Titel ren zum Trocknen von

Brennstoffzellen eines

Die vorgestellte Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem und ein Trocknungsverfahren zum Trocknen von Brennstoffzellen eines Brennstoffzellensystems.

Stand der Technik

Ein Polymerelektrolyt (PEM) Brennstoffzellensystem besteht aus mehreren Subsystemen, insbesondere einem Anodensubsystem bzw. Hydrogen System (HyS), dass eine Anode des Brennstoffzellensystems mit Wasserstoff versorgt. Um eine

Wasserstoffkonzentration im HyS einstellen zu können werden ein Wasserstoffdosierventil (HGI) und ein sogenanntes Purge-Ventil verwendet. Das Purge-Ventil öffnet eine Verbindung zu einer Mischstelle stromabwärts einer Kathode des Brennstoffzellensystems. Dort wird durch das Purge-Ventil abgesondertes Anodenfluid bestehend aus Wasserstoff, Stickstoff und Wasserdampf, mit der abgereicherten Luft aus der Kathode vermischt.

Ein Luftsystem (AirS) versorgt die Kathode mit konditionierter Luft, d.h. Luft deren Druck, Temperatur und Feuchte eingestellt sind. Häufig weist das AirS einen Bypass um die Kathode auf, um einen Systembetrieb zu erweitern, indem eine Grenze eines Verdichterkennfelds systemisch erweitert wird.

Ein Kühlsystem führt Verlustwärme eines Brennstoffzellenstapels des Brennstoffzellensystems über einen Kühler an die Umgebung ab. Durch eine begrenzte Betriebstemperatur eines PEM-Brennstoffzellensystems und ein begrenztes Kühlvermögen des Kühlsystems kann es im Betrieb zu Kühlungsproblemen kommen.

Offenbarung der Erfindung

Im Rahmen der vorgestellten Erfindung werden ein Brennstoffzellensystem und ein Trocknungsverfahren zum Trocknen von Brennstoffzellen des Brennstoffzellensystems vorgestellt. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Trocknungsverfahren beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.

Die vorgestellte Erfindung dient dazu, ein robustes Brennstoffzellensystem bereitzustellen. Insbesondere dient die vorgestellte Erfindung dazu, eine lokale Austrocknung von Brennstoffzellen bei einem Trocknungsvorgang in Vorbereitung auf einen Gefrierstart zu minimieren.

Es wird somit gemäß einem ersten Aspekt der vorgestellten Erfindung ein Brennstoffzellensystem vorgestellt. Das Brennstoffzellensystem umfasst einen Brennstoffzellenstapel mit einer Vielzahl Brennstoffzellen, einen Rezirkulationspfad, der mit einem Kathodentrakt des Brennstoffzellenstapels fluidleitend verbunden ist, ein Luftsystem zum Versorgen des Brennstoffzellensystems mit Luft, mindestens ein Stellglied und eine Recheneinheit.

Das mindestens eine Stellglied ist dazu konfiguriert, in einem ersten Stellzustand ein Fluid in dem Rezirkulationspfad durch den Brennstoffzellenstapel zirkulieren zu lassen, und in einem zweiten Stellzustand aus dem Brennstoffzellenstapel ausströmendes Fluid in eine Umgebung abzuleiten. Die Recheneinheit ist dazu konfiguriert, einen Homogenisierungsbetrieb des Brennstoffzellensystems zu aktivieren, um in dem Brennstoffzellenstapel vorhandenes Wasser gleichmäßig in dem Brennstoffzellenstapel zu verteilen, und wobei die Recheneinheit in dem Homogenisierungsbetrieb dazu konfiguriert ist, das mindestens eine Stellglied in den ersten Stellzustand zu schalten und das Luftsystem zu aktivieren.

Unter einem Stellglied ist im Kontext der vorgestellten Erfindung ein Element zu verstehen, das zwischen einem fluidleitenden Zustand und einem nicht fluidleitenden Zustand umschaltbar ist. Bspw. kann ein Stellglied ein Ventil, insbesondere ein 3/2 Wege-Ventil sein.

Unter einem Luftsystem ist im Kontext der vorgestellten Erfindung ein System zum Fördern von Luft zu verstehen. Ein Luftsystem kann eine Pumpe bzw. einen Kompressor bzw. einen Verdichter und/oder ein Stellglied und/oder eine Bypassleitung umfassen.

