WO2018172074A1 - Brennstoffzellensystem und ein verfahren zum betrieb eines brennstoffzellensystems - Google Patents

Brennstoffzellensystem und ein verfahren zum betrieb eines brennstoffzellensystems Download PDF

Info

Publication number
WO2018172074A1
WO2018172074A1 PCT/EP2018/055572 EP2018055572W WO2018172074A1 WO 2018172074 A1 WO2018172074 A1 WO 2018172074A1 EP 2018055572 W EP2018055572 W EP 2018055572W WO 2018172074 A1 WO2018172074 A1 WO 2018172074A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
electrolyzer
cell system
fuel cell
fuel
path
Prior art date
Application number
PCT/EP2018/055572
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Helerson Kemmer
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
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 Robert Bosch Gmbh filed Critical Robert Bosch Gmbh
Publication of WO2018172074A1 publication Critical patent/WO2018172074A1/de

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/06—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues
    • H01M8/0606—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants
    • H01M8/0656—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants by electrochemical means
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B1/00—Electrolytic production of inorganic compounds or non-metals
    • C25B1/01—Products
    • C25B1/02—Hydrogen or oxygen
    • C25B1/04—Hydrogen or oxygen by electrolysis of water
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B9/00—Cells or assemblies of cells; Constructional parts of cells; Assemblies of constructional parts, e.g. electrode-diaphragm assemblies; Process-related cell features
    • C25B9/70—Assemblies comprising two or more cells
    • C25B9/73—Assemblies comprising two or more cells of the filter-press type
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H01M8/04119—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying
    • H01M8/04156—Arrangements 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
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/06—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues
    • H01M8/0662—Treatment of gaseous reactants or gaseous residues, e.g. cleaning
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M2008/1095—Fuel cells with polymeric electrolytes
    • Y—GENERAL 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
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/36—Hydrogen production from non-carbon containing sources, e.g. by water electrolysis
    • Y—GENERAL 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
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the present invention relates to a fuel cell system according to the independent device claim and a method for operating a fuel cell system according to the independent method claim.
  • Fuel cell systems with a plurality of series-connected fuel cells are generally known as electrical energy sources for vehicles.
  • Stacks are generally known as electrical energy sources for vehicles.
  • polymer electrolyte fuel cell system finds a cold
  • an anode of the fuel cell is supplied with hydrogen, while air is supplied to a cathode, for example ambient air.
  • a high-pressure tank is used for storing the hydrogen. After the tank and i.d. R. after three reduction stages, the hydrogen is metered into the anode more than stoichiometrically. The excess of hydrogen is added to the fresh hydrogen by a recirculation pump. This is called an anode conduction in an anode path.
  • the components in the anode path comprise metal, for example. Such components are provided with a metallic surface.
  • Anode line an acting as an inhibitor agent, for example.
  • Oxygen, mixed which can cause the harmful effect of hydrogen on the Metal of the components of the anode path is reduced.
  • the oxygen is admixed only to a small extent, so that the efficiency of the fuel cell system is at least not significantly affected and the lower ignition limit of the hydrogen / oxygen gas mixture is not exceeded.
  • the oxygen is taken from a specially designed storage tank.
  • the oxygen storage tank must be refilled after the consumption of oxygen, which brings significant disadvantages in vehicles.
  • a hydrogen column but also an oxygen column would have to be present at the filling stations for the fuel cell system.
  • a corresponding refueling device When used in motor vehicles, a corresponding refueling device would have to be present in each vehicle that uses a fuel cell system as an energy source.
  • an oxygen refueling option would have to be available.
  • the oxygen tank would have to be designed so that the amount of oxygen in it is sufficient for a whole maintenance interval.
  • the present invention contemplates a fuel cell system, for example
  • the fuel cell system according to the invention is formed with a cathode air-conducting cathode path and a fuel-carrying anode path, wherein an electrolyzer is provided which is adapted to supply the fuel with an agent acting as an inhibitor.
  • An electrolyzer is a device which provides the agent acting as an inhibitor.
  • the electrolyser for example a PEM electrolyzer, can produce the agent from another chemical compound by using a chemical reaction in the electrolyzer with the help of an electrical current
  • the electrolyzer for example, an SOEC electrolyzer
  • the electrolyzer can filter out the agent from a gas mixture by operating the electrolyzer as a filter for the gas mixture to filter out the agent.
  • an inhibitor is in particular a substance which is known as
  • Inhibitor acts and reactions, especially chemical or physical
  • Reactions influenced in such a way that the reactions are slowed down, inhibited or prevented.
  • hydrogen can be used as the fuel.
  • Oxygen may act as an inhibitor in the anodic pathway and as a major functional reactant
  • Fuel cell system can be used.
  • the electrolyzer can do this
  • the anode path comprises at least one anode line, in particular in the form of a pipeline.
  • the anode path comprises at least one, in particular three valves, which serve as pressure reduction stages downstream of the fuel tank.
  • the cathode path does not include a recirculation pump for admixing one
  • Fuel cell system may include a plurality of fuel cells in a stack or in a so-called. Stack can be connected in series.
  • the fuel cell system according to the invention can be used for mobile applications, such as in motor vehicles, or for stationary applications, such as, for example, as an emergency power supply and / or as a generator.
  • the idea of the invention lies in the fact that the agent acting as an inhibitor (or simply referred to below as means) is provided or generated or obtained directly in the fuel cell system with the aid of the electrolyzer in order to supply the fuel in the anode path, in particular directly in the fuel tank or shortly after the fuel tank. preferably before the stack, to be mixed.
  • Means must therefore not extra from outside the fuel cell system and thus from outside the motor vehicle, for example.
  • Anode path and in the cathode path which can be converted by means of the electrolyzer in oxygen, that acts as an inhibitor agent.
  • the water of the anode path is occasionally removed by means of a drain valve.
  • the electrolyzer may be switched behind the drain valve of the anode path.
  • the water of the cathode path is transported away with the exhaust air.
  • the electrolyzer can be arranged at the end of an exhaust duct of the cathode path behind a water separator. Since the water generated by the stack is highly pure, there is no need for further purification for the electrolysis.
  • the electrolyzer may be operated as an oxygen filter to filter out the oxygen directly from the exhaust air at the end of the exhaust duct of the cathode path.
  • the electrolyzer can be made relatively small, since the need for the agent is not too large (100 to 4000 ppm for a full fuel tank). Due to the small quantities, a supply of 12V may already be sufficient, which corresponds to a typical supply of an on-board electrical system in the motor vehicle and can be provided by an existing LV battery.
  • the electrolyser can, for example, be operated so that the agent is produced with a high pressure (p> 700 bar) and in a small storage tank for the agent cached before it is added to the fuel.
  • the admixture can also be done without a separate storage tank for the agent.
  • the electrolyzer may be operated during the refueling operation of the fuel tank to provide the agent in a sufficient amount directly on the anode path.
  • the electrolyzer may provide the means at a lower pressure (p ⁇ 20 bar) and add fuel during normal operation of the fuel system, with or without storage tank.
  • the invention thus achieves an improved fuel cell system and a safe method of operating the fuel cell system.
  • the electrolyzer With the aid of the electrolyzer, it can be ensured that the admixture of the agent acting as inhibitor to the fuel runs safely and the
  • the fuel cell system advantageously does not need to provide a special refueling device for the agent acting as an inhibitor.
  • the electrolyzer can be designed as a PEM electrolyzer or a SOEC electrolyzer.
  • the PEM electrolyzer can generate the means from an anode or cathode water by performing electrolysis of water in the electrolyzer.
  • the advantage of the SOEC electrolyzer is that it can be operated both for water electrolysis and for filtering out oxygen from the air.
  • the SOEC electrolyzer can be used for purifying and pumping the oxygen from the cathode air, especially the exhaust air from the cathode path.
  • the electrolyzer in such a way to the anode path
  • the electrolyzer may be connected to withdraw water from the anode path, in particular, the electrolyzer may be connected to a drain valve of the anode path.
  • the electrolyzer can be arranged in the vicinity of the fuel tank.
  • a compact system can be provided.
  • the drain valve water can be tapped, which can be used advantageously by the electrolyzer for electrolysis and thus for the production of the agent.
