-
Die Erfindung betrifft eine Betriebsmediumversorgung, insbesondere eine Anodenversorgung und/oder eine Kathodenversorgung für einen Brennstoffzellenstapel. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Trocknen eines Brennstoffzellenstapels. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Brennstoffzellenaggregat, ein Brennstoffzellensystem und ein Brennstoffzellenfahrzeug.
-
Stand der Technik
-
In einer Niedertemperatur-Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle eines Brennstoffzellenaggregats (stationär oder mobil) z. B. eines Brennstoffzellensystems bspw. eines Brennstoffzellenfahrzeugs erfolgt eine elektrochemische Wandlung zweier Reaktanten zweier Betriebsmedien in elektrische Energie und Wärme. Hierbei umfasst die Brennstoffzelle zumindest eine Membran-Elektroden-Einheit (MEA: Membrane Electrode Assembly). In der Regel ist die Brennstoffzelle mit einer Vielzahl von in einem Stapel angeordneter Membran-Elektroden-Einheiten und dazwischen angeordneter Bipolarplatten ausgebildet (Brennstoffzellenstapel bzw. Stack).
-
Ein Brennstoffzellenstapel eines Brennstoffzellenaggregats wird meist in einem Gegenstrom oder in einem Kreuzstrom seiner Betriebsmedien betrieben. Dadurch stellt sich eine innere Befeuchtung und/oder innere Wasserrezirkulation im Brennstoffzellenstapel ein. Ein feuchter Kathodenaustritt der Kathodenräume befeuchtet einen trockenen Anodeneintritt der Anodenräume des Brennstoffzellenstapels und vice versa. Dies ist in einem Normalbetrieb des Brennstoffzellenstapels vorteilhaft und ermöglicht den Betrieb des Brennstoffzellenstapels ohne bzw. mit einem nur kleinen externen Befeuchter. Für das Abstellen des Brennstoffzellenaggregats muss die Feuchte aus dem Normalbetrieb des Brennstoffzellenaggregats insbesondere für einen ggf. zu erwartenden Gefrierstart abgesenkt werden.
-
Aufgabenstellung
-
Eine Trocknungsstrategie des Brennstoffzellenstapels ist z. B. entscheidend für einen erfolgreichen Gefrierstart des Brennstoffzellensystems. Ziel der Trocknungsstrategie sind eine homogene niedrige Feuchte des Brennstoffzellenstapels, insbesondere der Membran und der Katalysatorschichten, und von Subsystemen für den Brennstoffzellenstapel. Die Trocknung soll nach Möglichkeit schnell und energieeffizient (Leistungsbedarf Verdichter, Wasserstoffverluste durch Spülen (Purgen)) erfolgen. - Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zur Trocknung sowie ein Verfahren zum Trocknen eines Brennstoffzellenstapels anzugeben.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Die Aufgabe der Erfindung ist mittels einer Betriebsmediumversorgung, insbesondere einer Anodenversorgung und/oder einer Kathodenversorgung für einen Brennstoffzellenstapel eines Brennstoffzellenaggregats, insbesondere eines Brennstoffzellenfahrzeugs; durch ein Verfahren zum Trocknen eines Brennstoffzellenstapels eines Brennstoffzellenaggregats, insbesondere eines Brennstoffzellenfahrzeugs; sowie ein Brennstoffzellenaggregat, ein Brennstoffzellensystem oder ein Brennstoffzellenfahrzeug gelöst. - Vorteilhafte Weiterbildungen, zusätzliche Merkmale und/oder Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und der folgenden Beschreibung.
-
Eine innere Wasserzirkulation bei Brennstoffzellenaggregaten, die insbesondere in einem Gegenstrom oder in einem Kreuzstrom betreibbar sind, hat im Normalbetrieb etliche Vorteile. - Gemäß der Erfindung wurde festgestellt, dass ein Normalbetrieb eines Brennstoffzellenaggregats im Rahmen einer Trocknungsstrategie ein schnelles und energieeffizientes Trocknen eines Brennstoffzellenstapels des Brennstoffzellenaggregats verhindert. D. h. ein im Normalbetrieb positiver Effekt ist im Rahmen einer Trocknungsstrategie des Brennstoffzellenstapels nachteilig, weil im Normalbetrieb eine Trocknung nur langsam erfolgen kann und somit deren Wirksamkeit reduziert ist.
-
Eine adäquate Trocknung dauert daher vergleichsweise lang mit entsprechenden negativen Konsequenzen, wie z. B. einer langen Abstellphase des Brennstoffzellenaggregats und eines hohen Energieverbrauchs. Hierbei wird Elektrizität durch einen Betrieb der Nebenaggregate, allen voran durch eine Fluid-Fördereinrichtung verbraucht. Ferner wird Wasserstoff verbraucht, da während der Abstellphase eine hohe Wasserstoff-Konzentration vorliegen muss, was durch Spülen sichergestellt wird. Ferner können Inhomogenitäten der Membranfeuchte durch eine lange Trocknungsstrategie verstärkt werden, z. B. eine Membranfeuchte an einem Anodenaustritt des Brennstoffzellenstapels bei einem Gegenstrom seiner Betriebsmedien.
-
Die erfindungsgemäße Betriebsmediumversorgung umfasst einen Versorgungspfad und einen Abgaspfad, und/oder einen Rezirkulationskreislauf, mittels welchen/m wenigstens eine Elektrode, also die Anode und/oder die Kathode, eines Brennstoffzellenstapels von einem Betriebsgas in einer normalbetrieblichen Strömungsrichtung durchströmbar ist oder in einem Normalbetrieb des Brennstoffzellenstapels in einer normalbetrieblichen Strömungsrichtung durchströmt wird. Die Betriebsmediumversorgung weist wenigstens eine Einrichtung zur Strömungsrichtungsumkehr auf, mittels welcher die wenigstens eine Elektrode in einem Trocknungsbetrieb des Brennstoffzellenstapels in gegenüber dem Normalbetrieb umgekehrter Strömungsrichtung vom Betriebsgas durchströmbar ist oder durchströmt wird.
