WO2022012852A1 - Anodensubsystem für ein brennstoffzellensystem, brennstoffzellensystem - Google Patents

Anodensubsystem für ein brennstoffzellensystem, brennstoffzellensystem Download PDF

Info

Publication number
WO2022012852A1
WO2022012852A1 PCT/EP2021/066474 EP2021066474W WO2022012852A1 WO 2022012852 A1 WO2022012852 A1 WO 2022012852A1 EP 2021066474 W EP2021066474 W EP 2021066474W WO 2022012852 A1 WO2022012852 A1 WO 2022012852A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
fuel cell
water
water separator
anode subsystem
supply path
Prior art date
Application number
PCT/EP2021/066474
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Benedikt Leibssle
Dirk SCHNITTGER
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
Priority to US18/015,826 priority Critical patent/US20230223568A1/en
Priority to CN202180061308.5A priority patent/CN116134650A/zh
Publication of WO2022012852A1 publication Critical patent/WO2022012852A1/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
    • H01M8/04—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
    • H01M8/04097—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with recycling of the reactants
    • 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
    • H01M8/04164—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 by condensers, gas-liquid separators or filters
    • 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
    • H01M8/04291—Arrangements for managing water in solid electrolyte fuel cell systems
    • 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

  • Anode subsystem for a fuel cell system Fuel cell system
  • the invention relates to an anode subsystem for a fuel cell system with at least one fuel cell.
  • the invention also relates to a fuel cell system with at least one fuel cell and an anode subsystem according to the invention for supplying the fuel cell with hydrogen.
  • Hydrogen-based fuel cell systems are considered to be the mobility concept of the future, since they essentially only emit water and enable fast refueling times.
  • the hydrogen is stored in a tank that is carried on board a vehicle.
  • the oxygen that is also required is taken from the ambient air.
  • hydrogen and oxygen react to form water or water vapor.
  • electrical power is generated by electrochemical conversion.
  • An anode of at least one fuel cell in a fuel cell system is generally supplied with hydrogen via an anode subsystem.
  • This includes a supply path, via which hydrogen is supplied to the at least one fuel cell, and also a recirculation path, via which hydrogen exiting the fuel cell is recirculated. Since, as a rule, it is not pure hydrogen that emerges from the fuel cell, but a gas mixture that can also contain liquid water, a water separator is usually integrated in the recirculation path, via which liquid water is separated. Since the gas mixture can contain nitrogen in particular in addition to hydrogen, the recirculation path is also flushed regularly. For this purpose, a purge valve is opened through which the gas mixture can escape. The remaining amount of gas is fed back into the supply path.
  • accumulations of water can also form outside the water separator during operation and/or when the fuel cell system is switched off. These can cause problems. For example, in the event of a shutdown, they can cause problems when the system is restarted. Furthermore, accumulations of water can impair the function of components such as sensors. When the outside temperature is low, the water can also freeze and cause damage due to ice pressure.
  • the present invention is therefore based on the object of preventing or at least reducing undesirable accumulations of water in an anode subsystem for a fuel cell system.
  • the invention is not limited to mobile fuel cell systems, but can also be used on stationary fuel cell systems.
  • An anode subsystem for a fuel cell system with at least one fuel cell which comprises a supply path for supplying the fuel cell with hydrogen and a recirculation path for recirculating a gas mixture containing water and hydrogen exiting the fuel cell.
  • a water separator is arranged in the recirculation path and the recirculation path is connected to the supply path downstream of the water separator via a jet pump.
  • the supply path is connected to the water separator at its lowest point via a connecting line.
  • the proposed anode subsystem is therefore designed in such a way that water in the supply path collects at the lowest point and above the proposed connecting line can be fed to the water separator.
  • the water can then be removed from the anode subsystem via the water separator so that it can no longer freeze and lead to ice pressure damage.
  • At the "deepest point” means at the geodetically lowest point at which the water collects due to gravity when the jet pump is switched off.
  • the connecting line has a gradient, starting from the lowest point of the supply path to the water separator.
  • the gradient is not absolutely necessary, since during operation of the jet pump the pressure in the supply path is generally higher than the pressure in the recirculation path, so that water is already pushed out of the supply path into the water separator via the existing pressure gradient.
  • the water separator for collecting the separated water comprises a water tank or is connected to a water tank.
  • the collected water can be put to further use, for example for humidifying a reaction gas of the fuel cell system.
  • the jet pump has a first connection for the recirculation path and a second connection for the supply path, the first connection being located above the second connection. This means that the jet pump is flown through from top to bottom. This ensures that no water can collect inside the jet pump.
  • the jet pump preferably has a third connection for connection to a hydrogen supply path. Accordingly, the recirculation flow mixes with fresh hydrogen within the jet pump.