  • the electrolyzer in such a way to the cathode path
  • the electrolyzer may be connected to extract the cathode path exhaust air or water, in particular, the electrolyzer may be connected to an exhaust duct or with a water separator of the cathode path. At the end of the cathode path, water is used as a starting material of the main reaction in the
  • Stack transported away with the exhaust pipe can be tapped in the exhaust duct, which can be advantageously used by the electrolyzer for electrolysis and thus for the production of the agent.
  • a water separator is used to separate the water from exhaust air. This water can advantageously be directly from
  • Electrolyzer used for electrolysis. But even in systems without a water separator, the electrolyser, in particular a SOEC electrolyser, can be used in the exhaust air line to filter out the oxygen directly from the exhaust air from the cathode path.
  • the electrolyser in particular a SOEC electrolyser, can be used in the exhaust air line to filter out the oxygen directly from the exhaust air from the cathode path.
  • the invention may provide for a fuel cell system that the electrolyzer may be formed with a storage tank and with a metering device.
  • the agent can be temporarily stored in the storage tank and mixed with the fuel as needed by means of the metering device.
  • the electrolyzer can be operated so as to fill the storage tank when the pressure in the storage tank falls below a certain threshold.
  • a high-pressure tank (p> 700 bar) or a low-pressure tank (p ⁇ 20 bar) can be used.
  • the admixture of the agent to the fuel may preferably be in the refueling operation to ensure that the agent is added to the fuel in a required, albeit very small amount (100 to 4000 ppm for a full fuel tank).
  • the required amount can be calculated beforehand.
  • the admixture of the agent to the fuel may preferably occur during normal operation of the stack, for example when the pressure in the fuel tank falls below a certain threshold to ensure that a required, albeit small amount of the agent is added to the fuel, preferably the allowable Peak of 4000 ppm relative to the remaining fuel.
  • the metering device may be formed in a fuel cell system in the context of the invention as a shut-off valve.
  • the shut-off valve may be controlled to open the storage tank to the anode path and to mix the agent with the fuel when the relative pressures of the fuel and the agent are adjusted accordingly, preferably at one
  • the metering device can be designed as a check valve.
  • the check valve can only open automatically when the pressure in the fuel tank falls below a certain threshold.
  • the electrolyzer can always be turned on when the pressure of the agent in the storage tank falls below the certain lower threshold, and operated until the pressure of the agent in the storage tank exceeds a certain upper threshold, the threshold for opening the check valve in the direction can correspond to the anode path.
  • Storage tank can be designed as a low-pressure tank, in particular a rail (a simple container with a check valve) or even realized as a pipe section of a Verönön between the electrolyzer and the anode path at the point where the agent is mixed with the fuel.
  • the electrolyzer can also be designed and operated without a storage tank and without a metering device.
  • the electrolyzer preferably be operated during refueling operation of the fuel tank to mix a required, previously calculated amount of funds to the fuel.
  • the storage tank for the agent can be avoided and the system can be made simpler.
  • the electrolyzer is operated during normal operation of the fuel cell system.
  • the electrolyzer can provide the means on the anode path, for example. When the pressure in the fuel tank falls below a certain threshold, for example. Via a low-pressure tank or even a pipe section of a communication line between the electrolyzer and the anode path, which is the only and sufficient memory for which can serve the means.
  • the object according to the invention is achieved by a method for operating a fuel cell system, which has been described above, and which is embodied with a cathode air-conducting cathode path and a fuel-carrying anode path. It is in accordance with the
  • Fuel cell system have been described. This is fully referred to.
  • the electrolyzer is operated to refuel a storage tank for an agent acting as an inhibitor, wherein in particular the storage tank during a refueling operation of the fuel cell system with fuel the anode path with the inhibitor acting as an agent, in particular via a storage tank supplied.
  • the agent can be cached in the storage tank and mixed with the fuel as needed.
  • the electrolyzer can be operated so as to fill the storage tank when the pressure in the storage tank falls below a certain threshold.
  • the electrolyzer during a refueling operation the fuel cell system is operated with fuel to supply the anode path with the acting as an inhibitor agent, in particular directly.
  • the electrolyzer can be operated without a storage tank.
  • the electrolyzer preferably during refueling of the
  • Fuel tanks are operated to mix a required, previously calculated amount of funds to the fuel.
  • the storage tank for the agent can be avoided and a simple system can be provided.
  • the electrolyzer is operated to refuel a storage tank, in particular a low-pressure tank for acting as an inhibitor agent, in particular the storage tank during normal operation of the
  • Fuel cell system supplies the anode path with the agent acting as an inhibitor, preferably when the pressure in the anode line falls below a threshold value.
  • the electrolyzer is operated after a refueling operation of the fuel cell system with fuel to the anode path with the acting as an inhibitor means, in particular via a storage tank, preferably a low-pressure tank, preferably a rail, and a
  • Connecting line may connect the electrolyzer with the anode path, for example.
  • the storage tank preferably the low-pressure tank, preferably the rail, can be operated passively.
  • Fig. 1 is a schematic representation of an inventive
  • Fig. 2 is a schematic representation of an inventive
  • Fig. 3 is a schematic representation of an inventive
  • Fig. 4 is a schematic representation of an inventive
  • Fig. 5 is a schematic representation of an inventive
  • Fig. 7 shows a possible method for admixing a means for
  • Fig. 8 shows another possible method for admixing a means for
  • Fig. 9 is a schematic representation of an inventive
  • Fig. 10 shows a possible method for admixing a means for
  • FIG. 9 Fuel in a fuel cell system according to FIG. 9, Fig. 11 is a schematic representation of an inventive
  • Fig. 12 shows another possible method for admixing a means for
  • FIGS. 1 to 5, 9 and 11 each show an exemplary embodiment of a fuel cell system 100 according to the invention, which may be designed as a polymer electrolyte fuel cell system 100.
  • the fuel cell system 100 may comprise a plurality of fuel cells, which may be connected in series in a stack 1, a so-called stack 1. In the stack 1, a cold combustion of hydrogen takes place through the connection with the oxygen of the cathode air.
  • the fuel cell system 100 according to the invention is advantageously suitable for mobile applications, i. H. for applications in motor vehicles, as well as for stationary applications, for example in generators or as an emergency power supply.
  • an anode in the stack 1 is supplied with hydrogen by means of an anode path 20, while air is supplied to a cathode, for example ambient air, by means of a cathode path 10.
  • the electrical power from the stack 1 is tapped via an electrical circuit with at least one, for example.
  • the cathode path 10 has an air filter 11 at the input 10a in order to filter the ambient air according to the requirements of the stack 1.
  • a compressor 12 for example in the form of a nipple, ensures that sufficient air reaches a cathode 4 in the stack 1.
  • a heat exchanger 13 is provided to cool the compressed air or cathode air after passage of the compressor 12 to a suitable temperature.
  • a humidifier 14 ensures that unused air is sent back to the cathode.
  • At the outlet 10b of the cathode path 10 is an exhaust duct 10b.
  • the anode path 20 comprises a closed anode line between a fuel or a hydrogen tank 21 and the stack 1.
  • a shut-off valve 22 for switching off the fuel supply, for example.
  • An unused fuel can be mixed by means of a recirculation pump 25, for example. In the form of a jet pump, the fresh fuel.
  • a drain valve 26 is provided for discharging excess water from the anode path 20.
  • the components of the anode path 20, such as the anode line, the valves 22, 23, 26, 27 and the recirculation pump 25 comprise metal and are exposed to the action of the fuel, here hydrogen.
  • the hydrogen can lead to embrittlement of the metal in the components of the anode path 20.
  • the hydrogen is mixed with a small amount of oxygen of 100 to 4000 ppm in comparison to the amount of fuel in a full fuel tank 21.
  • the oxygen acts as an inhibitor and can reduce the detrimental effect of hydrogen on the metallic components of the anode path 20, such as the anode conduit, all valves 22, 23, 26, 27, and the recirculation pump 25 Metal include, reduce or reduce or even prevent.
  • the permitted amount of oxygen is calculated such that the efficiency of the stack 1 is not significantly reduced and that no explosive hydrogen-oxygen mixture is formed.
  • the oxygen is added as an inhibitor directly into or immediately after the fuel tank 21, in particular in front of the stack 1, the fuel in order to protect as possible all components of the anode path 20 from the harmful effect of hydrogen.
  • FIG. 1 shows a first exemplary embodiment of a fuel cell system 100 according to the invention, in which an electrolyzer 31 is arranged immediately after the drain valve 26 of the anode path 20.