-
Gemäß der Erfindung reduziert sich eine erforderliche Dauer für eine Trocknung eines Brennstoffzellenstapels deutlich. Hierbei erfolgt die Trocknung deutlich energieeffizienter, d. h. ein insbesondere geringerer Leistungsbedarf einer Fluid-Fördereinrichtung, insbesondere eines Verdichters, ein geringerer Wasserstoffverbrauch sowie geringere Wasserstoffverluste durch Spülen.
-
Im Trocknungsbetrieb des Brennstoffzellenstapels kann mittels der Einrichtung zur Strömungsrichtungsumkehr eine Anode des Brennstoffzellenstapels von einem Anodengas als Betriebsgas gegenüber dem Normalbetrieb umgekehrt durchströmbar sein oder durchströmt werden. Ferner kann im Trocknungsbetrieb eine Kathode des Brennstoffzellenstapels von einem Kathodengas als Betriebsgas gegenüber dem Normalbetrieb umgekehrt durchströmbar sein oder durchströmt werden. Hierbei ist es im Trocknungsbetrieb möglich, lediglich in der Anode oder lediglich in der Kathode oder sowohl in der Anode als auch in der Kathode die Strömungsrichtung des jeweiligen Betriebsgases umzukehren.
-
Die Einrichtung zur Strömungsrichtungsumkehr kann als wenigstens ein Umschaltventil ausgebildet sein, das in einer Anodenversorgung und/oder in einer Kathodenversorgung des Brennstoffzellenstapels zur Umkehrung der jeweiligen Strömungsrichtung ausgebildet ist. Hierbei kann das Umschaltventil als ein 4/2-Wege-Umschaltventil der Anodenversorgung und/oder als ein 4/2-Wege-Umschaltventil der Kathodenversorgung ausgebildet sein. Hierbei können die zwei Umschaltventile der Anoden- und Kathodenversorgung als ein einziges Ventil ausgebildet oder gemeinsam ansteuerbar sein. Hierbei kann mittels des Ventils ein bezüglich der betreffenden Elektrode stromaufwärtiger Pfad und ein bezüglich der Elektrode stromabwärtiger Pfad vertauscht werden, d. h. die Pfade von einem Parallelbetrieb in einen Kreuzbetrieb bzw. umgekehrt, und natürlich wieder zurück zu schalten.
-
Die erfindungsgemäße Anodenversorgung oder die erfindungsgemäße Betriebsmediumversorgung als Anodenversorgung weist einen Anoden-Rezirkulationskreislauf auf, mittels welchem eine Anode des Brennstoffzellenstapels von einem Anodengas in einer normalbetrieblichen Strömungsrichtung durchströmbar ist oder in einem Normalbetrieb des Brennstoffzellenstapels in einer normalbetrieblichen Strömungsrichtung durchströmt wird. Der Anoden-Rezirkulationskreislauf oder die Anodenversorgung weist eine Einrichtung zur Strömungsrichtungsumkehr auf, mittels welcher die Anode in einem Trocknungsbetrieb des Brennstoffzellenstapels in gegenüber dem Normalbetrieb umgekehrter Strömungsrichtung vom Anodengas durchströmbar ist oder durchströmt wird.
-
Die Anodenversorgung umfasst einen Anoden-Kreislauf mit wenigstens einem Anoden-Versorgungspfad zum Zuführen eines Anoden-Betriebsmediums zu den Anodenräumen (Anode) des Brennstoffzellenstapels, und mit wenigstens einem Anoden-Abgaspfad zum Abführen eines Anoden-Abgasmediums aus den Anodenräumen (Anode) des Brennstoffzellenstapels. Eine Anoden-Rezirkulationsleitung führt vom Anoden-Abgaspfad unter bypassen des Brennstoffzellenstapels zum Anoden-Versorgungspfad, wodurch Anoden-Abgasmedium zurück in den Anoden-Versorgungspfad gefördert werden kann. Dabei umfasst der Anoden-Rezirkulationskreislauf die Anoden-Rezirkulationsleitung einen stromaufwärtigen Abschnitt des Anoden-Versorgungspfads hin zum Brennstoffzellenstapel, die Anode bzw. die Anodenräume des Brennstoffzellenstapels und einen stromabwärtigen Abschnitt des Anoden-Abgaspfads hin zur Anoden-Rezirkulationsleitung.
-
Die Anode ist in einem Rezirkulationsbetrieb des Normalbetriebs in der normalbetrieblichen Strömungsrichtung durchströmbar oder wird entsprechend durchströmt. Hierbei ist der Rezirkulationsbetrieb des Brennstoffzellenstapels des Brennstoffzellenstapels ein hauptsächlicher Betriebsmodus des Brennstoffzellenstapels. Die Anodenversorgung kann insbesondere derart ausgebildet sein, dass das im Rezirkulationsbetrieb rezirkulierende Anodengas mit frischem Brennstoff, insbesondre Wasserstoff, versorgt wird.
-
Die Anode ist in einem Spülbetrieb des Normalbetriebs in der normalbetrieblichen Strömungsrichtung durchströmbar oder wird entsprechend durchströmt. Im Spülbetrieb des Brennstoffzellenstapels wird beim Spülen der Anodenversorgung bzw. des Brennstoffzellenstapels Anodengas zum Auspuff des Brennstoffzellenaggregats gefördert. - Im Trocknungsbetrieb hingegen ist das Anodengas des Brennstoffzellenstapels im Anoden-Rezirkulationskreislauf in umgekehrter Strömungsrichtung rezirkulierbar oder wird in umgekehrter Strömungsrichtung rezirkuliert.
-
Im Trocknungsbetrieb ist die Anodenversorgung derart betreibbar oder wird derart betrieben, dass im Anodengas Wasser aus dem Brennstoffzellenstapel aufnehmbar ist oder aufgenommen wird, wobei im Trocknungsbetrieb im Anodengas Wasser zunehmend homogener verteilbar ist oder verteilt wird.
