral side in the bypass line, and/ or wherein the pipe insert at least partially covers the cross section of the bypass line, e.g. partially circular and/or sector-shaped, and/or wherein the pipe insert accommodates a water-absorbing material, and/or
- - the desiccant has at least one injector, in particular a grid-like and/or sieve-like injector, in particular the injector being integrated endoscopically into the bypass line, and/or the injector receiving a water-absorbing material.
Auf diese Weise kann ein einfaches und kostengünstiges Trocknungsmittel bereitgestellt werden, welches die Feuchtigkeit aus dem Kathodenabgas zuverlässig absenken kann.In this way, a simple and cost-effective desiccant can be provided, which can reliably reduce the moisture from the cathode exhaust gas.
Zudem kann bei dem Brennstoffzellensystem ein Heizer in dem Kathodensystem, insbesondere in der Bypass-Leitung zum Kathodenpfad, vorzugsweise parallel zu einem Trocknungsmittel, vorgesehen sein. Der Heizer kann unterstützend zur Regeneration des Trocknungsmittels betrieben werden. Aber auch beim Gefrierstart kann der Heizer dazu dienen, die Temperatur auf der Kathodenseite anzuheben.In addition, in the fuel cell system, a heater can be provided in the cathode system, in particular in the bypass line to the cathode path, preferably parallel to a desiccant. The heater can be operated to support the regeneration of the desiccant. However, the heater can also be used to raise the temperature on the cathode side when starting to freeze.
Figurenlistecharacter list
Die Erfindung und deren Weiterbildungen sowie deren Vorteile werden nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen jeweils schematisch:
-
1 ein beispielhaftes Brennstoffzellensystem mit einem möglichen rezirkulationsfähigen Pfad in einem Kathodensystem, -
2 ein beispielhaftes Brennstoffzellensystem mit einem weiteren möglichen rezirkulationsfähigen Pfad in einem Kathodensystem, und -
3 ein beispielhaftes Brennstoffzellensystem mit einem weiteren möglichen rezirkulationsfähigen Pfad in einem Kathodensystem.
-
1 an exemplary fuel cell system with a possible recirculation-capable path in a cathode system, -
2 an example fuel cell system with another possible recyclable path in a cathode system, and -
3 an example fuel cell system with another possible recyclable path in a cathode system.
In den unterschiedlichen Figuren sind gleiche Teile der Erfindung stets mit denselben Bezugszeichen versehen, weshalb diese i. d. R. nur einmal beschrieben werden.In the different figures, the same parts of the invention are always provided with the same reference numerals, which is why these i. i.e. R. only be described once.
Die
Das Kathodensystem 10 umfasst eine Zuluftleitung 11 zum Stack 101 und eine Abluftleitung 12 vom Stack 101. Am Eingang der Zuluftleitung 11 wird zumeist ein Luftfilter AF angeordnet, um schädliche chemische Substanzen und Partikel zu filtern bzw. deren Eintritt ins System 100 zu verhindern. Die Gasfördermaschine V im Kathodensystem 10 kann in Form eines Verdichters ausgeführt sein, um die Luft aus der Umgebung U anzusaugen und in Form einer Zuluft an den Stack 101 bereitzustellen. Nach dem Durchlauf des Stacks 101 wird eine Abluft aus dem System 100 wieder an die Umgebung U abgelassen. Wie es die
Das Anodensystem 20 weist mehrere Komponenten auf. Zu den Komponenten, die zur Brennstoffversorgung dienen, gehören ein Brennstofftank 21 und mindestens ein Druckregler 22. Der Druckregler 22 kann außerdem über eine Absperrfunktion verfügen. Wenn der Druckregler 22 über keine Absperrfunktion verfügt, kann ein separates Absperrventil am Eingang in den Anodenraum bzw. Anodenpfad A vorgesehen sein. Weitere Komponenten im Anodensystem 20 sind eine Strahlpumpe 23 und eine Rezirkulationspumpe 24. Zudem kann im Anodensystem 20 ein Purge- und/oder Drainventil 25 vorgesehen sein.The
Die
Die
- - Absperren eines Kathodenpfades K des
Brennstoffzellensystems 100, insbesondere mithilfe der Absperrventile SV1, SV2, - - Einleiten eines Rezirkulationsbetriebes opZ in dem Kathodenpfad K, bspw. durch eine Bypass-
Leitung 13 eines Kathodensystems 10, - - Homogenisieren bzw. Vergleichmäßigen und Inertisieren eines in dem Kathodenpfad K eingeschlossenen Kathodengases durch den Rezirkulationsbetrieb opZ und vorzugsweise der damit zusammenhängenden Komponenten, insbesondere der Membran (MEA, membrane electrode assembly), der Gasdiffusionslagen und der Kanal-Oberflächen der Verteilerstrukturen.