  • the electrolyzer 31 can be formed as any, for example, a PEM electrolyzer 31 and absorb the sloping water from the anode path 20, so-called. Anode water, via the drain valve 26. By adding an electric current, the electrolyzer 31 can convert the anode water into hydrogen and oxygen. This is called an electrolysis, in particular a water electrolysis. Since the anode water is highly pure, it does not need to be specially cleaned for electrolysis.
  • the electrolyzer 31 from FIGS. 1 to 5, 9 and 11 serves to generate the oxygen directly within the fuel cell system 100. Since the required amount of oxygen or agent is relatively small, the electrolyzer 31 can be operated by means of the LV battery 103, which can provide, for example, a 12V voltage. Thus, within the fuel cell system 100, a separate, autonomous system can be created to recover the inhibitor-acting agent, here oxygen. A need to refuel the agent from outside the fuel cell system 100 is thus eliminated. The fuel cell system 100 can thus be made simpler, in particular without a separate refueling device for the oxygen or for the agent.
  • a storage tank 32 is provided after the electrolyzer 31 to store the agent.
  • the electrolyzer 31 can be operated to fill up the storage tank 32, as explained, for example, in FIG.
  • the storage tank 32 is designed with a metering device 33 in the form of a shut-off valve in order to mix the agent as needed with the fuel in the anode path 20, as explained, for example, in FIG.
  • FIG. 2 shows a further exemplary embodiment of a fuel cell system 100 according to the invention, in which the electrolyzer 31 is arranged immediately after the drain valve 26 of the anode path 20. However, no storage tank 32 is arranged after the electrolyzer 31. According to this
  • the fuel cell system 100 can be easily formed without a storage tank 32 and without a separate refueling device for the oxygen or for the agent.
  • the electrolyzer 31 can be operated during a refueling operation of the fuel tank 21, as explained, for example, in the figure 8.
  • Anodenpfad 20 in particular the drain valve 26, and the fuel tank 21 and the anode line formed shortly after the fuel tank 21.
  • Electrolyser 31 is positioned in Figures 1 and 2 to the
  • Anode line to withdraw the water for electrolysis.
  • FIG. 3 shows a further embodiment of a fuel cell system 100 according to the invention, in which the electrolyzer 31 immediately after a water separator 15 at the end of the cathode path 10 in the
  • Exhaust duct 10 b is arranged.
  • the water in the exhaust duct 10b so-called.
  • Cathode water, the cathode path 10 is formed as a natural product of
  • the cathode effluent may be used directly, especially without purification, by the electrolyzer 31 to generate the agent.
  • a storage tank 32 is provided after the electrolyzer 31 to store the agent.
  • the electrolyzer 31 can be operated to fill up the storage tank 32, as explained, for example, in FIG.
  • the storage tank 32 is designed with a metering device 33 in the form of a shut-off valve in order to mix the agent as needed with the fuel in the anode path 20, as explained, for example, in FIG.
  • FIG. 4 shows a further exemplary embodiment of a fuel cell system 100 according to the invention, in which the electrolyzer 31 is arranged at the end of the cathode path 10 in the exhaust air line 10b, in which no
  • Water separator 15 is provided.
  • the oxygen can be recovered from the exhaust air.
  • a SOEC electrolyzer 31 can be used, which can be operated as an oxygen filter.
  • a storage tank 32 is provided to store the agent.
  • the electrolyzer can be operated to fill the storage tank 32, as it is explained, for example. In the figure 6.
  • the storage tank 32 is designed with a metering device 33 in the form of a check valve to the agent as needed the To mix fuel in the anode path 20, as it is explained, for example, in the figure 7.
  • a high-pressure tank can be used as storage tank 32.
  • the admixture of the agent to the fuel may preferably be in the refueling operation to ensure that the agent is added to the fuel in a required, albeit very small amount (100 to 4000 ppm for a full fuel tank 21).
  • the required amount can be calculated in advance, as explained in FIG.
  • the electrolyzer 31 is also disposed at the end of the cathode path 10 in the exhaust duct 10b, in which no water separator 15 is provided. However, no storage tank 32 is arranged after the electrolyzer 31. According to this
  • the fuel cell system 100 can be easily formed without a storage tank 32 and without a separate refueling device for the oxygen or for the agent.
  • the electrolyzer 31 can be operated during a refueling operation of the fuel tank 21, as explained, for example, in FIG.
  • Inhibitor path 30 between the cathode path 10, in particular the exhaust duct 10b, with or without a water separator 15, and the
  • the electrolyzer 31 is positioned in FIGS. 3 to 5 so as to extract the exhaust air for the purification and filtering out of oxygen or via a water separator 15 the water for the electrolysis directly to the exhaust duct 10b of the cathode path 10.
  • FIG. 6 shows an operating strategy for filling the storage tank 32, which is used in the exemplary embodiments of FIGS. 1, 3 and 4.
  • step 200 it is checked in step 200 whether the tank pressure P (02) of the storage tank 32 falls below a lower threshold value PI. If so, then in step 201, the electrolyzer 31 is turned on.
  • step 202 it is checked whether the Tank pressure P (02) of the storage tank 32 exceeds an upper threshold P2. If yes, then in step 203, the electrolyzer 31
  • FIG. 7 shows an operating strategy for adding a required one
  • step 300 it is checked in step 300 whether a refueling process has been initiated. If yes, then in step 301, a quantity of agent to be admixed, in this case oxygen, and thus the required opening time Atl of the metering device 33 are calculated.
  • step 302 the metering device 33 is opened.
  • step 303 we check whether the required opening time Atl of the metering device 33 has expired. If so, then in step 304 the metering device 33 is closed.
  • FIG. 8 shows an operating strategy for operating the electrolyzer 31 without a storage tank 32 for the agent, as shown in the exemplary embodiments of FIGS. 2 and 5.
  • step 300 in which it is checked whether a refueling process has been initiated. If so, then in step 301 ', an amount of agent to be admixed, in this case oxygen, and thus the required operating time At2 of the electrolyzer 32 is calculated.
  • step 302 ' the electrolyzer 31 is opened.
  • step 303 ' it is checked whether the required operating time At2 of the electrolyzer 31 has elapsed. If so, then in step 304 'the electrolyzer 31 is turned off.
  • FIG. 9 shows a further exemplary embodiment of a fuel cell system 100 according to the invention, in which the electrolyzer 31 is arranged at the end of the cathode path 10 in the exhaust air line 10b, for example without a water separator 15.
  • FIG. 9 shows a further exemplary embodiment of a fuel cell system 100 according to the invention, in which the electrolyzer 31 is arranged at the end of the cathode path 10 in the exhaust air line 10b, for example without a water separator 15.
  • FIG. 9 shows a further exemplary embodiment of a fuel cell system 100 according to the invention, in which the electrolyzer 31 is arranged at the end of the cathode path 10 in the exhaust air line 10b, for example without a water separator 15.
  • Embodiment of Figure 9 no high-pressure, but a low-pressure tank used as a storage tank 32 for the agent.
  • the oxygen does not need to be brought to over 700 bar, which is energetically and for the design of the storage tank 32 and the metering device 33 of advantage.
  • the oxygen partial pressure 70 mbar of the total tank pressure in the fuel tank 21 at a full fuel tank 21. If the pressure of the fuel tank 21 due to consumption to about 20 bar, the oxygen partial pressure is 2 mbar. If, in this state, about 70 mbar of oxygen is added to the fuel tank 21, the oxygen concentration is 3500 ppm, which is still acceptable (allowed
  • FIG. 9 schematically shows a corresponding one
  • FIG. 10 shows an operating strategy for operating the fuel cell system 100 according to FIG. 9.
  • An advantage here is that the oxygen admixture with the fuel no longer has to take place during the fueling of the fuel.
  • the oxygen admixture with the fuel can advantageously take place during normal operation of the fuel cell system 100.
  • it is checked in step 400 whether the pressure P (H2) in the fuel tank 21 has fallen below a lower threshold value S1. If so, then in step 401, the amount of oxygen to be admixed and thus the required opening time At3 for the metering device 33 are calculated.
  • the metering device 33 is opened.
  • Step 404 the metering device 33 is closed.
  • the operating strategy according to FIG. 6 with adjusted threshold values PI 'and P2' can also be used here.
  • FIG. 11 shows a further embodiment of a device according to the invention
  • Fuel cell system 100 in which the electrolyzer 31 is disposed at the end of the cathode path 10 in the exhaust duct 10 b, for example. Without a water separator 15.
  • a high-pressure tank is in
  • Embodiment of Figure 9 is not a high-pressure, but a low-pressure tank, in particular a rail (simple container without a shut-off valve,
  • the oxygen is brought to the target pressure of 20.070 bar, and stored in the rail.
  • the admixture can advantageously done passively by the bridging of the check valve when the pressure in the hydrogen or fuel tank 21 falls below.
  • FIG. 12 shows an operating strategy for operating the
  • step 500 it is checked whether the rail pressure P (02) falls below a lower one
  • Electrolyzer 502 switched on. In step 503, it is checked whether the rail pressure P (02) has risen above an upper threshold value Rl. If so, then in step 502, the electrolyzer 504 is turned off.
  • the upper threshold value Rl can correspond to the pressure value at which the check valve 33 opens in the direction of the anode path.

