WO2013079149A1 - Verfahren zum vorbereiten des wiederstarts einer brennstoffzelle - Google Patents

Verfahren zum vorbereiten des wiederstarts einer brennstoffzelle Download PDF

Info

Publication number
WO2013079149A1
WO2013079149A1 PCT/EP2012/004617 EP2012004617W WO2013079149A1 WO 2013079149 A1 WO2013079149 A1 WO 2013079149A1 EP 2012004617 W EP2012004617 W EP 2012004617W WO 2013079149 A1 WO2013079149 A1 WO 2013079149A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
fuel cell
cell system
anode
suction device
cathode
Prior art date
Application number
PCT/EP2012/004617
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Philipp Hausmann
Holger Richter
Hans-Jörg SCHABEL
Original Assignee
Daimler Ag
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Daimler Ag filed Critical Daimler Ag
Publication of WO2013079149A1 publication Critical patent/WO2013079149A1/de

Links

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/043Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems applied during specific periods
    • H01M8/04302Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems applied during specific periods applied during start-up
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H01M8/04119Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying
    • H01M8/04156Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying with product water removal
    • H01M8/04179Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying with product water removal by purging or increasing flow or pressure of reactants
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04223Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids during start-up or shut-down; Depolarisation or activation, e.g. purging; Means for short-circuiting defective fuel cells
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M2008/1095Fuel cells with polymeric electrolytes
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H01M8/04119Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying
    • H01M8/04156Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying with product water removal
    • H01M8/04164Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying with product water removal by condensers, gas-liquid separators or filters
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

