DE102022208512A1

DE102022208512A1 - Verfahren zum Prüfen und/oder Konditionieren von Brennstoffzellen, Verwendung der Abwärme von Brennstoffzellen

Info

Publication number: DE102022208512A1
Application number: DE102022208512.4A
Authority: DE
Inventors: Michael Giuseppe Marino; Julia Drillkens; Anton Ringel; Juergen Hackenberg
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2022-08-17
Filing date: 2022-08-17
Publication date: 2024-02-22

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Prüfen und/oder Konditionieren von Brennstoffzellen (1), bei dem die Brennstoffzellen (1) in Betrieb genommen und mit einem Reaktionsgas, insbesondere mit Wasserstoff, versorgt werden, so dass die Brennstoffzellen (1) Abwärme produzieren, und bei dem die von den Brennstoffzellen (1) produzierte Abwärme einer externen Anlage (2) oder einem externen System (3), beispielsweise einem Nah- oder Fernwärmesystem, zugeführt wird.Die Erfindung betrifft ferner eine Verwendung der Abwärme von Brennstoffzellen (1).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Prüfen und/oder Konditionieren von Brennstoffzellen. Darüber hinaus betrifft die Erfindung eine Verwendung von Abwärme, die von Brennstoffzellen beim Prüfen und/oder Konditionieren produziert wird.
Stand der Technik
Es existiert eine Vielzahl unterschiedlicher Brennstoffzellen, beispielsweise Polymerelektrolytbrennstoffzellen (PEM-Brennstoffzellen), alkalische Brennstoffzellen oder Festoxidbrennstoffzellen (SOFC). Darüber hinaus sind Batterien bekannt, deren Funktionsweise und/oder Komponenten der Funktionsweise bzw. den Komponenten von Brennstoffzellen ähneln, beispielsweise Redox-Flow Batterien.
In der Praxis werden mehrere, üblicherweise mehrere Hundert, Brennstoffzellen zu einem Brennstoffzellenstapel, dem sogenannten „Stack“ zusammengefasst. Nach der Assemblierung zu einem Brennstoffzellenstapel müssen die Brennstoffzellen für eine bestimmte Zeit konditioniert, das heißt in Betrieb genommen werden. Dieser Vorgang kann mehrere Stunden dauern und ist damit sehr zeitaufwändig. Die Durchführung erfolgt in der Regel in einem Prüfstand, so dass während der Konditionierung zugleich die Qualität und die Funktion des Brennstoffzellenstapels geprüft werden können.
Während des Prüfens bzw. Konditionierens wird den Brennstoffzellen ein Reaktionsgas zugeführt, so dass die Brennstoffzellen Abwärme produzieren. Abhängig von der Anzahl der Brennstoffzellen kann dabei Abwärme in großen Mengen anfallen. Die Abwärmemenge kann beispielsweise 150 kW pro Brennstoffzellenstapel betragen. Werden, wie in der Massenproduktion üblich, 100 Brennstoffzellenstapel simultan geprüft bzw. konditioniert, fällt eine Abwärmemenge von 15.000 kW an. Diese muss über einen Kühlkreis abgeführt werden, was mit hohen Kosten verbunden ist.
Die vorliegende Erfindung ist daher mit der Aufgabe befasst, die Kosten beim Prüfen und/oder Konditionieren von Brennstoffzellen zu senken. Zur Lösung der Aufgabe wird das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen. Darüber hinaus wird eine Verwendung der Abwärme von Brennstoffzellen angegeben.
Soweit in dieser Anmeldung der Begriff „Brennstoffzelle“ verwendet wird, sollen alle Arten von Brennstoffzellen sowie brennstoffähnliche Komponenten, wie beispielsweise Redox-Flow Batterien, erfasst sein.
Offenbarung der Erfindung
Bei dem vorgeschlagenen Verfahren zum Prüfen und/oder Konditionieren von Brennstoffzellen werden die Brennstoffzellen in Betrieb genommen und mit einem Reaktionsgas, insbesondere mit Wasserstoff, versorgt, so dass die Brennstoffzellen Abwärme produzieren. Die von den Brennstoffzellen produzierte Abwärme wird einer externen Anlage oder einem externen System, beispielsweise einem Nah- oder Fernwärmesystem, zugeführt.
Die von den Brennstoffzellen produzierte Abwärme kann auf diese Weise einer Nutzung zugeführt werden. Zugleich können die Kosten zur aktiven Kühlung der Brennstoffzellen reduziert werden.
Die der externen Anlage bzw. dem externen System zugeführte Abwärme kann insbesondere zum Heizen genutzt werden. Mit der Abwärme kann die Anlage oder das System selbst geheizt werden. Diese bzw. dieses kann dann zum Heizen von Räumen verwendet werden. Dies gilt insbesondere, wenn die Anlage/das System der Wärmeversorgung dient. Derartige Anlagen/Systeme können beispielsweise Teil eines Nah- oder Fernwärmenetzes sein. Durch Einspeisen der Abwärme in ein solches Netz können sogar finanzielle Gewinne erzielt werden.
Die Nutzung der Abwärme der Brennstoffzellen in einem Nah- oder Fernwärmesystem hilft zudem Energie einzusparen. Insbesondere kann der Energieverbrauch beim Beheizen von Wohnräumen und/oder bei der Warmwassererzeugung gesenkt werden. Das vorgeschlagene Verfahren kommt daher auch der Umwelt zugute. Ferner schafft es eine größere Unabhängigkeit von fossilen Brennstoffen.
Das Verfahren wird beim Prüfen und/oder Konditionieren durchgeführt. Das Prüfen und/oder Konditionieren der Brennstoffzellen wird vorzugsweise in einem Prüfstand durchgeführt, der hierzu mit der externen Anlage oder dem externen System thermisch gekoppelt wird. Die thermische Kopplung dient der Wärmeübertragung vom Prüfstand auf die Anlage bzw. das System, so dass diese bzw. dieses die Abwärme nutzen kann.