Das vorgestellte Brennstoffzellensystem basiert auf einem Homogenisierungsbetrieb, bei dem ein Stellglied, mittels dessen der Rezirkulationspfad des vorgestellten Brennstoffzellensystems aktiviert, d.h. mit Fluid beströmt oder deaktiviert, d.h. von einer Versorgung mit Fluid ausgeschlossen werden kann, in einen ersten Stellzustand geschaltet wird, sodass aus dem Brennstoffzellenstapel ausströmendes Fluid in dem Rezirkulationspfad des Kathodentrakts zirkuliert.

Da der Kathodentrakt des Brennstoffzellenstapel des vorgestellten Brennstoffzellensystems mit dem Rezirkulationspfad fluidleitend verbunden ist, bewirkt eine Aktivierung des Rezirkulationspfades bzw. ein Schalten des Stellglieds in den ersten Stellzustand, ein Zirkulieren von Fluid durch den Rezirkulationspfad und durch den Brennstoffzellenstapel. Entsprechend vermischen sich in dem Rezirkulationspfad und dem Brennstoffzellenstapel strömende Fluide, wie bspw. Luft, Wasserstoff und Wasser zu einem homogenen Gemisch. Ein wiederholtes bzw. kontinuierliches Durchströmen von Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels mit dem homogenen Gemisch bedingt eine homogene Verteilung von Wasser bzw. Feuchte in den Brennstoffzellen, sodass lokale Feuchtigkeitsunterschiede in den Brennstoffzellen vermieden bzw. minimiert werden.

Da sich lokale Feuchtigkeitsunterschiede in einer Brennstoffzelle insbesondere bei einem Trocknungsvorgang ergeben, wie er bspw. zur Vorbereitung auf einen Gefrierstart, d.h. einem Start bei Außentemperaturen unter null Grad Celsius, durchgeführt wird, eignet sich der Homogenisierungsbetrieb insbesondere für einen Einsatz bei einem Trocknungsvorgang, bspw. beim Abschalten des Brennstoffzellenstapels.

Es kann vorgesehen sein, dass die Recheneinheit dazu konfiguriert ist, den Homogenisierungsbetrieb vor einem bleed-down des Brennstoffzellenstapels zu aktivieren.

Durch eine Aktivierung des Homogenisierungsbetriebs vor einem bleed-down, d.h. einem Ausströmen von Betriebsfluiden aus dem Brennstoffzellenstapel, kann durch den Brennstoffzellenstapel bereitgestellte elektrische Energie verwendet werden, um das Luftsystem des vorgestellten Brennstoffzellensystems zu betreiben und den Rezirkulationspfad zu aktivieren, indem bspw. Luft in den Rezirkulationspfad geleitet wird. Entsprechend kann der Homogenisierungsbetrieb, wenn er vor dem bleed-down aktiviert wird, frei bzw. ohne technische Einschränkungen, durchgeführt werden.

Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass das Brennstoffzellensystem lediglich einen Teil des Kathodenabgases rezirkuliert und einen anderen Teil an eine Umgebung abführt.

Durch eine teilweise Rezirkulation kann eine Last, die auf das Luftsystem wirkt, eingestellt werden.

Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass das Luftsystem eine elektrisch angetriebene und mit einer Batterie gekoppelte Turbomaschine umfasst und die Recheneinheit dazu konfiguriert ist, den Homogenisierungsbetrieb nach einem bleed-down des Brennstoffzellenstapels, insbesondere bei geschlossenen Absperrventilen, zu aktivieren. Durch eine mit einer Batterie gekoppelte Turbomaschine kann der Rezirkulationspfad des vorgestellten Brennstoffzellensystems unabhängig von einem Zustand des Brennstoffzellenstapels aktiviert bzw. mit Luft beströmt werden. Entsprechend kann der Homogenisierungsbetrieb nach einem bleed- down bzw. bei einem deaktivierten Brennstoffzellenstapel aktiviert werden. Dabei kann der Homogenisierungsbetrieb bspw. in mehreren zeitlich, insbesondere mehrere Minuten beabstandeten Wiederholungen aktiviert werden, sodass sich auf den Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels ansammelnde Feuchtigkeit mehrfach homogen verteilt wird.

Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass das Brennstoffzellensystem ein Anodenrezirkulationssystem umfasst, und die Recheneinheit dazu konfiguriert ist, das Anodenrezirkulationssystem zumindest zeitweise zu aktivieren, wenn der Homogenisierungsbetrieb aktiviert ist.

Es hat sich überraschenderweise herausgestellt, dass ein paralleles Aktivieren eines Anodenrezirkulationssystems und des Homogenisierungsbetriebs zu einem besonders homogenen Trocknungsverhalten der Brennstoffzellen führt.

Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass die Recheneinheit dazu konfiguriert ist, das mindestens eine Stellglied abwechselnd in den ersten Stellzustand und den zweiten Stellzustand zu schalten, um ein abwechselndes Trocknen des Brennstoffzellenstapels und Verteilen von Wasser in dem Brennstoffzellenstapel zu bewirken.

Durch einen intermittierenden Betrieb, bei dem zwischen Trocknungsbetrieb und Homogenisierungsbetrieb gewechselt wird, kann eine besonders gleichmäßige Trocknung der Brennstoffzellen erreicht werden, bei dem insbesondere Schäden durch besonders trockene Bereiche am Kathodeneinlass vermieden werden.

Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass das Luftsystem ein Kathodenrezirkulationsgebläse umfasst und die Recheneinheit dazu konfiguriert ist, das Kathodenrezirkulationsgebläse zu aktivieren, wenn der Homogenisierungsbetrieb aktiviert ist. Mittels eines Kathodenrezirkulationsgebläses, d.h. einem Gebläse das unabhängig von einer Luftversorgung zum Versorgen des Brennstoffzellenstapels mit Luft im Normalbetrieb arbeitet bzw. einer zusätzlichen Gebläseeinheit, kann der Rezirkulationsbetrieb frei bzw. ohne technische Beschränkungen durch Anforderungen des Brennstoffzellensystems an sich eingestellt werden.

Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass das Brennstoffzellensystem ein erstes Stellglied und ein zweites Stellglied umfasst, zwischen denen das Kathodenrezirkulationsgebläse angeordnet ist, um eine Leckage von außen durch das Kathodenrezirkulationsgebläse zu minimieren.

Da ein Gebläse in der Regel drehende Teile umfasst und mit einer Umgebung verbunden ist, um Luft anzusaugen, sind Gebläse anfällig für Leckagen bzw. Falschluft, sodass ein Absperren des Kathodenrezirkulationsgebläses durch zwei Stellglieder zu einem effizienten und robusten Normalbetrieb des vorgestellten Brennstoffzellensystems beiträgt.

Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass das Brennstoffzellensystem ein erstes Absperrventil und ein zweites Absperrventil umfasst, wobei das erste Absperrventil vor dem Rezirkulationspfad und das zweite Absperrventil hinter dem Rezirkulationspfad angeordnet ist.

Durch die Anordnung von Absperrventilen des Brennstoffzellensystems derart, dass diese den Rezirkulationspfad einfassen bzw. umgeben, kann der Homogenisierungsbetrieb auch bei geschlossenen Absperrventilen erfolgen.

Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass das Brennstoffzellensystem ein drittes Absperrventil umfasst, das in dem Rezirkulationspfad vor dem Kathodentrakt angeordnet ist, um eine Leckage des Brennstoffzellensystems zu minimieren.

Ein drittes Absperrventil, dass in dem Rezirkulationspfad und vor dem Kathodentrakt angeordnet ist, maximiert eine Dichtheit des Brennstoffzellensystems im abgestellten bzw. deaktivierten Zustand des Brennstoffzellensystems, sodass Leckagen minimiert werden. Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass das Luftsystem einen ersten Verdichter und einen weiteren Verdichter umfasst und der Rezirkulationspfad in einem Luftleitpfad zwischen dem ersten Verdichter und dem weiteren Verdichter mündet.

Mittels eines mehrstufigen Luftsystems kann ein besonders energieeffizienter Homogenisierungsbetrieb erreicht werden, wenn lediglich eine Stufe des Luftsystems zur Versorgung des Rezirkulationspfades mit Luft verwendet wird.

