WO2024056594A1 - Brennstoffzellensystem und verfahren zum betreiben eines brennstoffzellensystems - Google Patents

Brennstoffzellensystem und verfahren zum betreiben eines brennstoffzellensystems Download PDF

Info

Publication number
WO2024056594A1
WO2024056594A1 PCT/EP2023/074878 EP2023074878W WO2024056594A1 WO 2024056594 A1 WO2024056594 A1 WO 2024056594A1 EP 2023074878 W EP2023074878 W EP 2023074878W WO 2024056594 A1 WO2024056594 A1 WO 2024056594A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
fuel cell
cell stack
exhaust air
purge
line
Prior art date
Application number
PCT/EP2023/074878
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Tobias FALKENAU
Timo Bosch
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 WO2024056594A1 publication Critical patent/WO2024056594A1/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
    • H01M8/04223—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids during start-up or shut-down; Depolarisation or activation, e.g. purging; Means for short-circuiting defective fuel cells
    • H01M8/04231—Purging 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
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04746—Pressure; Flow
    • H01M8/04761—Pressure; Flow of fuel cell exhausts
    • 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
    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/249—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells comprising two or more groupings of fuel cells, e.g. modular assemblies
    • 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
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/0444—Concentration; Density
    • H01M8/04462—Concentration; Density of anode exhausts

