DE102022209603A1 - Fuel cell system and regeneration process for a fuel cell system in the event of catalyst damage - Google Patents
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Abstract
Die vorgestellte Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem (100) zum Bereitstellen von elektrischer Energie für einen Verbraucher. Das Brennstoffzellensystem (100) umfasst ein erstes Teilsystem (101), ein zweites Teilsystem (103) und eine Recheneinheit (119), wobei die Recheneinheit (119) in einem ersten Betriebsmodus dazu konfiguriert ist, das erste Teilsystem (101) derart einzustellen, dass in einer durch das erste Kathodensubsystem (109) ausgestoßenen Abluft eine relative Luftfeuchte maximiert und ein Sauerstoffanteil minimiert wird, um reduzierbare Verunreinigungen aus dem zweiten Brennstoffzellenstapel (111) zu desorbieren, und wobei die Recheneinheit (119) in einem zweiten Betriebsmodus dazu konfiguriert ist, Absperrventile des zweiten Kathodensubsystems (115) zu schließen und das zweite Verbindungsventil (123) zu öffnen, um desorbierte reduzierbare Verunreinigungen aus dem zweiten Brennstoffzellenstapel (111) auszuwaschenThe invention presented relates to a fuel cell system (100) for providing electrical energy to a consumer. The fuel cell system (100) comprises a first subsystem (101), a second subsystem (103) and a computing unit (119), wherein the computing unit (119) is configured in a first operating mode to set the first subsystem (101) in such a way that in an exhaust air emitted by the first cathode subsystem (109), a relative air humidity is maximized and an oxygen content is minimized in order to desorb reducible contaminants from the second fuel cell stack (111), and wherein the computing unit (119) is configured in a second operating mode to have shut-off valves to close the second cathode subsystem (115) and to open the second connection valve (123) to wash out desorbed reducible impurities from the second fuel cell stack (111).
Description
Die vorgestellte Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem und ein Regenerationsverfahren für ein Brennstoffzellensystem gemäß den beigefügten Ansprüchen.The presented invention relates to a fuel cell system and a regeneration method for a fuel cell system according to the appended claims.
Stand der TechnikState of the art
Wasserstoffbasierte Brennstoffzellen gelten als Mobilitätskonzept der Zukunft, dass sie nur Wasser als Abgas emittieren und schnelle Betankungszeiten ermöglichen.Hydrogen-based fuel cells are considered the mobility concept of the future because they only emit water as exhaust gas and enable quick refueling times.
Brennstoffzellensysteme brauchen Luft und Wasserstoff für die chemische Reaktion. Ein potenzieller Alterungsmechanismus von Polymerelektrolyt-Brennstoffzellen ist eine Vergiftung der Katalysatoren bzw. Katalysatorschichten mit reduzierbaren Verunreinigungen, wie bspw. Sulfaten.Fuel cell systems require air and hydrogen for the chemical reaction. A potential aging mechanism of polymer electrolyte fuel cells is poisoning of the catalysts or catalyst layers with reducible impurities, such as sulfates.
Als Sulfatquelle sind hauptsächlich verunreinigter bzw. nicht „hoch-reiner (5.0 +)“ Wasserstoff als auch das Auslösen von Sulfaten aus einem lonomer der Brennstoffzellen bekannt.The main known sources of sulfate are contaminated or not “high-purity (5.0 +)” hydrogen as well as the release of sulfates from an ionomer in fuel cells.