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem (100), mit einem Kathodenluft führenden Kathodenpfad (10) und einem Brennstoff führenden Anodenpfad (20). Hierzu ist ein Elektrolyseur (31) vorgesehen, der dazu ausgelegt ist, dem Brennstoff ein als Inhibitor wirkendes Mittel zuzuführen.

Description

Beschreibung
Titel
Brennstoffzellensystem und ein Verfahren zum Betrieb eines
Brennstoffzellensystems
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem nach dem unabhängigen Vorrichtungsanspruch sowie ein Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems nach dem unabhängigen Verfahrensanspruch. Stand der Technik
Brennstoffzellensysteme mit mehreren in Reihe geschalteten Brennstoffzellen (Stacks) sind als elektrische Energiequellen auch für Fahrzeuge grundsätzlich bekannt. Im Polymerelektrolyt-Brennstoffzellensystem findet eine kalte
Verbrennung von Wasserstoff durch die Verbindung mit dem Sauerstoff der
Kathodenluft statt. Dafür wird einer Anode der Brennstoffzelle Wasserstoff zugeführt, während einer Kathode Luft, beispielsweise Umgebungsluft, zugeführt wird. Für die Speicherung des Wasserstoffs wird ein Hochdrucktank verwendet. Nach dem Tank und i.d. R. nach drei Reduzierungsstufen wird der Wasserstoff in die Anode überstöchiometrisch hineindosiert. Der Überschuss an Wasserstoff wird durch eine Rezirkulationspumpe dem frischen Wasserstoff beigemischt. Dabei spricht man von einer Anodenleitung in einem Anodenpfad. Zudem befinden sich im Anodenpfad ein Purgeventil zum Freispülen der Anodenleitung und ein Drainventil zum Abführen von überschüssigem Wasser aus der
Anodenleitung. Die Komponenten im Anodenpfad umfassen Metall, bspw. sind solche Komponenten mit einer metallischen Oberfläche ausgestattet.
Wasserstoff hat jedoch die nachteilige Eigenschaft, dass er zur Versprödung von Metallen führen kann. Aus diesem Grund wird dem Wasserstoff in der
Anodenleitung ein als Inhibitor wirkendes Mittel, bspw. Sauerstoff, beigemischt, welches bewirken kann, dass die schädliche Wirkung des Wasserstoffs auf das Metall der Komponenten des Anodenpfads herabgesetzt wird. Der Sauerstoff wir nur in geringen Maßen beigemischt, sodass der Wirkungsgrad des Brennstoffzellensystems zumindest nicht wesentlich beeinflusst wird und die untere Zündgrenze des Wasserstoff/Sauerstoff-Gasgemisches nicht überschritten wird. Der Sauerstoff wird aus einem speziell dazu ausgebildeten Vorratstank entnommen.
Der Sauerstoff-Vorratstank muss nach dem Verbrauch des Sauerstoffs wieder befüllt werden, was erhebliche Nachteile bei Fahrzeugen mit sich bringt. Hierzu müsste nicht nur eine Wasserstoff-Säule, sondern auch eine Sauerstoff-Säule an den Tankstellen für das Brennstoffzellensystem vorhanden sein. Bei der Verwendung in Kraftfahrzeugen müsste eine entsprechende Betankungs- vorrichtung in jedem Fahrzeug vorhanden sein, das ein Brennstoffzellensystem als eine Energiequelle nutzt. Um eine Sauerstoff-Tankstelle zu vermeiden, müsste zumindest in den Werkstätten eine Sauerstoff-Betankungsmöglichkeit vorhanden sein. In diesem Fall müsste der Sauerstoff-Tank so ausgelegt sein, dass die Sauerstoff- Menge darin für ein ganzes Wartungsintervall ausreicht. Diese Nachteile könnten dazu führen, dass die Sauerstoff-Beimischung gar nicht oder zumindest nicht optimal verläuft. Die Komponenten der Anodenleitung könnten daher schnell korrodieren, was zu ihrem Ausfall und zu Sicherheitsproblemen im Brennstoffzellensystem führen könnte.
Offenbarung der Erfindung Die vorliegende Erfindung sieht ein Brennstoffzellensystem, bspw. ein
Polymerelektrolyt-Brennstoffzellensystem, nach dem unabhängigen
Vorrichtungsanspruch sowie ein Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems nach dem unabhängigen Verfahrensanspruch vor. Weitere Vorteile, Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im
Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem
beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann. Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem ist mit einem Kathodenluft führenden Kathodenpfad und einem Brennstoff führenden Anodenpfad ausgebildet, wobei ein Elektrolyseur vorgesehen ist, der dazu ausgelegt ist, dem Brennstoff ein als Inhibitor wirkendes Mittel zuzuführen.
Als Elektrolyseur wird eine Vorrichtung bezeichnet, die das als Inhibitor wirkende Mittel bereitstellt. Einerseits kann der Elektrolyseur, bspw. ein PEM-Elektrolyseur, das Mittel aus einer anderen chemischen Verbindung erzeugen, indem im Elektrolyseur mithilfe eines elektrischen Stroms eine chemische Reaktion
(Elektrolyse) herbeigeführt wird. Andererseits kann der Elektrolyseur, bspw. ein SOEC-Elektrolyseur, das Mittel aus einem Gasgemisch herausfiltern, indem der Elektrolyseur als ein Filter für das Gasgemisch betrieben wird, um das Mittel herauszufiltern. Ein Inhibitor ist vorliegend insbesondere ein Stoff, der als
Hemmstoff wirkt und Reaktionen, insbesondere chemische oder physikalische
Reaktionen, derart beeinflusst, dass die Reaktionen verlangsamt, gehemmt oder verhindert werden. Bei dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem kann Wasserstoff als Brennstoff verwendet werden. Dabei kann Sauerstoff als ein Inhibitor im Anodenpfad und als ein Reaktant für die Hauptfunktion im
Brennstoffzellensystem verwendet werden. Der Elektrolyseur kann dabei
Wasserelektrolyse zum Erzeugen des Sauerstoffs ausführen oder ein Gasgemisch, bspw. eine Kathodenabluft, reinigen, um den Sauerstoff herauszufiltern. Im Kathodenpfad wird meistens einfache Umgebungsluft eingesaugt, die
Sauerstoff enthält und als Kathodenluft im Sinne der Erfindung bezeichnet wird. Im Anodenpfad wird Brennstoff von einem Hochdruck-Brennstofftank zum
Brennstoffzellensystem transportiert. Hierzu umfasst der Anodenpfad mindestens eine Anodenleitung, insbesondere in Form einer Rohrleitung. Überdies umfasst der Anodenpfad mindestens ein, insbesondere drei Ventile, die als Druck- Reduzierungsstufen nach dem Brennstofftank dienen. Zudem umfasst der Kathodenpfad eine Rezirkulationspumpe zum Beimischen eines nicht
verbrauchten Brennstoffs dem frischen Brennstoff, ein Purgeventil zum
Freispülen der Anodenleitung und ein Drainventil zum Abführen von
überschüssigem Wasser aus der Anodenleitung. Das erfindungsgemäße
Brennstoffzellensystem (oder im Weiteren einfach System genannt) kann mehrere Brennstoffzellen umfassen, die in einem Stapel bzw.in einem sog. Stack in Reihe verschaltet werden können. Das erfindungsgemäße Brennstoffzellen- system kann dabei für mobile Anwendungen, wie bspw. in Kraftfahrzeugen, oder für stationäre Anwendungen, wie bspw. als Notstromversorgung und/oder als Generator, verwendet werden.
Der Erfindungsgedanke liegt dabei darin, dass das als Inhibitor wirkende Mittel (oder im Weiteren einfach Mittel genannt) mithilfe des Elektrolyseurs direkt im Brennstoffzellensystem bereitgestellt bzw. erzeugt oder gewonnen wird, um dem Brennstoff im Anodenpfad, insbesondere direkt im Brennstofftank oder kurz nach dem Brennstofftank, vorzugsweise vor dem Stack, beigemischt zu werden. Das
Mittel muss daher nicht extra von außerhalb des Brennstoffzellensystems und somit von außerhalb des Kraftfahrzeugs, bspw. an einer speziell dazu
ausgebildeten Tankstelle, getankt werden. Somit müssen die Tankstellen nicht umgebaut werden, um eine Tankmöglichkeit für das Mittel bereitzustellen. Auch muss somit keine Betankungsvorrichtung im Kraftfahrzeug eingebaut werden. Im
Betrieb des Brennstoffzellensystems sammelt sich genügend Wasser im
Anodenpfad und im Kathodenpfad, welches mithilfe des Elektrolyseurs in Sauerstoff, also das als Inhibitor wirkende Mittel, umgewandelt werden kann. Das Wasser des Anodenpfads wird ab und zu mithilfe eines Drainventils abgeführt. Gemäß einem Erfindungsaspekt kann der Elektrolyseur hinter dem Drainventil des Anodenpfades geschaltet werden. Das Wasser des Kathodenpfades wird mit der Abluft abtransportiert. Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung kann der Elektrolyseur am Ende einer Abluftleitung des Kathodenpfades hinter einem Wasserabscheider angeordnet werden. Da das durch den Stack erzeugte Wasser hoch rein ist, muss für die Elektrolyse keine weitere Reinigung erfolgen.
Gemäß einem noch weiteren Aspekt der Erfindung kann der Elektrolyseur als ein Sauerstofffilter betrieben werden, um den Sauerstoff direkt aus der Abluft am Ende der Abluftleitung des Kathodenpfades herauszufiltern. Der Elektrolyseur kann dabei relativ klein ausgestaltet sein, da der Bedarf an dem Mittel nicht zu groß ist (100 bis 4000 ppm bei einem vollen Brennstofftank). Aufgrund der geringen Mengen kann eine Versorgung mit 12V bereits ausreichend sein, was einer typischen Versorgung eines elektrischen Bordnetzes im Kraftfahrzeug entspricht und durch eine vorhandene LV-Batterie bereitgestellt werden kann. Der Elektrolyseur kann bspw. so betrieben werden, dass das Mittel mit einem Hochdruck (p>700 bar) erzeugt und in einem kleinen Vorratstank für das Mittel zwischengespeichert wird, bevor es dem Brennstoff beigemischt wird. Allerdings kann die Beimischung auch ohne einen separaten Vorratstank für das Mittel erfolgen. Hierzu kann der Elektrolyseur während des Betankungsvorgangs des Brennstofftanks betrieben werden, um das Mittel in einer ausreichenden Menge direkt an dem Anodenpfad bereitzustellen. Außerdem ist es denkbar, dass der Elektrolyseur das Mittel mit einem niedrigeren Druck (p~20 bar) bereitstellen und während des Normalbetriebs des Brennstoffsystems, mit oder ohne Vorratstank, dem Brennstoff zufügen kann.
Mithilfe der Erfindung werden folglich ein verbessertes Brennstoffzellensystem sowie ein sicheres Verfahren zum Betrieb des Brennstoffzellensystems erzielt. Mithilfe des Elektrolyseurs kann sichergestellt werden, dass die Beimischung des als Inhibitor wirkenden Mittels zum Brennstoff sicher verläuft und die