Definitions

  • the invention relates to a fuel cell system.
  • the invention further relates to a method for operating a fuel cell system.
  • Hydrogen-based fuel cell systems are considered the mobility concept of the future because they only emit water as exhaust gas and enable quick refueling times. Fuel cell systems require air and hydrogen for the chemical reaction within the fuel cells. To provide the required amount of energy, the fuel cells arranged within a fuel cell system are interconnected to form so-called fuel cell stacks. The waste heat from the fuel cells is dissipated using a cooling circuit and released into the environment. The hydrogen required to operate fuel cell systems is usually provided to the systems from high-pressure tanks.
  • the hydrogen in the hydrogen supply system is recirculated in an anode circuit according to the state of the art. Nitrogen, water and other impurities accumulate in the closed circuit during operation. These contaminants must be removed from the circuit. For this purpose, the gas mixture is released continuously or discontinuously via a purge valve and replaced with hydrogen.
  • Hydrogen also escapes in various concentrations. In the presence of oxygen, flammable mixtures can then form. For example, if the gas mixture from the hydrogen cycle is included mixed with the cathode exhaust air, the concentration of hydrogen can be reduced to the legally prescribed limits.
  • the document DE 10 2006 013 699 A1 shows a fuel cell system with a fuel cell and an actuating element actuated by a control unit for discharging residual gas from a fuel flow of the fuel cell.
  • each fuel cell stack has its own exhaust air path, in each of which a hydrogen sensor is arranged.
  • the hydrogen sensor checks that the prescribed limit values for the hydrogen concentration in the gas mixture of the exhaust air path, which is led into the environment, is not exceeded.
  • the fuel cell system according to the invention and the method for operating a fuel cell system with the features according to the independent claims have the advantage that in fuel cell systems with several fuel cell stacks, the hydrogen concentration in the exhaust air that enters the environment is not exceeded.
  • a hydrogen sensor In the solution known from the prior art, a hydrogen sensor must be installed in each exhaust gas path, which continuously measures the proportion of hydrogen in the exhaust gas path, so that measures can be taken if necessary to avoid an excessively high concentration of hydrogen.
  • the hydrogen sensor in the fuel cell system, which is designed to measure the hydrogen concentration in the exhaust gas.
  • the hydrogen sensor for the entire fuel cell system is located in a common exhaust pipe.
  • the exhaust gas from the exhaust gas paths of the individual fuel cells is collected in the common exhaust air line before it is released into the Surroundings flow.
  • the exhaust air paths of the individual fuel cell stacks are connected to the common exhaust air line.
  • the method according to the invention coordinates the control of the different purge valves so that a release for opening a purge valve only occurs when all other purge valves of the fuel cell system are closed. If there are only two fuel cell stacks in the fuel cell system, the purge valve of the first fuel cell stack is released when the purge valve of the second fuel cell stack is closed. Analogously, a release for opening the purge valve of the second fuel cell stack occurs when the purge valve of the first fuel cell stack is closed.
  • the level of flow through the individual purge valves can be increased because the total exhaust air mass flow from all exhaust gas paths is used for dilution.
  • the time for a purge process to empty the recirculation circuit of the anode of a fuel cell stack of unwanted gases can therefore be shortened.
  • the exhaust air path of the first fuel cell stack and the exhaust air path of the at least one second fuel cell stack are connected to the common exhaust air line via a collector, since this is a ensures better mixing of the exhaust gas from the different exhaust air paths.
  • the collector is designed in such a way that it ensures mixing of the exhaust air from the exhaust air path of the first fuel cell stack and the exhaust air from the at least one second fuel cell stack, for example by means of vortex elements, ribs or a spiral structure arranged inside.
  • a hydrogen sensor in the common fuel line is advantageous because the hydrogen concentration in the entire exhaust gas from all exhaust gas paths can be determined before the exhaust gas enters the environment.
  • the first purge line of the first fuel cell stack connects the anode circuit with the exhaust air path of the first fuel cell stack and if a purge line of the at least one second fuel cell stack connects the anode circuit with the exhaust air path of the at least one second fuel cell stack, since the gases from the purge line is mixed evenly with the exhaust air from all fuel cell stacks by the collector.
  • An arrangement in which the purge line of the first fuel cell stack connects the anode circuit of the first fuel cell stack to the common exhaust air line and the purge line of the at least one second fuel cell stack connects the anode circuit of the at least one further fuel cell stack to the common exhaust air line is advantageous because the gases from The anode circuit can be introduced in front of the hydrogen sensor so that they can be better detected by the hydrogen sensor. For this reason, the purge line of the first fuel cell stack and the purge line of the at least one second fuel cell stack should open into the common exhaust air line in front of the hydrogen sensor.
  • the opening and closing of the purge valves of the first fuel cell stack and the at least one second fuel cell stack are coordinated by a central control device or several decentralized control devices in such a way that a maximum of one purge valve is opened.
  • a particular advantage arises if the purge valve in the fuel cell system, which is assigned to the fuel cell stack with the highest nitrogen concentration in the anode circuit, is opened first, as this counteracts a reduction in the overall performance of the fuel cell system and damage to the respective fuel cell stack.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a topology of a fuel cell system according to a first exemplary embodiment
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a topology of a fuel cell system according to a second exemplary embodiment.
  • Figure 1 shows a fuel cell system 1 according to the invention with a first fuel cell stack 100 and a second fuel cell stack 200 according to a first exemplary embodiment of the invention.
  • the first fuel cell stack 100 has a cathode 110 and an anode 120.
  • the cathode 110 is supplied with air as an oxygen supplier via a supply air path 111.