Gemäß einem zweiten Aspekt betrifft die vorgestellte Erfindung ein Trocknungsverfahren zum Trocknen von Brennstoffzellen eines Brennstoffzellensystems.

Das Trocknungsverfahren umfasst das Aktivieren eines Homogenisierungsbetriebs des Brennstoffzellensystems, wobei durch den Homogenisierungsbetrieb in dem Brennstoffzellenstapel vorhandene Feuchte gleichmäßig in dem Brennstoffzellenstapel verteilt wird, indem mindestens ein Stellglied des Brennstoffzellensystems in einen ersten Stellzustand geschaltet und ein Luftsystem des Brennstoffzellensystems aktiviert wird, wobei das mindestens eine Stellglied in dem ersten Stellzustand aus dem Brennstoffzellenstapel ausströmendes Fluid in einem mit einem Kathodentrakt des Brennstoffzellenstapels fluidleitend verbundenen Rezirkulationspfad des Brennstoffzellensystems zirkulieren lässt, und in einem zweiten Stellzustand aus dem Brennstoffzellenstapel ausströmendes Fluid in eine Umgebung ableitet.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen beschrieben sind. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein.

Es zeigen:

Figur 1 eine schematische Darstellung einer möglichen Ausgestaltung des vorgestellten Brennstoffzellensystems. Figur 2 eine schematische Darstellung einer weiteren möglichen Ausgestaltung des vorgestellten Brennstoffzellensystems.

Figur 3 eine schematische Darstellung einer noch weiteren möglichen Ausgestaltung des vorgestellten Brennstoffzellensystems.

Figur 4 eine Darstellung einer möglichen Ausgestaltung des vorgestellten Trocknungsverfahrens,

Figur 5 eine Darstellung einer weiteren möglichen Ausgestaltung des vorgestellten Trocknungsverfahrens,

Figur 6 eine Darstellung einer noch weiteren möglichen Ausgestaltung des vorgestellten Trocknungsverfahrens,

Figur 7 eine Darstellung einer noch weiteren möglichen Ausgestaltung des vorgestellten Trocknungsverfahrens.

In Figur 1 ist ein Brennstoffzellensystem 100 dargestellt. Das Brennstoffzellensystem 100 umfasst einen Brennstoffzellenstapel 101 mit einem Kathodentrakt 103.

Der Kathodentrakt 103 ist mit einem Rezirkulationspfad 105 über ein erstes Stellglied 107 fluidleitend verbunden.

Ferner umfasst das Brennstoffzellensystem 100 eine Recheneinheit 109. Wenn ein Homogenisierungsbetrieb des Brennstoffzellensystems aktiviert ist, schaltet die Recheneinheit 109 das erste Stellglied 107 in einen ersten Stellzustand und aktiviert ein Luftsystem 111, sodass in dem Rezirkulationspfad befindliches Fluid durch den Rezirkulationspfad 105 und, dadurch bedingt, durch den Brennstoffzellenstapel 101 zirkuliert.

Durch das Zirkulieren des Fluids durch den Rezirkulationspfad 105 und den Brennstoffzellenstapel 101 vermischen sich in dem Fluid enthaltene Gase zu einem homogenen Gemisch, sodass sich insbesondere eine homogene Feuchtigkeit in dem Rezirkulationspfad 105 und, dadurch bedingt, in dem Brennstoffzellenstapel 101 einstellt.

Vorliegend mündet der Rezirkulationspfad 105 optional zwischen einem Luftfilter 113 und einem Verdichter 115 des Luftsystems 111, wobei das Luftsystem 111 noch einen Kühler 117 umfasst.

Der Kathodentrakt 103 ist vorliegend optional durch ein erstes Absperrventil 119 und ein zweites Absperrventil 121 absperrbar, um Leckagen durch den Rezirkulationspfad 105 zu minimieren.

Mittels eines zweiten Stellglieds 123 kann ein Abgaspfad zum Abführen von Fluid in eine Umgebung freigegeben oder gesperrt werden.