Komponenten des Anodenpfades zuverlässig vor Versprödung bzw. Korrosion geschützt werden. Bei der Verwendung in Kraftfahrzeugen braucht mit dem Brennstoffzellensystem vorteilhafterweise keine spezielle Betankungsvorrichtung für das als Inhibitor wirkende Mittel bereitgestellt werden.
Ferner kann bei einem Brennstoffzellensystem im Rahmen der Erfindung vorgesehen sein, dass der Elektrolyseur als ein PEM-Elektrolyseur oder ein SOEC-Elektrolyseur ausgebildet sein kann. Vorteilhafterweise kann der PEM- Elektrolyseur das Mittel aus einem Anoden- oder Kathodenwasser erzeugen, indem im Elektrolyseur Wasserelektrolyse ausgeführt wird. Der Vorteil des SOEC-Elektrolyseurs liegt darin, dass er sowohl zur Wasserelektrolyse als auch zum Herausfiltern von Sauerstoff aus der Luft betrieben werden kann. Somit kann der SOEC-Elektrolyseur zum Reinigen und Pumpen des Sauerstoffs aus der Kathodenluft, insbesondere der Abluft aus dem Kathodenpfad benutzt werden. Weiterhin kann bei einem Brennstoffzellensystem im Rahmen der Erfindung vorgesehen sein, dass der Elektrolyseur derart an den Anodenpfad
angeschlossen sein kann, um dem Anodenpfad Wasser zu entziehen, wobei insbesondere der Elektrolyseur mit einem Drainventil des Anodenpfades verbunden sein kann. Dadurch kann der Vorteil erreicht werden, dass der Elektrolyseur in der Nähe des Brennstofftanks angeordnet sein kann. Somit kann ein kompaktes System bereitgestellt werden. Unmittelbar nach dem Drainventil kann Wasser abgegriffen werden, welches vorteilhafterweise vom Elektrolyseur für die Elektrolyse und somit zum Herstellen des Mittels verwendet werden kann. Des Weiteren kann bei einem Brennstoffzellensystem im Rahmen der Erfindung vorgesehen sein, dass der Elektrolyseur derart an den Kathodenpfad
angeschlossen sein kann, um dem Kathodenpfad Abluft oder Wasser zu entziehen, wobei insbesondere der Elektrolyseur mit einer Abluftleitung oder mit einem Wasserabscheider des Kathodenpfades verbunden sein kann. Am Ende des Kathodenpfades wird Wasser als ein Ausgangsprodukt der Hauptreaktion im
Stack mit der Abluftleitung abtransportiert. Somit kann in der Abluftleitung Wasser abgegriffen werden, welches vorteilhafterweise vom Elektrolyseur für die Elektrolyse und somit zum Herstellen des Mittels verwendet werden kann. In manchen Systemen wird ein Wasserabscheider eingesetzt, um das Wasser von Abluft zu trennen. Dieses Wasser kann vorteilhafterweise direkt vom
Elektrolyseur für die Elektrolyse verwendet werden. Aber auch in Systemen ohne einen Wasserabscheider kann der Elektrolyseur, insbesondere ein SOEC- Elektrolyseur, in der Abluftleitung eingesetzt werden, um den Sauerstoff direkt aus der Abluft aus dem Kathodenpfad herauszufiltern.
Zudem kann die Erfindung bei einem Brennstoffzellensystem vorsehen, dass der Elektrolyseur mit einem Vorratstank und mit einer Dosiervorrichtung ausgebildet sein kann. Somit kann der Vorteil erreicht werden, dass das Mittel im Vorratstank zwischengespeichert und mithilfe der Dosiervorrichtung nach Bedarf dem Brennstoff beigemischt werden kann. Der Elektrolyseur kann dabei so betrieben werden, um den Vorratstank aufzufüllen, wenn der Druck im Vorratstank unter einen bestimmten Schwellenwert fällt.
Als Vorratstank kann bei einem Brennstoffzellensystem im Rahmen der
Erfindung ein Hochdrucktank (p>700 bar) oder ein Niedrigdrucktank (p~20 bar) verwendet werden. Beim Hochdrucktank kann die Beimischung des Mittels dem Brennstoff vorzugsweise beim Betankungsvorgang erfolgen, um sicherzustellen, dass das Mittel in erforderlicher, wenn auch sehr kleiner Menge (100 bis 4000 ppm bei einem vollen Brennstofftank) dem Brennstoff beigemischt wird. Die erforderliche Menge kann zuvor berechnet werden. Bei einem Niedrigdrucktank kann die Beimischung des Mittels dem Brennstoff vorzugsweise während des Normalbetriebs des Stacks erfolgen, wenn bspw. der Druck im Brennstofftank unter einen bestimmten Schwellenwert fällt, um sicherzustellen, dass eine erforderliche, wenn auch kleine Menge des Mittels dem Brennstoff beigemischt wird, die vorzugsweise den zulässigen Höchstwert von 4000 ppm relativ zum verbleibenden Brennstoff nicht übersteigt.
Die Dosiervorrichtung kann bei einem Brennstoffzellensystem im Rahmen der Erfindung als ein Absperrventil ausgebildet sein. Das Absperrventil kann derart angesteuert werden, um den Vorratstank zum Anodenpfad hin zu öffnen und das Mittel dem Brennstoff beizumischen, wenn die relativen Drücke vom Brennstoff und dem Mittel entsprechend eingestellt sind, vorzugsweise bei einem
Betankungsvorgang des Brennstofftanks oder wenn der Druck im Brennstofftank unter einen bestimmten Schwellenwert fällt.
Zudem ist bei einem Brennstoffzellensystem im Rahmen der Erfindung denkbar, dass die Dosiervorrichtung als ein Rückschlagventil ausgebildet sein kann. Dabei kann das Rückschlagventil nur dann selbstständig öffnen, wenn der Druck im Brennstofftank unter einen bestimmten Schwellenwert fällt. Dabei kann der Elektrolyseur immer dann eingeschaltet werden, wenn der Druck des Mittels im Vorratstank unter den bestimmten unteren Schwellenwert fällt, und solange betrieben werden, bis der Druck des Mittels im Vorratstank einen bestimmten oberen Schwellenwert übersteigt, der dem Schwellenwert zum Öffnen des Rückschlagventils in Richtung zum Anodenpfad entsprechen kann. Der
Vorratstank kann dabei als ein Niedrigdrucktank, insbesondere ein Rail (ein einfacher Behälter mit einem Rückschlagventil) ausgebildet oder gar als ein Rohrabschnitt einer Verbildungsleitung zwischen dem Elektrolyseur und dem Anodenpfad an der Stelle realisiert sein, wo das Mittel dem Brennstoff beigemischt wird. Somit kann eine passive Zufügung des Mittels aus dem
Vorratstank zu dem Brennstoff ermöglicht werden, die keiner speziellen
Steuerung bedarf.
Allerdings kann bei einem Brennstoffzellensystem im Rahmen der Erfindung der Elektrolyseur auch ohne einen Vorratstank und ohne eine Dosiervorrichtung ausgebildet sein und betrieben werden. Hierzu kann der Elektrolyseur vorzugsweise beim Betankungsvorgang des Brennstofftanks betrieben werden, um eine erforderliche, zuvor berechnete Menge an Mittel dem Brennstoff beizumischen. Somit kann der Vorratstank für das Mittel vermieden werden und das System einfacher ausgebildet werden. Außerdem ist es möglich, dass der Elektrolyseur während des Normalbetriebs des Brennstoffzellensystems betrieben wird. Dabei kann der Elektrolyseur das Mittel an dem Anodenpfad bereitstellen, bspw. wenn der Druck im Brennstofftank unter einen bestimmten Schwellenwert fällt, bspw. über einen Niedrigdrucktank oder gar über einen Rohrabschnitt einer Verbildungsleitung zwischen dem Elektrolyseur und dem Anodenpfad, der als einziger und ausreichender Speicher für das Mittel dienen kann.
Ferner wird die erfindungsgemäße Aufgabe durch ein Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems gelöst, welches oben beschrieben wurde, und welches mit einem Kathodenluft führenden Kathodenpfad und einem Brennstoff führenden Anodenpfad ausgeführt ist. Dabei wird gemäß dem
erfindungsgemäßen Verfahren dem Brennstoff ein als Inhibitor wirkendes Mittel mithilfe eines Elektrolyseurs zugeführt. Dabei werden die gleichen Vorteile erreicht, die oben im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen
Brennstoffzellensystem beschrieben wurden. Hierbei wird vollumfänglich darauf Bezug genommen.
Weiterhin kann im Rahmen eines Verfahrens im Sinne der Erfindung vorgesehen sein, dass der Elektrolyseur betrieben wird, um einen Vorratstank für ein als Inhibitor wirkendes Mittel aufzutanken, wobei insbesondere der Vorratstank während eines Betankungsvorgangs des Brennstoffzellensystems mit Brennstoff den Anodenpfad mit dem als Inhibitor wirkenden Mittel, insbesondere über einen Vorratstank, versorgt. Somit kann der Vorteil erreicht werden, dass das Mittel im Vorratstank zwischengespeichert und nach Bedarf dem Brennstoff beigemischt werden kann. Der Elektrolyseur kann dabei so betrieben werden, um den Vorratstank aufzufüllen, wenn der Druck im Vorratstank unter einen bestimmten Schwellenwert fällt.
Des Weiteren kann im Rahmen eines Verfahrens im Sinne der Erfindung vorgesehen sein, dass der Elektrolyseur während eines Betankungsvorgang des Brennstoffzellensystems mit Brennstoff betrieben wird, um den Anodenpfad mit dem als Inhibitor wirkenden Mittel, insbesondere direkt, zu versorgen. Somit kann der Elektrolyseur auch ohne einen Vorratstank betrieben werden. Hierzu kann der Elektrolyseur vorzugsweise beim Betankungsvorgang des
Brennstofftanks betrieben werden, um eine erforderliche, zuvor berechnete Menge an Mittel dem Brennstoff beizumischen. Somit kann der Vorratstank für das Mittel vermieden werden und ein einfaches System bereitgestellt werden.
Zudem kann im Rahmen eines Verfahrens im Sinne der Erfindung vorgesehen sein, dass der Elektrolyseur betrieben wird, um einen Vorratstank, insbesondere einen Niedrigdrucktank, für ein als Inhibitor wirkendes Mittel aufzutanken, wobei insbesondere der Vorratstank während eines Normalbetriebes des
Brennstoffzellensystems den Anodenpfad mit dem als Inhibitor wirkenden Mittel versorgt, vorzugsweise wenn der Druck in der Anodenleitung unter einen Schwellwert fällt. Somit kann der Vorteil erreicht werden, dass das Mittel während des Normalbetriebs des Brennstoffzellensystems bereitgestellt werden kann.
Außerdem kann im Rahmen eines Verfahrens im Sinne der Erfindung
vorgesehen sein, dass der Elektrolyseur nach einem Betankungsvorgang des Brennstoffzellensystems mit Brennstoff betrieben wird, um den Anodenpfad mit dem als Inhibitor wirkenden Mittel, insbesondere über einen Vorratstank, vorzugsweise einen Niedrigdrucktank, bevorzugt einen Rail, und ein