-
Die Einrichtung zur Strömungsrichtungsumkehr kann als ein Umschaltventil, insbesondere ein 4/2-Wege-Umschaltventil, ausgebildet sein. Hierbei kann mittels des Ventils ein bezüglich der Anode stromaufwärtiger Pfad des Anoden-Rezirkulationskreislaufs und ein bezüglich der Anode stromabwärtiger Pfad des Anoden-Rezirkulationskreislaufs vertauscht werden, d. h. die Pfade von einem Parallelbetrieb in einen Kreuzbetrieb bzw. umgekehrt, und natürlich wieder zurück zu schalten.
-
Die Einrichtung zur Strömungsrichtungsumkehr kann als eine bidirektionale Fluid-Fördereinrichtung im Anoden-Rezirkulationskreislauf ausgebildet sein. D. h. die Umkehr der normalbetrieblichen Strömungsrichtung kann z. B. durch eine Drehrichtungsumkehr der Fluid-Fördereinrichtung realisiert sein, wobei bevorzugt eine Fluid-Fördereinrichtung zum Einsatz kommt, welche keine innere Verdichtung aufweist (z. B. Roots-Typ).
-
Die Einrichtung zur Strömungsrichtungsumkehr kann mittels eines zu einem Anoden-Rezirkulationskreislauf idealisiert antiparallelen bzw. idealisiert gegensinnig (Gegenstrom/Gleichstrom (erster Strömungssinn) und Gleichstrom/Gegenstrom (zweiter Strömungssinn)) durchströmbaren Anoden-Kreislaufs realisiert sein, in welchen eine Fluid-Fördereinrichtung eingerichtet ist. Hierbei kann die Fluid-Fördereinrichtung insbesondere als eine monodirektionale Fluid-Fördereinrichtung ausgebildet sein, welche entgegen eines Rezirkulationssinns des Anoden-Rezirkulationskreislaufs im antiparallelen bzw. gegensinnig durchströmbaren Anoden-Kreislauf förderbar eingerichtet ist.
-
Die Einrichtung zur Strömungsrichtungsumkehr kann genau oder wenigstens zwei Teilkreisläufe aufweisen, welche gegensinnig durchströmbar im Anoden-Rezirkulationskreislauf eingerichtet sind. - Ein gegensinniges Durchströmen eines erstes Teilkreislaufs und eines zweiten Teilkreislaufs kann mittels zweier Laufräder bevorzugt einer einzigen Fluid-Fördereinrichtung realisiert sein. Hierbei müssen dementsprechend Absperrklappen bzw. -ventile in den Teilkreisläufen eingerichtet sein.
-
Ein Durchströmen eines erstes Teilkreislaufs kann mittels einer Strahlpumpe und eines ersten Laufrads einer Fluid-Fördereinrichtung, und ein Durchströmen eines zweiten Teilkreislaufs kann mittels eines zweiten Laufrads der Fluid-Fördereinrichtung realisiert sein. - Ferner kann ein Durchströmen eines erstes Teilkreislaufs mittels einer Strahlpumpe und ein Durchströmen eines zweiten Teilkreislaufs mittels einer Fluid-Fördereinrichtung realisiert sein.
-
Die Einrichtung zur Strömungsrichtungsumkehr kann genau oder wenigstens zwei Teilkreisläufe aufweisen, welche gegensinnig durchströmbar im Anoden-Rezirkulationskreislauf eingerichtet sind, wobei ein Durchströmen eines erstes Teilkreislaufs mittels einer ersten Strahlpumpe und ein Durchströmen eines zweiten Teilkreislaufs mittels einer zweiten Strahlpumpe realisiert ist. D. h. diese Anodenversorgung besitzt eine zusätzliche Strahlpumpen-Anordnung, welche Wasserstoff entgegen einer normalbetrieblichen Strömungsrichtung fördern kann. Bevorzugt sind beide Teilkreisläufe als Teilkreisläufe mit passiver Rezirkulation des Anodengases ausgebildet. Dabei kann eine Auslegung angewendet sein, welche für geringe maximale Durchsätze und hohe Druckdifferenzen verbessert ist (hohe Druckdifferenz für einen Wassertropfenaustrag). Hierbei müssen natürlich Absperrklappen bzw. -ventile in den Teilkreisläufen entsprechend eingerichtet sein.
-
Alternativ kann ein Durchströmen des erstes Teilkreislaufs mittels einer ersten Strahlpumpe und mittels einer Fluid-Fördereinrichtung, und ein Durchströmen des zweiten Teilkreislaufs mittels einer zweiten Strahlpumpe realisiert sein. Auch hier ist analog zu oben eine zusätzliche Strahlpumpen-Anordnung eingerichtet, wobei bevorzugt jedoch nur ein einziger Teilkreislauf als Teilkreislauf mit passiver Rezirkulation des Anodengases ausgebildet ist. Die Strahlpumpen-Anordnung mit aktiver Rezirkulation (Fluid-Fördereinrichtung) wirkt dabei bevorzugt in Strömungsrichtung des Normalbetriebs und kann im Vergleich mit dem Stand der Technik leistungsschwächer ausgebildet sein. Ferner müssen wiederum Absperrklappen bzw. -ventile in den Teilkreisläufen entsprechend eingerichtet sein.
-
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Trocknen eines Brennstoffzellenstapels wird in einem Trocknungsbetrieb des Brennstoffzellenstapels in wenigstens einer Betriebsmediumversorgung, insbesondere einer Anodenversorgung und/oder einer Kathodenversorgung, des Brennstoffzellenstapels, von einem Betriebsgas des Brennstoffzellenstapels gegenüber einem Normalbetrieb des Brennstoffzellenstapels eine umgekehrte Strömungsrichtung in der Betriebsmediumversorgung eingerichtet. - Hierdurch wird die innere Wasserzirkulation wenigstens zeitweise verhindert bzw. verkleinert und eine Trocknungsstrategie verbessert.
-
Für das Trocknen kann wenigstens eine normalbetriebliche Strömungsrichtung in wenigstens einer Elektrode des Brennstoffzellenstapels umgekehrt werden. Das Umkehren der normalbetrieblichen Strömungsrichtung in die umgekehrte Strömungsrichtung kann zeitlich vor oder zeitlich während eines Trocknens des Brennstoffzellenstapels erfolgen. Ferner kann das Umkehren der normalbetrieblichen Strömungsrichtung in die umgekehrte Strömungsrichtung während eines Stillstands des Brennstoffzellenfahrzeugs erfolgen.