- - Shut off a cathode path K of the
fuel cell system 100, in particular using the shut-off valves SV1, SV2, - - Initiation of a recirculation operation opZ in the cathode path K, e.g. through a
bypass line 13 of acathode system 10, - - Homogenizing or equalizing and inertizing a cathode gas enclosed in the cathode path K by the recirculation operation opZ and preferably the associated components, in particular the membrane (MEA, membrane electrode assembly), the gas diffusion layers and the channel surfaces of the distributor structures.
Der Rezirkulationsbetrieb opZ kann vorzugsweise mithilfe einer Turbine T durchgeführt werden, die mit der Gasfördermaschine V im Kathodensystem 10 gekoppelt ist. Zum Durchführen des Rezirkulationsbetriebs opZ kann die Turbine T in eine umgekehrte Richtung betrieben werden als im Normalbetrieb opN des Systems 100. Während des Rezirkulationsbetriebs opZ kann das Verdichterrad aufgrund des geschlossenen Absperrventils SV1 im Mild-Surge-Betrieb (Rotating-Stall) betrieben werden, was aus Komponentenschutzgründen unkritisch ist.The recirculation operation opZ can preferably be carried out using a turbine T, which is coupled to the gas extraction machine V in the
Zugleich ist es aber auch denkbar, dass in der Bypass-Leitung 13 eine separate Gasfördermaschine (nicht gezeigt) vorgesehen werden kann, um einen rezirkulationsfähigen Pfad im Kathodensystem 10 bereitzustellen und den Rezirkulationsbetrieb opZ durchführen zu können.At the same time, however, it is also conceivable that a separate gas pumping machine (not shown) can be provided in the
Mithilfe der Erfindung kann eine homogene Trocknung des Brennstoffzellensystems 100, bspw. bei einem Abstellen, bei einem Stillstand, bei einem Standby-Betrieb und/oder bei einem Start-Stopp-Betrieb, bereitgestellt werden. Die Trocknung des Brennstoffzellensystems 100 kann die Trocknung des Kathodenpfades 10 und, wenn erforderlich des Anodenpfades 20, die durch den Stack 101 führen, umfassen. Hierzu sieht die Erfindung vor, dass nach dem Abstellen des Systems 100, ggf. Ausblasen des Kathodenpfades 10, und dem Absperren des Kathodenpfades 10 eine Rezirkulation des in dem Kathodenpfad K eingeschlossenen Kathodengases im Rezirkulationsbetrieb opZ durchgeführt wird. Auf diese Weise kann die Feuchtigkeitsverteilung auf der Kathodenseite des Systems 100 homogenisiert bzw. vergleichmäßigt werden. Durch die Rezirkulation des in dem Kathodenpfad K eingeschlossenen Kathodengases werden außerdem die Spitzen bei der Feuchtigkeitsverteilung gesenkt. Auf diese Weise kann der Kathodenpfad K, zumindest indirekt, getrocknet werden. Auf diese Weise kann auch das bei der Inertisierung entstehende Wasser vergleichmäßigt werden. Auf diese Weise können außerdem die durch den vorausgegangenen Ausblas-Trocknungsprozess verursachten zu trockenen Stellen der Membran rückbefeuchtet werden.The invention can be used to provide homogeneous drying of the
Wie es die