Rückschlagventil, zu versorgen. Als ein Rail kann ein einfacher Speicher mit einem Rückschlagventil dienen. Zudem ist es denkbar, dass als Niedrigdrucktank einfach ein Rohrabschnitt einer Verbindungsleitung dienen kann. Die
Verbindungsleitung kann den Elektrolyseur mit dem Anodenpfad, bspw. mit dem Brennstofftank oder mit einer Anodenleitung kurz nach dem Brennstofftank, verbinden und einen Inhibitorpfad bilden. Somit kann der Vorteil erreicht werden, dass der Vorratstank, vorzugsweise der Niedrigdrucktank, bevorzugt der Rail, passiv betrieben werden können.
Bevorzugte Ausführungsbeisp Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem und deren Weiterbildungen sowie deren Vorteile und das erfindungsgemäße Verfahren und seine
Weiterbildungen sowie seine Vorteile werden nachfolgend anhand von
Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen jeweils schematisch:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen
Brennstoffzellensystems gemäß einer ersten Ausführungsform,
Fig. 2 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen
Brennstoffzellensystems gemäß einer zweiten Ausführungsform,
Fig. 3 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen
Brennstoffzellensystems gemäß einer dritten Ausführungsform,
Fig. 4 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen
Brennstoffzellensystems gemäß einer vierten Ausführungsform,
Fig. 5 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen
Brennstoffzellensystems gemäß einer fünften Ausführungsform,
Fig. 6 Verfahren zum Auffüllen eines Vorratstanks,
Fig. 7 ein mögliches Verfahren zum Beimischen eines Mittels zum
Brennstoff,
Fig. 8 ein weiteres mögliches Verfahren zum Beimischen eines Mittels zum
Brennstoff,
Fig. 9 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen
Brennstoffzellensystems gemäß einer sechsten Ausführungsform,
Fig. 10 ein mögliches Verfahren zum Beimischen eines Mittels zum
Brennstoff in einem Brennstoffzellensystem gemäß der Figur 9, Fig. 11 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen
Brennstoffzellensystems gemäß einer siebten Ausführungsform, und
Fig. 12 ein weiteres mögliches Verfahren zum Beimischen eines Mittels zum
Brennstoff in einem Brennstoffzellensystem gemäß der Figur 11.
In den unterschiedlichen Figuren sind gleiche Teile des Brennstoffzellensystems 100 stets mit denselben Bezugszeichen versehen, weshalb diese in der Regel nur einmal beschrieben werden.
Die Figuren 1 bis 5, 9 und 11 zeigen dabei jeweils ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems 100, welches als ein Polymerelektrolyt-Brennstoffzellensystem 100 ausgebildet sein kann. Das Brennstoffzellensystem 100 kann mehrere Brennstoffzellen umfassen, die in einem Stapel 1, einem sog. Stack 1 in Reihe verschaltet werden können. Im Stack 1 findet eine kalte Verbrennung von Wasserstoff durch die Verbindung mit dem Sauerstoff der Kathodenluft statt. Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem 100 eignet sich vorteilhafterweise für mobile Anwendungen, d. h. für Anwendungen in Kraftfahrzeugen, sowie für stationäre Anwendungen, bspw. in Generatoren oder als Notstromversorgung. Dafür wird einer Anode im Stack 1 Wasserstoff mithilfe eines Anodenpfades 20 zugeführt, während einer Kathode Luft, bspw. Umgebungsluft, mithilfe eines Kathodenpfades 10 zugeführt wird. Die elektrische Leistung vom Stack 1 wird über einen elektrischen Kreislauf mit mindestens einem, bspw. zwei DC/DC-Wandlern 101, 102 abgegriffen und an ein
elektrisches Bordnetzt des Kraftfahrzeuges mithilfe einer LV-Batterie 103 bereitgestellt.
Der Kathodenpfad 10 weist dabei am Eingang 10a einen Luftfilter 11 auf, um die Umgebungsluft entsprechend den Erfordernissen des Stacks 1 zu filtern. Ein Verdichter 12, bspw. in Form eines Saugers, sorgt dafür, dass ausreichend Luft zu einer Kathode 4 im Stack 1 gelangt. Ein Wärmetauscher 13 ist vorgesehen, um die verdichtete Luft bzw. Kathodenluft nach Durchgang des Verdichters 12 auf eine geeignete Temperatur abzukühlen. Ein Befeuchter 14 sorgt dafür, dass unverbrauchte Luft zurück an die Kathode geschickt wird. Am Ausgang 10b des Kathodenpfades 10 befindet sich eine Abluftleitung 10b. Der Anodenpfad 20 umfasst eine geschlossene Anodenleitung zwischen einem Brennstoff- bzw. einem Wasserstofftank 21 und dem Stack 1. Nach dem Brennstofftank 21 ist im Anodenpfad 20 ein Absperrventil 22 zum Abschalten der Brennstoffversorgung, bspw. in einem Fehlerfall, und zwei Druckregler 23, 24 bspw. in Form von Ventilen, zum Einstellen eines geeigneten Drucks in der Anodenleitung vorgesehen. Ein unverbrauchter Brennstoff kann mittels einer Rezirkulationspumpe 25, bspw. in Form einer Strahlpumpe, dem frischen Brennstoff beigemischt werden. Ein Drainventil 26 ist zum Abführen überschüssigen Wassers aus dem Anodenpfad 20 vorgesehen. Ein Purgeventil 27, bspw. in Form einer Drosselklappe, sorgt zum Regeln eines Wasserstoffgehaltes in der Anodenleitung 20.
Die Komponenten des Anodenpfades 20, wie die Anodenleitung, die Ventile 22, 23, 26, 27 und die Rezirkulationspumpe 25 umfassen Metall und sind der Einwirkung des Brennstoffs, hier Wasserstoff, ausgesetzt. Der Wasserstoff kann jedoch zur Versprödung des Metalls in den Komponenten des Anodenpfades 20 führen. Um dem Effekt entgegenzuwirken, wird dem Wasserstoff eine kleine Menge von Sauerstoff von 100 bis 4000 ppm im Vergleich zu der Menge von Brennstoff bei einem vollen Brennstofftank 21 beigemischt. Der Sauerstoff (oder im Weiteren einfach Mittel oder Inhibitor genannt) wirkt als ein Inhibitor und kann die schädliche Wirkung des Wasserstoffs auf die metallischen Komponenten des Anodenpfades 20, wie die Anodenleitung, sämtliche Ventile 22, 23, 26, 27 und die Rezirkulationspumpe 25, die Metall umfassen, herabsetzen bzw. mindern oder gar unterbinden. Die erlaubte Menge von Sauerstoff ist dabei derart berechnet, dass der Wirkungsgrad des Stacks 1 nicht wesentlich herabgesetzt wird und dass kein explosives Wasserstoff-Sauerstoff-Gemisch sich bildet. Vorzugsweise wird der Sauerstoff als ein Inhibitor direkt in den oder unmittelbar nach dem Brennstofftank 21, insbesondere vor dem Stack 1, dem Brennstoff beigemischt, um möglichst alle Komponenten des Anodenpfades 20 vor der schädlichen Wirkung des Wasserstoffs zu schützen.
Die Figur 1 zeigt dabei ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems 100, bei welchem ein Elektrolyseur 31 unmittelbar nach dem Drainventil 26 des Anodenpfades 20 angeordnet ist. Der Elektrolyseur 31 kann dabei als ein beliebiger, bspw. ein PEM-Elektrolyseur 31 ausgebildet sein und das abschüssige Wasser aus dem Anodenpfad 20, sog. Anodenwasser, über das Drainventil 26 aufnehmen. Unter Zufügung eines elektrischen Stroms kann der Elektrolyseur 31 das Anodenwasser in Wasserstoff und Sauerstoff umwandeln. Dabei spricht man von einer Elektrolyse, insbesondere einer Wasserelektrolyse. Da das Anodenwasser hoch rein ist, braucht es für die Elektrolyse nicht extra gereinigt werden.
Der Elektrolyseur 31 aus den Figuren 1 bis 5, 9 und 11 dient erfindungsgemäß dazu, um den Sauerstoff unmittelbar innerhalb des Brennstoffzellensystems 100 zu generieren. Da die erforderliche Menge des Sauerstoffes bzw. des Mittels relativ klein ist, kann der Elektrolyseur 31 mithilfe der LV-Batterie 103 betrieben werden, die bspw. eine 12V-Spannung bereitstellen kann. Somit kann innerhalb des Brennstoffzellensystems 100 ein eigenes, autonomes System geschaffen werden, um das als ein Inhibitor wirkendes Mittel, hier den Sauerstoff, zu gewinnen. Eine Notwendigkeit, das Mittel von außerhalb des Brennstoffzellensystems 100 zu betanken, entfällt somit. Das Brennstoffzellensystem 100 kann somit einfacher, insbesondere ohne eine separate Betankungsvorrichtung für den Sauerstoff bzw. für das Mittel, ausgebildet werden.
Im Ausführungsbeispiel der Figur 1 ist nach dem Elektrolyseur 31 ein Vorratstank 32 vorgesehen, um das Mittel zu speichern. Der Elektrolyseur 31 kann dabei betrieben werden, um den Vorratstank 32 aufzufüllen, wie es bspw. in der Figur 6 erklärt wird. Zudem ist der Vorratstank 32 mit einer Dosiervorrichtung 33 in Form eines Absperrventils ausgeführt, um das Mittel nach Bedarf dem Brennstoff im Anodenpfad 20 beizumischen, wie es bspw. in der Figur 7 erklärt wird.
Die Figur 2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems 100, bei welchem der Elektrolyseur 31 unmittelbar nach dem Drainventil 26 des Anodenpfades 20 angeordnet ist. Allerdings wird nach dem Elektrolyseur 31 kein Vorratstank 32 angeordnet. Gemäß diesem
Ausführungsbeispiel kann das Brennstoffzellensystem 100 einfach, ohne einen Vorratstank 32 und ohne eine separate Betankungsvorrichtung für den Sauerstoff bzw. für das Mittel ausgebildet werden. Zum Beimischen des Sauerstoffes zum Brennstoff kann der Elektrolyseur 31 während eines Betankungsvorganges des Brennstofftanks 21 betrieben werden, wie es bspw. in der Figur 8 erklärt wird.
In den Beispielen der Figuren 1 und 2 wird eine geschlossene
Verbindungsleitung, die einen sog. Inhibitorpfad 30 bildet, zwischen dem
Anodenpfad 20, insbesondere dem Drainventil 26, und dem Brennstofftank 21 bzw. der Anodenleitung kurz nach dem Brennstofftank 21 gebildet. Der
Elektrolyseur 31 ist in den Figuren 1 und 2 derart positioniert, um der
Anodenleitung das Wasser für die Elektrolyse zu entziehen.
Die Figur 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems 100, bei welchem der Elektrolyseur 31 unmittelbar nach einem Wasserabscheider 15 am Ende des Kathodenpfades 10 in der
Abluftleitung 10b angeordnet ist. Das Wasser in der Abluftleitung 10b, sog.
Kathodenwasser, des Kathodenpfades 10 entsteht als natürliches Produkt der