Ferner bildet sich beim Betrieb eines Brennstoffzellensystems bei Kathodenpotentialen > 0,85 Volt eine Platinoxidschicht auf jeweiligen Katalysatorschichten jeweiliger Brennstoffzellen, was ggf. zu einer irreversiblen Degradation der Brennstoffzellen führen kann.Furthermore, when a fuel cell system is operated at cathode potentials > 0.85 volts, a platinum oxide layer forms on respective catalyst layers of respective fuel cells, which can possibly lead to irreversible degradation of the fuel cells.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Im Rahmen der vorgestellten Erfindung werden ein Brennstoffzellensystem und ein Regenerationsverfahren zur Regeneration des Brennstoffzellensystems bei einer Vergiftung mit reduzierbaren Verunreinigungen vorgestellt. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Regenerationsverfahren beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.As part of the presented invention, a fuel cell system and a regeneration method for regenerating the fuel cell system in the event of poisoning with reducible impurities are presented. Further features and details of the invention emerge from the respective subclaims, the description and the drawings. Features and details that are described in connection with the regeneration method according to the invention naturally also apply in connection with the fuel cell system according to the invention and vice versa, so that reference is or can always be made to each other with regard to the disclosure of the individual aspects of the invention.
Die vorgestellte Erfindung dient insbesondere dazu, ein Brennstoffzellensystem nach einer Schädigung durch Vergiftung mit reduzierbare Verunreinigungen und/oder der Bildung von Platinoxiden automatisch zu regenerieren.The presented invention serves in particular to automatically regenerate a fuel cell system after damage caused by poisoning with reducible impurities and/or the formation of platinum oxides.
Es wird somit gemäß einem ersten Aspekt der vorgestellten Erfindung ein Brennstoffzellensystem zum Bereitstellen von elektrischer Energie für einen Verbraucher vorgestellt.According to a first aspect of the invention presented, a fuel cell system for providing electrical energy to a consumer is therefore presented.
Das vorgestellte Brennstoffzellensystem umfasst ein erstes Teilsystem, ein zweites Teilsystem und eine Recheneinheit.The fuel cell system presented includes a first subsystem, a second subsystem and a computing unit.
Das erste Teilsystem umfasst einen ersten Brennstoffzellenstapel, ein erstes Anodensubsystem, ein erstes Kathodensubsystem und einen ersten Abgaspfad.The first subsystem includes a first fuel cell stack, a first anode subsystem, a first cathode subsystem and a first exhaust path.
Das zweite Teilsystem umfasst einen zweiten Brennstoffzellenstapel, ein zweites Anodensubsystem, ein zweites Kathodensubsystem, einen zweiten Abgaspfad und
ein zweites Verbindungsventil.The second subsystem includes a second fuel cell stack, a second anode subsystem, a second cathode subsystem, a second exhaust path, and
a second connecting valve.
Der erste Abgaspfad ist mit dem zweiten Abgaspfad fluidleitend verbunden.The first exhaust gas path is fluidly connected to the second exhaust gas path.
Das zweite Verbindungsventil ist dazu konfiguriert, das zweite Anodensubsystem mit dem zweiten Kathodensubsystem reversibel zu verbinden. Die Recheneinheit ist dazu konfiguriert, in einem ersten Betriebsmodus das erste Teilsystem derart einzustellen, dass in einer durch das erste Kathodensubsystem ausgestoßenen Abluft eine relative Luftfeuchte maximiert und ein Sauerstoffanteil minimiert wird, um reduzierbare Verunreinigungen, wie bspw. Sulfate aus dem zweiten Brennstoffzellenstapel zu desorbieren.The second connection valve is configured to reversibly connect the second anode subsystem to the second cathode subsystem. The computing unit is configured to adjust the first subsystem in a first operating mode such that a relative air humidity is maximized and an oxygen content is minimized in an exhaust air emitted by the first cathode subsystem in order to desorb reducible impurities, such as sulfates, from the second fuel cell stack.
Die Recheneinheit ist dazu konfiguriert, in einem zweiten Betriebsmodus Absperrventile des zweiten Kathodensubsystems zu schließen und das zweite Verbindungsventil zu öffnen, um desorbierte reduzierbare Verunreinigungen, wie bspw. Sulfate aus dem zweiten Brennstoffzellenstapel auszuwaschen.The computing unit is configured to close shut-off valves of the second cathode subsystem and open the second connection valve in a second operating mode in order to wash out desorbed reducible impurities, such as sulfates, from the second fuel cell stack.