  • the third connection for the hydrogen feed path is preferably arranged above the first connection for the recirculation path. In this case, the recirculation flow is entrained by the feed flow.
  • the first connection is preferably arranged laterally.
  • the water separator be arranged at the lowest point or at the geodetically lowest point of the anode subsystem.
  • water can be discharged from both the supply path and from the recirculation path driven by gravity in the direction of the water separator.
  • the supply path and the recirculation path each come to lie completely above the water separator, so that water present in these paths flows in the direction of the water separator, driven by gravity or assisted by gravity. Water accumulation and the associated problems are thus avoided.
  • a throttle is preferably integrated into the connecting line, which leads from the lowest point of the supply path to the water separator.
  • the choke enables the adjustment and thus reduction of the parasitic currents back into the water separator. In this way, the efficiency of the system can be increased.
  • a valve be integrated into the connecting line.
  • the valve also enables adjustment and thus reduction of the parasitic flows back into the water separator.
  • the efficiency of the system can accordingly be further increased in this way.
  • the valve is designed as a passive valve.
  • the passive valve can be designed in such a way that it closes against the spring force of a spring when the jet pump is pumping. In the rest position, i.e. when the jet pump is switched off, the valve is held open by the spring. Water present in the supply path can thus run off unhindered in the direction of the water separator.
  • a blower is advantageously arranged in the recirculation path, preferably between the water separator and the jet pump.
  • the fan supports recirculation in the recirculation path.
  • the water separator preferably the water tank of the water separator
  • the water separator is connected to a gas line with an integrated purge valve and/or to a water line with an integrated drain valve.
  • the recirculation path can then be purged via the gas line with an integrated purge valve, for example to reduce nitric oxide concentration.
  • the water tank of the water separator can be emptied via the water line with integrated drain valve.
  • the fuel cell system that is also proposed to solve the problem mentioned at the outset is characterized in that, in addition to at least one fuel cell, it also includes an anode subsystem according to the invention for supplying the fuel cell with hydrogen.
  • the advantages of the anode subsystem according to the invention also extend to the fuel cell system according to the invention.
  • FIG. 1 shows a schematic section through a first anode subsystem according to the invention
  • FIG. 2 shows a schematic section through a second anode subsystem according to the invention
  • Fig. 3 shows an enlarged section of Fig. 2
  • Fig. 5 shows an enlarged section of Fig. 4,
  • FIG. 6 shows a schematic section through the anode subsystem of FIG. 4, but with the jet pump switched off, and
  • Fig. 7 shows an enlarged section of Fig. 6.
  • the anode subsystem 1 serves to supply at least one fuel cell 2 of a fuel cell system with hydrogen.
  • it comprises a supply path 3 which, via a jet pump 7, is connected on the one hand to a hydrogen feed path 8 and on the other hand is connected to a recirculation path 4.
  • Fresh hydrogen can thus be fed to the supply path 3 via the hydrogen feed path 8 and recirculated hydrogen can be fed via the recirculation path 4 .
  • the amount of fresh hydrogen can be controlled via a hydrogen valve 18 integrated into the hydrogen supply path 8 .
  • a water separator 5 which includes a water tank 6 , is integrated into the recirculation path 4 .
  • the water tank 6 can be emptied via a water line 16 with an integrated drain valve 17 that is brought in from below.
  • a nitrogen-containing gas mixture can be discharged from the recirculation path 4 or the recirculation path 4 can be purged via a gas line 14 with an integrated purge valve 15 that is routed to the side of the water tank 6 . This is necessary from time to time since during operation of the fuel cell system nitrogen and liquid water also escape from the fuel cell 2 with the hydrogen.
  • the liquid water is separated via the water separator 5 and collected in the water tank 6, the nitrogen is removed via the flushing volume.
  • a blower 13 is also integrated into the recirculation path 4, with the aid of which the hydrogen emerging from the fuel cell 2 can be optimally recirculated.
  • the anode subsystem 1 shown in FIG. 1 has the water separator 5 with the water tank 6 at its geodetically lowest point. This is connected to the supply path 3 via a steadily rising connecting line 9, specifically at its lowest point. This ensures that water accumulating or falling out in the supply path 3 runs into the water tank 6 by gravity, even when the jet pump 7 is switched off. Undesirable accumulations of water are thus avoided.
  • FIGS. A further development of the anode subsystem 1 of FIG. 1 can be seen in FIGS.
  • a throttle 10 is integrated into the connecting line 9 .
  • the throttle 10 leads to a controlled drainage of water in the jet pump 7 or downstream of the jet pump 7 in the Supply path 3 on or fails. In this way, parasitic currents, in particular during operation of the jet pump 7, are reduced. As a result, the efficiency of the system is increased.
  • Figures 4 to 7 is another embodiment of an inventive
  • Anode subsystem 1 can be found. Instead of a throttle 10 according to the embodiment shown in FIGS. 2 and 3, a passive valve 11 is integrated into the connecting line 9 here. The valve 11 opens and closes under pressure control.