Definitions

  • the invention relates to a method for preparing the restart of a
  • Fuel cell systems are known from the general state of the art. These may be fuel cell systems, which are equipped in particular with a so-called PEM fuel cell or a PEM fuel cell stack. You can, for example, to generate electrical
  • Fuel cell systems is the start at temperatures below freezing. In such a so-called freeze start, individual components of the
  • Air is flushed through the fuel cell system to discharge vapor and liquid water from the fuel cell system and to dry the fuel cell system so that it can be started easily, quickly and energy-efficient in the event of a later freeze start.
  • the discharge of liquid water through a purging of the fuel cell system is comparatively energy and time consuming. To get the water completely out of the fuel cell system
  • the air supply must be operated for drying the fuel cell system for a long period of time. This is especially true for the anode region of the fuel cell, which must be specially connected to the cathode side for this purpose.
  • the process is particularly inefficient here, so that some water and moisture remains in the system and then possibly hinder the restart.
  • JP 2008-103120 A a method is known in which the cathode side of a fuel cell is dried.
  • the cathode side is set by a reverse operation of the air conveyor under a negative pressure, so that the temperature and pressure conditions facilitate evaporation of the water located in the cathode area and so the removal of water in the vapor state can take place.
  • the removal of vaporous water is much easier and more efficient than liquid water, since the water vapor does not add any cross-sections and does not accumulate in the form of droplets, thereby narrowing the flow paths and increasing the pressure loss.
  • the object of the present invention is now to specify a method for preparing the restart of a fuel cell system, in which moisture is discharged at least from the region of an anode side of the fuel cell system, and which operates in a simple and energy-efficient manner. Moreover, it is the object of the present invention to provide a fuel cell system which is suitable for carrying out such a method.
  • the solution according to the invention provides that on the anode side of the
  • a vacuum is generated to fuel cell system to facilitate the transition of the liquid water in the vapor state, after which the water vapor is discharged from the anode side.
  • cathode side which does not normally have valve means for shutting off the same, need not be modified.
  • anode side which usually has an anode circuit, is a
  • Fuel cell system generates a negative pressure to the transition of
  • Cathode side is achieved with closed feed.
  • closed feed prevents the flow of substances, which maintains the vacuum and maintains the ideal evaporation conditions for the water.
  • this particularly advantageous aspect of the method according to the invention causes the necessity of having only one single suction device and, on the other hand, enables a very balanced negative pressure both in the anode side and in the cathode side, since this is produced by the same suction device.
  • pressure differences across the membranes of the ideally designed as a PEM fuel cell fuel cell can be prevented. This prevents contamination of the membranes with the potential for damage to the membranes.
  • the removal of the water vapor takes place through a condensation region which is cooled at least during the discharge.
  • a condensation region which is cooled actively or passively, for example by a connection to a cooling system of the fuel cell system, a thermocouple in the form of a Peltier element, a reduced relative to the environment insulation or the like, is used to recover the extracted water vapor before draining from the system to either condense or ideally store in the form of water at a noncritical site
  • condensation region Drain environment.
  • the advantage of such a condensation region is that the water in the liquid phase can be extracted very easily. Besides, it causes the effect that when the system reaches its minimum End pressure approaches and the vapor condenses out, thereby further strengthening the negative pressure is achieved because the water loses volume in this state.
  • the use of a specifically arranged condensation region can therefore enhance the effect to be achieved by the method according to the invention in a positive manner.
  • Fuel cell according to the type described in more detail in the preamble of claim 6 the task by implementing the features mentioned in the characterizing part of claim 6.
  • the fuel cell system according to the invention is constructed so that the
  • Suction device for achieving the negative pressure with the anode region is connectable. As a result, the method according to the invention described above can be realized.
  • the suction device has a suction pump.
  • a suction pump generates the desired negative pressure in the anode side of the fuel cell system, by sucking air, water and water vapor from this area, thereby providing a negative pressure.
  • the suction pump may in particular be designed as a vacuum pump, which is then suitable for generating a comparatively strong negative pressure.
  • the suction device comprises a gas jet pump, in particular one of the influx to or from the effluent from the cathode region driven as a propellant gas stream
  • Gas jet pump Such a gas jet pump can be used ideally for building up a negative pressure on the anode side of the fuel cell system. It can be flowed through by any gas stream, but in particular by a cathode-side flowing supply or exhaust air flow. It can be designed, for example, in the manner of a Venturi tube.
  • a gas jet pump can be used ideally for building up a negative pressure on the anode side of the fuel cell system. It can be flowed through by any gas stream, but in particular by a cathode-side flowing supply or exhaust air flow. It can be designed, for example, in the manner of a Venturi tube.
  • an air flow is always generated to and from the fuel cell inevitably.
  • This air flow can now flow through the gas jet pump and can thereby inventively a Produce negative pressure, which in turn can be used for the extraction of gases and / or water from the anode region of the fuel cell system.
  • This structure is very simple and energy efficient and allows, for example, without an additional measure for connecting the anode side to the cathode side, a drying of the cathode side by the air flow, which is comparatively easy here due to the designed for air line cross sections and the like, and drying of the anode side the generation of a negative pressure, so that water contained therein can evaporate very easily and then can be sucked off easily and efficiently.
  • the cathode region can additionally be connectable to the suction device, wherein the cathode region can be connected to the suction device directly or via the anode region.
  • This structure in turn uses a suction device, which must be constructed in this case as a suction pump or the like, in order at the same time
  • Aspirate anode area and the cathode area for this purpose, for example, a specially provided or already existing connection between the
  • Anode area and the cathode area are opened according to, for example, a line element through which in regular operation of the fuel cell system water and / or gas can be discharged from an anode circuit in the supply air and / or exhaust air of the cathode region in normal operation.
  • the suction device is connected to a drain line from a water separator in an anode circuit for the combined discharge of water and / or gas.
  • a water separator for the combined discharge of water and / or gas from the so-called anode circuit of a fuel cell system is known from the prior art -.
  • This discharge line can now be connected to the suction device, so as to achieve a very simple and efficient structure for drying the anode side, in this case the anode region and the anode circuit.
  • Fig. 1 is a principle indicated fuel cell system in a first
  • Fig. 2 is a principle indicated fuel cell system in a second
  • Fig. 3 is a principle indicated fuel cell system in a third
  • FIG. 4 shows a detail from the fuel cell system according to FIG. 3.
  • an indicated vehicle 2 provide electrical power to drive this vehicle 2.
  • the vehicle 2 itself can, for example, a
  • Passenger a commercial vehicle, a rail vehicle, a driverless logistics vehicle, a ship or the like.
  • Core of the fuel cell system 1 is a fuel cell 2, which should be designed as a PEM fuel cell or PEM fuel cell stack.
  • This fuel cell 3 comprises an anode chamber 4 and a cathode compartment 5.
  • the anode compartment 4 is supplied with hydrogen as fuel from a compressed gas reservoir 6 via a shut-off and pressure control valve 7. Unused hydrogen passes to the anode chamber 4 via a recirculation line 8 together with through
  • Membranes of the fuel cell 3 diffused through inert gases and a small part of the product water formed in the fuel cell 3, which is formed in the anode compartment 4, via a recirculation line 8 back to the input of the anode compartment 4 and this is mixed with fresh hydrogen fed back.
  • Recirculation line 8 is used. This can for example be designed as a hydrogen blower and / or as a gas jet pump, which is driven by the fresh hydrogen from the compressed gas storage 6 as a propellant gas stream.
  • This so-called anode circuit on the anode side of the fuel cell system 1 has in the region of Recirculation line 8 also typically a water separator 10, which is connected via a drain valve 11 with a drain line 12.
  • the circulated in the recirculation line 8 product water is deposited in liquid form in the water separator 10 and can be discharged, for example, from time to time or on the basis of a level and / or as a function of substance concentrations.
  • inert gases typically also accumulate in the anode circuit over time, they can preferably be drained off via the same drain line 12 and the same drain valve 11 after which water has passed through it. This results in a very efficient structure, which only requires a drain line 12 and a drain valve 11. In principle, however, it would also be conceivable that
  • Drain lines for water and gas in the anode circuit run separately.
  • a diaphragm instead of a drain valve 11 in order to generate a continuous small volume flow through the drain line 12.
  • the cathode compartment 5 of the fuel cell 3 is supplied with air via an air conveyor 13. This serves as an oxygen supplier in the fuel cell 3 and, after it has flowed through the cathode space 5, arrives at the cathode side of the
  • Fuel cell system 1 as exhaust air back into the environment.
  • a post-treatment of the exhaust air would be conceivable, for example, the passage of a turbine to recover at least partially residues of pressure energy and thermal energy from the exhaust air. This is for the present invention of minor importance and is therefore not shown.
  • a suction device 14 can now also be seen. This one is in the one shown here
  • the suction pump used as the suction device 14 may be formed as an electrically driven rotary vane vacuum pump. Such is used for example in the field of brake booster and is in the automotive environment a very common type of pump, which is available in large quantities cost-effective. Alternatively, an electric diaphragm pump would be a very good choice, especially because such is very resistant to freezing.
  • the suction pump used as the suction device 14 is either permanently connected to the drain line 12 or can be connected via a suitable switching valve (not shown here) with this.
  • suction pump described above as a rotary vane vacuum pump can be due to the high suction pressure of up to -900mbar a very small residual pressure of about 100mbar absolute in the anode side of
  • a drying can thus also at
  • Cathode space 5 of the fuel cell 3 is connected.
  • This structure is well known and common. In principle, it serves to supply exhaust gases, which are discharged from the anode circuit, to the cathode compartment 5 of the fuel cell 3. Since a residual amount of hydrogen is always contained in these vented gases, since a certain amount of hydrogen is always blown off during operation when venting inert gases, this structure is well known and customary. It serves to convert this residual hydrogen in the region of the electrocatalysts of the cathode chamber 4 with the oxygen located there, so as to prevent hydrogen emissions to the environment.
  • the construction of the fuel cell system 1 in FIG. 2 also has two additional valve devices 16 for shutting off the supply air line and the exhaust air line to and from the cathode compartment 5.
  • valve devices 16 are open. A possible discharge of water and exhaust gases from the anode circuit is carried out via the water separator 10 and the drain valve 11 through the drain line 12 and the line member 15 in the flowing to the cathode chamber 5 supply air.
  • the suction device 14 is either designed so that it passes through the gas and / or water
  • Absaugincardi 1 prevented by design, or it can be shut off by means of a valve, so that the drained substances safely and reliably through the
  • Lead element 15 in the region of the cathode chamber 5 arrive.
  • the suction device 14 is started in the form of the suction pump.
  • the air delivery device 13 itself does not have to be operated. Rather, the valve devices 16 are closed and the drain valve 11 is opened accordingly.
  • the line member 15 is now the cathode side of the fuel cell system 1 in direct communication with the suction pump 14 via the
  • Anode side of the fuel cell system 1 Depending on the cable cross sections is then on the anode side and on the cathode side of the Fuel cell system 1 each set a negative pressure, namely at least approximately the same negative pressure.
  • the suction and the favored by the negative pressure are then on the anode side and on the cathode side of the Fuel cell system 1 each set a negative pressure, namely at least approximately the same negative pressure.
  • Vaporizing liquid water to water vapor is therefore not only on the
  • the method for drying the fuel cell system 1 is more energy-efficient and, above all, quieter compared to the method described above.
  • a condensation region or target capacitor 17 can also be seen in the flow direction of the extracted media in front of the suction pump 14.
  • This target capacitor 17 is cooled, for example via a cooling circuit of the fuel cell system, a specially provided inversely switchable thermocouple for cooling or the like.
  • the effect is that condenses in the region of the target condenser 17 of the extracted water vapor.
  • this can be vacuumed more efficiently via the suction pump 14, so that the generation of the negative pressure is comparatively energy-saving possible.
  • the volume of the water during condensation decreases, so that in addition the negative pressure is increased again, which further improves the drying of the fuel cell system 1.
  • Fuel cell system 1 works. Instead of the suction device 14 designed as a suction pump, a suction device 14 in the form of a gas jet pump is provided here.
  • This gas jet pump comprises a detail shown in Figure 4
  • Gas jet trained suction device 14 can also be flowed through in the regular operation by the exhaust air flow from the cathode chamber 5. In principle, it would also be conceivable to form a bypass to the suction device 14 and to circulate the exhaust air through this bypass and around the suction device 14 during normal operation. Will the
  • suction device 14 also used in regular operation, it can be ensured that water is atomized in the Venturi tube 18 accordingly, so that the water enters the environment as a mist with the exhaust air into the environment and does not drip in liquid form, for example, on a street.
  • the cathode compartment 5 As already described above, by the air conveyor 13 or optionally also a parallel arranged special air conveyor for this purpose is flushed with air to a drying the cathode side of the fuel cell system 1 and the
  • the exhaust air flows through the suction device 14 designed as a gas jet pump and generates a negative pressure in the discharge line 12.
  • the suction device 14 designed as a gas jet pump and generates a negative pressure in the discharge line 12.
  • Suction device 14 in the form of a gas jet pump generates a negative pressure on the anode side of the fuel cell system 1 in order to dry the anode side efficiently. Also in the fuel cell system 1 shown in Figure 3, the condensation region 17 is present. This is also arranged here in the flow direction immediately before the suction device 14. He can of the
  • the supply air can be permanent, so even in regular operation, by a recognizable in Figure 4
  • Heat exchangers 20 are sucked in the target condenser 17, or it can be selected via an optional valve means 21, a switching of the intake air path for the regular operation and the operation for preparing the restart. If, instead of the air conveying device 13, a special blower for drying the cathode space 4 used, this could also have its own intake through the heat exchanger 20 of the target capacitor 17, so that the optional valve device 21 could be saved.
  • the structure of the suction device 14 and the target capacitor 17 can be seen again in detail.
  • Venturi tube 18 arranged so that water not only by the suction, but also by gravity into the area of the Venturi tube 18 flows.
  • the suction device 14 in one of the described embodiments also offers the advantage that the
  • Fuel cell system 1 for example, can be specifically sucked off for a workshop stay to reduce the amount of hydrogen in the fuel cell system 1 or to make this at least approximately free of hydrogen.
  • the suction also has the advantage that penetrating into the anode area during standstill ambient air due to the extracted hydrogen can not form an air-hydrogen front, which then passes through the anode compartment 4. As a result, aging effects in the fuel cell 3 can be minimized.