Die vorgestellte Erfindung basiert auf dem Prinzip, dass durch das erste Teilsystem bereitgestelltes Abgas verwendet wird, um in dem zweiten Teilsystem angereicherte reduzierbare Verunreinigungen, wie bspw. Sulfate zu desorbieren bzw. aus den Membranen des zweiten Brennstoffzellenstapels auszulösen. Dazu wird das erste Teilsystem bspw. in einem speziellen Betriebsmodus betrieben.The presented invention is based on the principle that exhaust gas provided by the first subsystem is used to desorb or release reducible impurities enriched in the second subsystem, such as sulfates, from the membranes of the second fuel cell stack. For this purpose, the first subsystem is operated, for example, in a special operating mode.
Da das erste Teilsystem mit dem zweiten Teilsystem über eine gemeinsame Abgasleitung verbunden ist, drücken Abgase des ersten Teilsystems in das zweite Teilsystem und entweichen dann in den Auspuffpfad, wenn bspw. das auslassseitige Absperrventil der Kathode geöffnet ist, das einlassseitige Absperrventil der Kathode geschlossen ist, das Verbindungsventil zwischen Kathode und Anode geöffnet ist, und das Purge- und/oder Drainventile des zweiten Teilsystems geöffnet sind.Since the first subsystem is connected to the second subsystem via a common exhaust line, exhaust gases from the first subsystem press into the second subsystem and then escape into the exhaust path if, for example, the outlet-side shut-off valve of the cathode is open, the inlet-side shut-off valve of the cathode is closed, the connecting valve between cathode and anode is open, and the purge and/or drain valves of the second subsystem are open.
Durch Öffnen der Purge- und/oder Drainventile des zweiten Teilsystems sowie durch Öffnen des Hauptverbindungsventils wird Luft aus dem zweiten Kathodensubsystem des zweiten Teilsystems in das zweite Anodensubsystem des zweiten Teilsystems geleitet, um desorbierte reduzierbare Verunreinigungen, wie bspw. Sulfate aus dem zweiten Anodensubsystem des zweiten Teilsystems zu spülen.By opening the purge and/or drain valves of the second subsystem as well as by opening the main connection valve, air is passed from the second cathode subsystem of the second subsystem into the second anode subsystem of the second subsystem in order to remove desorbed reducible impurities, such as sulfates from the second anode subsystem of the second Flush subsystem.
Durch die vorgestellte Erfindung wird eine Katalysatorschädigung, insbesondere eine Sulfatvergiftung und/oder eine Platinoxidation von Katalysatorschichten eines Teilsystems eines Brennstoffzellensystems mit mehreren Teilsystemen rückgängig gemacht bzw. regeneriert, indem ein zu regenerierendes Teilsystem bspw. mit Zellspannungen kleiner gleich 0,6 Volt, insbesondere Zellspannungen zwischen 0 Volt und 0,6 Volt betrieben wird, sodass reduzierbare Verunreinigungen, wie bspw. Sulfate und/oder Platinoxide aus den Katalysatorschichten abgebaut werden.The presented invention reverses or regenerates catalyst damage, in particular sulfate poisoning and/or platinum oxidation, of catalyst layers of a subsystem of a fuel cell system with several subsystems, by using a subsystem to be regenerated, for example, with cell voltages of less than or equal to 0.6 volts, in particular cell voltages between 0 volts and 0.6 volts are operated so that reducible impurities such as sulfates and/or platinum oxides are broken down from the catalyst layers.
Zum Betreiben des zu regenerierenden Teilsystems mit Zellspannungen kleiner gleich 0,6 Volt wird das Kathodensubsystem des zu regenerierenden Teilsystems mit Abluft aus dem Kathodensubsystem des weiteren Teilsystems des vorgestellten Brennstoffzellensystems versorgt, wobei das weitere Teilsystem derart betrieben wird, dass eine durch das Kathodensubsystem des weiteren Teilsystems ausgestoßene und dem zu regenerierenden Teilsystem zuzuführende Abluftmenge einen Betrieb mit Zellspannungen kleiner gleich 0,6 Volt ermöglichen.To operate the subsystem to be regenerated with cell voltages less than or equal to 0.6 volts, the cathode subsystem of the subsystem to be regenerated is supplied with exhaust air from the cathode subsystem of the further subsystem of the fuel cell system presented, the further subsystem being operated in such a way that a through the cathode subsystem of the further subsystem The amount of exhaust air emitted and supplied to the subsystem to be regenerated enables operation with cell voltages of less than or equal to 0.6 volts.
