DE102022201763A1

DE102022201763A1 - Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems, Anodensubsystem sowie Brennstoffzellensystem mit Anodensubsystem

Info

Publication number: DE102022201763A1
Application number: DE102022201763.3A
Authority: DE
Inventors: Tobias Falkenau; Timo Bosch
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2022-02-21
Filing date: 2022-02-21
Publication date: 2023-08-24

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems (1), umfassend einen Brennstoffzellenstapel (2) mit mehreren Brennstoffzellen (3), die über einen Anodenkreis (4) mit Anodengas versorgt werden, das mit Hilfe eines in den Anodenkreis (4) integrierten Gebläses (5) rezirkuliert wird, wobei mit Hilfe eines in das Gebläse (5) integrierten Wasserabscheiders (6) flüssiges Wasser aus dem rezirkulierten Anodengas abgeschieden, in einem Speicher (7) des Wasserabscheiders (6) gespeichert und bei Erreichen einer vorab definierten maximalen Füllhöhe (h1) im Speicher (7) durch Öffnen eines am Speicher (7) angeordneten Schaltventils (8) ausgeleitet wird. Erfindungsgemäß wird dem Schaltventil (8) das auszuleitende Wasser über eine Steigleitung (9) zugeführt, die sich über eine Steighöhe (h2) erstreckt, die bezogen auf eine gemeinsame Referenzebene (10) größer als die maximale Füllhöhe (h1) ist.Die Erfindung betrifft ferner ein Anodensubsystem (12) sowie ein Brennstoffzellensystem (1) mit einem erfindungsgemäßen Anodensubsystem (12).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Anodensubsystem für ein Brennstoffzellensystem sowie ein Brennstoffzellensystem mit einem erfindungsgemäßen Anodensubsystem.
Stand der Technik
Brennstoffzellen wandeln einen Brennstoff, beispielsweise Wasserstoff, und Sauerstoff in elektrische Energie, Wärme und Wasser. Der Brennstoff wird einer Anode und der Sauerstoff wird einer Kathode zugeführt, wobei die Anode und die Kathode durch eine Membran, beispielsweise eine Polymerelektrolytmembran (PEM), voneinander getrennt sind.
In der praktischen Anwendung werden zur Leistungssteigerung eine Vielzahl von Brennstoffzellen gestapelt und zu einem Brennstoffzellenstapel bzw. Stack verbunden. Zur Versorgung der Brennstoffzellen mit den benötigten Medien ist der Brennstoffzellenstapel von Versorgungskanälen durchzogen. Die Entsorgung der „verbrauchten“ Medien erfolgt über den Brennstoffzellenstapel durchziehende Entsorgungskanäle.
Da aus den Brennstoffzellen austretender Brennstoff noch Restbrennstoff enthält, hat sich systemisch ein Ansatz etabliert, bei dem der aus den Brennstoffzellen austretende abgereicherte Brennstoff rezirkuliert, das heißt über einen Anodenkreis erneut den Brennstoffzellen zugeführt wird. Die Rezirkulation kann dabei passiv mit Hilfe einer in den Anodenkreis integrierten Strahlpumpe und/oder aktiv mit Hilfe eines in den Anodenkreis integrierten Gebläses bewirkt werden.
Da das rezirkulierte Anodengas flüssiges Wasser enthalten kann, ist in den Anodenkreis in der Regel ein Wasserabscheider integriert. Dieser hat neben der Abscheidefunktion üblicherweise ferner die Funktion, abgeschiedenes Wasser zu speichern. Ist der Speicher voll, erfolgt das Ausleiten von Wasser durch Öffnen eines Ventils, dem sogenannten Drainventil. Über das Drainventil ausgeleitetes Wasser wird dann in der Regel zusammen mit Anodenabgas aus dem System abgeführt.
Durch Diffusionsprozesse gelangt ferner Stickstoff in den Anodenkreis. Stickstoff stellt für die Brennstoffzellen ein Inertgas dar. Ein hoher Stickstoffanteil reduziert die Zellspannungen und damit die Stackspannung. In der Folge kommt es zu Wirkungsgradeinbußen. Um den Stickstoffanteil zu senken, wird daher durch wiederholtes Öffnen eines weiteren Ventils, dem sogenannten Purgeventil, Anodengas aus dem Anodenkreis ausgeleitet und als Anodenabgas - ggf. zusammen mit dem über das Drainventil ausgeleiteten flüssigen Wasser - aus dem System abgeführt.
Die Funktionen des Drainventils und des Purgeventils können auch in ein Ventil integriert werden. Auf diese Weise können die Bauteilzahl und der Bauraumbedarf gesenkt werden.