Landscapes

  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Vorbereiten des Wiederstarts eines Brennstoffzellensystems (1), wozu Feuchtigkeit zumindest aus dem Bereich einer Anodenseite (4) des Brennstoffzellensystems (1) ausgetragen wird. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass auf der Anodenseite (4) des Brennstoffzellensystems (1) ein Unterdruck mittels einer Absaugeinrichtung, wie z.B. einer Gasstrahlpumpe (14) erzeugt wird, um den Übergang von flüssigem Wasser in den dampfförmigen Zustand zu erleichtern, wonach der Wasserdampf aus der Anodenseite (4) über die Leitung (12) abgeführt wird. Außerdem ist ein entsprechendes Brennstoffzellensystem (1) beschrieben.

Description

VERFAHREN ZUM VORBEREITEN DES WIEDERSTARTS EINER BRENNSTOFFZELLE
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Vorbereiten des Wiederstarts eines
Brennstoffzellensystems nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art. Außerdem betrifft die Erfindung ein Brennstoffzellensystem nach der im Oberbegriff von Anspruch 6 näher definierten Art.
Brennstoffzellensysteme sind aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt. Es kann sich dabei um Brennstoffzellensysteme handeln, welche insbesondere mit einer sogenannten PEM-Brennstoffzelle beziehungsweise einem PEM-Brennstoffzellenstack ausgerüstet sind. Sie können beispielsweise zur Erzeugung von elektrischer
Antriebsleistung in Fahrzeugen eingesetzt werden. Problematisch bei solchen
Brennstoffzellensystemen ist der Start bei Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts. Bei einem solchen, sogenannten Gefrierstart, können einzelne Komponenten des
Brennstoffzellensystems und die Brennstoffzelle selbst, und hier insbesondere die Kanäle in den sogenannten Gasdiffusionsschichten der Membranelektrodenanordnungen, von gefrorenem Wasser verstopft sein. Es kann jedoch auch zu eingefrorenen Komponenten wie beispielsweise Ventilen, Leitungselementen, festgefrorenen Fördereinrichtungen oder dergleichen kommen. Um dieser Problematik zu begegnen ist es einerseits möglich, während einem Gefrierstart eines solchen Brennstoffzellensystems dieses aufzuheizen. Dadurch verzögert sich jedoch der Start und der Vorgang ist vergleichsweise
energieintensiv.
Aus dem allgemeinen Stand der Technik ist es daher bekannt, Brennstoffzellensysteme bereits beim Abstellen oder, - wie in älteren Anmeldungen der Anmelderin beschrieben - falls die Temperatur in der Umgebung des Brennstoffzellensystems unter einen vorgegebenen Grenzwert sinkt, auf den Wiederstart vorzubereiten. Im Stand der Technik wird dafür typischerweise die Luftversorgungseinrichtung der Brennstoffzelle kurzzeitig gestartet oder im Falle einer Abschaltprozedur weiter betrieben, wobei das
Brennstoffzellensystem von Luft durchspült wird, um dampfförmiges und flüssiges Wasser aus dem Brennstoffzellensystem auszutragen und das Brennstoffzellensystem soweit zu trocknen, dass es im Falle eines späteren Gefrierstarts einfach, schnell und energieeffizient gestartet werden kann. Insbesondere der Austrag von flüssigem Wasser durch ein Durchspülen des Brennstoffzellensystems ist dabei vergleichsweise energie- und zeitaufwändig. Um das Wasser gänzlich aus dem Brennstoffzellensystem
auszutragen, muss die Luftversorgung zum Trocknen des Brennstoffzellensystems über einen längeren Zeitraum betrieben werden. Dies gilt insbesondere für den Anodenbereich der Brennstoffzelle, welcher zu diesem Zweck eigens mit der Kathodenseite verbunden werden muss. Durch die ansonsten für Wasserstoff ausgelegten Strömungsverhältnisse des Anodenraums und der im oder um den Anodenraum angeordneten Leitungselemente und Komponenten ist der Vorgang hier besonders ineffizient, sodass teilweise Wasser und Feuchtigkeit in dem System verbleibt und den Wiederstart dann gegebenenfalls behindern kann.
Aus dem Stand der Technik in Form der JP 2008-103120 A ist ein Verfahren bekannt, bei welchem die Kathodenseite einer Brennstoffzelle getrocknet wird. Um eine sehr effiziente Trocknung zu erreichen, wird die Kathodenseite dabei durch einen umgekehrten Betrieb der Luftfördereinrichtung unter einen Unterdruck gesetzt, sodass die Temperatur- und Druckverhältnisse ein Verdampfen des im Kathodenbereich befindlichen Wassers erleichtern und so die Abfuhr dieses Wassers im dampfförmigen Zustand erfolgen kann. Die Abfuhr von dampfförmigem Wasser ist dabei sehr viel einfacher und effizienter als von flüssigem Wasser, da der Wasserdampf keine Leitungsquerschnitte zusetzt und sich nicht in Form von Tröpfchen ansammelt, wodurch Strömungswege verengt und der Druckverlust erhöht wird.
Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin, ein Verfahren zum Vorbereiten des Wiederstarts eines Brennstoffzellensystems anzugeben, bei welchem Feuchtigkeit zumindest aus dem Bereich einer Anodenseite des Brennstoffzellensystems ausgetragen wird, und welches einfach und energieeffizient arbeitet. Außerdem ist es die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung ein Brennstoffzellensystem anzugeben, welches zur Durchführung eines solchen Verfahrens geeignet ist. Die erfindungsgemäße Lösung sieht es vor, dass auf der Anodenseite des
Brennstoffzellensystems ein Unterdruck erzeugt wird, um den Übergang des flüssigen Wassers in den dampfförmigen Zustand zu erleichtern, wonach der Wasserdampf aus der Anodenseite abgeführt wird. Das erfindungsgemäße Verfahren nutzt also die
Tatsache, dass unter entsprechenden Druck- und Temperaturverhältnissen Wasser sehr leicht verdampft und erzeugt zumindest auf der Anodenseite des Brennstoffzellensystems derartige Druckverhältnisse durch das Anlegen eines Unterdrucks. Dadurch kann das Wasser verdampfen und kann dann einfach in dampfförmiger Form abgegeben werden. Das erfindungsgemäße Verfahren kann dabei einerseits als Teil einer Abschaltprozedur eingesetzt werden und kann andererseits im Rahmen einer späteren Vorbereitung auf einen Wiederstart genutzt werden, bei welchem das Brennstoffzellensystem,
beispielsweise beim Erreichen eines vorgegebenen Temperaturgrenzwerts, kurzzeitig aufgeweckt und getrocknet wird, um einen späteren Wiederstart, welcher dann gegebenenfalls bei Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts erfolgen muss, nicht zu gefährden.
Ein weiterer entscheidender Vorteil darin, lediglich die Anodenseite durch einen
Unterdruck zu trocknen, besteht darin, dass die Kathodenseite, welche normalerweise nicht über Ventileinrichtungen zum Absperren derselben verfügt, nicht modifiziert werden muss. Auf der Anodenseite, welche meist einen Anodenkreislauf aufweist, ist ein
Absperren des Anodenkreislaufs, sodass der Unterdruck aufrechterhalten bleibt, problemlos möglich, ohne dass hier zusätzliche Bauteile eingesetzt werden müssen. Durch das Anlegen des Unterdrucks wird also die kritische Anodenseite effizient getrocknet. Die Kathodenseite kann weiterhin durchspült werden, sodass hier keine Modifikation und keine zusätzlichen Bauteile notwendig sind.
In einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es dabei vorgesehen, dass neben der Anodenseite zusätzlich auf der Kathodenseite des