-
Durch das Verfahren kann in lediglich einer Betriebsmediumversorgung die gegenüber dem Normalbetrieb umgekehrte Strömungsrichtung eingerichtet werden. Ferner kann durch das Verfahren in lediglich der Anodenversorgung die gegenüber dem Normalbetrieb umgekehrte Strömungsrichtung eingerichtet werden. Hierbei wird aus einem Gegenstrom/Gleichstrom von Anode und Kathode ein Gleichstrom/Gegenstrom von Anode und Kathode. Alternativ können durch das Verfahren in beiden Betriebsmediumversorgungen gegenüber dem Normalbetrieb umgekehrte Strömungsrichtungen eingerichtet werden. Hierbei wird aus einem Gegenstrom/Gleichstrom von Anode und Kathode ein umgekehrter Gegenstrom/Gleichstrom von Anode und Kathode.
-
Das Verfahren kann z. B. lediglich dann durchgeführt werden, wenn eine Bedingung für ein Trocknen des Brennstoffzellenstapels aktuell vorliegt oder in naher Zukunft zu erwarten ist. Ferner kann das Verfahren dann durchgeführt werden, wenn eine Flutung einer Elektrode, insbesondere eine Flutung der Anode, abzusehen ist. Hierdurch wird ein erhöhter Wassertransport von der Anode zur Kathode ermöglicht, wodurch sich eine niedrigere Feuchte in der Anode einstellt, was z. B. nach einem Temperatur- und/oder Lastabwurf der Fall sein kann. Dies kann insbesondere als eine Zwischenkonditionierung in einem Stand-by (Start/Stopp-Betrieb) des Brennstoffzellenaggregats erfolgen. Das Verfahren kann z. B. lediglich dann durchgeführt werden, wenn bei einer nächsten Inbetriebnahme des Brennstoffzellenstapels ein Gefrierstart zu erwarten ist.
-
Das Verfahren ist z. B. mittels einer erfindungsgemäßen Betriebsmediumversorgung, insbesondere einer erfindungsgemäßen Anodenversorgung, durchführbar. Das erfindungsgemäße Brennstoffzellenaggregat, das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem oder das erfindungsgemäße Brennstoffzellenfahrzeug kann eine erfindungsgemäße Betriebsmediumversorgung, insbesondere eine erfindungsgemäße Anodenversorgung aufweisen. Ferner ist durch das Brennstoffzellenaggregat, das Brennstoffzellensystem oder das Brennstoffzellenfahrzeug ein erfindungsgemäßes Verfahren durchführbar.
-
Kurzbeschreibung der Figuren
-
Die Erfindung ist im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügte schematische und nicht maßstabsgetreue Zeichnung näher erläutert. Bei der Erfindung kann ein Merkmal positiv, d. h. vorhanden, oder negativ, d. h. abwesend, ausgestaltet sein. In dieser Spezifikation ist ein negatives Merkmal als Merkmal nicht explizit erläutert, wenn nicht gemäß der Erfindung Wert daraufgelegt ist, dass es abwesend ist. D. h. die tatsächlich gemachte und nicht eine durch den Stand der Technik konstruierte Erfindung darin besteht, dieses Merkmal wegzulassen. Das Fehlen eines Merkmals (negatives Merkmal) in einem Ausführungsbeispiel zeigt, dass das Merkmal optional ist. - In den lediglich beispielhaften Figuren (Fig.) der Zeichnung zeigen:
- Die 1 in einem vereinfachten Blockschaltbild eine Ausführungsform eines Brennstoffzellenaggregats für ein Brennstoffzellensystem eines Brennstoffzellenfahrzeugs, und
- die 2 bis 8 jeweils in einem vereinfachten Blockschaltbild eine Ausführungsform einer Anodenversorgung für einen Brennstoffzellenstapel eines Brennstoffzellenaggregats, und
- die 9 ein mögliches Ablaufdiagramm für ein Verfahren zum Trocknen eines Brennstoffzellenstapels eines Brennstoffzellenaggregats, insbesondere eines Brennstoffzellenfahrzeugs.
-
Ausführungsformen der Erfindung
-
Die Erfindung ist anhand von acht Ausführungsformen einer Betriebsmediumversorgung 20, 30 (vgl. die 1 bis 8) für einen Brennstoffzellenstapel 10 und anhand eines Verfahrens 200 (vgl. die 9) zum Trocknen eines Brennstoffzellenstapels 10 eines Brennstoffzellenaggregats 1 insbesondere für ein Niedertemperatur-Polymerelektrolyt-Brennstoffzellensystem eines Brennstoffzellenfahrzeugs, d. h. eines Kraftfahrzeugs aufweisend eine Brennstoffzelle bzw. ein Brennstoffzellensystem, näher erläutert.
-
In der Zeichnung sind nur diejenigen Abschnitte des Brennstoffzellensystems dargestellt, welche für ein Verständnis der Erfindung notwendig sind. Obwohl die Erfindung im Detail durch bevorzugte Ausführungsbeispiele näher beschrieben und illustriert ist, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Ausführungsbeispiele eingeschränkt. Andere Variationen können hieraus abgeleitet werden ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
-
Die 1 zeigt das Brennstoffzellenaggregat 1 gemäß einer Ausführungsform, mit wenigstens einer, insbesondere einer Mehrzahl von zu einem Brennstoffzellenstapel 10 gebündelten elektrochemischen Einzel-Brennstoffzellen 11, 11, ... (Einzelzellen 11, 11, ...), die in einem bevorzugt fluiddichten Stapelgehäuse 16 untergebracht sind. Jede Einzelzelle 11 umfasst einen als Anodenraum 12 ausgebildeten Elektrodenraum 12 und einen als Kathodenraum 13 ausgebildeten Elektrodenraum 13, welche von einer Membran einer Membran-Elektroden-Einheit 15 räumlich und elektrisch voneinander getrennt sind.