Ausgehend von dem vorstehend beschriebenen Stand der Technik ist die vorliegende Erfindung mit der Aufgabe befasst, die Funktionen Abscheiden, Speichern und Ausleiten von flüssigem Wasser aus einem Anodenkreis eines Brennstoffzellensystems möglichst noch effizienter und bauraumschonender umzusetzen.
Zur Lösung der Aufgabe werden das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie das Anodensubsystem mit den Merkmalen des Anspruchs 4 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den jeweiligen Unteransprüchen zu entnehmen. Darüber hinaus wird ein Brennstoffzellensystem mit einem erfindungsgemäßen Anodensubsystem angegeben.
Offenbarung der Erfindung
Vorgeschlagen wird ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems, das einen Brennstoffzellenstapel mit mehreren Brennstoffzellen umfasst. Die Brennstoffzellen werden über einen Anodenkreis mit Anodengas versorgt, das mit Hilfe eines in den Anodenkreis integrierten Gebläses rezirkuliert wird. Mit Hilfe eines in das Gebläse integrierten Wasserabscheiders wird dabei flüssiges Wasser aus dem rezirkulierten Anodengas abgeschieden, in einem Speicher des Wasserabscheiders gespeichert und bei Erreichen einer vorab definierten maximalen Füllhöhe h1 im Speicher durch Öffnen eines am Speicher angeordneten Schaltventils ausgeleitet. Erfindungsgemäß wird dem Schaltventil das auszuleitende Wasser über eine Steigleitung zugeführt, die sich über eine Steighöhe h2 erstreckt, die bezogen auf eine gemeinsame Referenzebene größer als die maximale Füllhöhe h1 ist.
Bei dem vorgeschlagenen Verfahren werden die Funktionen Abscheiden, Speichern und Ausleiten von flüssigem Wasser in das Gebläse integriert. Durch diese Funktionsintegration kann der Bauraumbedarf gesenkt werden. Das Ausleiten von flüssigem Wasser bzw. das Entleeren des Speichers erfolgt über eine im Speicher aufgenommene Steigleitung, die das Schaltventil mit dem Speichervolumen des Speichers verbindet. Dadurch, dass die Steighöhe h2 größer als die maximale Füllhöhe h1 des Speichers ist, befindet sich das Schaltventil oberhalb des Wasserspiegels. Die Steighöhe h2 ist dabei bevorzugt so groß gewählt, dass in mobilen Anwendungen auch bei einer Schräglage und/oder Beschleunigung des Fahrzeugs das Schaltventil stets oberhalb des Wasserspiegels angeordnet ist. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass bei tiefen Außentemperaturen das Schaltventil durch Eisbildung nicht beschädigt wird. Im Schaltventil vorhandenes Restwasser wird zudem über die Steigleitung sicher zurück in den Speicher geleitet (Prinzip der kommunizierenden Röhren).
In Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass nach vollständiger Entleerung des Speichers das Schaltventil zum Ausleiten von Anodengas weiter geöffnet bleibt. Durch Integration einer Purgefunktion in das Schaltventil vermag dieses ein Purgeventil zu ersetzen. Auf diese Weise können Kosten und Bauraum eingespart werden. Die Zeitdauer wie lange das Schaltventil nach dem Entleeren des Speichers geöffnet bleiben muss, wird vorzugsweise betriebspunktabhängig von einem Kontrollgerät des Brennstoffzellensystems vorgegeben. Bei entsprechender Programmierung kann mit Hilfe des Kontrollgeräts eine Bilanzierung der auszuleitenden Wasser- und Gasmengen vorgenommen und anhand dessen die Öffnungsdauer bestimmt werden.
Ferner wird vorgeschlagen, dass über das Schaltventil ausgeleitetes Wasser und/oder Anodengas in eine kathodenseitige Abluftleitung eingeleitet wird. Mit Hilfe der Kathodenabluft kann insbesondere ausgeleitetes Anodengas bzw. Anodenabgas verdünnt werden, um die Ausbildung explosionsgefährdeter Gasgemische zu verhindern.
Zur Lösung der eingangs genannten Aufgabe wird darüber hinaus ein Anodensubsystem für ein Brennstoffzellensystem vorgeschlagen. Das Anodensubsystem umfasst einen Anodenkreis mit integriertem Gebläse zur Rezirkulation von Anodengas, wobei in das Gebläse ein Wasserabscheider mit einem Speicher zum Abscheiden und Speichern von flüssigem Wasser integriert ist. Am Speicher ist ein Schaltventil zum Entleeren des Speichers angeordnet. Erfindungsgemäß ist das Schaltventil oberhalb einer vorab definierten maximalen Füllhöhe h1 des Speichers angeordnet und über eine Steigleitung mit einem unterhalb der maximalen Füllhöhe h1 liegenden Speichervolumen des Speichers verbunden.