Landscapes

  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (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 Anodensubsystem (1) für ein Brennstoffzellensystem mit mindestens einer Brennstoffzelle (2), umfassend einen Versorgungspfad (3) zur Versorgung der Brennstoffzelle (2) mit Wasserstoff und einen Rezirkulationspfad (4) zur Rezirkulation eines aus der Brennstoffzelle (2) austretenden, Wasser und Wasserstoff enthaltenden Gasgemischs, wobei im Rezirkulationspfad (4) ein Wasserabscheider (5) angeordnet ist und wobei der Rezirkulationspfad (4) stromabwärts des Wasserabscheiders (5) über eine Strahlpumpe (7) an den Versorgungspfad (3) angebunden ist. Erfindungsgemäß ist der Versorgungspfad (3) an seinem tiefsten Punkt über eine Verbindungsleitung (9) mit dem Wasserabscheider (5) verbunden. Die Erfindung betrifft ferner ein Brennstoffzellensystem mit einem derartigen Anodensubsystem (1).

Description

Beschreibung
Anodensubsystem für ein Brennstoffzellensystem, Brennstoffzellensystem
Die Erfindung betrifft ein Anodensubsystem für ein Brennstoffzellensystem mit mindestens einer Brennstoffzelle gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Brennstoffzellensystem mit mindestens einer Brennstoffzelle und einem erfindungsgemäßen Anodensubsystem zur Versorgung der Brennstoffzelle mit Wasserstoff.
Stand der Technik
Wasserstoffbasierte Brennstoffzellensysteme gelten als Mobilitätskonzept der Zukunft, da sie im Wesentlichen nur Wasser emittieren und schnelle Betankungszeiten ermöglichen. Der Wasserstoff wird in einem Tank bevorratet, der an Bord eines Fahrzeugs mitgeführt wird. Der ferner benötigte Sauerstoff wird der Umgebungsluft entnommen. Wasserstoff und Sauerstoff reagieren in einer Brennstoffzelle zu Wasser bzw. Wasserdampf. Gleichzeitig wird durch elektrochemische Wandlung eine elektrische Leistung erzeugt.
Die Wasserstoffversorgung einer Anode mindestens einer Brennstoffzelle in einem Brennstoffzellensystem erfolgt in der Regel über ein Anodensubsystem. Dieses umfasst einen Versorgungspfad, über den der mindestens einen Brennstoffzelle Wasserstoff zugeführt wird, ferner einen Rezirkulationspfad, über den aus der Brennstoffzelle austretender Wasserstoff rezirkuliert wird. Da in der Regel kein reiner Wasserstoff aus der Brennstoffzelle austritt, sondern ein Gasgemisch, das auch flüssiges Wasser enthalten kann, ist üblicherweise im Rezirkulationspfad ein Wasserabscheider integriert, über den flüssiges Wasser abgeschieden wird. Da das Gasgemisch neben Wasserstoff insbesondere Stickstoff enthalten kann, wird der Rezirkulationspfad zudem regelmäßig gespült. Hierzu wird ein Purge-Ventil geöffnet, über welches das Gasgemisch entweichen kann. Die verbleibende Gasmenge wird wieder in den Versorgungspfad eingeleitet. In einem Anodensubsystem der vorstehend genannten Art können sich im Betrieb und/oder im Abstellfall des Brennstoffzellensystems auch außerhalb des Wasserabscheiders Wasseransammlungen bilden. Diese können zu Problemen führen. Beispielsweise können sie -im Abstellfall- Probleme beim Wiederanläufen des Systems verursachen. Ferner können Wasseransammlungen die Funktion von Komponenten, wie beispielsweise Sensoren, beeinträchtigen. Bei tiefen Außentemperaturen kann zudem das Wasser gefrieren und zu Schäden durch Eisdruck führen.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, unerwünschte Wasseransammlungen in einem Anodensubsystem für ein Brennstoffzellensystem zu verhindern oder zumindest zu verringern.