Zusätzlich kann die Trocknung des Systems 100 durch eine Rezirkulation eines in dem Anodenpfad A eingeschlossenen Anodengases unterstützt werden. Dabei kann ein höherer Druck auf der Anodenseite eingestellt werden als auf der Kathodenseite. Auf diese Weise kann bewirkt werden, dass das Wasser von der Anodenseite auf die Kathodenseite gedrückt wird und dass die Luft nicht von der Kathodenseite auf die Anodenseite durchdringt.In addition, the drying of the
Weiterhin kann das Kühlsystem 30 unterstützend zugeschaltet werden, um ein Auskondensieren des Wassers zu begünstigen und die Aufnahme des Wassers in dem Trocknungsmittel TN zu unterstützen.Furthermore, the
Wie es die
Bei längeren Stillstandphasen kann das Verfahren mittels einer Wake-Up-Funktion getriggert werden. Ferner kann das Verfahren in bestimmten Zeitabständen getriggert werden. Weiterhin kann das Verfahren bei einem Unterschreiten bestimmter Temperaturschwellen getriggert werden. Vorteilhafterweise kann das Verfahren eine verbrauchfreundliche Alternative zum Parking-Purge darstellen, welches den Brennstoff-Verbrauch erheblich reduziert.In the case of longer periods of standstill, the process can be triggered using a wake-up function. Furthermore, the method can be triggered at specific time intervals. Furthermore, the method can be triggered when the temperature falls below certain thresholds. Advantageously, the method can represent a consumption-friendly alternative to parking purge, which significantly reduces fuel consumption.
Ein entsprechendes Brennstoffzellensystem 100 stellt ebenfalls einen Aspekt der Erfindung dar, aufweisend:
- -
mindestens einen Brennstoffzellenstack 101, - -
ein Kathodensystem 10 zum Bereitstellen eines Kathodengases zum Brennstoffzellenstack 101,wobei das Kathodensystem 10 mit einem rezirkulationsfähigen Pfad ausgeführt ist, welcher insbesondere mithilfe einer Bypass-Leitung 13 zu einem Kathodenpfad K durchden Brennstoffzellenstack 101 gebildet ist, - - und eine Steuereinheit 102 zum Ansteuern des
Brennstoffzellensystems 100,wobei die Steuereinheit 102 dazu ausgeführt ist, ein Verfahren wie oben beschrieben durchzuführen, welches zum Trocknen eines Brennstoffzellensystems 100 bzw.Brennstoffzellenstacks 101, insbesondere bei einem Abstellen, bei einem Stillstand, bei einem Standby-Betrieb und/oder bei einem Start-Stopp-Betrieb des Brennstoffzellensystems 100, vorzugsweise in Vorbereitung auf einen Start, insbesondere einen Gefrierstart, desBrennstoffzellensystems 100 dient.
- - at least one
fuel cell stack 101, - - a
cathode system 10 for providing a cathode gas to thefuel cell stack 101, wherein thecathode system 10 is designed with a path capable of recirculation, which is formed in particular with the aid of abypass line 13 to a cathode path K through thefuel cell stack 101, - - And a
control unit 102 for controlling thefuel cell system 100, wherein thecontrol unit 102 is designed to carry out a method as described above, which is used to dry afuel cell system 100 orfuel cell stack 101, in particular when it is switched off, when it is at a standstill, when it is on standby Operation and / or in a start-stop operation of thefuel cell system 100, preferably in preparation for a start, in particular a freeze start, thefuel cell system 100 is used.