-
Zwischen zwei direkt zueinander benachbarten Membran-Elektroden-Einheiten 15, 15 inkl. eines betreffenden Anodenraums 12 und Kathodenraums 13 ist jeweils eine Bipolarplatte 14 (Separatorplatten-Baugruppe bevorzugt aus einer Anodenplatine (Elektrodenplatine) und einer Kathodenplatine (Elektrodenplatine)) angeordnet, welche u. a. einer Hinführung/Abführung von Betriebsmedien 3, 5 in einen Anodenraum 12 einer ersten Einzelzelle 11 und einen Kathodenraum 13 einer direkt dazu benachbarten zweiten Einzelzelle 11 dient und darüber hinaus eine elektrisch leitende Verbindung zwischen diesen Einzelzellen 11, 11 realisiert.
-
Zur Versorgung des Brennstoffzellenstapels 10 mit seinen eigentlichen Betriebsmedien 3 (Anoden-Betriebsmedium, eigentlicher Brennstoff), 5 (Kathoden-Betriebsmedium, meist Luft) weist das Brennstoffzellenaggregat 1 eine Anodenversorgung 20 und eine Kathodenversorgung 30 des Brennstoffzellenstapels 10 auf. Die Anodenversorgung 20 ver-/entsorgt eine Anode 122 (Elektrode 122) umfassend die Anodenräume 12 des Brennstoffzellenstapels 10, mit einem Anodengas 3/4 als Betriebsgas 5/6. Die Kathodenversorgung 30 ver-/entsorgt eine Kathode 123 (Elektrode 123) umfassend die Kathodenräume 13 des Brennstoffzellenstapels 10, mit einem Kathodengas 5/6 als Betriebsgas 5/6.
-
Die Anodenversorgung 20 umfasst insbesondere: einen Brennstoffspeicher 23 für das Anoden-Betriebsmedium 3 (hinströmend); einen Anoden-Versorgungspfad 21 mit einem Absperr-/Dosierventil 27 und eine Strahlpumpe 24; einen Anoden-Abgaspfad 22 für ein Anoden-Abgasmedium 4 (abströmend, meist in die Umgebung 2); bevorzugt eine Anoden-Rezirkulationsleitung 25 mit einer darin befindlichen Fluid-Fördereinrichtung 26; ggf. einen Wasserabscheider und ggf. einen Wasserbehälter.
-
Die Kathodenversorgung 30 umfasst insbesondere: einen Kathoden-Versorgungspfad 31 für das Kathoden-Betriebsmedium 5 (hinströmend, meist aus der Umgebung 2), mit bevorzugt einer Fluid-Fördereinrichtung 33; einen Kathoden-Abgaspfad 32 für ein Kathoden-Abgasmedium 6 (abströmend, meist in die Umgebung 2), mit bevorzugt einer Turbine 34, insbesondere für die Fluid-Fördereinrichtung 33; bevorzugt einen Feuchteübertrager 36; ggf. ein Wastegate 35 zwischen dem Kathoden-Versorgungspfad 31 und dem Kathoden-Abgaspfad 32; ggf. einen Wasserabscheider und ggf. einen Wasserbehälter.
-
Das Brennstoffzellenaggregat 1 umfasst ferner insbesondere eine Kühlmediumversorgung 40 eines Thermalsystems insbesondere des Brennstoffzellenfahrzeugs, durch welche hindurch die Brennstoffzelle bevorzugt mittels ihrer Bipolarplatten 14 (Kühlmediumpfade 43) in einen Kühlkreislauf wärmeübertragend zum Temperieren einbindbar ist. Die Kühlmediumversorgung 40 umfasst einen Kühlmedium-Zulaufpfad 41 und einen Kühlmedium-Ablaufpfad 42. Eine Förderung des in der Kühlmediumversorgung 40 zirkulierenden Kühlmediums 7 (hinströmend), 8 (abströmend) erfolgt bevorzugt mittels wenigstens einer Kühlmedium-Fördereinrichtung 44.
-
Das Brennstoffzellensystem umfasst neben dem Brennstoffzellenaggregat 1 periphere Systemkomponenten, wie z. B. ein Steuergerät, welches eines des Brennstoffzellenfahrzeugs selbst sein kann.
-
Wie eingangs erläutert ist eine Trocknungsstrategie des Brennstoffzellenstapels 10 und ggf. von Subsystemen davon wichtig. Eine Trocknung soll dabei schnell und energieeffizient erfolgen. Dies kann durch ein in der 9 dargestelltes Verfahren 200 zum Trocknen eines Brennstoffzellenstapels 10 realisiert werden. Eine oben und auch unten erläuterte Betriebsmediumversorgung 20, 30 mit einer Einrichtung zur Strömungsrichtungsumkehr 105, 106 (vgl. die 1 bis 8) nur für die Anode 122, ggf. sogar nur für die Kathode 123 oder für die Anode 122 und die Kathode 123 kann dabei zum Durchführen des Verfahrens 200 angewendet werden.
-
Für das Verfahren 200 zum Trocknen insbesondere des Brennstoffzellenstapels 10 sollte zunächst eine Bedingung für ein Trocknen 190 vorliegen. Solch eine Bedingung 190 ist z. B. eine drohende Flutung einer Elektrode 122, 123, insbesondere der Anode 122, des Brennstoffzellenstapels 10, ein zu erwartender Gefrierstart bei einer nächsten Inbetriebnahme des Brennstoffzellenaggregats 1 etc. Mögliche Alternativen sind z. B., das Verfahren 200 in regelmäßigen Abständen, in Abhängigkeit von regelmäßig auftretenden Betriebsparametern und/oder bei im Wesentlichem einem jedem Abstellen des Brennstoffzellenaggregats 1 durchzuführen.