  • the air is taken from the environment and may be supplied to the cathode 110 via air filters and an air compression system to provide a certain air mass flow and pressure level.
  • the exhaust air from the fuel cell stack 100 is removed via an exhaust air path 112.
  • the anode 120 is supplied with fresh anode gas or hydrogen via a fuel line 115 and with recirculated anode gas via an anode circuit 121.
  • the recirculation in the anode circuit 121 can be effected passively with the aid of a jet pump 124 and/or actively with the aid of a blower 123 become. Since the recirculated anode gas enriches with nitrogen over time and diffuses from the side of the cathode 110 to the side of the anode 120, the anode circuit 121 is connected to a purge line 133 in which a purge valve 122 is arranged. By opening the purge valve 122, nitrogen-containing anode gas is removed from the anode circuit 121.
  • the purge line 133 of the first fuel cell stack 100 connects the anode circuit 121 with the exhaust air path 112 of the first fuel cell stack 100. By opening the purge valve 122, nitrogen-containing anode gas is passed from the anode circuit 121 into the exhaust air path 112 and from there discharged into the environment.
  • the heat generated during operation of the fuel cell stack 100 can be dissipated using a cooling circuit.
  • the second fuel cell stack 200 has a cathode 210 and an anode 220.
  • the cathode 210 is supplied with air as an oxygen supplier via a supply air path 211.
  • the air is taken from the environment and may be supplied to the cathode 210 via air filters and an air compression system to provide a certain air mass flow and pressure level.
  • the exhaust air from the fuel cell stack 200 is removed via an exhaust air path 212.
  • the anode 220 is supplied with fresh anode gas or hydrogen via a fuel line 215 and with recirculated anode gas via an anode circuit 221.
  • the recirculation of the anode circuit 221 can be effected passively with the aid of a jet pump 224 and/or actively with the aid of a blower 223. Since the recirculated anode gas enriches with nitrogen over time and diffuses from the side of the cathode 210 to the side of the anode 220, the anode circuit 221 is connected to a purge line 233 in which a purge valve 222 is arranged.
  • the purge line 233 of the second fuel cell stack 200 connects the anode circuit 221 to the exhaust air path 212 of the second fuel cell stack 200. By opening the purge valve 222, nitrogen-containing anode gas is released The anode circuit 221 is directed into the exhaust air path 212 and from there discharged into the environment.
  • the fuel cell system 1 can also have further fuel cell stacks whose line system is constructed analogously.
  • the exhaust air path 112 of the first fuel cell stack 100 and the exhaust air path 212 of the at least one second fuel cell stack 200 are connected to a common exhaust air line 301, which has an exit 303 into the environment.
  • the exhaust air path 112 of the first fuel cell stack 100 and the exhaust air path 212 of the at least one second fuel cell stack 200 can be connected to the common exhaust air line 301 via a collector 304. Since the collector 304 is an optional component, it is shown in FIG. 1 by dashed lines.
  • the collector 304 can be designed so that it ensures mixing of the exhaust air from the exhaust air path 112 of the first fuel cell stack 100 and the exhaust air from the exhaust air path 212 of the second fuel cell stack 200. This can be achieved with the help of vortex elements, such as ribs or a spiral structure, as these internals promote turbulent air flow.
  • a hydrogen sensor 302 is arranged in the common exhaust air line 301, which can measure the hydrogen concentration in the common hydrogen line 301.
  • the opening and closing of the purge valves 112, 222 is controlled via a central control device 400, which can communicate with the two purge valves 112, 222 wirelessly or by cable.
  • FIG. 2 shows a fuel cell system 1 according to the invention with a first fuel cell stack 100 and a second fuel cell stack 200 according to a second exemplary embodiment of the invention.
  • the fuel cell system 1 is constructed like the fuel cell system 1 according to the first exemplary embodiment, except for the differences described below.
  • the purge line 133 of the first fuel cell stack 100 connects the anode circuit 121 with the common exhaust air line 301.
  • nitrogen-containing anode gas is passed from the anode circuit 121 of the first fuel cell stack 100 into the common exhaust air line 301 and from there discharged into the environment via an outlet 303 .
  • the purge line 233 of the second fuel cell stack 200 connects the anode circuit 221 with the common exhaust air line 301.
  • nitrogen-containing anode gas is passed from the anode circuit 221 of the second fuel cell stack 200 into the common exhaust air line 301 and from there discharged into the environment via an outlet 303 .
  • the purge line 133 of the first fuel cell stack 100 and the purge line 233 of the at least one second fuel cell stack 200 open into the common exhaust air line 301 in front of the hydrogen sensor 302.
  • the opening and closing of the purge valves 112, 222 is controlled via several decentralized control devices 401, 402 that can communicate with one another.
  • the first control device 401 is assigned to the purge valve 122 of the first fuel cell stack 100 and the second control device 401 is assigned to the purge valve 222 of the second fuel cell stack 100.
  • a central control device for opening and closing the purge valves is also possible.
  • a release for opening the purge valve 122 of the first fuel cell stack 100 takes place when the purge valve 222 of the at least one second fuel cell stack 200 is closed. Accordingly, a release for opening the purge valve 222 of the at least one second fuel cell stack 200 occurs when the purge valve 122 of the first fuel cell stack 100 is closed.
  • a central control device 400 or several decentralized control devices 401, 402, which communicate with one another, can coordinate the opening and closing of the purge valves 122, 222 of the first fuel cell stack 100 and the at least one second fuel cell stack 200 so that a maximum of one purge valve 122, 222 is opened.
  • the fuel cell system 1 can have a water container in the anode circuit 121 of the first fuel cell stack 100, which is connected to the purge line 133 of the first fuel cell stack 100 via a drain valve.
  • a water container in the anode circuit 221 of the second fuel cell stack 200 which is connected to the purge line 233 of the second fuel cell stack 200 via a drain valve.
  • a release to open the drain valve of the first fuel cell stack 100 occurs when the drain valve of the at least one second fuel cell stack 200 is closed and a release to open the drain valve of the at least one second fuel cell stack 200 occurs when the drain valve of the first fuel cell stack 200 is closed.