Zur Lösung der Aufgabe wird das Anodensubsystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen. Ferner werden ein Brennstoffzellensystem mit einem derartigen Anodensubsystem angegeben.
Die Erfindung ist dabei nicht auf mobile Brennstoffzellensysteme beschränkt, sondern auch auf stationäre Brennstoffzellensysteme anwendbar.
Offenbarung der Erfindung
Vorgeschlagen wird ein Anodensubsystem für ein Brennstoffzellensystem mit mindestens einer Brennstoffzelle, das einen Versorgungspfad zur Versorgung der Brennstoffzelle mit Wasserstoff und einen Rezirkulationspfad zur Rezirkulation eines aus der Brennstoffzelle austretenden, Wasser und Wasserstoff enthaltenden Gasgemischs umfassend. Dabei ist Im Rezirkulationspfad ein Wasserabscheider angeordnet und der Rezirkulationspfad ist stromabwärts des Wasserabscheiders über eine Strahlpumpe an den Versorgungspfad angebunden. Erfindungsgemäß ist der Versorgungspfad an seinem tiefsten Punkt über eine Verbindungsleitung mit dem Wasserabscheider verbunden.
Das vorgeschlagene Anodensubsystem ist demnach derart ausgelegt, dass sich im Versorgungspfad befindliches Wasser am tiefsten Punkt sammelt und über die vorgeschlagene Verbindungsleitung dem Wasserabscheider zugeführt werden kann. Über den Wasserabscheider kann dann das Wasser aus dem Anodensubsystem entfernt werden, so dass dieses nicht mehr gefrieren und zu Eisdruckschäden führen kann. Am „tiefsten Punkt“ bedeutet an der geodätisch tiefsten Stelle, an der sich bei abgeschalteter Strahlpumpe das Wasser schwerkraftgetrieben sammelt. Um die Schwerkraft optimal nutzen zu können, wird ferner vorgeschlagen, dass die Verbindungsleitung, ausgehend vom tiefsten Punkt des Versorgungspfads bis zum Wasserabscheider, ein Gefälle aufweist. Das Gefälle ist jedoch nicht zwingend erforderlich, da im Betrieb der Strahlpumpe der Druck im Versorgungspfad in der Regel höher als der Druck im Rezirkulationspfad ist, so dass bereits über das vorhandene Druckgefälle Wasser aus dem Versorgungspfad in den Wasserabscheider ausgeschoben wird.
Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass der Wasserabscheider zum Sammeln des abgeschiedenen Wassers einen Wasserbehälter umfasst oder mit einem Wasserbehälter verbunden ist. Das gesammelte Wasser kann in diesem Fall einer weiteren Nutzung zugeführt werden, beispielsweise zum Befeuchten eines Reaktionsgases des Brennstoffzellensystems.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die Strahlpumpe einen ersten Anschluss für den Rezirkulationspfad und einen zweiten Anschluss für den Versorgungspfad auf, wobei der erste Anschluss oberhalb des zweiten Anschlusses gelegen ist. Das heißt, dass die Strahlpumpe von oben nach unten durchströmt wird. Dadurch ist sichergestellt, dass sich kein Wasser innerhalb der Strahlpumpe ansammeln kann.
Ferner bevorzugt weist die Strahlpumpe einen dritten Anschluss zur Anbindung an einen Wasserstoff- Zu laufpfad auf. Innerhalb der Strahlpumpe vermischt sich demnach der Rezirkulationsstrom mit frischem Wasserstoff. Vorzugsweise ist der dritte Anschluss für den Wasserstoff-Zulaufpfad oberhalb des ersten Anschlusses für den Rezirkulationspfad angeordnet. Der Rezirkulationsstrom wird in diesem Fall von dem Zulaufstrom mitgerissen. Der erste Anschluss ist hierzu bevorzugt seitlich angeordnet.