Hauptreaktion im Stack 1 und ist sehr rein. Das Kathodenabwasser kann direkt, insbesondere ohne Reinigung, von dem Elektrolyseur 31 verwendet werden, um das Mittel zu generieren. Im Ausführungsbeispiel der Figur 3 ist nach dem Elektrolyseur 31 ein Vorratstank 32 vorgesehen, um das Mittel zu speichern. Der Elektrolyseur 31 kann dabei betrieben werden, um den Vorratstank 32 aufzufüllen, wie es bspw. in der Figur 6 erklärt wird. Zudem ist der Vorratstank 32 mit einer Dosiervorrichtung 33 in Form eines Absperrventils ausgeführt, um das Mittel nach Bedarf dem Brennstoff im Anodenpfad 20 beizumischen, wie es bspw. in der Figur 7 erklärt wird.
Die Figur 4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems 100, bei welchem der Elektrolyseur 31 am Ende des Kathodenpfades 10 in der Abluftleitung 10b angeordnet ist, in der kein
Wasserabscheider 15 vorgesehen ist. Der Sauerstoff kann dabei aus der Abluft gewonnen werden. Hierzu kann ein SOEC-Elektrolyseur 31 verwendet werden, der als ein Sauerstofffilter betrieben werden kann. Nach dem Elektrolyseur 31 ist ein Vorratstank 32 vorgesehen, um das Mittel zu speichern. Der Elektrolyseur kann dabei betrieben werden, um den Vorratstank 32 aufzufüllen, wie es bspw. in der Figur 6 erklärt wird. Zudem ist der Vorratstank 32 mit einer Dosiervorrichtung 33 in Form eines Absperrventils ausgeführt, um das Mittel nach Bedarf dem Brennstoff im Anodenpfad 20 beizumischen, wie es bspw. in der Figur 7 erklärt wird.
In den Ausführungsbeispielen der Figuren 1, 3 und 4 kann ein Hochdrucktank als Vorratstank 32 verwendet werden. Beim Hochdrucktank kann die Beimischung des Mittels zum Brennstoff vorzugsweise beim Betankungsvorgang erfolgen, um sicherzustellen, dass das Mittel in einer erforderlichen, wenn auch sehr kleinen Menge (100 bis 4000 ppm bei einem vollen Brennstofftank 21) dem Brennstoff beigemischt wird. Die erforderliche Menge kann zuvor berechnet werden, wie in der Figur 7 erklärt wird.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel der Figur 5 ist der Elektrolyseur 31 ebenfalls am Ende des Kathodenpfades 10 in der Abluftleitung 10b angeordnet, in der kein Wasserabscheider 15 vorgesehen ist. Allerdings wird nach dem Elektrolyseur 31 kein Vorratstank 32 angeordnet. Gemäß diesem
Ausführungsbeispiel kann das Brennstoffzellensystem 100 einfach, ohne einen Vorratstank 32 und ohne eine separate Betankungsvorrichtung für den Sauerstoff bzw. für das Mittel ausgebildet werden. Zum Beimischen des Sauerstoffes zum Brennstoff kann der Elektrolyseur 31 während eines Betankungsvorganges des Brennstofftanks 21 betrieben werden, wie es bspw. in der Figur 8 erklärt wird.
In den Beispielen der Figuren 3 bis 5 wird ebenfalls ein geschlossener
Inhibitorpfad 30, allerdings zwischen dem Kathodenpfad 10, insbesondere der Abluftleitung 10b, mit oder ohne einen Wasserabscheider 15, und dem
Brennstofftank 21 bzw. der Anodenleitung kurz nach dem Brennstofftank 21 gebildet. Der Elektrolyseur 31 ist in den Figuren 3 bis 5 derart positioniert, um der Abluftleitung 10b des Kathodenpfades 10 direkt die Abluft zur Reinigung und Herausfiltern von Sauerstoff oder über einen Wasserabscheider 15 das Wasser für die Elektrolyse zu entziehen.
Die Figur 6 zeigt eine Betriebsstrategie zur Befüllung des Vorratstanks 32, welches in den Ausführungsbeispielen der Figuren 1, 3 und 4 verwendet wird. Dabei wird im Schritt 200 überprüft, ob der Tankdruck P(02) des Vorratstanks 32 einen unteren Schwellenwert PI unterschreitet. Wenn ja, dann wird im Schritt 201 der Elektrolyseur 31 eingeschaltet. Im Schritt 202 wird überprüft, ob der Tankdruck P(02) des Vorratstanks 32 einen oberen Schwellenwert P2 überschreitet. Wenn ja, dann wird im Schritt 203 der Elektrolyseur 31
ausgeschaltet. Die Figur 7 zeigt eine Betriebsstrategie zum Beimischen einer erforderlichen
Menge des Mittels dem Brennstoff des Anodenpfades 20, wenn ein Vorratstank 32 und die Dosiervorrichtung 33 verwendet werden, wie dies in den Ausführungsbeispielen der Figuren 1, 3 und 4 vorgesehen ist. Hierzu wird im Schritt 300 überprüft, ob ein Betankungsvorgang initiiert wurde. Wenn ja, dann wird im Schritt 301 eine beizumischende Menge des Mittels, hier des Sauerstoffes, und somit die erforderliche Öffnungszeit Atl der Dosiervorrichtung 33 berechnet. Im Schritt 302 wird die Dosiervorrichtung 33 geöffnet. Im Schritt 303 wir überprüft, ob die erforderliche Öffnungszeit Atl der Dosiervorrichtung 33 abgelaufen ist. Wenn ja, dann wird im Schritt 304 die Dosiervorrichtung 33 geschlossen.
Die Figur 8 zeigt eine Betriebsstrategie zum Betreiben des Elektrolyseurs 31 ohne einen Vorratstank 32 für das Mittel, wie es in den Ausführungsbeispielen der Figuren 2 und 5 gezeigt ist. Auch hier kann mit dem Schritt 300 begonnen werden, in welchem überprüft wird, ob ein Betankungsvorgang initiiert wurde. Wenn ja, dann wird im Schritt 301'eine beizumischende Menge des Mittels, hier des Sauerstoffes, und somit die erforderliche Betriebszeit At2 des Elektrolyseurs 32 berechnet. Im Schritt 302' wird der Elektrolyseur 31 geöffnet. Im Schritt 303' wird überprüft, ob die erforderliche Betriebszeit At2 des Elektrolyseurs 31 abgelaufen ist. Wenn ja, dann wird im Schritt 304' der Elektrolyseur 31 ausgeschaltet.
Die Figur 9 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems 100, bei welchem der Elektrolyseur 31 am Ende des Kathodenpfades 10 in der Abluftleitung 10b angeordnet ist, bspw. ohne einen Wasserabscheider 15. Als Alternative zu einem Hochdrucktank wird im
Ausführungsbeispiel der Figur 9 kein Hochdruck-, sondern ein Niedrigdrucktank als Vorratstank 32 für das Mittel verwendet. Dabei braucht der Sauerstoff nicht auf über 700 bar gebracht werden, was energetisch und für die Auslegung des Vorratstanks 32 sowie der Dosiervorrichtung 33 vom Vorteil ist. Bei einer Zielkonzentration des Sauerstoffs von 100 ppm, entspricht der Sauerstoff- partialdruck 70 mbar des Gesamttankdruckes im Brennstofftank 21 bei einem vollen Brennstofftank 21. Fällt der Druck des Brennstofftanks 21 aufgrund des Verbrauchs auf ca. 20 bar, ist der Sauerstoffpartialdruck 2 mbar. Wird in diesem Zustand ca. 70 mbar Sauerstoff dem Brennstofftank 21 beigemischt, entspricht die Sauerstoffkonzentration 3500 ppm, was immer noch akzeptabel ist (erlaubte
Menge 100 ppm bis 4000 ppm). Damit muss der Sauerstoff nur auf 20,070 bar gedrückt werden. Die Figur 9 zeigt schematisch ein entsprechendes
Brennstoffzellensystem 100 mit dem Vorratstank 32 als ein Niedrigdrucktank. Die Figur 10 zeigt eine Betriebsstrategie zum Betrieb des Brennstoffzellensystems 100 gemäß der Figur 9. Ein Vorteil hierher ist, dass die Sauerstoff- Beimischung zum Brennstoff nicht mehr während der Brennstoff-Betankung erfolgen muss. Die Sauerstoff-Beimischung zum Brennstoff kann dabei vorteilhafterweise im Normalbetrieb des Brennstoffzellensystems 100 erfolgen. Dabei wird im Schritt 400 überprüft, ob der Druck P(H2) im Brennstofftank 21 unter einen unteren Schwellenwert Sl gefallen ist. Wenn ja, dann wird im Schritt 401 die beizumischende Menge des Sauerstoffes und somit die erforderliche Öffnungszeit At3 für die Dosiervorrichtung 33 berechnet. Im Schritt 402 wird die Dosiervorrichtung 33 geöffnet. Im Schritt 403 wir überprüft, ob die erforderliche Öffnungszeit At3 der Dosiervorrichtung 33 abgelaufen ist. Wenn ja, dann wird im
Schritt 404 die Dosiervorrichtung 33 geschlossen. Zum Aufrechterhalten des Sauerstoffdruckes im Vorratstank 32 kann auch hier die Betriebsstrategie gemäß der Figur 6 mit angepassten Schwellenwerten PI' und P2' verwendet werden. Die Figur 11 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen
Brennstoffzellensystems 100, bei welchem der Elektrolyseur 31 am Ende des Kathodenpfades 10 in der Abluftleitung 10b angeordnet ist, bspw. ohne einen Wasserabscheider 15. Als Alternative zu einem Hochdrucktank wird im
Ausführungsbeispiel der Figur 9 kein Hochdruck-, sondern ein Niedrigdrucktank, insbesondere ein Rail (einfacher Behälter ohne ein Absperrventil,
vorteilhafterweise lediglich mit einem Rückschlagventil), als Vorratsbehälter 32 verwendet. Alternativ kann als Vorratsbehälter 32 einfach die Verbindungsleitung zwischen dem Elektrolyseur 31 und der Stelle im Anodenpfad 20 mit ihrem Inhalt am Mittel dienen. Hier wird der Sauerstoff auf den Zieldruck von 20,070 bar gebracht, und im Rail gespeichert. Die Beimischung kann dabei vorteilhafterweise passiv durch die Überbrückung des Rückschlagventils erfolgen, sobald der Druck im Wasserstoff- bzw. Brennstofftank 21 darunter fällt.
Die Figur 12 zeigt eine Betriebsstrategie zum Betrieb des
Brennstoffzellensystems 100 gemäß der Figur 11. In diesem Fall ergeben sich Änderungen bei der Betriebsstrategie des Aufrechterhaltens des Sauerstoff- Druckes im Rail, abweichend von der Betriebsstrategie der Figur 6. Dabei wird im Schritt 500 überprüft, ob der Betankungsvorgang abgeschlossen wurde. Im Schritt 501 wird überprüft, ob der Raildruck P(02) unter einen unteren
Schwellenwert Rl gefallen ist. Wenn ja, dann wird im Schritt 502 der
Elektrolyseur 502 eingeschaltet. Im Schritt 503 wird überprüft, ob der Raildruck P(02) über einen oberen Schwellenwert Rl gestiegen ist. Wenn ja, dann wird im Schritt 502 der Elektrolyseur 504 ausgeschaltet. Der obere Schwellenwert Rl kann dabei dem Druckwert entsprechen, bei dem das Rückschlagventil 33 in Richtung zum Anodenpfad öffnet.
Die voranstehende Beschreibung der Figuren 1 bis 12 beschreibt die vorliegende Erfindung ausschließlich im Rahmen von Beispielen. Selbstverständlich können einzelne Merkmale der Ausführungsformen, sofern es technisch sinnvoll ist, frei miteinander kombiniert werden, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.