Landscapes

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

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem (1) mit einem ersten Brennstoffzellenstack (100) und mindestens einem zweiten Brennstoffzellenstack (200), wobei der erste und der mindestens eine zweite Brennstoffzellenstack (100, 200) jeweils eine Kathode (110, 210) und eine Anode (120, 220) aufweisen, wobei die Kathoden (110, 210) jeweils einlassseitig mit einem Zuluftpfad (111, 211) und auslassseitig mit einem Abluftpfad (112, 212) verbunden sind, und wobei die Anoden (120, 220) jeweils an einen Anodenkreis (121, 221) angeschlossen sind. Der Abluftpfad (112) des ersten Brennstoffzellenstapels (100) und der Abluftpfad (212) des mindestens einen zweiten Brennstoffzellenstapels (200) sind mit einer gemeinsamen Abluftleitung (301) verbunden, welche einen Ausgang in die Umgebung (303) aufweist. Die Erfindung betrifft darüber hinaus ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Brennstoffzellensystems (1).

Description

Beschreibung und Verfahren zum Betreiben eines
Figure imgf000003_0001
Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems.
Stand der Technik
Wasserstoffbasierte Brennstoffzellensysteme gelten als Mobilitätskonzept der Zukunft, da sie nur Wasser als Abgas emittieren und schnelle Betankungszeiten ermöglichen. Brennstoffzellensysteme brauchen hierbei Luft und Wasserstoff für die chemische Reaktion innerhalb der Brennstoffzellen. Zur Bereitstellung der geforderten Energiemenge sind die innerhalb eines Brennstoffzellensystems angeordneten Brennstoffzellen zu sog. Brennstoffzellen-Stacks miteinander verschaltet. Die Abwärme der Brennstoffzellen wird hierbei mittels eines Kühlkreises abgeführt und an die Umgebung abgegeben. Der zum Betrieb von Brennstoffzellensystemen notwendige Wasserstoff wird den Systemen in der Regel aus Hochdrucktanks zur Verfügung gestellt.
In Fahrzeugen mit Brennstoffzellen wird der Wasserstoff im Wasserstoffversorgungssystem nach dem Stand der Technik in einem Anodenkreis rezirkuliert. In dem geschlossenen Kreislauf sammelt sich Stickstoff, Wasser und andere Unreinheiten während des Betriebs an. Diese Verunreinigungen müssen aus dem Kreislauf entfernt werden. Dazu wird das Gasgemisch kontinuierlich oder diskontinuierlich über ein Purgeventil abgelassen und durch Wasserstoff ersetzt.
Dabei entweicht auch Wasserstoff in verschiedenen Konzentrationen. In Anwesenheit von Sauerstoff können sich dabei dann entzündliche Gemische bilden. Wird das Gasgemisch aus dem Wasserstoffkreislauf beispielsweise mit der Kathodenabluft vermischt, kann die Konzentration von Wasserstoff auf die gesetzlich vorgeschriebenen Grenzwerte reduziert werden.
Das Dokument DE 10 2006 013 699 Al zeigt eine Brennstoffzellenanlage mit einer Brennstoffzelle und einem von einer Kontrolleinheit betätigten Stellelement zum Ausbringen von Restgas aus einem Betriebsstoffstrom der Brennstoffzelle.
Bei Brennstoffzellensystemen mit mehreren Brennstoffzellenstacks weist jeder Brennstoffzellenstack einen eigenen Abluftpfad auf, in denen jeweils ein Wasserstoffsensor angeordnet ist. Der Wasserstoffsensor überprüft, dass die vorgeschriebenen Grenzwerte für die Wasserstoffkonzentration im Gasgemisch des Abluftpfades, welches in die Umgebung geleitet wird, nicht überschritten wird.
Offenbarung der Erfindung
Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem und das Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen gemäß der unabhängigen Ansprüche haben den Vorteil, dass bei Brennstoffzellensystemen mit mehreren Brennstoffzellenstacks die Wasserstoffkonzentration in der Abluft, die in die Umgebung gelangt, nicht überschritten wird.
Bei der aus dem Stand der Technik bekannten Lösung muss in jedem Abgaspfad ein Wasserstoff-Sensor verbaut werden, welcher kontinuierlich den Anteil von Wasserstoff im Abgaspfad misst, so dass gegebenenfalls Maßnahmen getroffen werden können, um eine zu hohe Konzentration an Wasserstoff zu vermeiden.
Bei dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem mit mindestens zwei Brennstoffzellenstacks befindet sich nur ein Wasserstoffsensor, der dazu eingerichtete ist, die Wasserstoffkonzentration im Abgas zu messen, im Brennstoffzellensystem. Es wird auf einen dem Brennstoffzellenstack zugeordneten und im Abluftpfad des jeweils einzelnen Brennstoffzellenstacks angeordneten Wasserstoffsensor verzichtet. Stattdessen befindet sich der Wasserstoffsensor für das gesamte Brennstoffzellensystem in einer gemeinsamen Abgasleitung. In der gemeinsamen Abluftleitung wird das Abgas aus den Abgaspfaden der einzelnen Brennstoffzellen gesammelt, bevor es in die Umgebung strömt. Die Abluftpfade der einzelnen Brennstoffzellenstacks sind mit der gemeinsamen Abluftleitung verbunden.
Damit kann die Anzahl der Wasserstoffsensoren stark reduziert werden und Kosten eingespart werden.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird die Ansteuerung der unterschiedlichen Purgeventile abgestimmt, so dass eine Freigabe zum Öffnen eines Purgeventil nur erfolgt, wenn alle anderen Purgeventile des Brennstoffzellensystems geschlossen sind. Sind nur zwei Brennstoffzellenstacks im Brennstoffzellensystem vorhanden, so erfolgt eine Freigabe zum Öffnen des Purgeventil des ersten Brennstoffzellenstacks, wenn das Purgeventil des zweiten Brennstoffzellenstacks geschlossen ist. Analog erfolgt eine Freigabe zum Öffnen des Purgeventil des zweiten Brennstoffzellenstacks, wenn das Purgeventil des ersten Brennstoffzellenstacks geschlossen ist.
Auf diese Weise kann die Höhe des Durchflusses durch die einzelnen Purgeventile erhöht werden, da zur Verdünnung der Gesamt-Abluftmassenstrom aus allen Abgaspfaden genutzt wird. Die Zeit für einen Purgevorgang, um den Rezirkulationskreis der Anode eines Brennstoffzellenstacks von unerwünschten Gasen zu entleeren kann folglich verkürzt werden.