Zur optimalen Nutzung der Schwerkraft wird ferner vorgeschlagen, dass in eingebautem Zustand der Wasserabscheider am tiefsten Punkt bzw. an der geodätisch tiefsten Stelle des Anodensubsystems angeordnet ist. Auf diese Weise kann Wasser sowohl aus dem Versorgungspfad als auch aus dem Rezirkulationspfad schwerkraftgetrieben in Richtung des Wasserabscheiders abgeführt werden. Das heißt, dass der Versorgungspfad und der Rezirkulationspfad jeweils vollständig oberhalb des Wasserabscheiders zu liegen kommen, so dass in diesen Pfaden vorhandenes Wasser schwerkraftgetrieben oder schwerkraftunterstützt in Richtung des Wasserabscheiders strömt. Wasseransammlungen und die damit zusammenhängenden Probleme werden somit vermieden.
Bevorzugt ist in die Verbindungsleitung, die vom tiefsten Punkt des Versorgungspfads zum Wasserabscheider führt, eine Drossel integriert. Die Drossel ermöglicht die Einsteilbarkeit und damit Reduzierung der parasitären Ströme zurück in den Wasserabscheider. Auf diese Weise kann die Effizienz des Systems gesteigert werden.
Alternativ oder ergänzend wird vorgeschlagen, dass in die Verbindungsleitung ein Ventil integriert ist. Das Ventil ermöglicht ebenfalls die Einsteilbarkeit und damit Reduzierung der parasitären Ströme zurück in den Wasserabscheider. Auf diese Weise kann demnach die Effizienz des Systems weiter gesteigert werden. Dies gilt insbesondere, wenn -gemäß einer bevorzugten Ausführungsform- das Ventil als passives Ventil ausgebildet ist. Beispielsweise kann das passive Ventil derart ausgelegt sein, dass es im Förderbetrieb der Strahlpumpe gegen die Federkraft einer Feder schließt. In Ruhestellung, das heißt bei abgestellter Strahlpumpe, wird das Ventil von der Feder offengehalten. Im Versorgungspfad vorhandenes Wasser kann somit ungehindert in Richtung Wasserabscheider ablaufen.
Vorteilhafterweise ist im Rezirkulationspfad, vorzugsweise zwischen dem Wasserabscheider und der Strahlpumpe, ein Gebläse angeordnet. Das Gebläse unterstützt die Rezirkulation im Rezirkulationspfad.
Des Weitere wird vorgeschlagen, dass der Wasserabscheider, vorzugsweise der Wasserbehälter des Wasserabscheiders, an eine Gasleitung mit integriertem Purge-Ventil und/oder an eine Wasserleitung mit integriertem Drain-Ventil angeschlossen ist. Über die Gasleitung mit integriertem Purge-Ventil kann dann der Rezirkulationspfad gespült werden, um beispielsweise die Stickoxidkonzentration zu reduzieren. Über die Wasserleitung mit integriertem Drain-Ventil kann der Wasserbehälter des Wasserabscheiders geleert werden.
Das darüber hinaus zur Lösung der eingangs genannten Aufgabe vorgeschlagene Brennstoffzellensystem zeichnet sich dadurch aus, dass es neben mindestens einer Brennstoffzelle und ein erfindungsgemäßes Anodensubsystem zur Versorgung der Brennstoffzelle mit Wasserstoff umfasst. Die Vorteile des erfindungsgemäßen Anodensubsystems erstrecken sich auch auf das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen:
Fig. 1 einen schematischen Schnitt durch ein erstes erfindungsgemäßes Anodensubsystem,
Fig. 2 einen schematischen Schnitt durch ein zweites erfindungsgemäßes Anodensubsystem,
Fig. 3 einen vergrößerten Ausschnitt der Fig. 2,
Fig. 4 einen schematischen Schnitt durch ein drittes erfindungsgemäßes
Anodensubsystem, während des Betriebs einer Strahlpumpe,
Fig. 5 einen vergrößerten Ausschnitt der Fig. 4,
Fig. 6 einen schematischen Schnitt durch das Anodensubsystem der Fig. 4, jedoch bei abgestellter Strahlpumpe, und
Fig. 7 einen vergrößerten Ausschnitt der Fig. 6.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