Bei dem vorgeschlagenen Anodensubsystem sind demnach die Funktionen Abscheiden, Speichern und Ausleiten von flüssigem Wasser aus dem Anodenkreis in das Gebläse integriert. Auf diese Weise kann Bauraum eingespart werden. Die vorgeschlagene Anordnung besitzt zudem den Vorteil, dass das Schaltventil oberhalb der maximalen Füllhöhe bzw. des Wasserspiegels im Speicher angeordnet werden kann. Auf diese Weise wird eine Beschädigung des Schaltventils durch Eisbildung bei tiefen Außentemperaturen vermieden.
Das vorgeschlagene Anodensubsystem eignet sich insbesondere zur Durchführung des zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens. Bei Einsatz des vorgeschlagenen Anodensubsystems in einem Brennstoffzellensystem, kann dieses nach dem zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren betrieben werden.
Bevorzugt erstreckt sich die mit dem Schaltventil verbundene Steigleitung über eine Steighöhe h2, die - bezogen auf eine gemeinsame Referenzebene - größer als die maximale Füllhöhe h1 ist. Die Höhen h1 und h2 werden dabei jeweils senkrecht zur gemeinsamen Referenzebene gemessen, und zwar unabhängig von einer etwaigen Schräglage des Speichers.
Ferner bevorzugt bildet ein Boden des Speichers die gemeinsame Referenzebene aus. Die Füllhöhe h1 gibt dann die Höhe der Wassersäule vom Boden bis zum Wasserspiegel wieder. Die Steighöhe h2 gibt die beim Ausleiten zu überwindende Höhe vom Boden des Speichers bis zur Installationsebene des Schaltventils an.
Vorteilhafterweise beträgt die Steighöhe h2 115 % bis 150% der maximalen Füllhöhe h1 beträgt. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass auch in mobilen Anwendungen sich das Schaltventil stets oberhalb des Wasserspiegels im Speicher befindet. Dabei wird davon ausgegangen, dass bei einer etwaigen Schräglage des Fahrzeugs die Neigung maximal 20° gegenüber der Richtung des Vektors der Erdbeschleunigung beträgt und der Speicher eine übliche maximale horizontale Ausdehnung aufweist.
Um Schwappbewegungen des Wassers im Speicher entgegenzuwirken, kann dieser Einbauten, wie beispielsweise Schwappbleche, Wellenbrecher und/oder poröse Strukturen, aufweisen.
Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass das Schaltventil auslassseitig mit einer kathodenseitigen Abluftleitung verbunden ist. Dies ist insbesondere von Vorteil, wenn das Schaltventil nicht nur zum Ausleiten von Wasser, sondern ferner zum Purgen genutzt wird. Denn dann wird das ausgeleitete Anodengas bzw. Anodenabgas in die Abluftleitung eingeleitet, so dass es sich dort mit der abgeführten Abluft des Systems vermischt. Dadurch wird eine Verdünnung des Anodenabgases erreicht, so dass sich kein explosionsgefährdetes Gasgemisch ausbilden kann. Die Verbindung des Schaltventils mit der kathodenseitigen Abluftleitung ist vorzugsweise über eine Verbindungsleitung hergestellt. Die Verbindungsleitung schafft größere Freiräume beim Einbau des Anodensubsystems in ein Brennstoffzellensystem.
Bevorzugt ist die Verbindungsleitung auf einer Anschlusshöhe h3 an die Abluftleitung angeschlossen, die - bezogen auf die bereits erwähnte Referenzebene - kleiner als die Steighöhe h2 ist. Durch diese Maßnahme ist sichergestellt, dass über das Schaltventil bereits ausgeleitetes Wasser nicht zurück zum Schaltventil gelangt.
Da der bevorzugte Anwendungsbereich des vorgeschlagenen Anodensubsystems ein Brennstoffzellensystem ist, wird ferner ein Brennstoffzellensystem mit einem Brennstoffzellenstapel und einem erfindungsgemäßen Anodensubsystem angegeben. Das Anodensubsystem ist dabei vorzugsweise über eine Adapterplatte und/oder eine Isolierplatte mit dem Brennstoffzellenstapel verbunden. Die Adapterplatte erleichtert die Montage des Anodensubsystems. Die Isolierplatte dient der elektrischen Isolierung des Anodensubsystems gegenüber dem Brennstoffzellenstapel.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen:

1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems und
2 einen schematischen Längsschnitt durch einen Brennstoffzellenstapel eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems mit angeschlossenem Anodensubsystem.

Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
Das in der 1 dargestellte Brennstoffzellensystem 1 weist einen Brennstoffzellenstapel 2 mit einer Anode 2.1 und einer Kathode 2.2 auf. Die Anode 2.1 wird über einen Anodenkreis 4 mit einem Anodengas, vorliegend mit Wasserstoff, versorgt. Der Wasserstoff wird einem Tank 19 entnommen und über ein Dosierventil 18 einer Strahlpumpe 17 zugeführt. Mit Hilfe der Strahlpumpe 17 wird aus dem Brennstoffzellenstapel 2 austretendes Anodengas, das noch Wasserstoff enthält, passiv rezirkuliert. Zur Unterstützung der Strahlpumpe 17 ist in den Anodenkreis 4 ein Gebläse 5 integriert.
Das in den Anodenkreis 4 integrierte Gebläse 5 weist einen Wasserabscheider 6 mit einem Speicher 7 auf, so dass im rezirkulierten Anodengas enthaltenes flüssiges Wasser abgeschieden und gespeichert werden kann. Da sich der Speicher 7 über die Zeit füllt, muss er von Zeit zu Zeit entleert werden. Hierzu ist am Speicher 7 ein Schaltventil 8 vorgesehen. Bei vollständiger Entleerung des Speichers 7 kann das Schaltventil 8 zum Spülen bzw. Purgen des Anodenkreises 4 genutzt werden, so dass ein separates Purgeventil entbehrlich ist. Das Schaltventil 8 ist auslassseitig mit einer kathodenseitigen Abluftleitung 11 verbunden, so dass sich das aus dem Anodenkreis 4 ausgeleitete Anodengas in der Abluftleitung 11 mit der dort vorhandenen Abluft der Kathode 2.2 mischt.
Auf eine Darstellung der kathodenseitigen Komponenten zur Versorgung der Kathode 2.2 mit Luft als Sauerstofflieferant wurde vorliegend der Einfachheit halber verzichtet. Nur angedeutet sind ferner ein Kühlkreisanschluss 2.3 sowie ein elektrischer Anschluss 2.4 des Brennstoffzellenstapels 2.
Die anodenseitigen Komponenten bilden gemeinsam ein erfindungsgemäßes Anodensubsystem 12 aus, das nachfolgend anhand der 2 näher beschrieben wird.
Das in der 2 dargestellte Anodensubsystem 12 dient der Versorgung einer Vielzahl von Brennstoffzellen 3 eines Brennstoffzellenstapels 2 mit Anodengas. In der 2 ist das Anodensubsystem 12 über eine Adapterplatte 15 mit dem Brennstoffzellenstapel 2 verbunden, wobei zwischen der Adapterplatte 15 und dem Brennstoffzellenstapel 2 eine Isolierplatte 16 zur elektrischen Isolierung eingelegt ist.
Das Anodensubsystem 12 bildet einen Anodenkreis 4 aus, der im Bereich der Adapterplatte 15 und der Isolierplatte 16 jeweils als Steigleitung ausgeführt ist. Im Bereich einer solchen Steigleitung ist platzsparend eine Strahlpumpe 17 integriert. Stromaufwärts der Strahlpumpe 17 ist im Anodenkreis 4 ferner ein Gebläse 5 zur aktiven Rezirkulation von Anodengas angeordnet. Die Strömungsrichtung des Anodengases ist in der 2 durch Pfeile angegeben.
Das in den Anodenkreis 4 integrierte Gebläse 5 weist einen Wasserabscheider 6 mit einem Speicher 7 auf. Am Speicher 7 ist ein Schaltventil 8 zum Entleeren des Speichers 7 angeordnet. Das Schaltventil 8 ist lediglich über eine Steigleitung 9 mit dem Speichervolumen des Speichers 7 verbunden, wobei die Steigleitung 9 bis zu einem Boden 13 des Speichers 7 geführt ist.
Die Steigleitung 9 erstreckt sich vom Boden 13 bis zu einer Installationsebene 20, auf deren Höhe das Schaltventil 8 angeordnet ist. Das auszuleitende Wasser wird demnach über eine Steighöhe h2 dem Schaltventil 8 zugeführt. Die Steighöhe h2 ist dabei größer als eine maximale Füllhöhe h1, jeweils bezogen auf eine gemeinsame Referenzebene 10, die vorliegend der Boden 13 ausbildet. Dadurch ist zum einen sichergestellt, dass das Schaltventil 8 oberhalb des Wasserspiegels angeordnet ist. Zum anderen wir im Schaltventil 8 vorhandenes Restwasser sicher in den Speicher 7 zurückgeleitet. Dadurch ist sichergestellt, dass das Schaltventil 8 bei tiefen Außentemperaturen keinen Schaden aufgrund von Eisbildung nehmen kann.