Claims

Ansprüche
1. Brennstoffzellensystem (100), mit
einem Kathodenluft führenden Kathodenpfad (10) und
einem Brennstoff führenden Anodenpfad (20),
dadurch gekennzeichnet,
dass ein Elektrolyseur (31) vorgesehen ist, der dazu ausgelegt ist, dem Brennstoff ein als Inhibitor wirkendes Mittel zuzuführen.
2. Brennstoffzellensystem (100) nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Elektrolyseur (31) als ein PEM-Elektrolyseur oder ein SOEC- Elektrolyseur ausgebildet ist.
3. Brennstoffzellensystem (100) nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Elektrolyseur (31) derart an den Anodenpfad (20) angeschlossen ist, um dem Anodenpfad (20) Wasser zu entziehen,
wobei insbesondere der Elektrolyseur (31) mit einem Drainventil (26) des Anodenpfades (20) verbunden ist.
4. Brennstoffzellensystem (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass der Elektrolyseur (31) derart an den Kathodenpfad (10)
angeschlossen ist, um dem Kathodenpfad (10) Abluft oder Wasser zu entziehen,
wobei insbesondere der Elektrolyseur (31) mit einer Abluftleitung (10b) des Kathodenpfades (20), vorzugsweise über einen Wasserabscheider (15), verbunden ist. Brennstoffzellensystem (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass der Elektrolyseur (31) mit einem Vorratstank (32) und mit einer Dosiervorrichtung (33) ausgebildet ist,
wobei insbesondere die Dosiervorrichtung (33) als ein Absperrventil oder ein Rückschlagventil ausgebildet ist.
Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems (100), insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welches mit
einem Kathodenluft führenden Kathodenpfad (10) und
einem Brennstoff führenden Anodenpfad (20) ausgeführt ist,
dadurch gekennzeichnet,
dass dem Brennstoff ein als Inhibitor wirkendes Mittel mithilfe eines Elektrolyseurs (31) zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Elektrolyseur (31) betrieben wird, um einen Vorratstank (32) für ein als Inhibitor wirkendes Mittel aufzutanken,
wobei insbesondere der Vorratstank (32) während eines
Betankungsvorganges des Brennstoffzellensystems (100) mit Brennstoff den Anodenpfad (20) mit dem als Inhibitor wirkenden Mittel, insbesondere über einen Vorratstank (32), versorgt.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Elektrolyseur (31) während eines Betankungsvorganges des Brennstoffzellensystems (100) mit Brennstoff betrieben wird, um den Anodenpfad (20) mit dem als Inhibitor wirkenden Mittel, insbesondere direkt, zu versorgen. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Elektrolyseur (31) betrieben wird, um einen Vorratstank (32), insbesondere einen Niedrigdrucktank (32), für ein als Inhibitor wirkendes Mittel aufzutanken,
wobei insbesondere der Vorratstank (32) während eines Normalbetriebes des Brennstoffzellensystems (100) den Anodenpfad (20) mit dem als Inhibitor wirkenden Mittel versorgt, vorzugsweise wenn der Druck in der Anodenleitung (20) unter einen Schwellwert (Sl) fällt.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Elektrolyseur (31) nach einem Betankungsvorgang des
Brennstoffzellensystems (100) mit Brennstoff betrieben wird, um den
Anodenpfad (20) mit dem als Inhibitor wirkenden Mittel, insbesondere über einen Vorratstank (32), vorzugsweise einen Niedrigdrucktank (32), bevorzugt einen Rail (32), und ein Rückschlagventil, zu versorgen.
PCT/EP2018/055572 2017-03-21 2018-03-07 Brennstoffzellensystem und ein verfahren zum betrieb eines brennstoffzellensystems WO2018172074A1 (de)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102017204730.5 2017-03-21
DE102017204730.5A DE102017204730A1 (de) 2017-03-21 2017-03-21 Brennstoffzellensystem und ein Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2018172074A1 true WO2018172074A1 (de) 2018-09-27

Family

ID=61965909

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/EP2018/055572 WO2018172074A1 (de) 2017-03-21 2018-03-07 Brennstoffzellensystem und ein verfahren zum betrieb eines brennstoffzellensystems

Country Status (2)

Country Link
DE (1) DE102017204730A1 (de)
WO (1) WO2018172074A1 (de)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102021212590A1 (de) 2021-11-09 2023-05-11 Robert Bosch Gesellschaft mit beschränkter Haftung Steuervorrichtung und Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems eines Stromverbrauchers

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5277994A (en) * 1992-07-15 1994-01-11 Rockwell International Corporation Variable pressure passive regenerative fuel cell system
DE19646354C1 (de) * 1996-11-09 1998-06-18 Forschungszentrum Juelich Gmbh Brennstoffzelle mit Sauerstoffzufuhr in den Brennstoff
DE10057384A1 (de) * 2000-11-18 2002-05-23 Man Nutzfahrzeuge Ag Sauerstoffzuführung für eine Brennstoffzelle in einem Kraftfahrzeug
US20040096710A1 (en) * 2001-03-06 2004-05-20 Giuseppe Faita Methods for operating fuel cells fed with a gas containing hydrogen and carbon oxide, and devices relating thereto
DE102014223530A1 (de) * 2014-11-18 2016-05-19 Robert Bosch Gmbh Wasserstoff-Rekuperation für Fahrzeuge

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5277994A (en) * 1992-07-15 1994-01-11 Rockwell International Corporation Variable pressure passive regenerative fuel cell system
DE19646354C1 (de) * 1996-11-09 1998-06-18 Forschungszentrum Juelich Gmbh Brennstoffzelle mit Sauerstoffzufuhr in den Brennstoff
DE10057384A1 (de) * 2000-11-18 2002-05-23 Man Nutzfahrzeuge Ag Sauerstoffzuführung für eine Brennstoffzelle in einem Kraftfahrzeug
US20040096710A1 (en) * 2001-03-06 2004-05-20 Giuseppe Faita Methods for operating fuel cells fed with a gas containing hydrogen and carbon oxide, and devices relating thereto
DE102014223530A1 (de) * 2014-11-18 2016-05-19 Robert Bosch Gmbh Wasserstoff-Rekuperation für Fahrzeuge

Also Published As

Publication number Publication date
DE102017204730A1 (de) 2018-09-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE102017219141A1 (de) Betriebssteuerverfahren eines Brennstoffzellensystems
DE102006016028B4 (de) Geschlossenes Druck erhaltendes System für die Speicherung von flüssigem Wasserstoff
DE102006017541A1 (de) Verfahren zum Austrag von Hochdruckspeicherbehältern
DE102012001384A1 (de) Steuerventil für Druckwasserstoffbetankung
EP1846971A1 (de) Brennstoffzellensystem mit druckluftbetrieb
WO2017089010A1 (de) Brennstoffzelle
WO2018172074A1 (de) Brennstoffzellensystem und ein verfahren zum betrieb eines brennstoffzellensystems
DE112007001372B4 (de) Brennstoffzellensystem
DE10209808B4 (de) Wasservernebelungseinrichtung für ein Brennstoffzellensystem sowie Verfahren zur Befeuchtung eines einem Brennstoffzellensystem zugeführten Gasstromes
DE102012219061A1 (de) Brennstoffzellensystem mit stabilisiertem H2-Mitteldruck
DE102015225653A1 (de) Brennstoffzelle
DE102016212250A1 (de) Kraftfahrzeug und Verfahren zum Fördern von Brennstoff zu einem Brennstoffverbraucher eines Kraftfahrzeugs
DE102009030358C5 (de) Brennstoffzellensystem und Verfahren zu dessen Betrieb sowie dessen Verwendung
DE102020215558A1 (de) Verfahren zur Optimierung der Purgestrategie eines Brennstoffzellensystems
DE102021209207A1 (de) Verfahren zum Starten eines Brennstoffzellensystems
DE102017219139A1 (de) Verfahren zum Druckentlasten eines Brennstoffzellensystems sowie Kraftfahrzeug
EP1936726A1 (de) Brennstoffzellenanordnung und Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzelle
DE102008002698A1 (de) Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer oder mechanischer Energie, sowie Verfahren zum Betrieb derselben
DE102020215560A1 (de) Verfahren zum Erkennen von Verstopfungen innerhalb eines Brennstoffzellensystems
WO2017102453A1 (de) Brennstoffzelle
DE102021202938A1 (de) Brennstoffzellensystem und Verfahren zum Regenerieren oder zur Vorkonditionierung eines Trocknungsmittels oder Zeolithbehälters
WO2017148802A1 (de) Verfahren zum betrieb eines brennstoffzellensystems, insbesondere während eines abstellvorganges des brennstoffzellensystems
DE102021204461A1 (de) Brennstoffzellensystem und Verfahren zum thermischen Konditionieren
DE102016009545A1 (de) Verfahren zur Wiederherstellung der Leistungsfähigkeit einer Brennstoffzelle
DE102005033821A1 (de) Direktoxidations-Brennstoffzellensystem und Verfahren zur Steuerung/Regelung des Wasserhaushalts eines Direktoxidations-Brennstoffzellensystems

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: 18717226

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: 18717226

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1