Bei der Durchführung des Verfahrens werden vorzugsweise die Brennstoffzellen von einem Kühlmedium eines Kühlkreises zum Abführen der Abwärme durchströmt und die Abwärme wird vom Kühlmedium auf ein Arbeitsmedium der externen Anlage oder dem externen System übertragen. Die Wärmeübertragung erfolgt vorzugsweise mit Hilfe eines Wärmeübertragers. Das heißt, dass die notwendige thermische Kopplung mit Hilfe des Wärmeübertragers hergestellt wird.
Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass aus den Brennstoffzellen austretendes Reaktionsgas, insbesondere austretender Wasserstoff, passiv und/oder aktiv rezirkuliert wird. Auf diese Weise kann Reaktionsgas eingespart werden. Die Rezirkulation kann passiv mit Hilfe einer Strahlpumpe und/oder aktiv mit Hilfe eines Rezirkulationsgebläses bewirkt werden. Die Rückführung erfolgt über einen Rezirkulationspfad.
Bevorzugt wird den Brennstoffzellen nur ein Reaktionsgas, beispielsweise nur Wasserstoff, zugeführt. Auf die separate Zuführung von Luft wird verzichtet. Dies ist beim Prüfen/Konditionieren der Brennstoffzellen möglich. Der Aufbau des Prüfstands kann somit vereinfacht werden.
In Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass das Reaktionsgas, insbesondere der Wasserstoff, befeuchtet wird. Das Befeuchten des Reaktionsgases schützt die Brennstoffzellen, insbesondere die Membranen der Brennstoffzellen, die andernfalls austrocknen könnten.
Ferner wird vorgeschlagen, dass anfallendes Produktwasser mit Hilfe eines Wasserabscheiders abgeschieden wird. Das Abscheiden von Produkt- bzw. Flüssigwasser, das neben der Abwärme im Betrieb der Brennstoffzellen anfällt, stellt sicher, dass die Versorgung mit Reaktionsgas durch sich sammelndes Flüssigwasser nicht behindert wird.
Bevorzugt wird bei der Durchführung des Verfahrens der Druck des Reaktionsgases, insbesondere des Wasserstoffs, reguliert. Auf diese Weise kann die Qualität und die Funktion der Brennstoffzellen besser überwacht bzw. geprüft werden.
Vorteilhafterweise werden die Brennstoffzellen vor dem Prüfen und/oder Konditionieren zu einem Brennstoffzellenstapel assembliert. Das erleichtert das Prüfen und/oder Konditionieren der Brennstoffzellen. Zudem weist ein Brennstoffzellenstapel alle notwendigen Anschlüsse auf, die für die Inbetriebnahme der Brennstoffzellen erforderlich sind. Auf diese Weise kann zugleich die Qualität und die Funktion des Brennstoffzellenstapels überwacht bzw. geprüft werden.
Darüber hinaus wird eine Verwendung der beim Prüfen und/oder Konditionieren von Brennstoffzellen anfallenden Abwärme vorgeschlagen, und zwar zum Heizen einer externen Anlage oder eines externen Systems. Die Abwärme der Brennstoffzellen kann auf diese Weise einer Nutzung zugeführt werden. Zugleich kann auf eine aktive Kühlung der Brennstoffzellen verzichtet werden, so dass Kosten eingespart werden.
Wird die Abwärme der Brennstoffzellen, wie vorgeschlagen, zum Heizen eines anderen Systems verwendet, kann Heizenergie eingespart werden. Die vorgeschlagene Verwendung leistet demnach einen Beitrag zum Umweltschutz. Das externe System bzw. die externe Anlage kann beispielsweise Teil eines Nah- oder Fernwärmenetzes sein, über welches eine Vielzahl von Haushalten mit Wärme versorgt werden. Durch Einspeisen der Abwärme in ein solches Netz können sogar finanzielle Gewinne erzielt werden.
Die Erfindung und ihre Vorteile werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Diese zeigt eine schematische Darstellung eines Prüfstandaufbaus zum Prüfen und/oder Konditionieren von Brennstoffzellen, wobei der Prüfstand mit einer externen Anlage bzw. einem externen System thermisch gekoppelt ist.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnung
Die schematische Darstellung zeigt einen eine Vielzahl von Brennstoffzellen 1 umfassenden Brennstoffzellenstapel 7 in einem Prüfstand 4 zum Prüfen und/oder Konditionieren der Brennstoffzellen 1. Der Brennstoffzellenstapel 7 ist an einen Kühlkreis 5 angeschlossen, über den mit Hilfe einer Pumpe 8 ein Kühlmedium zirkuliert wird. Im Prüfstand 4 wird der Brennstoffzellenstapel 7 in Betrieb genommen, indem ihm ein Reaktionsgas, vorliegend Wasserstoff, zugeführt wird. Der Brennstoffzellenstapel 7 ist hierzu an eine Wasserstoffversorgung (nicht dargestellt) angeschlossen. Im Betrieb erzeugt der Brennstoffzellenstapel 7 Abwärme, die von dem Kühlmedium des Kühlkreises 5 aufgenommen und abgeführt wird. Um die abgeführte Abwärme einer Nutzung zuzuführen, ist der Kühlkreis 5 über einen Wärmeübertrager 6 mit einer externen Anlage 2 oder einem externen System 3 verbunden, das von einem Arbeitsmedium durchströmt wird. Beim Durchströmen des Wärmeübertragers 6 wird die vom Kühlmedium aufgenommene Abwärme der Brennstoffzellen 1 auf das Arbeitsmedium der Anlage 2 bzw. des Systems 3 durch Zirkulation des Kühlmediums mit Hilfe einer Pumpe 9 übertragen, so dass diese bzw. dieses über die Abwärme beheizt wird. In die Anlage 2 bzw. in das System 3 kann ein Radiator 10 integriert sein, der Wärme in Form von Strahlung an die Umgebung abgibt. Die Wärme kann dann zum Beheizen eines Innenraums genutzt werden.