Vorteilhafterweise kann in dem Kathodensystem 10, insbesondere in der Bypass-Leitung 13 zum Kathodenpfad K, ein Trocknungsmittel TM vorgesehen sein, um die Feuchtigkeit in dem Kathodenabgas abzusenken.Advantageously, a desiccant TM can be provided in the
Bei dem Trocknungsmittel TM ist es denkbar: dass:
- - das Trocknungsmittel TM in der Bypass-
Leitung 13 integriert ist, - - das Trocknungsmittel TM ein wasserabsorbierendes Material, bspw. Zeolith, Silicagel, Kieselgel, usw. aufweist, insbesondere wobei das wasserabsorbierende Material pulvrig, körnig und/oder shüttgutartig ausgeführt ist, und/oder wobei das wasserabsorbierende Material offenporös ausgeführt ist, und/oder wobei das wasserabsorbierende Material eine vergrößerte Oberfläche für einen verbesserten fluidischen Kontakt zum Kathodengas bildet, um ein Beladen und Abgeben von Feuchtigkeit von dem Trocknungsmittel TM zu begünstigen,
- - das Trocknungsmittel TM einen, insbesondere gitterartigen und/oder siebartigen, Rohreinsatz aufweist,
insbesondere wobei der Rohreinsatz zumindest zum Teil zylindermantelförmig und/oder hülsenförmig ausgeführt ist,
und/oder wobei der Rohreinsatz zumindest zum Teil umfangsseitig in der Bypass-
Leitung 13 angeordnet ist, und/oder wobei der Rohreinsatz zumindest zum Teil den Querschnitt der Bypass-Leitung 13, bspw. teilkreisförmig und/oder sektorförmig, abdeckt, und/oder wobei der Rohreinsatz ein wasserabsorbierendes Material aufnimmt, und/oder - - das Trocknungsmittel TM mindestens einen, insbesondere gitterartigen und/oder siebartigen, Injektor aufweist, insbesondere wobei der Injektor endoskopisch in die Bypass-
Leitung 13 integriert ist, und/oder wobei der Injektor ein wasserabsorbierendes Material aufnimmt.
- - the desiccant TM is integrated in the
bypass line 13, - - the desiccant TM has a water-absorbing material, e.g. zeolite, silica gel, silica gel, etc., in particular where the water-absorbing material is powdery, granular and/or bulky, and/or where the water-absorbing material is open-pored, and/or where the water-absorbing material provides an increased surface area for improved fluidic contact with the cathode gas to promote loading and shedding of moisture from the desiccant TM,
- - the desiccant TM has a pipe insert, in particular a grid-like and/or sieve-like pipe insert, in particular with the pipe insert being at least partially in the form of a cylinder jacket and/or sleeve-shaped, and/or with the pipe insert being arranged at least partly on the peripheral side in the
bypass line 13, and/or wherein the pipe insert at least partially covers the cross section of thebypass line 13, e.g. partially circular and/or sector-shaped, and/or wherein the pipe insert accommodates a water-absorbing material, and/or - - the desiccant TM has at least one, in particular grid-like and/or sieve-like, injector, in particular wherein the injector is endoscopically integrated into the
bypass line 13, and/or wherein the injector accommodates a water-absorbing material.
Wie oben bereits erwähnt, kann bei dem Brennstoffzellensystem ein Heizer HT in dem Kathodensystem 10, insbesondere in der Bypass-Leitung 13 zum Kathodenpfad K, vorzugsweise parallel zu einem Trocknungsmittel TM, vorgesehen sein. Der Heizer HT kann unterstützend zur Regeneration des Trocknungsmittels betrieben werden. Aber auch beim Gefrierstart des Systems 100 kann der Heizer HT nützlich sein.As already mentioned above, in the fuel cell system a heater HT can be provided in the
Die voranstehende Beschreibung der Figuren beschreibt die vorliegende Erfindung ausschließlich im Rahmen von Beispielen. Selbstverständlich können einzelne Merkmale der Ausführungsformen, sofern es technisch sinnvoll ist, frei miteinander kombiniert werden, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.The above description of the figures describes the present invention exclusively within the framework of examples. It goes without saying that individual features of the embodiments can be freely combined with one another, insofar as this makes technical sense, without departing from the scope of the invention.
Claims (10)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE102021213088.7A DE102021213088A1 (en) | 2021-11-22 | 2021-11-22 | Process for drying a fuel cell system |
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Publication Number | Publication Date |
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ID=86227422
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DE (1) | DE102021213088A1 (en) |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US20040197614A1 (en) | 2002-11-27 | 2004-10-07 | Hydrogenics Corporation | Fuel cell power system and method of operating the same |
DE102010005294A1 (en) | 2009-01-26 | 2010-09-09 | GM Global Technology Operations, Inc., Detroit | Shutdown strategy for improved water management |
DE102018208986A1 (en) | 2018-06-07 | 2019-12-12 | Audi Ag | Method for noise-reduced shutdown of a fuel cell device and fuel cell device for carrying out the method |
-
2021
- 2021-11-22 DE DE102021213088.7A patent/DE102021213088A1/en active Pending
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