Das in der Fig. 1 dargestellte erfindungsgemäße Anodensubsystem 1 dient der Versorgung mindestens einer Brennstoffzelle 2 eines Brennstoffzellensystems mit Wasserstoff. Es umfasst hierzu einen Versorgungspfad 3, der über eine Strahlpumpe 7 einerseits mit einem Wasserstoff-Zulaufpfad 8 und andererseits mit einem Rezirkulationspfad 4 verbunden ist. Dem Versorgungspfad 3 ist somit über den Wasserstoff-Zulaufpfad 8 frischer Wasserstoff und über den Rezirkulationspfad 4 rezirkulierter Wasserstoff zuführbar. Die Menge an frischem Wasserstoff ist über ein in den Wasserstoff- Zu laufpfad 8 integriertes Wasserstoff- Ventil 18 steuerbar.
In den Rezirkulationspfad 4 ist ein Wasserabscheider 5 integriert, der einen Wasserbehälter 6 umfasst. Über eine von unten herangeführte Wasserleitung 16 mit integriertem Drain-Ventil 17 kann der Wasserbehälter 6 entleert werden. Über eine seitlich an den Wasserbehälter 6 herangeführte Gasleitung 14 mit integriertem Purge-Ventil 15 kann ein Stickstoff enthaltenes Gasgemisch aus dem Rezirkulationspfad 4 abgeführt bzw. der Rezirkulationspfad 4 gespült werden. Dies ist von Zeit zu Zeit notwendig, da im Betrieb des Brennstoffzellensystems mit dem Wasserstoff auch Stickstoff sowie flüssiges Wasser aus der Brennstoffzelle 2 austritt. Das flüssige Wasser wird über den Wasserabscheider 5 abgeschieden und im Wasserbehälter 6 gesammelt, der Stickstoff wird über die Spülmenge entfernt.
In den Rezirkulationspfad 4 ist ferner ein Gebläse 13 integriert, mit dessen Hilfe der aus der Brennstoffzelle 2 austretende Wasserstoff optimal rezirkuliert werden kann.
Da grundsätzlich an jeder Stelle im Anodensubsystem 1 Wasser an- bzw. ausfallen kann, so dass sich unerwünschte Wasseransammlungen bilden können, weist das in der Fig. 1 dargestellte Anodensubsystem 1 an seiner geodätisch tiefst gelegenen Stelle den Wasserabscheider 5 mit dem Wasserbehälter 6 auf. Dieser ist über eine stetig ansteigende Verbindungsleitung 9 mit dem Versorgungspfad 3 verbunden, und zwar an dessen tiefsten Stelle. Dadurch ist sichergestellt, dass im Versorgungspfad 3 an- bzw. ausfallendes Wasser selbst bei abgestellter Strahlpumpe 7 schwerkraftgetrieben in den Wasserbehälter 6 läuft. Unerwünschte Wasseransammlungen werden somit vermieden.
Den Figuren 2 und 3 ist eine Weiterbildung des Anodensubsystems 1 der Fig. 1 zu entnehmen. Im Unterschied zur Fig. 1 ist in die Verbindungsleitung 9 eine Drossel 10 integriert. Die Drossel 10 führt zu einem kontrollierten Ablaufen von Wasser, das in der Strahlpumpe 7 oder stromabwärts der Strahlpumpe 7 im Versorgungspfad 3 an- bzw. ausfällt. Auf diese Weise werden parasitäre Ströme, insbesondere während des Betriebs der Strahlpumpe 7 reduziert. Im Ergebnis wird somit die Effizienz des Systems gesteigert. Den Figuren 4 bis 7 ist eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen
Anodensubsystems 1 zu entnehmen. Anstelle einer Drossel 10 gemäß der in den Figuren 2 und 3 dargestellten Ausführungsform ist hier ein passives Ventil 11 in die Verbindungsleitung 9 integriert. Das Ventil 11 öffnet und schließt druckgesteuert.
Im Betrieb der Strahlpumpe 7 (Figuren 4 und 5) steigt der Druck im Versorgungspfad 3 an, so dass ein Druckgefälle zwischen dem Versorgungspfad 3 und dem Rezirkulationspfad 4 herrscht, der das Ventil 11 entgegen der Federkraft einer Feder 12 schließt. Parasitäre Ströme in Richtung des Wasserabscheiders 5 bzw. des Wasserbehälters 6 werden somit vollständig unterbunden, so dass die Effizienz des Systems weiter steigt.
Bei abgestellter Strahlpumpe 7 (Figuren 6 und7) herrscht kein Druckgefälle, welches das Ventil 11 geschlossen hält, so dass die Feder 12 das Ventil 11 öffnet und im Versorgungspfad 3 vorhandenes Wasser schwerkraftgetrieben in den Wasserbehälter 6 abfließen kann.