Durch die höheren Mengen, die an Abluft aufgrund der gemeinsamen Abluftleitung zum Verdünnen des Wasserstoffes aus der Purgeleitung zur Verfügung stehen, kann die Bildung eines zündfähigen Gemisches besser vermieden werden.
Ein sicherer Betrieb des Brennstoffzellensystems kann in jedem Betriebszustand gewährleistet werden.
In den abhängigen Ansprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems und des Verfahrens zum Betreiben eines Brennstoffzellensystem angegeben.
Es ist von Vorteil, dass der Abluftpfad des ersten Brennstoffzellenstapels und der Abluftpfad des mindestens einen zweiten Brennstoffzellenstapels über einen Sammler mit der gemeinsamen Abluftleitung verbunden sind, da dies eine bessere Durchmischung des Abgases aus den unterschiedlichen Abluftpfaden sicherstellt.
Ein besonderer Vorteil wird erzielt, wenn der Sammler so ausgebildet ist, dass er eine Durchmischung der Abluft aus dem Abluftpfad des ersten Brennstoffzellenstapels und der Abluft des mindestens einen zweiten Brennstoffzellenstapels sicherstellt, beispielsweise durch Wirbelelemente, Rippen oder eine im Inneren angeordnete Spiralstruktur.
Ein Wasserstoffsensor in der gemeinsame Brennstoffleitung ist von Vorteil, da die Wasserstoffkonzentration im gesamten Abgas aus allen Abgaspfaden bestimmt werden kann bevor das Abgas in die Umgebung gelangt.
Es ist von Vorteil, wenn die erste Purgeleitung des ersten Brennstoffzellenstacks, den Anodenkreis mit dem Abluftpfad des ersten Brennstoffzellenstacks verbindet und wenn eine Purgeleitung des mindestens einen zweiten Brennstoffzellenstacks, den Anodenkreis mit dem Abluftpfad des mindestens einen zweiten Brennstoffzellenstacks verbindet, da die Gase aus der Purgeleitung durch den Sammler gleichmäßig mit der Abluft aus allen Brennstoffzellenstacks vermischt wird.
Eine Anordnung, in der die Purgeleitung des ersten Brennstoffzellenstacks, den Anodenkreis des ersten Brennstoffzellenstacks mit der gemeinsamen Abluftleitung verbindet und die Purgeleitung des mindestens einen zweiten Brennstoffzellenstacks, den Anodenkreis des mindestens einen weiteren Brennstoffzellenstacks mit der gemeinsamen Abluftleitung verbindet, ist vorteilhaft, da die Gase aus dem Anodenkreis vor dem Wasserstoffsensor eingeleitet werden können, so dass diese durch den Wasserstoffsensor besser erfasst werden können. Aus diesem Grund sollte die Purgeleitung des ersten Brennstoffzellenstacks und die Purgeleitung des mindestens einen zweiten Brennstoffzellenstack vor dem Wasserstoffsensor in die gemeinsame Abluftleitung münden.
Es ist von Vorteil, wenn das Öffnen und Schließen der Purgeventile des ersten Brennstoffzellenstacks und des mindestens einen zweiten Brennstoffzellenstacks durch ein zentrales Steuergerät oder mehrere dezentrale Steuergeräte so koordiniert werden, dass maximal ein Purgeventil geöffnet ist. Ein besonderer Vorteil ergibt sich, wenn zuerst das Purgeventil im Brennstoffzellensystem geöffnet wird, welches dem Brennstoffzellenstack mit der höchsten Stickstoffkonzentration im Anodenkreis zugeordnet ist, da auf diese Weise einer Reduzierung der Gesamtperformance des Brennstoffzellensystems und einer Schädigung des jeweiligen Brennstoffzellenstacks entgegengewirkt wird.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Diese zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Topologie eines Brennstoffzellensystems gemäß eines ersten Ausführungsbeispiels und
Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Topologie eines Brennstoffzellensystems gemäß eines zweiten Ausführungsbeispiels.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
Figur 1 zeigt ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem 1 mit einem ersten Brennstoffzellenstack 100 sowie einem zweiten Brennstoffzellenstack 200 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Der erste Brennstoffzellenstack 100 weist eine Kathode 110 und eine Anode 120 auf. Die Kathode 110 wird über einen Zuluftpfad 111 mit Luft als Sauerstofflieferant versorgt. Die Luft wird der Umgebung entnommen und kann der Kathode 110 über Luftfilter und ein Luftverdichtungssystem zugeführt werden, um einen gewissen Luftmassenstrom und ein gewisses Druckniveau bereitzustellen.
Die Abluft des Brennstoffzellenstapels 100 wird über einen Abluftpfad 112 abgeführt.
Die Anode 120 wird über eine Brennstoffleitung 115 mit frischem Anodengas bzw. Wasserstoff sowie über einen Anodenkreis 121 mit rezirkuliertem Anodengas versorgt. Die Rezirkulation im Anodenkreis 121 kann passiv mit Hilfe einer Strahlpumpe 124 und/oder aktiv mit Hilfe eines Gebläses 123 bewirkt werden. Da sich über die Zeit das rezirkulierte Anodengas mit Stickstoff anreichert, das von der Seite der Kathode 110 auf die Seite der Anode 120 diffundiert, ist der Anodenkreis 121 mit einer Purgeleitung 133 verbunden, in der ein Purgeventil 122 angeordnet ist. Durch Öffnen des Purgeventils 122 wird stickstoffhaltiges Anodengas aus dem Anodenkreis 121 abgeführt.
Die Purgeleitung 133 des ersten Brennstoffzellenstacks 100 den Anodenkreis 121 mit dem Abluftpfad 112 des ersten Brennstoffzellenstacks 100. Durch Öffnen des Purgeventils 122 wird stickstoffhaltiges Anodengas aus dem Anodenkreis 121 in den Abluftpfad 112 geleitet und von dort in die Umgebung abgeführt.
Die im Betrieb des Brennstoffzellenstacks 100 anfallende Wärme kann mit Hilfe eines Kühlkreises abgeführt.
Der zweite Brennstoffzellenstack 200 weist eine Kathode 210 und eine Anode 220 auf. Die Kathode 210 wird über einen Zuluftpfad 211 mit Luft als Sauerstofflieferant versorgt. Die Luft wird der Umgebung entnommen und kann der Kathode 210 über Luftfilter und ein Luftverdichtungssystem zugeführt werden, um einen gewissen Luftmassenstrom und ein gewisses Druckniveau bereitzustellen.
Die Abluft des Brennstoffzellenstapels 200 wird über einen Abluftpfad 212 abgeführt.