Es kann vorgesehen sein, dass die Recheneinheit dazu konfiguriert ist, das erste Teilsystem mit einem unterstöchiometrischen Verhältnis der Luftmenge oder aktivierter Kathodengasrezirkulation zu betreiben, um eine ausgestoßene Abluft mit einer Feuchte von über 80% vorzugsweise über 90% und einem Sauerstoffgehalt von weniger als 2% vorzugsweise weniger als 1% einzustellen.It can be provided that the computing unit is configured to operate the first subsystem with a substoichiometric ratio of the air quantity or activated cathode gas recirculation in order to produce an ejected exhaust air with a humidity of over 80%, preferably over 90% and an oxygen content of less than 2% preferably set to less than 1%.
Durch einen unterstöchiometrischen Betrieb wird eine in einem Kathodenabgas ausgestoßene bzw. zu dem zweiten Teilsystem geleitete Sauerstoffmenge minimiert. Insbesondere kann die Sauerstoffmenge so weit minimiert werden, dass das Kathodenabgas als Inertgas wirkt.Substoichiometric operation minimizes the amount of oxygen emitted in a cathode exhaust gas or directed to the second subsystem. In particular, the amount of oxygen can be minimized to such an extent that the cathode exhaust gas acts as an inert gas.
Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass die Recheneinheit dazu konfiguriert ist, Kathodenabsperrventile des zweiten Kathodensubsystems zu schließen, um eine Luftzufuhr zu dem zweiten Kathodensubsystem zu minimieren und den zweiten Brennstoffzellenstapel bei einer vorgegebenen Zellspannung kleiner gleich 0,6 Volt zu betreiben, insbesondere ein Kathodenpotential des zweiten Kathodensubsystems auf 0 Volt zu reduzieren, wobei die Recheneinheit dazu konfiguriert ist, die Kathodenabsperrventile des zweiten Kathodensubsystems nur nach einer vorgegebenen Wartezeit, nachdem sich an dem zweiten Brennstoffzellenstapel die vorgegebene Zellspannung eingestellt hat, zu öffnen.It can further be provided that the computing unit is configured to close cathode shut-off valves of the second cathode subsystem in order to minimize an air supply to the second cathode subsystem and to operate the second fuel cell stack at a predetermined cell voltage of less than or equal to 0.6 volts, in particular a cathode potential of the second cathode subsystem to 0 volts, wherein the computing unit is configured to open the cathode shut-off valves of the second cathode subsystem only after a predetermined waiting time after the predetermined cell voltage has been established on the second fuel cell stack.
Durch ein Schließen der Kathodenabsperrventile des zweiten Kathodensubsystems wird eine Zufuhr von Umgebungsluft in das zweite Teilsystem verhindert, sodass in dem zweiten Kathodensubsystem zirkulierender Sauerstoff in einem sogenannten „bleed out“ verbraucht und, dadurch bedingt, eine Zellspannung in dem zweiten Teilsystem minimiert wird.By closing the cathode shut-off valves of the second cathode subsystem, a supply of ambient air into the second subsystem is prevented, so that oxygen circulating in the second cathode subsystem is consumed in a so-called “bleed out” and, as a result, cell voltage in the second subsystem is minimized.
Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass die Recheneinheit dazu konfiguriert ist ein Kathodenabgasabsperrventil des zweiten Teilsystems getaktet anzusteuern, um einen Druck in einem Abgaspfad des zweiten Kathodensubsystems zu variieren und das zweite Kathodensubsystem mit einem durch das erste Teilsystem bereitgestellten Gasgemisch zu fluten, wenn einer der folgenden Fälle eintritt: eine durch einen Sulfatsensor gemessene Sulfatkonzentration ist über einem vorgegebenen Sulfatschwellenwert, eine von dem zweiten Teilsystem bereitgestellte Spannung ist im Normalbetrieb unter einem vorgegebenen Spannungsschwellenwert, eine Betriebsdauer des zweiten Teilsystems ist über einem vorgegebenen Betriebsdauerschwellenwert, und/oder Sulfate wurden im ersten Betriebsmodus desorbiert.It can further be provided that the computing unit is configured to control a cathode exhaust gas shut-off valve of the second subsystem in a clocked manner in order to vary a pressure in an exhaust gas path of the second cathode subsystem and to flood the second cathode subsystem with a gas mixture provided by the first subsystem if one of the following Cases occur: a sulfate concentration measured by a sulfate sensor is above a predetermined sulfate threshold, a voltage provided by the second subsystem is below a predetermined voltage threshold in normal operation, an operating duration of the second subsystem is above a predetermined operating duration threshold, and / or sulfates were desorbed in the first operating mode .
Eine getaktete Ansteuerung eines Kathodenabgasabsperrventils, bei der das Kathodenabsperrventil wiederholt aktiviert und deaktiviert wird, bewirkt eine wiederholte Druckänderung in einem entsprechenden Kathodensubsystem, sodass Gas in das Kathodensubsystem gepumpt bzw. gesaugt wird.A clocked control of a cathode exhaust gas shut-off valve, in which the cathode shut-off valve is repeatedly activated and deactivated, causes a repeated pressure change in a corresponding cathode subsystem, so that gas is pumped or sucked into the cathode subsystem.
Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass die Recheneinheit dazu konfiguriert ist, das zweite Verbindungsventil zu öffnen und ein Kathodeneinlassabsperrventil des zweiten Kathodensubsystems zu schließen, um das zweite Anodensubsystem mit einem durch das erste Teilsystem bereitgestellten Gemisch zu fluten, wenn einer der folgenden Fälle eintritt: eine durch einen Sulfatsensor gemessene Sulfatkonzentration ist über einem vorgegebenen Sulfatschwellenwert, eine von dem zweiten Teilsystem bereitgestellte Spannung ist im Normalbetrieb unter einem vorgegebenen Spannungsschwellenwert, eine Betriebsdauer des zweiten Teilsystems ist über einem vorgegebenen Betriebsdauerschwellenwert, und/oder die Sulfate wurden im zweiten Betriebsmodus ausgewaschen.It may further be provided that the computing unit is configured to open the second connection valve and close a cathode inlet shut-off valve of the second cathode subsystem in order to flood the second anode subsystem with a mixture provided by the first subsystem when one of the following cases occurs: a Sulfate concentration measured by a sulfate sensor is above a predetermined sulfate threshold, a voltage provided by the second subsystem is below a predetermined voltage threshold in normal operation, an operating duration of the second subsystem is above a predetermined operating duration threshold, and / or the sulfates have been washed out in the second operating mode.
Insbesondere kann das zweite Verbindungsventil zum Fluten des zweiten Anodensubsystems mit durch das zweite Kathodensubsystem bereitgestellter Luft so lange geöffnet bleiben, bis eine Sulfatkonzentration und/oder eine Platinoxidkonzentration unter einen vorgegebenen Schwellenwert fällt. Die Sulfatkonzentration und/oder die Platinoxidkonzentration kann direkt mittels eines entsprechenden Sensors und/oder indirekt über ein Verhalten des Brennstoffzellensystems ermittelt werden.In particular, the second connection valve can remain open for flooding the second anode subsystem with air provided by the second cathode subsystem until a sulfate concentration and/or a platinum oxide concentration falls below a predetermined threshold value. The sulfate concentration and/or the platinum oxide concentration can be determined directly using a corresponding sensor and/or indirectly via the behavior of the fuel cell system.
Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass das Brennstoffzellensystem einen Befeuchter umfasst und die Recheneinheit dazu konfiguriert ist, eine Feuchte in dem zweiten Kathodensubsystem durch mindestens eine Maßnahme der folgenden Maßnahmen einzustellen: Erhöhung einer Eintrittsfeuchte in das zweite Teilsystem durch den Befeuchter, Reduktion einer Luftstöchiometrie in dem ersten Teilsystem, Erhöhung eines Drucks in dem zweiten Kathodensubsystem, Aktivierung einer Abgasrezirkulation in dem ersten Kathodensubsystem und/oder dem erstem Anodensubsystem, Absenkung einer Temperatur in dem zweiten Teilsystem.It can further be provided that the fuel cell system comprises a humidifier and the computing unit is configured to adjust a humidity in the second cathode subsystem by at least one of the following measures: increasing an inlet humidity into the second subsystem through the humidifier, reducing an air stoichiometry in the first subsystem, increasing a pressure in the second cathode subsystem, activating exhaust gas recirculation in the first cathode subsystem and/or the first anode subsystem, lowering a temperature in the second subsystem.
Um jeweilige durch einen Betrieb mit Zellspannungen kleiner gleich 0,6 Volt erzeugte Abbauprodukte aus einem jeweiligen Teilsystem auszutragen, kann das Teilsystem ausgewaschen werden. Dazu kann eine Kondensatmenge in einem Kathodensubsystem des Teilsystems maximiert werden. Zum Maximieren einer Kondensatmenge kann bspw. ein Befeuchter verwendet werden um eine Eintrittsfeuchte in das Kathodensubsystem zu maximieren, eine Luftstöchiometrie in dem Teilsystem reduziert werden, ein Druck in dem Kathodensubsystem erhöht werden, eine Abgasrezirkulation in dem Kathodensubsystem und/oder dem Anodensubsystem des weiteren Teilsystems aktiviert werden oder eine Temperatur in dem Teilsystem abgesenkt werden.In order to remove degradation products generated by operation with cell voltages of less than or equal to 0.6 volts from a respective subsystem, the subsystem can be washed out. For this purpose, an amount of condensate in a cathode subsystem of the subsystem can be maximized. To maximize a quantity of condensate, for example, a humidifier can be used to maximize inlet moisture into the cathode subsystem, an air stoichiometry in the subsystem can be reduced, a pressure in the cathode subsystem can be increased, and exhaust gas recirculation in the cathode subsystem and/or the anode subsystem of the further subsystem can be activated or a temperature in the subsystem can be reduced.
Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass die Recheneinheit dazu konfiguriert ist, eine von dem zweiten Teilsystem zu erbringende Leistung durch das erste Teilsystem und/oder einen Energiespeicher bereitzustellen, wenn eine Verringerung der Zellspannung in dem zweiten Teilsystem eingeleitet wird.It can further be provided that the computing unit is configured to provide a power to be provided by the second subsystem through the first subsystem and/or an energy storage device when a reduction in the cell voltage is initiated in the second subsystem.
Um eine beim Betrieb eines zu regenerierenden Teilsystems für eine Ausgangsleistung des vorgestellten Brennstoffzellensystems fehlende Leistung zu kompensieren, kann ein jeweiliges weiteres Teilsystem und/oder ein Energiespeicher, wie bspw. eine Batterie in einen Zustand geschaltet werden, in dem das weitere Teilsystem und/oder der Energiespeicher die fehlende Leistung bereitstellen bzw. kompensieren.In order to compensate for a lack of power when operating a subsystem to be regenerated for an output power of the fuel cell system presented, a respective further subsystem and/or an energy storage device, such as a battery, can be switched into a state in which the further subsystem and/or the Energy storage provides or compensates for the missing power.
Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass das Brennstoffzellensystem zusätzlich ein erstes Verbindungsventil umfasst, das dazu konfiguriert ist, das erste Anodensubsystem mit dem ersten Kathodensubsystem reversibel zu verbinden.It can further be provided that the fuel cell system additionally comprises a first connection valve that is configured to reversibly connect the first anode subsystem to the first cathode subsystem.