Claims

Ansprüche
1. Anodensubsystem (1) für ein Brennstoffzellensystem mit mindestens einer Brennstoffzelle (2), umfassend einen Versorgungspfad (3) zur Versorgung der Brennstoffzelle (2) mit Wasserstoff und einen Rezirkulationspfad (4) zur Rezirkulation eines aus der Brennstoffzelle (2) austretenden, Wasser und Wasserstoff enthaltenden Gasgemischs, wobei im Rezirkulationspfad (4) ein Wasserabscheider (5) angeordnet ist und wobei der Rezirkulationspfad (4) stromabwärts des Wasserabscheiders (5) über eine Strahlpumpe (7) an den Versorgungspfad (3) angebunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Versorgungspfad (3) an seinem tiefsten Punkt über eine Verbindungsleitung (9) mit dem Wasserabscheider (5) verbunden ist.
2. Anodensubsystem (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wasserabscheider (5) zum Sammeln des abgeschiedenen Wassers einen Wasserbehälter (6) umfasst oder mit einem Wasserbehälter (6) verbunden ist.
3. Anodensubsystem (1) nach Anspruch loder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlpumpe (7) einen ersten Anschluss für den Rezirkulationspfad (4) und einen zweiten Anschluss für den Versorgungspfad (3) aufweist und wobei der erste Anschluss oberhalb des zweiten Anschlusses gelegen ist.
4. Anodensubsystem (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlpumpe (7) einen dritten Anschluss zur Anbindung an einen Wasserstoff- Zu laufpfad (8) aufweist, der vorzugsweise oberhalb des ersten Anschlusses für den Rezirkulationspfad (4) angeordnet ist.
5. Anodensubsystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in eingebautem Zustand des Anodensubsystems (1) der Wasserabscheider (5) am tiefsten Punkt angeordnet ist, so dass im Versorgungspfad (3) und/oder im Rezirkulationspfad (4) vorhandenes Wasser schwerkraftgetrieben über den Wasserabscheider (5) abführbar ist.
6. Anodensubsystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in die Verbindungsleitung (9) eine Drossel (10) integriert ist.
7. Anodensubsystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in die Verbindungsleitung (9) ein Ventil (11) integriert ist, das vorzugsweise als passives Ventil ausgebildet ist und das weiterhin vorzugsweise im Förderbetrieb der Strahlpumpe (7) gegen die Federkraft einer Feder (12) schließt.
8. Anodensubsystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Rezirkulationspfad (4), vorzugsweise zwischen dem Wasserabscheider (5) und der Strahlpumpe (7), ein Gebläse (13) angeordnet ist.
9. Anodensubsystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wasserabscheider (5), vorzugsweise der Wasserbehälter (6) des Wasserabscheiders (5), an eine Gasleitung (14) mit integriertem Purge-Ventil (15) und/oder an eine Wasserleitung (16) mit integriertem Drain-Ventil (17) angeschlossen ist.
10. Brennstoffzellensystem mit mindestens einer Brennstoffzelle (2) und einem Anodensubsystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Versorgung der Brennstoffzelle (2) mit Wasserstoff.
PCT/EP2021/066474 2020-07-15 2021-06-17 Anodensubsystem für ein brennstoffzellensystem, brennstoffzellensystem WO2022012852A1 (de)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US18/015,826 US20230223568A1 (en) 2020-07-15 2021-06-17 Anode sub-system for a fuel cell system, and fuel cell system
CN202180061308.5A CN116134650A (zh) 2020-07-15 2021-06-17 用于燃料电池系统的阳极子系统、燃料电池系统

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102020208834.9 2020-07-15
DE102020208834.9A DE102020208834A1 (de) 2020-07-15 2020-07-15 Anodensubsystem für ein Brennstoffzellensystem, Brennstoffzellensystem

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2022012852A1 true WO2022012852A1 (de) 2022-01-20

Family

ID=76662452

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/EP2021/066474 WO2022012852A1 (de) 2020-07-15 2021-06-17 Anodensubsystem für ein brennstoffzellensystem, brennstoffzellensystem

Country Status (4)

Country Link
US (1) US20230223568A1 (de)
CN (1) CN116134650A (de)
DE (1) DE102020208834A1 (de)
WO (1) WO2022012852A1 (de)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102022209601A1 (de) 2022-09-14 2024-03-14 Robert Bosch Gesellschaft mit beschränkter Haftung Erkennungsverfahren zum Erkennen eines Zustands eines Brennstoffzellensystems