Die Anode 220 wird über eine Brennstoffleitung 215 mit frischem Anodengas bzw. Wasserstoff sowie über einen Anodenkreis 221 mit rezirkuliertem Anodengas versorgt. Die Rezirkulation des Anodenkreises 221 kann passiv mit Hilfe einer Strahlpumpe 224 und/oder aktiv mit Hilfe eines Gebläses 223 bewirkt werden. Da sich über die Zeit das rezirkulierte Anodengas mit Stickstoff anreichert, das von der Seite der Kathode 210 auf die Seite der Anode 220 diffundiert, ist der Anodenkreis 221 mit einer Purgeleitung 233 verbunden, in der ein Purgeventil 222 angeordnet ist.
Die Purgeleitung 233 des zweiten Brennstoffzellenstacks 200 verbindet den Anodenkreis 221 mit dem Abluftpfad 212 des zweiten Brennstoffzellenstacks 200. Durch Öffnen des Purgeventils 222 wird stickstoffhaltiges Anodengas aus dem Anodenkreis 221 in den Abluftpfad 212 geleitet und von dort in die Umgebung abgeführt.
Das Brennstoffzellensystem 1 kann außer den beiden dargestellten Brennstoffzellenstacks 100, 200 noch weitere Brennstoffzellenstacks aufweisen, deren Leitungssystem analog aufgebaut ist.
Der Abluftpfad 112 des ersten Brennstoffzellenstapels 100 und der Abluftpfad 212 des mindestens einen zweiten Brennstoffzellenstapels 200 sind mit einer gemeinsamen Abluftleitung 301 verbunden, welche einen Ausgang 303 in die Umgebung aufweist.
In einer optionalen Ausführungsform kann der Abluftpfad 112 des ersten Brennstoffzellenstapels 100 und der Abluftpfad 212 des mindestens einen zweiten Brennstoffzellenstapels 200 über einen Sammler 304 mit der gemeinsamen Abluftleitung 301 verbunden sein. Da der Sammler 304 ein optionales Bauteil ist, ist dieser in der Figur 1 durch gestrichelte Linien dargestellt.
Der Sammler 304 kann so ausgebildet sein, dass er eine Durchmischung der Abluft aus dem Abluftpfad 112 des ersten Brennstoffzellenstapels 100 und der Abluft aus dem Abluftpfad 212 des zweiten Brennstoffzellenstapels 200 sicherstellt. Dies kann mit Hilfe von Wirbelelementen, wie beispielsweise Rippen oder einer spiralförmigen Struktur, realisiert sein, da diese Einbauten eine turbulente Luftströmung begünstigen.
In der gemeinsamen Abluftleitung 301 ist einen Wasserstoffsensor 302 angeordnet, welcher die Wasserstoffkonzentration in der gemeinsamen Wasserstoffleitung 301 messen kann.
Das Öffnen und Schließen der Purgeventile 112, 222 wird über ein zentrales Steuergerät 400 gesteuert, welches mit den beiden Purgeventilen 112, 222 kabellos oder kabelgebunden kommunizieren kann.
Figur 2 zeigt ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem 1 mit einem ersten Brennstoffzellenstack 100 sowie einem zweiten Brennstoffzellenstack 200 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Das Brennstoffzellensystem 1 ist wie das Brennstoffzellensystem 1 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel aufgebaut bis auf die im Folgenden beschriebenen Unterschiede.
Die Purgeleitung 133 des ersten Brennstoffzellenstacks 100 verbindet den Anodenkreis 121 mit der gemeinsamen Abluftleitung 301. Durch Öffnen des Purgeventils 122 wird stickstoffhaltiges Anodengas aus dem Anodenkreis 121 des ersten Brennstoffzellenstacks 100 in die gemeinsame Abluftleitung 301 geleitet und von dort über einen Auslas 303 in die Umgebung abgeführt.
Die Purgeleitung 233 des zweiten Brennstoffzellenstacks 200 verbindet den Anodenkreis 221 mit der gemeinsamen Abluftleitung 301. Durch Öffnen des Purgeventils 222 wird stickstoffhaltiges Anodengas aus dem Anodenkreis 221 des zweiten Brennstoffzellenstacks 200 in die gemeinsame Abluftleitung 301 geleitet und von dort über einen Ausgang 303 in die Umgebung abgeführt.
Die Purgeleitung 133 des ersten Brennstoffzellenstacks 100 und die Purgeleitung 233 des mindestens einen zweiten Brennstoffzellenstack 200 münden vor dem Wasserstoffsensor 302 in die gemeinsame Abluftleitung 301.
Das Öffnen und Schließen der Purgeventile 112, 222 wird über mehrere dezentrale Steuergeräte 401, 402 gesteuert, die miteinander kommunizieren können. Hierbei ist das erste Steuergerät 401 dem Purgeventil 122 des ersten Brennstoffzellenstacks 100 zugeordnet und das zweite Steuergerät 401 dem Purgeventil 222 des zweiten Brennstoffzellenstacks 100 zugeordnet. Alternativ ist auch ein zentrales Steuergerät zum Öffnen und Schließen der Purgeventile möglich.
Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems 1 nach den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen erfolgt eine Freigabe zum Öffnen des Purgeventil 122 des ersten Brennstoffzellenstacks 100, wenn das Purgeventil 222 des mindestens einen zweiten Brennstoffzellenstack 200 geschlossen ist. Entsprechend erfolgt eine Freigabe zum Öffnen des Purgeventil 222 des mindestens einen zweiten Brennstoffzellenstacks 200, wenn das Purgeventil 122 des ersten Brennstoffzellenstacks 100 geschlossen ist. Ein zentrales Steuergerät 400 oder mehrere dezentrale Steuergeräte 401, 402, die miteinander kommunizieren, können das Öffnen und Schließen der Purgeventile 122, 222 des ersten Brennstoffzellenstacks 100 und des mindestens einen zweiten Brennstoffzellenstacks 200 so koordinieren, dass maximal ein Purgeventil 122, 222 geöffnet ist.
Sind alle Purgeventile 122, 222 geschlossen, wird das Purgeventil 122, 222 zuerst geöffnet wird, welches die höchste Stickstoffkonzentration im jeweiligen Anodenkreis 121, 221 aufweist.
Das Brennstoffzellensystem 1 kann im Anodenkreis 121 des ersten Brennstoffzellenstacks 100 einen Wasserbehälter aufweisen, welcher über ein Drainventil mit der Purgeleitung 133 des ersten Brennstoffzellenstacks 100 verbunden ist. Analog kann sich im Anodenkreis 221 des zweiten Brennstoffzellenstacks 200 einen Wasserbehälter befinden, welcher über ein Drainventil mit der Purgeleitung 233 des zweiten Brennstoffzellenstacks 200 verbunden ist.
Eine Freigabe zum Öffnen des Drainventils des ersten Brennstoffzellenstacks 100 erfolgt, wenn das Drainventil des mindestens einen zweiten Brennstoffzellenstack 200 geschlossen ist und eine Freigabe zum Öffnen des Drainventils des mindestens einen zweiten Brennstoffzellenstacks 200 erfolgt, wenn das Drainventil des ersten Brennstoffzellenstacks 200 geschlossen ist.