Brennstoffzellensystems ein Unterdruck erzeugt wird, um den Übergang von
Flüssigwasser in den dampfförmigen Zustand zu erleichtern, wonach der Wasserdampf aus der Kathodenseite abgeführt wird. Diese Erweiterung des Verfahrens auf sowohl die Anodenseite als auch die Kathodenseite des Brennstoffzellensystems gewährleistet ein sehr schnelles und effizientes Trocknen des gesamten Brennstoffzellensystems sowie der in der Umgebung des eigentlichen Kathodenraums und des eigentlichen Anodenraums liegenden Peripherieelemente sowohl auf der Kathodenseite als auch auf der Anodenseite des Brennstoffzellensystems.
In einer weiteren sehr günstigen und vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es ferner vorgesehen, dass die Erzeugung von Unterdruck und das Abführen des Wasserdampfs durch Absaugen der Anodenseite und/oder der
Kathodenseite bei geschlossener Stoffzufuhr erreicht wird. Hierdurch wird durch das Absaugen sowohl der Unterdruck erzeugt als auch die Abfuhr des Wasserdampfs gewährleistet. Durch die abgeschlossene Stoffzufuhr wird das Nachströmen von Stoffen verhindert, wodurch der Unterdruck aufrechterhalten und die Bedingungen zur idealen Verdampfung des Wassers aufrechterhalten werden.
In einer sehr günstigen und vorteilhaften Weiterbildung dieser Idee ist es dabei vorgesehen, dass die Anodenseite und die Kathodenseite gemeinsam über eine
Absaugeinrichtung abgesaugt werden. Dieser besonders vorteilhafte Aspekt des erfindungsgemäßen Verfahrens bewirkt einerseits die Notwendigkeit lediglich eine einzige Absaugeinrichtung vorzuhalten und ermöglicht andererseits einen sehr ausgeglichenen Unterdruck sowohl in der Anodenseite als auch in der Kathodenseite, da dieser durch die gleiche Absaugeinrichtung erzeugt wird. Hierdurch können Druckdifferenzen über den Membranen der idealerweise als PEM-Brennstoffzelle ausgebildeten Brennstoffzelle verhindert werden. Dadurch wird eine Belastung der Membranen mit der potenziellen Gefahr einer Beschädigung der Membranen verhindert.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann es ferner vorgesehen sein, dass die Abfuhr des Wasserdampfs durch einen Kondensationsbereich hindurch erfolgt, welcher zumindest während der Abfuhr gekühlt wird. Ein solcher Kondensationsbereich, welcher aktiv oder passiv gekühlt wird, beispielsweise durch eine Anbindung an ein Kühlsystems des Brennstoffzellensystems, ein Thermoelement in Form eines Peltierelements, eine gegenüber der Umgebung verminderte Isolierung oder dergleichen, dient dazu, den abgesaugten Wasserdampf vor dem Ablassen aus dem System wieder zu kondensieren und diesen in Form von Wasser an einer hinsichtlich des Einfrierens unkritischen Stelle entweder zu bevorraten oder idealerweise in die
Umgebung abzulassen. Der Vorteil eines solchen Kondensationsbereichs liegt darin, dass das Wasser in der Flüssigphase sehr leicht abgesaugt werden kann. Außerdem bewirkt es den Effekt, dass, wenn das System sich seinem minimal zu erreichenden Enddruck nähert und der Dampf auskondensiert, hierdurch eine weitere Verstärkung des Unterdrucks erreicht wird, da das Wasser in diesem Zustand an Volumen verliert. Die Verwendung eines gezielt angeordneten Kondensationsbereichs kann den durch das erfindungsgemäße Verfahren zu erzielenden Effekt also in positiver Art verstärken.
Wie bereits erwähnt, löst auch ein Brennstoffzellensystem mit wenigstens einer
Brennstoffzelle nach der im Oberbegriff von Anspruch 6 näher beschriebenen Art die Aufgabe, indem es die im kennzeichnenden Teil von Anspruch 6 genannten Merkmale umsetzt.
Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem ist so aufgebaut, dass die
Absaugeinrichtung zum Erzielen des Unterdrucks mit dem Anodenbereich verbindbar ist. Dadurch lässt sich das oben beschriebene erfindungsgemäße Verfahren realisieren.
In einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems ist es ferner vorgesehen, dass die Absaugeinrichtung eine Saugpumpe aufweist. Eine solche Saugpumpe erzeugt den gewünschten Unterdruck in der Anodenseite des Brennstoffzellensystems, indem sie Luft, Wasser und Wasserdampf aus diesem Bereich absaugt und dadurch für einen Unterdruck sorgt. Die Saugpumpe kann insbesondere als Vakuumpumpe ausgebildet sein, welche dann zur Erzeugung eines vergleichsweise starken Unterdrucks geeignet ist.
Ergänzend oder alternativ dazu ist es in einer besonders günstigen und vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems vorgesehen, dass die Absaugeinrichtung eine Gasstrahlpumpe aufweist, insbesondere eine vom Zustrom zu oder vom Abstrom von dem Kathodenbereich als Treibgasstrom angetriebene
Gasstrahlpumpe. Eine solche Gasstrahlpumpe lässt sich ideal zum Aufbauen eines Unterdrucks auf der Anodenseite des Brennstoffzellensystems nutzen. Sie kann dabei von einem beliebigen Gasstrom, insbesondere jedoch von einem kathodenseitig strömenden Zu- oder Abluftstrom durchströmt werden. Sie kann beispielsweise in der Art eines Venturirohrs ausgebildet sein. Beim herkömmlichen Verfahren zum Trocknen der Kathodenseite über einen Luftstrom, welcher durch die Luftversorgungseinrichtung oder ein eigens hierfür angebrachtes Gebläse oder dergleichen erzeugt wird, wird unweigerlich immer auch ein Luftstrom zu und von der Brennstoffzelle erzeugt. Dieser Luftstrom kann nun durch die Gasstrahlpumpe strömen und kann dadurch erfindungsgemäß einen Unterdruck erzeugen, welcher wiederum zum Absaugen von Gasen und/oder Wasser aus dem Anodenbereich des Brennstoffzellensystems genutzt werden kann. Dieser Aufbau ist sehr einfach und energieeffizient und ermöglicht beispielsweise ohne eine zusätzliche Maßnahme zur Verbindung der Anodenseite mit der Kathodenseite ein Trocknen der Kathodenseite durch den Luftstrom, was hier aufgrund der für Luft ausgelegten Leitungsquerschnitte und dergleichen vergleichsweise einfach möglich ist, sowie ein Trocknen der Anodenseite durch die Erzeugung eines Unterdrucks, sodass hierin enthaltenes Wasser sehr leicht verdampfen kann und dann einfach und effizient abgesaugt werden kann.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Brennstoffzellensystems kann zusätzlich der Kathodenbereich mit der Absaugeinrichtung verbindbar sein, wobei der Kathodenbereich direkt oder über den Anodenbereich mit der Absaugeinrichtung verbindbar ist. Dieser Aufbau nutzt wiederum eine Absaugeinrichtung, welche in diesem Fall als Saugpumpe oder dergleichen aufgebaut sein muss, um gleichzeitig den
Anodenbereich und den Kathodenbereich abzusaugen. Hierfür kann beispielsweise eine eigens dafür vorgesehene oder ohnehin vorhandene Verbindung zwischen dem
Anodenbereich und dem Kathodenbereich entsprechend geöffnet werden, beispielsweise ein Leitungselement, über welches im regulären Betrieb des Brennstoffzellensystems Wasser und/oder Gas aus einem Anodenkreislauf in die Zuluft und/oder Abluft des Kathodenbereichs im regulären Betrieb abgelassen werden kann.
In einer weiteren sehr günstigen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen
Brennstoffzellensystems ist es dabei vorgesehen, dass die Absaugeinrichtung mit einer Ablassleitung aus einem Wasserabscheider in einem Anodenkreislauf zum kombinierten Ablassen von Wasser und/oder Gas verbunden ist. Ein solcher Wasserabscheider zum kombinierten Ablassen von Wasser und/oder Gas aus dem sogenannten Anodenkreislauf eines Brennstoffzellensystems ist aus dem Stand der Technik - z. B. in Form der WO 2008/052578 A1 - bekannt. Diese Ablassleitung kann nun mit der Absaugeinrichtung verbunden werden, um so einen sehr einfachen und effizienten Aufbau zum Trocknen der Anodenseite, in diesem Fall also des Anodenbereichs sowie des Anodenkreislauf, zu erreichen.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems ergeben sich aus den nachfolgend näher beschriebenen Ausführungsbeispielen, welche unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert werden.
Dabei zeigen:
Fig. 1 ein prinzipmäßig angedeutetes Brennstoffzellensystem in einer ersten
Ausführungsform;
Fig. 2 ein prinzipmäßig angedeutetes Brennstoffzellensystem in einer zweiten
Ausführungsform;
Fig. 3 ein prinzipmäßig angedeutetes Brennstoffzellensystem in einer dritten
Ausführungsform; und
Fig. 4 ein Detail aus dem Brennstoffzellensystem gemäß Fig. 3.
In der Darstellung der Figur 1 ist ein sehr stark vereinfachtes Brennstoffzellensystem 1 in einer Prinzipdarstellung zu erkennen. Dieses Brennstoffzellensystem 1 kann
beispielsweise in einem angedeuteten Fahrzeug 2 elektrische Leistung zum Antrieb dieses Fahrzeugs 2 liefern. Das Fahrzeug 2 selbst kann dabei beispielsweise ein
Personenkraftwagen, ein Nutzfahrzeug, ein schienengebundenes Fahrzeug, ein fahrerloses Logistikfahrzeug, ein Schiff oder dergleichen sein.
Kern des Brennstoffzellensystems 1 ist dabei eine Brennstoffzelle 2, welche als PEM- Brennstoffzelle beziehungsweise PEM-Brennstoffzellenstack ausgebildet sein soll. Diese Brennstoffzelle 3 umfasst einen Anodenraum 4 sowie einen Kathodenraum 5. Dem Anodenraum 4 wird Wasserstoff als Brennstoff aus einem Druckgasspeicher 6 über ein Absperr- und Druckregelventil 7 zugeführt. Unverbrauchter Wasserstoff gelangt nach dem Anodenraum 4 über eine Rezirkulationsleitung 8 zusammen mit durch die
Membranen der Brennstoffzelle 3 hindurchdiffundierten Inertgasen und einem kleinen Teil des in der Brennstoffzelle 3 entstehenden Produktwassers, welcher im Anodenraum 4 entsteht, über eine Rezirkulationsleitung 8 zurück zum Eingang des Anodenraums 4 und wird diesem vermischt mit frischem Wasserstoff wieder zugeführt. In der
Rezirkulationsleitung 8 ist dabei eine Rezirkulationsfördereinrichtung 9 angeordnet, welche zum Ausgleich der Druckverluste in dem Anodenraum 4 und der
Rezirkulationsleitung 8 dient. Diese kann beispielsweise als Wasserstoffgebläse und/oder als Gasstrahlpumpe, welche vom frischen Wasserstoff aus dem Druckgasspeicher 6 als Treibgasstrom angetrieben wird, ausgebildet sein. Dieser sogenannte Anodenkreislauf auf der Anodenseite des Brennstoffzellensystems 1 weist im Bereich der Rezirkulationsleitung 8 typischerweise außerdem einen Wasserabscheider 10 auf, welcher über ein Ablassventil 11 mit einer Ablassleitung 12 verbunden ist. Das in der Rezirkulationsleitung 8 im Kreislauf geführte Produktwasser wird in flüssiger Form in dem Wasserabscheider 10 abgeschieden und kann beispielsweise von Zeit zu Zeit oder anhand eines Füllstands und/oder in Abhängigkeit von Stoffkonzentrationen abgelassen werden. Da typischerweise auch Inertgase sich mit der Zeit in dem Anodenkreislauf anreichern, können diese vorzugsweise über dieselbe Ablassleitung 12 und dasselbe Ablassventil 11 , nach dem dieses von Wasser durchströmt worden ist, mit abgelassen werden. Dadurch entsteht ein sehr effizienter Aufbau, welcher lediglich eine Ablassleitung 12 und ein Ablassventil 11 benötigt. Prinzipiell wäre es jedoch auch denkbar, die
Ablassleitungen für Wasser und Gas in dem Anodenkreislauf getrennt auszuführen. Außerdem wäre es natürlich denkbar, anstelle eines Ablassventils 11 eine Blende einzusetzen, um einen kontinuierlichen kleinen Volumenstrom durch die Ablassleitung 12 zu generieren.
Dem Kathodenraum 5 der Brennstoffzelle 3 wird Luft über eine Luftfördereinrichtung 13 zugeführt. Diese dient als Sauerstofflieferant in der Brennstoffzelle 3 und gelangt, nachdem sie den Kathodenraum 5 durchströmt hat, auf der Kathodenseite des
Brennstoffzellensystems 1 als Abluft wieder in die Umgebung. Hier wäre prinzipiell eine Nachbehandlung der Abluft denkbar, beispielsweise auch das Durchströmen einer Turbine, um Reste an Druckenergie und thermischer Energie aus der Abluft zumindest teilweise wieder zurückzugewinnen. Dies ist für die hier vorliegende Erfindung von untergeordneter Bedeutung und ist daher nicht dargestellt.
In dem hier dargestellten Brennstoffzellensystem 1 der Figur 1 ist nun außerdem eine Absaugeinrichtung 14 zu erkennen. Diese ist in dem hier dargestellten
Ausführungsbeispiel als Saugpumpe ausgebildet und kann beispielsweise als
Schraubenverdichter, Rootsverdichter, Zahnradpumpe oder dergleichen realisiert sein. Vorteilhafterweise kann die als Absaugeinrichtung 14 verwendete Saugpumpe dabei als elektrisch angetriebene Drehschieber-Vakuumpumpe ausgebildet sein. Eine solche wird beispielsweise im Bereich der Bremskraftverstärker genutzt und ist im automotiven Umfeld eine sehr geläufige Pumpenart, welche in hoher Stückzahl kostengünstig zur Verfügung steht. Alternativ dazu wäre auch eine elektrische Membranpumpe eine sehr gute Wahl, insbesondere weil eine solche sehr resistent gegenüber einem Einfrieren ist. Die als Absaugeinrichtung 14 genutzte Saugpumpe ist entweder dauerhaft mit der Ablassleitung 12 verbunden oder kann über ein geeignetes Schaltventil (hier nicht dargestellt) mit dieser verbunden werden. Kommt es nun zu einer Situation, bei welcher das Brennstoffzellensystem 1 getrocknet werden soll, um einen Wiederstart auch bei Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts zu ermöglichen, so kann beispielsweise über die Luftversorgungseinrichtung 13 oder gegebenenfalls auch ein parallel hierzu angeordnetes Niedervoltgebläse oder dergleichen ein Durchströmen des Kathodenraums 5 mit Luft erzielt werden, um Wasser und Wasserdampf auszuspülen und diesen entsprechend zu trocknen. Auf der Anodenseite des Brennstoffzellensystems 1 wird in dieser Situation das Absperr- und Druckregelventil 7 verschlossen sein, sodass die Brennstoffzelle 3 nicht mehr mit Wasserstoff versorgt wird. Der Anodenkreislauf ist dann ein an sich abgeschlossenes System. Wird das Ablassventil 11 nun geöffnet und über die hier als Saugpumpe ausgebildete Absaugeinrichtung 14 ein Unterdruck aufgebaut, dann wird das in diesem Anodenkreislauf und dem Anodenraum 4 selbst befindliche Gemisch aus Wasser und Restgasen abgesaugt. Nachdem das Gas abgesaugt ist, wird sich ein Unterdruck einstellen, da das Nachströmen von frischen Edukten in diesen Bereich ebenso wie das Nachströmen von Luft aufgrund des Aufbaus nicht möglich ist. Durch diesen Unterdruck wird eventuell noch in den Leitungen und insbesondere in den Gasverteilungskanälen des Anodenraums 4 befindliches Wasser aufgrund seiner physikalischen Eigenschaften sehr leicht verdampfen und kann dann als Wasserdampf sehr viel leichter aus der Anodenseite des Brennstoffzellensystems 1 abgeführt werden, als dies mit Wasser in flüssiger Form erfolgen könnte. Dadurch wird eine sehr gute Trocknung der Anodenseite des Brennstoffzellensystems 1 erreicht. Diese ist nach dem Trocknen dann ideal für einen Wiederstart, auch bei Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts, vorbereitet.