-
Liegt wenigstens eine Bedingung zum Trocknen 190 vor, so wird das Verfahren 200 gestartet (Schritt 210) und der Trocknungsbetrieb 220 durchgeführt. Hierbei wird wenigstens eine normalbetriebliche Strömungsrichtung ↺ (in den 2 bis 8 jeweils durch einen durchgezogenen und gekrümmten Pfeil repräsentiert) in einem Normalbetrieb des Brennstoffzellenstapels 10, in wenigstens einer der Betriebsmediumversorgungen 20, 30 des Brennstoffzellenstapels 10 in eine umgekehrte, d. h. trocknungsbetriebliche Strömungsrichtung ↻ (in den 2 bis 8 jeweils durch einen gestrichelten und gekrümmten Pfeil repräsentiert) in einem Trocknungsbetrieb 220 des Brennstoffzellenstapels 10 gewandelt.
-
D. h. die wenigstens eine Elektrode 122, 123 des Brennstoffzellenstapels 10 wird im Trocknungsbetrieb 220 gegenüber dem Normalbetrieb (zeitlich vor bzw. noch im Schritt 190) in umgekehrter Strömungsrichtung ↻ vom Betriebsgas 3/4, 5/6 durchströmt. Hierbei kann lediglich die Strömungsrichtung in der Anodenversorgung 20 oder lediglich die Strömungsrichtung der Kathodenversorgung 30 oder die Strömungsrichtungen sowohl der Anodenversorgung 20 als auch der Kathodenversorgung 30 umgekehrt werden. Also ein Umkehren einer (jeweils) normalbetrieblichen Strömungsrichtung ↺ in eine (jeweils) umgekehrte Strömungsrichtung ↻.
-
In regelmäßigen zeitlichen Abständen kann geprüft werden, ob der Brennstoffzellenstapel 10 und/oder wenigstens ein anderes Subsystem der Betriebsmediumversorgung 20, 30 ausreichend trocken ist. Dies kann durch Erfahrungswerte, z. B. einer künstlichen Intelligenz (KI) und/oder sensierte, detektierte und/oder gemessene Werte erfolgen. Ist die Trocknung noch nicht wenigstens ausreichend, so wird in Schritt 232 (nein) entschieden, dass das Verfahren 200 im Trocknungsbetrieb 220 fortgesetzt wird. Ist die Trocknung des Brennstoffzellenstapels 10 und/oder des anderen Subsystems wenigstens ausreichend bis trocken, so wird in Schritt 231 (ja) entschieden, dass das Verfahren 200 beendet wird (Ende des Verfahrens 240).
-
Die 1 bis 8 zeigen beispielhafte Einrichtungen, wie eine Umkehrung einer (ggf. jeweiligen) Strömungsrichtung ↺ in einer Betriebsmediumversorgung 20, 30 in eine (ggf. jeweilige) andere, umgekehrte Strömungsrichtung ↻ realisierbar ist. Hierfür kommt genau eine (2 bis 8) oder wenigstens eine (1 ggf. i. V. m. 2) Einrichtung zur Strömungsrichtungsumkehr 105, 106 zur Anwendung. Mittels der Einrichtung zur Strömungsrichtungsumkehr 105, 106 ist in wenigstens einer Elektrode 122, 123 des Brennstoffzellenstapels 10 eine normalbetriebliche Strömungsrichtung ↺ (Normalbetrieb des Brennstoffzellenstapels 10: durchgezogene gekrümmte Pfeile, 2 bis 8) eines Betriebsgases 3/4, 5/6 in eine umgekehrte Strömungsrichtung ↻ (Trocknungsbetrieb des Brennstoffzellenstapels 10: gestrichelte gekrümmte Pfeile, 2 bis 8) umkehrbar.
-
Hierbei zeigt die 1 eine Einrichtung zur Strömungsrichtungsumkehr 105 bzw. 106 in der Kathodenversorgung 30 zur Umkehr der Strömungsrichtung ↺/↻ des Kathodengases 5/6 in der Kathode 123. Diese kann ggf. in Alleinstellung (106) oder, bevorzugt, in einem Zusammenwirken mit einer Einrichtung zur Strömungsrichtungsumkehr 105 für die Anode 122, insbesondre der der 2, zur Anwendung kommen (vgl. unten). - Andere Ausführungsformen der Einrichtung zur Strömungsrichtungsumkehr 105 bzw. 106 in der Kathodenversorgung 30, die sich ggf. an eine der Anodenversorgung 20 anlehnen, sind natürlich anwendbar.
-
Die Einrichtung zur Strömungsrichtungsumkehr 105 bzw. 106 der Kathodenversorgung 30 ist dabei als ein Umschaltventil 150, insbesondre als ein 4/2-Wege-Umschaltventil 150, zwischen dem Kathoden-Versorgungspfad 31 und dem Kathoden-Abgaspfad 32 eingerichtet. Je nach einer Stellung des Umschaltventils 150 kann ein Kathodeneingang mit einem Kathodenausgang und der Kathodenausgang mit dem Kathodeneingang fluidmechanisch vertauscht werden (Parallelbetrieb der Pfade 31, 32 in Kreuzbetrieb der Pfade 31, 32 und vice versa).
-
Die nachfolgend erläuterten Einrichtungen zur Strömungsrichtungsumkehr 105 (vgl. die 2 bis 8) betreffen insbesondere die Anodenversorgung 20. Hierfür ist in 2 bis 8 eine jeweilige Anodenversorgung 20 näher skizziert. Die jeweilige Anodenversorgung 20 umfasst ausgehend vom Brennstoffspeicher 23 am/im Anoden-Versorgungspfad 21 einen Druckminderer 110 und ein Wasserstoffdosierventil 130. Stromabwärts mündet der Anoden-Versorgungspfad 21 in der Anode 122 des Brennstoffzellenstapels 10. Stromabwärts des Brennstoffzellenstapels 10 mündet die Anode 122 im Anoden-Abgaspfad 22, in welchem ein Spülventil 140 eingerichtet ist.
-
Stromaufwärts des Spülventils 140 im Anoden-Abgaspfad 22 zweigt die Anoden-Rezirkulationsleitung 25 ab und führt am Brennstoffzellenstapel 10 vorbei und mündet stromabwärts des Wasserstoffdosierventils 130 im Anoden-Versorgungspfad 21; die Anoden-Rezirkulationsleitung 25 bypasst also den Brennstoffzellenstapel 10. In der Anoden-Rezirkulationsleitung 25 kann die Fluid-Fördereinrichtung 26 (aktive Rezirkulation) vorgesehen sein, oder die Anoden-Rezirkulationsleitung 25 kann frei (passive Rezirkulation) von einer Fluid-Fördereinrichtung bzw. Fluid-Fördervorrichtung sein.