Ein erstes Verbindungsventil ermöglicht eine Regeneration des ersten Teilsystems des vorgestellten Brennstoffzellensystems indem aus dem ersten Anodensubsystem desorbierte reduzierbare Verunreinigungen, wie bspw. Sulfate mit durch das erste Kathodensubsystem bereitgestellter Luft ausgewaschen werden.A first connection valve enables regeneration of the first subsystem of the fuel cell system presented by washing out reducible impurities desorbed from the first anode subsystem, such as sulfates, with air provided by the first cathode subsystem.
Gemäß einem zweiten Aspekt betrifft die vorgestellte Erfindung ein Regenerationsverfahren zur Regeneration einer möglichen Ausgestaltung des vorgestellten Brennstoffzellensystems, wobei das Regenerationsverfahren das Desorbieren von reduzierbare Verunreinigungen, wie bspw. Sulfaten aus dem zweiten Brennstoffzellenstapel umfasst, indem das erste Teilsystem derart eingestellt wird, dass in einer durch das erste Kathodensubsystem ausgestoßenen Abluft eine relative Luftfeuchte maximiert und ein Sauerstoffanteil minimiert wird und das Auswaschen von desorbierten reduzierbare Verunreinigungen, wie bspw. Sulfaten aus dem ersten Brennstoffzellenstapel umfasst, indem Absperrventile des zweiten Kathodensubsystems geschlossen werden und das zweite Verbindungsventil geöffnet wird.According to a second aspect, the presented invention relates to a regeneration method for regenerating a possible embodiment of the presented fuel cell system, wherein the regeneration method includes the desorption of reducible impurities, such as sulfates, from the second fuel cell stack by adjusting the first subsystem such that in a through The exhaust air ejected from the first cathode subsystem maximizes a relative air humidity and minimizes an oxygen content and includes washing out desorbed reducible impurities, such as sulfates, from the first fuel cell stack by closing shut-off valves of the second cathode subsystem and opening the second connection valve.
Es kann vorgesehen sein, dass das Regenerationsverfahren das Desorbieren von reduzierbare Verunreinigungen aus dem ersten Brennstoffzellenstapel umfasst, indem das zweite Teilsystem derart eingestellt wird, dass in einer durch das zweite Kathodensubsystem ausgestoßenen Abluft eine relative Luftfeuchte maximiert und ein Sauerstoffanteil minimiert wird und das Auswaschen von desorbierten reduzierbare Verunreinigungen aus dem ersten Brennstoffzellenstapel umfasst, indem Absperrventile des ersten Kathodensubsystems geschlossen werden und das erste Verbindungsventil geöffnet wird.It can be provided that the regeneration method includes the desorption of reducible impurities from the first fuel cell stack by adjusting the second subsystem such that a relative air humidity is maximized and an oxygen content is minimized in an exhaust air emitted by the second cathode subsystem and the washing out of desorbed ones reducible contaminants from the first fuel cell stack by closing shut-off valves of the first cathode subsystem and opening the first connection valve.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen beschrieben sind. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein.Further advantages, features and details of the invention emerge from the following description, in which exemplary embodiments of the invention are described in detail with reference to the drawings. The features mentioned in the claims and in the description can be essential to the invention individually or in any combination.
Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung einer möglichen Ausgestaltung des vorgestellten Brennstoffzellensystems, -
2 eine mögliche Ausgestaltung des vorgestellten Regenerationsverfah rens.
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1 a schematic representation of a possible design of the fuel cell system presented, -
2 a possible design of the regeneration process presented.