Da das Schaltventil 8 auch zum Purgen genutzt werden kann, ist das Schaltventil 8 auslassseitig über eine Verbindungsleitung 14 mit einer kathodenseitigen Abluftleitung 11 verbunden. Über das Schaltventil 8 ausgeleitetes Anodengas bzw. Anodenabgas wird demnach mit der Kathodenabluft verdünnt. Da nicht nur Anodengas, sondern eben auch Wasser über die Verbindungsleitung 14 der Abluftleitung 11 zugeführt wird, weist der Anschlusspunkt eine Anschlusshöhe h3 auf, die kleiner als die Steighöhe h2 der Steigleitung 9 ist. Dadurch ist sichergestellt, dass kein bereits ausgeleitetes Wasser zurück zum Schaltventil 8 gelangt.

Claims

Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems (1), umfassend einen Brennstoffzellenstapel (2) mit mehreren Brennstoffzellen (3), die über einen Anodenkreis (4) mit Anodengas versorgt werden, das mit Hilfe eines in den Anodenkreis (4) integrierten Gebläses (5) rezirkuliert wird, wobei mit Hilfe eines in das Gebläse (5) integrierten Wasserabscheiders (6) flüssiges Wasser aus dem rezirkulierten Anodengas abgeschieden, in einem Speicher (7) des Wasserabscheiders (6) gespeichert und bei Erreichen einer vorab definierten maximalen Füllhöhe (h1) im Speicher (7) durch Öffnen eines am Speicher (7) angeordneten Schaltventils (8) ausgeleitet wird, dadurch gekennzeichnet, dass dem Schaltventil (8) das auszuleitende Wasser über eine Steigleitung (9) zugeführt wird, die sich über eine Steighöhe (h2) erstreckt, die bezogen auf eine gemeinsame Referenzebene (10) größer als die maximale Füllhöhe (h1) ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass nach vollständiger Entleerung des Speichers (7) das Schaltventil (8) zum Ausleiten von Anodengas weiter geöffnet bleibt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass über das Schaltventil (8) ausgeleitetes Wasser und/oder Anodengas in eine kathodenseitige Abluftleitung (11) eingeleitet wird.
Anodensubsystem (12) für ein Brennstoffzellensystem (1), umfassend einen Anodenkreis (4) mit integriertem Gebläse (5) zur Rezirkulation von Anodengas, wobei in das Gebläse (5) ein Wasserabscheider (6) mit einem Speicher (7) zum Abscheiden und Speichern von flüssigem Wasser integriert ist und wobei am Speicher (7) ein Schaltventil (8) zum Entleeren des Speichers (7) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltventil (8) oberhalb einer vorab definierten maximalen Füllhöhe (h1) des Speichers (7) angeordnet und über eine Steigleitung (9) mit einem unterhalb der maximalen Füllhöhe (h1) liegenden Speichervolumen des Speichers (7) verbunden ist.
Anodensubsystem (12) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Steigleitung (9) über eine Steighöhe (h2) erstreckt, die, bezogen auf eine gemeinsame Referenzebene (10), größer als die maximale Füllhöhe (h1) ist, wobei vorzugsweise ein Boden (13) des Speichers (7) die gemeinsame Referenzebene (10) ausbildet.
Anodensubsystem (12) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Steighöhe (h2) 115 % bis 150% der maximalen Füllhöhe (h1) beträgt.
Anodensubsystem (12) nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltventil (8) auslassseitig mit einer kathodenseitigen Abluftleitung (11) verbunden ist, wobei vorzugsweise die Verbindung über eine Verbindungsleitung (14) hergestellt ist.
Anodensubsystem (12) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsleitung (14) auf einer Anschlusshöhe (h3) an die Abluftleitung (11) angeschlossen ist, die bezogen auf die Referenzebene (10) kleiner als die Steighöhe (h2) ist.
Brennstoffzellensystem (1) mit einem Brennstoffzellenstapel (2) und einem Anodensubsystem (12) nach einem der Ansprüche 4 bis 8, wobei vorzugsweise das Anodensubsystem (12) über eine Adapterplatte (15) und/oder eine Isolierplatte (16) mit dem Brennstoffzellenstapel (2) verbunden ist.