-
D. h. die Anoden-Rezirkulationsleitung 25, ein stromaufwärtiger Abschnitt des Anoden-Versorgungspfads 21 hin zum Brennstoffzellenstapel 10, die Anode 122 und ein stromabwärtiger Abschnitt des Anoden-Abgaspfads 22 hin zur Anoden-Rezirkulationsleitung 25 bildeten einen Anoden-Rezirkulationskreislauf 100 mit einer in Rezirkulationsrichtung (normalbetriebliche Strömungsrichtung ↺) fördernden Fluid-Fördereinrichtung 26 (vgl. auch die 1 bis 5 und 8, aktive Rezirkulation) oder ohne eine in eine Rezirkulationsrichtung fördernde Fluid-Fördereinrichtung (vgl. auch die 6 und 7, passive Rezirkulation).
-
Die 2 zeigt eine Ausführungsform der Anodenversorgung 20 mit einer Einrichtung zur Strömungsrichtungsumkehr 105, welche analog zur 1 als ein Umschaltventil 150, insbesondre als ein 4/2-Wege-Umschaltventil 150, zwischen dem Anoden-Versorgungspfad 21 und der Rezirkulationsleitung 25 eingerichtet ist. Hierdurch ist ein Umschalten der normalbetrieblichen Strömungsrichtung ↺ durch die Anode 122 hindurch in die umgekehrte Strömungsrichtung ↻ durch die Anode 122 hindurch möglich.
-
Weist die Kathodenversorgung 30 eine Einrichtung zur Strömungsrichtungsumkehr 105 auf, so können diese und die Einrichtung zur Strömungsrichtungsumkehr 105 der Anodenversorgung 20 zusammen als eine einzige Einrichtung zur Strömungsrichtungsumkehr 105 für die Kathodenversorgung 30 und die Anodenversorgung 20 ausgebildet sein, wobei die Einrichtung zur Strömungsrichtungsumkehr 105 beide normalbetrieblichen Strömungsrichtungen ↺ in die umgekehrten Strömungsrichtungen ↻ umkehren kann. Natürlich können beide Einrichtungen zur Strömungsrichtungsumkehr 105, 106 auch getrennt voneinander realisiert sein.
-
Die 3 zeigt eine weitere Ausführungsform der Einrichtung zur Strömungsrichtungsumkehr 105 in der Anodenversorgung 20, welche als eine bidirektional wirkende Fluid-Fördereinrichtung 26 in der Rezirkulationsleitung 25 ausgebildet ist. D. h. im Normalbetrieb kann das Anodengas 3/4 mittels der Fluid-Fördereinrichtung 26 herkömmlich rezirkuliert werden (normalbetriebliche Strömungsrichtung ↺) und im Trocknungsbetrieb mittels der Fluid-Fördereinrichtung 26 in umgekehrter Rezirkulationsrichtung (umgekehrte Strömungsrichtung ↻). Die Fluid-Fördereinrichtung 26 kann dabei insbesondere mit einer Drehrichtungsumkehr arbeiten und weist bevorzugt keine innere Verdichtung auf.
-
Die folgenden 4 bis 8 zeigen weitere Ausführungsformen der Einrichtung zur Strömungsrichtungsumkehr 105 in der Anodenversorgung 20, wobei der jeweilige Anoden-Rezirkulationskreislauf 100 zwei vom Anodengas 3/4 gegensinnig durchströmbare Teilkreisläufe 101, 102 aufweist. Der erste Teilkreislauf 101 (in den 4 bis 8 durchgezogen: Normalbetrieb-Teilkreislauf 101) ist im Normalbetrieb mit der normalbetrieblichen Strömungsrichtung ↺ zur herkömmlichen Rezirkulation des Anodengases 3/4 betreibbar. Und der zweite Teilkreislauf 102 (in den 4 bis 8 gestrichelt: Trocknungsbetrieb-Teilkreislauf 102) ist im Trocknungsbetrieb mit der umgekehrten Strömungsrichtung ↻ gegensinnig zur herkömmlichen Rezirkulation des Anodengases 3/4 betreibbar. - Generell gilt, dass ein jeder der Teilkreisläufe 101, 102 abhängig oder unabhängig voneinander jeweils aktiv und/oder passiv betreibbar ist.
-
Damit der jeweilige Betrieb - also entweder der Normalbetrieb oder der Trocknungsbetrieb (dies gilt für alle Ausführungsformen) - in der Anodenversorgung 20 einrichtbar ist, ist im jeweiligen Teilkreislauf 101, 102 ein Absperrventil 163, 164 eingerichtet. Hierdurch kann ein Teilkreislauf 101/102 gesperrt werden, wodurch der jeweilig andere Teilkreislauf 102/101 betreibbar ist. Das betreffende Absperrventil 163, 164 kann dabei stromaufwärts oder stromabwärts einer Fluid-Fördereinrichtung 160; einer Fluid-Fördervorrichtung 161, 162, z. B. einem Laufrad 161, 162 einer Fluid-Fördereinrichtung 160; oder einer Strahlpumpe 24, 124 am/im Teilkreislauf 101, 102 eingerichtet sein.
-
Die Ausführungsform der Einrichtung zur Strömungsrichtungsumkehr 105 gemäß der 4 ist einerseits durch zwei solche Teilkreisläufe 101, 102 und durch eine Fluid-Fördereinrichtung 160 mit zwei Laufrädern 161, 162 realisiert, wobei ein erstes Laufrad 161 dem Normalbetrieb-Teilkreislauf 101 und ein zweites Laufrad 162 dem Trocknungsbetrieb-Teilkreislauf 102 zugehörig ist. Ferner ist jeweils stromabwärts des Laufrads 161, 162 ein Absperrventil 163, 164 im betreffenden Teilkreislauf 101, 102 eingerichtet. Die Teilkreisläufe 101, 102 münden beim Brennstoffzellenstapel 10 bevorzugt stromabwärts des Wasserstoffdosierventils 130 und stromaufwärts der Anode 122, sowie stromabwärts der Anode 122 und stromaufwärts des Spülventils 140 und bilden einen Abschnitt des Anoden-Rezirkulationskreislaufs 100.