Beim oben beschriebenen Ausführungsbeispiel der Saugpumpe als Drehschieber- Vakuumpumpe lässt sich aufgrund des hohen Saugdrucks von bis zu -900mbar ein sehr kleiner Restdruck von ca. 100mbar absolut in der Anodenseite des
Brennstoffzellensystems 1 erreichen. Eine Trocknung kann somit auch bei
vergleichsweise niedriger Temperatur durchgeführt werden oder bei höherer Temperatur kann eine entsprechend hohe Menge an Wasserdampf durch die Verwendung einer solchen Saugpumpe aus der Anodenseite des Brennstoffzellensystems 1 ausgetragen und dieses damit getrocknet werden. In der Darstellung der Figur 2 ist eine alternative Ausführungsform des beschriebenen Aufbaus zu erkennen. Soweit der Aufbau identisch ist, ist er mit denselben
Bezugszeichen versehen, lediglich die Darstellung des prinzipmäßig angedeuteten Fahrzeugs 2 ist unterblieben. Zusätzlich zu dem bisher beschriebenen Aufbau ist es nun so, dass die Ablassleitung 12 über ein Leitungselement 15 mit der Zuluft zu dem
Kathodenraum 5 der Brennstoffzelle 3 verbunden ist. Auch dieser Aufbau ist allgemein bekannt und üblich. Er dient im Prinzip dazu, Abgase, welche aus dem Anodenkreislauf abgelassen werden, dem Kathodenraum 5 der Brennstoffzelle 3 zuzuführen. Da in diesen abgelassenen Gasen immer auch eine Restmenge an Wasserstoff enthalten ist, da während des Betriebs beim Ablassen von Inertgasen immer auch eine gewisse Menge an Wasserstoff mit abgeblasen wird, ist dieser Aufbau allgemein bekannt und üblich. Er dient dazu, diesen Restwasserstoff im Bereich der Elektrokatalysatoren des Kathodenraums 4 mit dem dort befindlichen Sauerstoff umzusetzen, um so Wasserstoffemissionen an die Umgebung zu verhindern. Der Aufbau des Brennstoffzellensystems 1 in Figur 2 weist außerdem zwei zusätzliche Ventileinrichtung 16 zum Absperren der Zuluftleitung und der Abluftleitung zu und aus dem Kathodenraum 5 auf. Im regulären Betrieb sind diese Ventileinrichtungen 16 geöffnet. Ein eventuelles Ablassen von Wasser und Abgasen aus dem Anodenkreislauf wird über den Wasserabscheider 10 und das Ablassventil 11 durch die Ablassleitung 12 und das Leitungselement 15 in den zu dem Kathodenraum 5 strömenden Zuluftstrom erfolgen. Die Absaugeinrichtung 14 ist dabei entweder so ausgebildet, dass sie einen Durchtritt von Gas und/oder Wasser durch die
Absaugeinrichtung 1 bauartbedingt verhindert, oder sie lässt sich mittels eines Ventils absperren, sodass die abgelassenen Stoffe sicher und zuverlässig durch das
Leitungselement 15 in den Bereich des Kathodenraums 5 gelangen.
Kommt es nun zu einer Situation, in der das Brennstoffzellensystem zur Vorbereitung auf einen Wiederstart getrocknet werden soll, dann wird, wie oben bereits erwähnt, die Absaugeinrichtung 14 in Form der Saugpumpe gestartet. Gleichzeitig muss bei dem in Figur 2 dargestellten Aufbau die Luftfördereinrichtung 13 selbst nicht betrieben werden. Vielmehr werden die Ventileinrichtungen 16 geschlossen und das Ablassventil 11 entsprechend geöffnet. Über das Leitungselement 15 liegt nun die Kathodenseite des Brennstoffzellensystems 1 in direkter Verbindung mit der Saugpumpe 14 über die
Ablassleitung 12 und das Ablassventil 11 sowie den Wasserabscheider 10 die
Anodenseite des Brennstoffzellensystems 1. In Abhängigkeit der Leitungsquerschnitte wird sich dann auf der Anodenseite und auf der Kathodenseite des Brennstoffzellensystems 1 jeweils ein Unterdruck, und zwar zumindest in etwa derselbe Unterdruck einstellen. Das Absaugen und das durch den Unterdruck begünstigte
Verdampfen von flüssigem Wasser zu Wasserdampf wird also nicht nur auf der
Anodenseite, sondern auch auf der Kathodenseite eingesetzt. Dabei ist die Tatsache, dass im Kathodenraum 5 und im Anodenraum 4 in etwa der gleiche Druck herrscht ein besonderer Vorteil, da hierdurch eine Belastung der Membranen durch eventuelle Druckdifferenzen weitgehend verhindert wird. Der Aufbau kann so sehr einfach und effizient sowohl die Anodenseite als auch die Kathodenseite mit Unterdruck
beaufschlagen und entstehenden Wasserdampf und enthaltene Gase absaugen.
Dadurch, dass die Luftversorgungseinrichtung 13 nicht betrieben werden muss, ist das Verfahren zum Trocknen des Brennstoffzellensystems 1 gegenüber dem oben beschriebenen Verfahren energieeffizienter und vor allem leiser.
In der Darstellung der Figur 2 ist in Strömungsrichtung der abgesaugten Medien vor der Saugpumpe 14 außerdem ein Kondensationsbereich beziehungsweise Zielkondensator 17 zu erkennen. Dieser Zielkondensator 17 wird gekühlt, beispielsweise über einen Kühlkreislauf des Brennstoffzellensystems, ein eigens hierfür vorgesehenes invers schaltbares Thermoelement zur Kühlung oder dergleichen. Der Effekt besteht darin, dass im Bereich des Zielkondensators 17 der abgesaugte Wasserdampf kondensiert. Dadurch lässt sich dieser effizienter über die Saugpumpe 14 absaugen, sodass die Erzeugung des Unterdrucks vergleichsweise energiesparend möglich ist. Außerdem verringert sich das Volumen des Wassers beim Kondensieren, sodass zusätzlich der Unterdruck nochmals verstärkt wird, was die Trocknung des Brennstoffzellensystems 1 noch weiter verbessert.
In der Darstellung der Figur 3 ist nun ein alternativer Aufbau des Brennstoffzellensystems
1 dargestellt, welcher wiederum analog dem in Figur 1 beschriebenen
Brennstoffzellensystems 1 funktioniert. Anstelle der als Saugpumpe ausgebildeten Absaugeinrichtung 14 ist hier eine Absaugeinrichtung 14 in Form einer Gasstrahlpumpe vorgesehen. Diese Gasstrahlpumpe umfasst ein in Figur 4 näher dargestelltes
Venturirohr 18 mit einer Querschnittsverengung 19, in deren Bereich die Ablassleitung 12 mündet.
Das in Figur 3 dargestellte Brennstoffzellensystem 1 funktioniert nun im regulären Betrieb so, wie oben bereits geschildert. Der einzige Unterschied beispielsweise zu dem in Figur
2 dargestellten Brennstoffzellensystem besteht darin, dass Wasser und/oder Gas, welches über den Wasserabscheider 10 und die Ablassleitung 12 sowie das Ablassventil 11 aus dem Anodenkreislauf abgelassen wird, nicht der Zuluft zum Kathodenraum 5, sondern der Abluft aus dem Kathodenraum 5 zugeführt wird. Hierfür ist die als
Gasstrahlpumpe ausgebildete Absaugeinrichtung 14 auch im regulären Betrieb durch den Abluftstrom aus dem Kathodenraum 5 durchströmbar. Prinzipiell wäre es auch denkbar, einen Bypass zur Absaugeinrichtung 14 auszubilden und im regulären Betrieb die Abluft durch diesen Bypass und um die Absaugeinrichtung 14 herumzuleiten. Wird die
Absaugeinrichtung 14 jedoch auch im regulären Betrieb verwendet, so kann dadurch sichergestellt werden, dass Wasser in dem Venturirohr 18 entsprechend zerstäubt wird, sodass das Wasser als Nebel mit der Abluft in die Umgebung gelangt und nicht in flüssiger Form beispielsweise auf eine Straße tropft.