Claims

Ansprüche
1. Brennstoffzellensystem (1) mit einem ersten Brennstoffzellenstack (100, 200) und mindestens einem zweiten Brennstoffzellenstack (200), wobei der erste und der mindestens eine zweite Brennstoffzellenstack (200) jeweils eine Kathode (110, 210) und eine Anode (120, 220) aufweisen, wobei die Kathoden (110, 210) jeweils einlassseitig mit einem Zuluftpfad (111, 211) und auslassseitig mit einem Abluftpfad (112, 212) verbunden sind, und wobei die Anoden (120, 220) jeweils an einen Anodenkreis (121, 221) angeschlossen sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Abluftpfad (112) des ersten Brennstoffzellenstapels (100) und der Abluftpfad des mindestens einen zweiten Brennstoffzellenstapels (200) mit einer gemeinsamen Abluftleitung (301) verbunden sind, welche einen Ausgang (303) in die Umgebung aufweist.
2. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der der Abluftpfad (112) des ersten Brennstoffzellenstacks (100) und der Abluftpfad (212) des mindestens einen zweiten Brennstoffzellenstacks (200) über einen Sammler (304) mit der gemeinsamen Abluftleitung (301) verbunden sind.
3. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Sammler (304) so ausgebildet ist, dass er eine Durchmischung der Abluft aus dem Abluftpfad (112) des ersten Brennstoffzellenstacks (100) und der Abluft des mindestens einen zweiten Brennstoffzellenstacks (200) sicherstellt.
4. Brennstoffzellensystem nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die gemeinsame Brennstoffleitung (301) einen Wasserstoffsensor (302) aufweist.
5. Brennstoffzellensystem nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Purgeleitung (133) des ersten Brennstoffzellenstacks (100), den Anodenkreis (121) mit dem Abluftpfad (112) des ersten Brennstoffzellenstacks (100) verbindet und dass eine Purgeleitung (233) des mindestens einen zweiten Brennstoffzellenstacks (200), den Anodenkreis (221) mit dem Abluftpfad (212) des mindestens einen zweiten Brennstoffzellenstack (200) verbindet.
6. Brennstoffzellensystem nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Purgeleitung (133) des ersten Brennstoffzellenstacks (100), den Anodenkreis (121) des ersten Brennstoffzellenstacks (100) mit der gemeinsamen Abluftleitung (301) verbindet und dass eine Purgeleitung (233) des mindestens einen zweiten Brennstoffzellenstacks (200), den Anodenkreis (221) des mindestens einen zweiten Brennstoffzellenstacks (200) mit der gemeinsamen Abluftleitung (301) verbindet.
7. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Purgeleitung (133) des ersten Brennstoffzellenstacks (100) und die Purgeleitung (233) des mindestens einen zweiten Brennstoffzellenstack (200) vor dem Wasserstoffsensor (302) in die gemeinsame Abluftleitung (301) münden.
8. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Purgeleitung (133) des ersten Brennstoffzellenstacks (100) und die Purgeleitung (233) des mindestens einen zweiten Brennstoffzellenstacks (200) jeweils ein Purgeventil (122, 222) aufweisen.
9. Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Freigabe zum Öffnen des Purgeventil (122) des ersten Brennstoffzellenstacks (100) erfolgt, wenn das Purgeventil (222) des mindestens einen zweiten Brennstoffzellenstack (200) geschlossen ist und eine Freigabe zum Öffnen des Purgeventil (222) des mindestens einen zweiten Brennstoffzellenstacks (200) erfolgt, wenn das Purgeventil (122) des ersten Brennstoffzellenstacks (200) geschlossen ist.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein zentrales Steuergerät oder mehrere dezentrale Steuergeräte, die miteinander kommunizieren können, das Öffnen und Schließen der Purgeventile (122, 222) des ersten Brennstoffzellenstacks (100) und des mindestens einen zweiten Brennstoffzellenstacks (200) so koordiniert bzw. koordinieren, dass maximal ein Purgeventil (122, 222) geöffnet ist.
11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils das Purgeventil (122, 222) zuerst geöffnet wird, welches dem Brennstoffzellenstack (100,200) zugeordnet ist, welcher die höchste Stickstoffkonzentration im jeweiligen Anodenkreis (121, 221) aufweist.
PCT/EP2023/074878 2022-09-12 2023-09-11 Brennstoffzellensystem und verfahren zum betreiben eines brennstoffzellensystems WO2024056594A1 (de)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102022209491.3A DE102022209491A1 (de) 2022-09-12 2022-09-12 Brennstoffzellensystem und Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems
DE102022209491.3 2022-09-12