-
Im Normalbetrieb ist das Absperrventil 164 geschlossen. Damit stellt sich eine Durchströmung des Normalbetrieb-Teilkreislaufs 101 über das erste Laufrad 161 der Fluid-Fördereinrichtung 160 ein, wobei das zweite Laufrad 162 bevorzugt im Leerlauf ist. Bei der Strömungsrichtungsumkehr wird das Absperrventil 163 geschlossen und das Absperrventil 164 geöffnet. Es stellt sich ein in der Anode 122 umgekehrter Durchfluss des Anodengases 3/4 über das zweite Laufrad 162 der Fluid-Fördereinrichtung 160 durch den Trocknungsbetrieb-Teilkreislauf 102 ein. - Die Absperrventile 163, 164 können aktiv angesteuert werden oder als passive Rückschlagklappen 163, 164 ausgebildet sein (was für alle Ausführungsformen gelten kann).
-
Hierbei weisen die Ausführungsformen der Einrichtung zur Strömungsrichtungsumkehr 105 gemäß den 2 bis 4 keine Strahlpumpe 24 auf; d. h. der Normalbetrieb umfasst unbedingt eine aktive Rezirkulation. Eine passive Rezirkulation über die Strahlpumpe 24 ist ggf. zusätzlich anwendbar (vgl. im Folgenden). Analog dazu weist der Trocknungsbetrieb ebenfalls eine aktive Rezirkulation des Anodengases 3/4 auf, wobei wiederum eine passive Rezirkulation über eine Strahlpumpe ggf. zusätzlich anwendbar ist (vgl. im Folgenden).
-
Die Ausführungsform der Einrichtung zur Strömungsrichtungsumkehr 105 gemäß der 5 offenbart für den Normalbetrieb zusätzlich zur Einrichtung zur Strömungsrichtungsumkehr 105 gemäß 4 eine bzw. die Strahlpumpe 24. Hierbei mündet ein Rücklauf des ersten Teilkreislaufs 101 in der Strahlpumpe 24. Bei der Strömungsrichtungsumkehr über das zweite Laufrad 162 der Fluid-Fördereinrichtung 160 für den Trocknungsbetrieb wird die Strahlpumpe 24 bypassiert, d. h. nicht rückwärts durchströmt. Ferner zeigt die 5 im Trocknungsbetrieb-Teilkreislauf 102, entgegen der 4, ein gegenüber dem zweiten Laufrad 162 stromaufwärtiges Absperrventil 164.
-
Die Ausführungsform der Einrichtung zur Strömungsrichtungsumkehr 105 gemäß der 6 offenbart für den Normalbetrieb eine passive Rezirkulation über die Strahlpumpe 24 und für den Trocknungsbetrieb bei Strömungsrichtungsumkehr eine aktive Rezirkulation. Hierbei ist die Anordnung analog zur 5, jedoch ohne das erste Leitrad 161 der Fluid-Fördereinrichtung 160 für den Normalbetrieb-Teilkreislauf 101 ausgebildet. Die Fluid-Fördereinrichtung 160 ist hier als monodirektionale Fluid-Fördereinrichtung 160 lediglich für den Trocknungsbetrieb-Teilkreislauf 102 ausgebildet. Die Fluid-Fördereinrichtung 160 kann lediglich für den Trocknungsbetrieb ausgelegt sein und muss entsprechend nur geringe Massenströme liefern bzw. geringe Druckverluste überwinden.
-
Die Ausführungsform der Einrichtung zur Strömungsrichtungsumkehr 105 gemäß der 7 zeigt eine Anodenversorgung 20, in welcher die Strömungsrichtungsumkehr für den Trocknungsbetrieb durch eine zweite Strahlpumpe 124, deren zusätzliche Zuleitung 21 (gestrichelt) und ein zusätzliches Wasserstoffdosierventil 132 realisiert ist. Der Trocknungsbetrieb erfolgt bei geschlossenem Absperrventil 163 des Normalbetrieb-Teilkreislaufs 101, offenem Absperrventil 163 des Trocknungsbetrieb-Teilkreislaufs 102 und durch die aktive zweite Strahlpumpe 124 (Wasserstoffdosierventil 132 aktiv).
-
Der Normalbetrieb ist wie in der 6 mit passiver Rezirkulation eingerichtet und durchführbar (Absperrventil 163 des Normalbetrieb-Teilkreislaufs 101 geöffnet, Absperrventil 164 des Trocknungsbetrieb-Teilkreislaufs 102 geschlossen). Hierbei mündet der Normalbetrieb-Teilkreislauf 101 bevorzugt stromabwärts der zweiten Strahlpumpe 124 beim Brennstoffzellenstapel 10. - Die beiden Strahlpumpen 24, 124 können ggf. mit den Absperrventilen 163, 164 in einem einzigen Block realisiert sein. Hierdurch ist eine kompakte Gestaltung des Anoden-Rezirkulationskreislaufs 100 realisiert.
-
Die Ausführungsform der Einrichtung zur Strömungsrichtungsumkehr 105 gemäß der 8 offenbart im Normalbetrieb zusätzlich zur Einrichtung zur Strömungsrichtungsumkehr 105 gemäß 7 eine Fluid-Fördereinrichtung 170. Bei der Strömungsrichtungsumkehr kann die Fluid-Fördereinrichtung 170 für den Trocknungsbetrieb bypassiert (zusätzlich Bypass und Bypassventil erforderlich) sein (nicht dargestellt). Alternativ kann die Fluid-Fördereinrichtung 170 bei der Strömungsrichtungsumkehr nicht betrieben und passiv rückwärts durchströmt (möglich bei Turbomaschine) werden. Oder das Laufrad der Fluid-Fördereinrichtung 170 kann von seinem Antrieb entkoppelt werden und passiv entgegen einer normalen Drehrichtung mitdrehen.