Für den Betrieb zum Vorbereiten des Brennstoffzellensystems 1 auf einen Wiederstart ist es nun vorgesehen, dass der Kathodenraum 5, wie oben bereits beschrieben, durch die Luftfördereinrichtung 13 oder gegebenenfalls auch eine parallel dazu angeordnete spezielle Luftfördereinrichtung für diesen Anwendungszweck mit Luft durchspült wird, um ein Trocknen der Kathodenseite des Brennstoffzellensystems 1 sowie des
Kathodenraums 5 im Speziellen zu erreichen. Die Abluft strömt dabei durch die als Gasstrahlpumpe ausgebildete Absaugeinrichtung 14 und erzeugt in der Ablassleitung 12 einen Unterdruck. Bei geöffnetem Ablassventil 11 kommt es dadurch zu einem
Unterdruck in dem Anodenkreislauf in der oben bereits beschriebenen Art und Weise. Durch den hier zum Trocknen des Kathodenraums 5 ohnehin benötigten Luftstrom wird also gleichzeitig und mit minimalem zusätzlichem Energieaufwand über die
Absaugeinrichtung 14 in Form einer Gasstrahlpumpe ein Unterdruck auf der Anodenseite des Brennstoffzellensystems 1 erzeugt, um auch die Anodenseite effizient trocknen zu können. Auch in dem in Figur 3 dargestellten Brennstoffzellensystem 1 ist dabei der Kondensationsbereich 17 vorhanden. Dieser ist auch hier in Strömungsrichtung unmittelbar vor der Absaugeinrichtung 14 angeordnet. Er kann von von der
Luftfördereinrichtung 13 zum Durchspülen des Kathodenraums 5 angesaugter Zuluft entsprechend gekühlt werden. Dies ist in Figur 3 dargestellt. Die Zuluft kann dabei dauerhaft, also auch im regulären Betrieb, durch einen in Figur 4 erkennbaren
Wärmetauscher 20 im Zielkondensator 17 angesaugt werden, oder es kann über eine optionale Ventileinrichtung 21 eine Umschaltung des Ansaugluftwegs für den regulären Betrieb und den Betrieb zum Vorbereiten des Wiederstarts gewählt werden. Wird anstelle der Luftfördereinrichtung 13 ein spezielles Gebläse zum Trocknen des Kathodenraums 4 eingesetzt, so könnte dies auch einen eigenen Ansaugweg durch den Wärmetauscher 20 des Zielkondensators 17 aufweisen, sodass die optionale Ventileinrichtung 21 eingespart werden könnte. In der Darstellung der Figur 4 ist der Aufbau der Ansaugeinrichtung 14 und des Zielkondensators 17 nochmal im Detail zu erkennen. Idealerweise ist der Zielkondensator 17, wie in der Darstellung der Figur 4 dargestellt, im
bestimmungsgemäßen Betrieb oberhalb des Venturirohrs 18 angeordnet, sodass Wasser nicht nur durch die Saugwirkung, sondern unterstützend auch durch die Schwerkraft in den Bereich des Venturirohrs 18 fließt.
Neben der Möglichkeit den Wiederstart des Brennstoffzellensystems bei Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts vorzubereiten, bietet die Absaugeinrichtung 14 in einer der beschriebenen Ausführungsvarianten außerdem den Vorteil, dass das
Brennstoffzellensystem 1 beispielsweise für einen Werkstattaufenthalt gezielt abgesaugt werden kann, um die Wasserstoffmenge in dem Brennstoffzellensystem 1 zu reduzieren oder dieses zumindest annähernd frei von Wasserstoff zu machen. Die Absaugung hat außerdem den Vorteil, dass während des Stillstands in den Anodenbereich eindringende Umgebungsluft aufgrund des abgesaugten Wasserstoffs keine Luft-Wasserstoff-Front bilden kann, welche dann durch den Anodenraum 4 verläuft. Dadurch lassen sich Alterungseffekte in der Brennstoffzelle 3 minimieren.
Die beschriebenen Ausführungsvarianten sind rein beispielhaft zu verstehen.
Selbstverständlich lassen sich die einzelnen Varianten beliebig untereinander
kombinieren und es lässt sich sowohl die Verwendung einer einzigen Absaugeinrichtung 14 als auch die Verwendung mehrerer Absaugeinrichtungen 14 realisieren. Außerdem ist es selbstverständlich nicht notwendig, ein Brennstoffzellensystem 1 in einem
Anodenkreislauf zu verwenden. Das Verfahren in der beschriebenen Art und Weise ist selbstverständlich auch mit einem Brennstoffzellensystem 1 möglich, welches ohne Anodenkreislauf konzipiert ist.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Vorbereiten des Wiederstarts eines Brennstoffzellensystems (1), wozu Feuchtigkeit zumindest aus dem Bereich einer Anodenseite des
Brennstoffzellensystems (1) ausgetragen wird,
dadurch gekennzeichnet, dass
auf der Anodenseite des Brennstoffzellensystems (1) ein Unterdruck erzeugt wird, um den Übergang von flüssigem Wasser in den dampfförmigen Zustand zu erleichtern, wonach der Wasserdampf aus der Anodenseite abgeführt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
neben der Anodenseite zusätzlich auf der Kathodenseite des
Brennstoffzellensystems (1) ein Unterdruck erzeugt wird, um den Übergang des flüssigen Wassers in den dampfförmigen Zustand zu erleichtern, wonach der Wasserdampf aus der Kathodenseite abgeführt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass,
die Erzeugung von Unterdruck und das Abführen des Wasserdampfs durch Absaugen bei geschlossener Stoffzufuhr erreicht wird.
4. Verfahren nach Anspruch 2 und 3,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Anodenseite und die Kathodenseite gemeinsam über eine Absaugeinrichtung (1 ) abgesaugt werden.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Abfuhr des Wasserdampfs durch einen Kondensationsbereich (17) hindurch erfolgt, welcher zumindest während der Abfuhr des Wasserdampfs gekühlt wird.
6. Brennstoffzellensystem (1) mit wenigstens einer Brennstoffzelle (3), welche einen Anodenraum (4) und einen Kathodenraum (5) sowie mit dem Anodenraum (4) und dem Kathodenraum (5) verbundene Leitungselemente und/oder Komponenten aufweist, wobei zumindest der Anodenraum (4) zusammen mit den anodenseitigen Leitungselementen und/oder Komponenten gegenüber der Umgebung absperrbar ist, mit einer Absaugeinrichtung (14) zum Erzielen eines Unterdrucks,
dadurch gekennzeichnet, dass,
die Absaugeinrichtung mit dem Anodenraum (4) zumindest mittelbar verbindbar ist.
7. Brennstoffzellensystem (1) nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Absaugeinrichtung (14) eine Saugpumpe aufweist.
8. Brennstoffzellensystem (1) nach Anspruch 6 oder 7,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Absaugeinrichtung (14) eine Gasstrahlpumpe aufweist, insbesondere eine vom Zustrom zu oder vom Abstrom von dem Kathodenraum (5) als Treibgasstrom angetriebene Gasstrahlpumpe.
9. Brennstoffzellensystem (1) nach Anspruch 6 oder 7,
dadurch gekennzeichnet, dass
zusätzlich der Kathodenraum (5) mit der Absaugeinrichtung (14) verbindbar ist, wobei der Kathodenraum (5) direkt oder über den Anodenraum (4) mit der
Absaugeinrichtung (14) verbindbar ist.
10. Brennstoffzellensystem (1) nach einem der Ansprüche 6 bis 9,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Absaugeinrichtung (14) mit einer Ablassleitung (12) aus einem
Wasserabscheider (10) in einem Anodenkreislauf zum kombinierten Ablassen von Wasser und Gas verbunden ist.
PCT/EP2012/004617 2011-11-29 2012-11-06 Verfahren zum vorbereiten des wiederstarts einer brennstoffzelle WO2013079149A1 (de)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102011119665.3 2011-11-29
DE102011119665A DE102011119665A1 (de) 2011-11-29 2011-11-29 Verfahren zum Vorbereiten des Wiederstarts