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2009129814A (ja) * 2007-11-27 2009-06-11 Honda Motor Co Ltd 燃料電池システム
JP2009151999A (ja) * 2007-12-19 2009-07-09 Nissan Motor Co Ltd 燃料電池システム
DE102013014978A1 (de) * 2013-09-10 2015-03-12 Daimler Ag Anodenkreislauf
DE102014210512A1 (de) * 2013-12-17 2015-06-18 Hyundai Motor Company Brennstoffzellensystem mit Ejektor

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102012001602A1 (de) * 2012-01-26 2013-08-01 Daimler Ag Anodenkreislauf für ein Brennstoffzellensystem

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2009129814A (ja) * 2007-11-27 2009-06-11 Honda Motor Co Ltd 燃料電池システム
JP2009151999A (ja) * 2007-12-19 2009-07-09 Nissan Motor Co Ltd 燃料電池システム
DE102013014978A1 (de) * 2013-09-10 2015-03-12 Daimler Ag Anodenkreislauf
DE102014210512A1 (de) * 2013-12-17 2015-06-18 Hyundai Motor Company Brennstoffzellensystem mit Ejektor

Also Published As

Publication number Publication date
CN116134650A (zh) 2023-05-16
US20230223568A1 (en) 2023-07-13
DE102020208834A1 (de) 2022-01-20

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE102006037799B4 (de) Vorrichtung zur Rezirkulation von Anodenabgasen einer Brennstoffzelle
DE112006003136T5 (de) Brennstoffzellensystem und Verfahren zu seiner Abschaltung
DE112008000821T5 (de) Brennstoffzellensystem
DE112007001753T5 (de) Brennstoffzellensystem
WO2013020647A1 (de) Brennstoffzellensystem mit wasserabscheider
WO2022012852A1 (de) Anodensubsystem für ein brennstoffzellensystem, brennstoffzellensystem
DE102019003386A1 (de) Vorrichtung zur Rezirkulation von Abgas
WO2010108605A2 (de) Brennstoffzellensystem mit wenigstens einer brennstoffzelle
DE102017011720A1 (de) Vorrichtung zur Wasserstoffversorgung einer Anode
WO2021237263A1 (de) Prüfstandsystem zum prüfen von zumindest einer brennstoffzelle
DE102020215558A1 (de) Verfahren zur Optimierung der Purgestrategie eines Brennstoffzellensystems
DE10359579B4 (de) Vorrichtung und Verfahren zum Entfernen von Rückständen in einem Brennstoffzellensystem
DE102019128425A1 (de) Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenvorrichtung, Brennstoffzellenvorrichtung sowie Kraftfahrzeug mit einer Brennstoffzellenvorrichtung'
WO2019243161A1 (de) Verfahren zum herunterfahren eines brennstoffzellensystems
DE102020212500A1 (de) Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems, Brennstoffzellensystem sowie Verwendung eines Purge-Ventils in einem Brennstoffzellensystem
DE102018216263A1 (de) Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenvorrichtung, Brennstoffzellenvorrichtung und Kraftfahrzeug mit einer solchen
DE102013015397A1 (de) Verfahren zum Abbauen von Wasserstoff
DE102018216264A1 (de) Brennstoffzellensystem und Verfahren zum Betreiben des Brennstoffzellensystems
DE102020107703A1 (de) Saugstrahlpumpe, Brennstoffzellenvorrichtung und Kraftfahrzeug mit einer Brennstoffzellenvorrichtung
DE102021214241A1 (de) Verfahren zum Herstellen einer Abscheidevorrichtung, Verwendung einer Variante eines variablen Wandungselements, Kombination aus mehreren Wandungselementen und Abscheidevorrichtung zum Abscheiden von Flüssigkeit aus einem Fluidstrom
DE102012017933A1 (de) Brennstoffzellensystem
DE102022205644A1 (de) Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems, Brennstoffzellensystem
DE102021203378A1 (de) Brennstoffzellensystem und Ventil für ein Brennstoffzellensystem
WO2024110460A2 (de) Verfahren zum inertisieren einer kathode und einer anode eines brennstoffzellenstapels, steuergerät
DE102020215560A1 (de) Verfahren zum Erkennen von Verstopfungen innerhalb eines 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: 21735610

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: 21735610

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1