Claims

Verfahren zum Prüfen und/oder Konditionieren von Brennstoffzellen (1), bei dem die Brennstoffzellen (1) in Betrieb genommen und mit einem Reaktionsgas, insbesondere mit Wasserstoff, versorgt werden, so dass die Brennstoffzellen (1) Abwärme produzieren, und bei dem die von den Brennstoffzellen (1) produzierte Abwärme einer externen Anlage (2) oder einem externen System (3), beispielsweise einem Nah- oder Fernwärmesystem, zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Prüfen und/oder Konditionieren der Brennstoffzellen (1) in einem Prüfstand (4) durchgeführt wird, der hierzu mit der externen Anlage (2) oder dem externen System (3) thermisch gekoppelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzellen (1) von einem Kühlmedium eines Kühlkreises (5) zum Abführen der Abwärme durchströmt werden und die Abwärme vom Kühlmedium, vorzugsweise mit Hilfe eines Wärmeübertragers (6), auf ein Arbeitsmedium der externen Anlage (2) oder dem externen System (3) übertragen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass aus den Brennstoffzellen (1) austretendes Reaktionsgas, insbesondere austretender Wasserstoff, passiv und/oder aktiv rezirkuliert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Reaktionsgas, insbesondere der Wasserstoff, befeuchtet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass anfallendes Produktwasser mit Hilfe eines Wasserabscheiders abgeschieden wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck des Reaktionsgases, insbesondere des Wasserstoffs, reguliert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzellen (1) vor dem Prüfen und/oder Konditionieren zu einem Brennstoffzellenstapel (7) assembliert werden.
Verwendung der beim Prüfen und/oder Konditionieren von Brennstoffzellen (1) anfallenden Abwärme zum Heizen einer externen Anlage (2) oder eines externen Systems (3).