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2013079149A1 true WO2013079149A1 (de) 2013-06-06

Family

ID=47221281

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/EP2012/004617 WO2013079149A1 (de) 2011-11-29 2012-11-06 Verfahren zum vorbereiten des wiederstarts einer brennstoffzelle

Country Status (2)

Country Link
DE (1) DE102011119665A1 (de)
WO (1) WO2013079149A1 (de)

Families Citing this family (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102014221321A1 (de) 2014-10-21 2016-04-21 Volkswagen Ag Brennstoffzellensystem sowie Verfahren zum Abschalten eines Brennstoffzellenstapels
DE102014224135B4 (de) 2014-11-26 2024-04-04 Audi Ag Verfahren zum Abschalten eines Brennstoffzellenstapels sowie Brennstoffzellensystem
DE102016224652A1 (de) * 2016-12-12 2018-06-14 Robert Bosch Gmbh Mischvorrichtung und eine Brennstoffzelle mit einer derartigen Mischvorrichtung
DE102016124220A1 (de) 2016-12-13 2018-06-14 Audi Ag Brennstoffzellensystem sowie Verfahren zum Starten eines Brennstoffzellenstapels
AT521903B1 (de) * 2018-11-27 2021-04-15 Avl List Gmbh Brennstoffzellensystem und Verfahren zur Rezirkulation von Abgas in einem Brennstoffzellensystem
DE102021206676A1 (de) * 2021-06-28 2022-12-29 Cellcentric Gmbh & Co. Kg Verfahren zur Reinigung eines Rezirkulationskreislaufs
DE102021211706A1 (de) 2021-10-18 2023-04-20 Robert Bosch Gesellschaft mit beschränkter Haftung Brennstoffzellensystem, Fahrzeug und Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE10061687A1 (de) * 1999-12-13 2001-07-12 Gen Motors Corp Gefrierschutz für eine Brennstoffzelle durch Vakuumtrocknung
US20050142399A1 (en) * 2003-12-31 2005-06-30 Kulp Galen W. Procedure for starting up a fuel cell using a fuel purge
JP2008103120A (ja) 2006-10-17 2008-05-01 Toyota Motor Corp 燃料電池システム
WO2008052578A1 (de) 2006-10-31 2008-05-08 Daimler Ag Brennstoffkreis eines brennstoffzellensystems und verfahren zum betreiben eines brennstoffzellensystems
DE102008051964A1 (de) * 2007-10-18 2009-05-07 GM Global Technology Operations, Inc., Detroit Unterstützte Stapelanodenspülung bei Inbetriebnahme eines Brennstoffzellensystms
DE102009036197A1 (de) * 2009-08-05 2011-02-17 Daimler Ag Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE10061687A1 (de) * 1999-12-13 2001-07-12 Gen Motors Corp Gefrierschutz für eine Brennstoffzelle durch Vakuumtrocknung
US20050142399A1 (en) * 2003-12-31 2005-06-30 Kulp Galen W. Procedure for starting up a fuel cell using a fuel purge
JP2008103120A (ja) 2006-10-17 2008-05-01 Toyota Motor Corp 燃料電池システム
WO2008052578A1 (de) 2006-10-31 2008-05-08 Daimler Ag Brennstoffkreis eines brennstoffzellensystems und verfahren zum betreiben eines brennstoffzellensystems
DE102008051964A1 (de) * 2007-10-18 2009-05-07 GM Global Technology Operations, Inc., Detroit Unterstützte Stapelanodenspülung bei Inbetriebnahme eines Brennstoffzellensystms
DE102009036197A1 (de) * 2009-08-05 2011-02-17 Daimler Ag Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems

Also Published As

Publication number Publication date
DE102011119665A1 (de) 2013-05-29

Similar Documents

Publication Publication Date Title
WO2013079149A1 (de) Verfahren zum vorbereiten des wiederstarts einer brennstoffzelle
DE10314820B4 (de) Verfahren zum Verhindern der Einfrierung von Wasser im Anodenkreislauf eines Brennstoffzellensystems sowie Brennstoffzellensystem
EP2483958B1 (de) Verfahren zum betreiben eines brennstoffzellensystems
DE102011114797A1 (de) Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems
EP3378118B1 (de) Verfahren zum spülen eines brennstoffzellensystems
DE102012023799A1 (de) Verfahren zum Vorbereiten des Wiederstarts eines Brennstoffzellensystems
WO2013152836A1 (de) Anodenkreislauf für eine brennstoffzelle
WO2010060543A1 (de) Verfahren zum betreiben eines brennstoffzellensystems
WO2021058343A1 (de) Verfahren zum betreiben eines brennstoffzellensystems, sowie brennstoffzellensystem
EP2583341B1 (de) Vorrichtung zur befeuchtung von anodengas
DE102012007383A1 (de) Brennstoffzellensystem
WO2021228908A1 (de) Luftversorgungsvorrichtung für brennstoffzellensysteme und brennstoffzellensystem
DE102015014561A1 (de) Brennstoffzellensystem
EP3841634B1 (de) Verfahren zur startvorbereitung eines brennstoffzellensystems
DE102012016976A1 (de) Brennstoffzellensystem
DE102014015867A1 (de) Verfahren zum Vermindern der Eisbildung
DE102016213093A1 (de) Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems sowie Brennstoffzellensystem
WO2013045042A1 (de) Verfahren zum vorbereiten des wiederstarts eines brennstoffzellensystems
DE102014018444A1 (de) Brennstoffzellensystem und Gas/Gas-Befeuchter
EP3729549B1 (de) Verfahren zum starten einer brennstoffzelle
DE102011116856A1 (de) Gasversorgungsvorrichtung
WO2020038791A1 (de) Verfahren zur startvorbereitung eines abgestellten brennstoffzellensystems
DE102021207749A1 (de) Verfahren zur Steuerung eines Trocknungsvorganges eines Brennstoffzellensystems
WO2013045048A1 (de) Verfahren zum abschalten eines brennstoffzellensystems
DE102021210202A1 (de) Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems, Brennstoffzellensystem

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 12790405

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 12790405

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1