In
Das erste Teilsystem 101 umfasst einen ersten Brennstoffzellenstapel 105, ein erstes Anodensubsystem 107, ein erstes Kathodensubsystem 109 und einen ersten Abgaspfad 125.The
Das zweite Teilsystem 103 umfasst einen zweiten Brennstoffzellenstapel 111, ein zweites Anodensubsystem 113, ein zweites Kathodensubsystem 115, einen zweiten Abgaspfad 127 und ein zweites Verbindungsventil 123.The
Ferner umfasst das Brennstoffzellensystem eine Recheneinheit 119.The fuel cell system further includes a
Der erste Abgaspfad ist mit dem zweiten Abgaspfad fluidleitend verbunden, sodass von dem ersten Teilsystem 101 ausgestoßene Abgase in das zweite Kathodensubsystem 115 eindringen können, wenn ein Kathodenauslassabsperrventil des zweiten Kathodensubsystems 115 geöffnet ist bzw. getaktet betrieben wird.The first exhaust gas path is fluidly connected to the second exhaust gas path, so that exhaust gases emitted by the
Zur Regeneration von Katalysatorschichten des zweiten Teilsystems 103 wird das erste Teilsystem 101 durch die Recheneinheit 119 in einen Betriebszustand geschaltet, in dem Kathodenabgas erzeugt wird, das einen geringen bzw. minimalen Sauerstoffanteil aufweist und das sauerstoffarme Kathodenabgas über den zweiten Abgaspfad 127 in das zweite Kathodensubsystem 115 leitet. Das sauerstoffarme Kathodenabgas bewirkt eine Reduktion von Zellspannungen des zweiten Brennstoffzellenstapels 111 unter 0,6 Volt, sodass reduzierbare Verunreinigungen, wie bspw. Sulfate und/oder Platinoxide in den Katalysatorschichten des zweiten Teilsystems 103 desorbiert werden.To regenerate catalyst layers of the
Zum Auswaschen von desorbierten reduzierbare Verunreinigungen kann das zweite Teilsystem 103 in einem sogenannten „bleed down“ für eine vorgegebene Dauer heruntergefahren werden und/oder mit einem kondensatreichen bzw. feuchtigkeitsreichen Fluidgemisch gespült werden. Dazu kann das zweite Verbindungsventil 123 geöffnet werden, sodass das zweite Kathodensubsystem 115 mit dem zweiten Anodensubsystem 113 verbunden wird.To wash out desorbed reducible impurities, the
Unter Verwendung eines ersten Verbindungsventils 117 kann der Vorgang des Auswaschens für das erste Teilsystem 101 durchgeführt werden, nachdem das erste Teilsystem 101 mit Abgasen aus dem zweiten Teilsystem 103 derart konditioniert wurde, dass dort reduzierbare Verunreinigungen desorbiert werden.Using a
In
Das Regenerationsverfahren 200 umfasst einen Desorbtionsschritt 201, bei dem reduzierbare Verunreinigungen aus dem zweiten Brennstoffzellenstapel desorbiert werden, indem das erste Teilsystem 101 derart eingestellt wird, dass in einer durch das erste Kathodensubsystem 109 ausgestoßenen Abluft eine relative Luftfeuchte maximiert und ein Sauerstoffanteil minimiert wird.The
Ferner umfasst das Regenerationsverfahren 200 einen Auswaschschritt 203, bei dem desorbierte reduzierbare Verunreinigungen aus dem ersten Brennstoffzellenstapel 111 ausgewaschen werden, indem Absperrventile des zweiten Kathodensubsystems 115 geschlossen werden und das zweite Verbindungsventil 123 geöffnet wird.Furthermore, the
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|---|---|---|---|---|
| DE102019123562A1 (en) | 2018-10-30 | 2020-04-30 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha | Fuel cell system |
| US20230006228A1 (en) | 2021-06-30 | 2023-01-05 | Commissariat A L'energie Atomique Et Aux Energies Alternatives | System for regenerating a fuel cell and regeneration method |
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2022
- 2022-09-14 DE DE102022209603.7A patent/DE102022209603A1/en active Pending
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| US20230006228A1 (en) | 2021-06-30 | 2023-01-05 | Commissariat A L'energie Atomique Et Aux Energies Alternatives | System for regenerating a fuel cell and regeneration method |
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