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2024056594A1 true WO2024056594A1 (de) 2024-03-21

Family

ID=88093697

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/EP2023/074878 WO2024056594A1 (de) 2022-09-12 2023-09-11 Brennstoffzellensystem und verfahren zum betreiben eines brennstoffzellensystems

Country Status (2)

Country Link
DE (1) DE102022209491A1 (de)
WO (1) WO2024056594A1 (de)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102006013699A1 (de) 2006-03-24 2007-09-27 Robert Bosch Gmbh Brennstoffzellenanlage
CN112599832B (zh) * 2020-11-25 2021-09-24 电子科技大学 一种车用质子交换膜燃料电池发动机的双电堆发电模块
US20220109168A1 (en) * 2020-10-07 2022-04-07 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Fuel cell system and control method therefor
WO2022157237A1 (de) * 2021-01-22 2022-07-28 Cellcentric Gmbh & Co. Kg Brennstoffzellenanlage mit zwei parallelen brennstoffzellensystemen

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102006013699A1 (de) 2006-03-24 2007-09-27 Robert Bosch Gmbh Brennstoffzellenanlage
US20220109168A1 (en) * 2020-10-07 2022-04-07 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Fuel cell system and control method therefor
CN112599832B (zh) * 2020-11-25 2021-09-24 电子科技大学 一种车用质子交换膜燃料电池发动机的双电堆发电模块
WO2022157237A1 (de) * 2021-01-22 2022-07-28 Cellcentric Gmbh & Co. Kg Brennstoffzellenanlage mit zwei parallelen brennstoffzellensystemen

Also Published As

Publication number Publication date
DE102022209491A1 (de) 2024-03-14

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE10354440B4 (de) Fluidleckageerfassungsgerät und Fluidleckageerfassungsverfahren
DE102020212178B4 (de) Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems
DE112006000903T5 (de) Aufstellungseinrichtung, Parkeinrichtung, Handhabungseinrichtung und Lüftungseinrichtung
DE112018006273T5 (de) Brennstoffzellensystem und steuerungsverfahren für einbrennstoffzellensystem
WO2010075602A1 (de) Verfahren und vorrichtung zum austragen verbrauchter und zum teil explosionsfähiger betriebsmedien einer brennstoffzelle
AT522484A4 (de) SOEC-System und Verfahren zum Betreiben eines SOEC-Systems
AT523373B1 (de) Sensorvorrichtung für ein Brennstoffzellensystem
WO2024056594A1 (de) Brennstoffzellensystem und verfahren zum betreiben eines brennstoffzellensystems
DE102021123450A1 (de) Brennstoffzellensystem und Steuerungsverfahren für dieses
EP3614475A1 (de) Verfahren zur behandlung wasserstoffhaltiger und sauerstoffhaltiger restgase von brennstoffzellen sowie restgasbehandlungssystem
AT523896B1 (de) Prüfstandsystem zum Prüfen von zumindest einer Brennstoffzelle
EP1547184A2 (de) Brennstoffzellensystem mit einem k hlkreislauf
DE102020215558A1 (de) Verfahren zur Optimierung der Purgestrategie eines Brennstoffzellensystems
DE102019217565A1 (de) Brennstoffzellensystem und Verfahren zum Spülen eines Ausgleichsbehälters in einem Brennstoffzellensystem
DE112006002861B4 (de) Brennstoffzellensystem
EP1624516B1 (de) Verfahren zum Betreiben einer in einem Einbauraum angeordneten und mit einem Brenngas und mit Luft betriebenen Brennstoffzellenanlage sowie Anordnung zur Durchführung des Verfahrens
DE102007031071A1 (de) Stillsetzen eines Brennstoffzellensystems
DE102012218646A1 (de) Kaskadierter Brennstoffzellenstack mit optimiertem Wassermanagement
AT522847B1 (de) Brennstoffzellensystem und Verfahren zum Einstellen einer Betriebsweise eines Brennstoffzellensystems
DE102022211332A1 (de) Fluidspeichersystem für ein Brennstoffzellensystem sowie Verfahren zum Betreiben eines derartigen Fluidspeichersystems
EP2586698B1 (de) Unterseeboot
EP2347179A1 (de) Verfahren und vorrichtung zum überwachen der verbrennung eines kraftwerks auf der grundlage einer realen konzentrationsverteilung eines stoffes
DE102022107991A1 (de) Brennstoffzellenstapel und Verfahren zum Beströmen einer Membran-Elektrodenanordnung des Brennstoffzellenstapels
DE102020216007A1 (de) Brennstoffzelle für einen Brennstoffzellenstapel
WO2021121990A1 (de) Brennstoffzellensystem und spülverfahren zur reduktion der wasserstoff-konzentration in der abluft 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: 23772428

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1