In Figur 2 wurde das Brennstoffzellensystem 100 gemäß Figur 1 um ein Kathodenrezirkulationsgebläse 201 erweitert. Das Kathodenrezirkulationsgebläse 201 kann unabhängig von dem Luftsystem 111 gesteuert werden, das vorliegend einen optionalen Befeuchter 205 umfasst. Dazu kann das Kathodenrezirkulationsgebläse 201 bspw. mit einer elektrischen Batterie gekoppelt sein, um unabhängig von einem Betriebszustand des Brennstoffzellenstapels 101 betrieben werden zu können.

Das Kathodenrezirkulationsgebläse 201 ermöglicht eine kompakte Bauart des Rezirkulationspfads 105, der vorliegend zwischen den Absperrventilen 119 und 121 angeordnet ist, sodass der gesamte Rezirkulationspfad 105 abgesperrt und entsprechend gegen Leckagen von außen geschützt werden kann.

Ein optionales zweites Stellglied 203 ermöglicht ein Absperren des Rezirkulationspfads 105 unabhängig von den Absperrventilen 119 und 121, sodass der Rezirkulationspfad 105 unabhängig von einem Betriebszustand der Absperrventile 119 und 121 aktiviert bzw. deaktiviert werden kann und entsprechend der Homogenisierungsbetrieb aktiviert bzw. deaktiviert werden kann. In Figur 3 wurde das Brennstoffzellensystem 100 gemäß Figur 1 um ein zweistufiges Luftsystem 111 erweitert. Entsprechend umfasst das Luftsystem 111 eine erste Verdichterstufe 301, die bspw. elektromotorisch angetrieben ist und eine zweite Verdichterstufe 303, die bspw. durch eine Abgasenthalpie angetrieben wird.

Der Rezirkulationspfad 105 mündet hier zwischen den beiden Verdichterstufen 301 und 303 in einem Zwischendruckniveau, was zu einer Effizienzsteigerung des Brennstoffzellensystems führt, da die erste Verdichterstufe 301 unabhängig von dem Homogenisierungsbetrieb betrieben, d.h. unabhängig vom Rezirkulationsmengenstrom des Homogenisierungsbetriebs betrieben werden kann.

In Figur 4 ist ein Trocknungsverfahren 400 dargestellt. Das Trocknungsverfahren 400 startet ausgehend von einem Normalbetrieb 401 eines Brennstoffzellensystems. In Vorbereitung auf einen Gefrierstart wird in einem Trocknungsschritt 403 eine Trocknungsprozedur zum Trocknen von Brennstoffzellen des Brennstoffzellensystems eingeleitet, bei der die Brennstoffzellen mit Luft durchströmt werden.

Um lokale Austrocknungen der Brennstoffzellen zu vermeiden, wird in einem Aktivierungsschritt 405 ein Homogenisierungsbetrieb des Brennstoffzellensystems aktiviert, durch den in dem Brennstoffzellenstapel vorhandene Feuchte gleichmäßig in dem Brennstoffzellenstapel verteilt wird, indem mindestens ein Stellglied des Brennstoffzellensystems in einen ersten Stellzustand geschaltet und ein Luftsystem des Brennstoffzellensystems aktiviert wird, wobei das mindestens eine Stellglied in dem ersten Stellzustand aus dem Brennstoffzellenstapel ausströmendes Fluid in einem mit einem Kathodentrakt des Brennstoffzellenstapels fluidleitend verbundenen Rezirkulationspfad des Brennstoffzellensystems zirkulieren lässt, und in einem zweiten Stellzustand aus dem Brennstoffzellenstapel ausströmendes Fluid in eine Umgebung ableitet.

Der Aktivierungsschritt 405 erfolgt bspw. zeitlich nach dem Trocknungsschritt 403 oder während des Trocknungsschritts 403. In einem Deaktivierungsschritt 407 wird das Brennstoffzellensystem vollständig deaktiviert, wodurch es bspw. zu einem bleed-down eines Brennstoffzellenstapels des Brennstoffzellensystems kommt.

In Figur 5 ist eine Ausgestaltung des Trocknungsverfahrens 400 dargestellt, bei der der Aktivierungsschritt 405 parallel zu einem bleed-down 501 des Brennstoffzellenstapels stattfindet, indem bspw. ein durch eine Batterie mit elektrischem Strom versorgtes Rezirkulationsgebläse verwendet wird.

In Figur 6 ist eine Ausgestaltung des Trocknungsverfahrens 400 dargestellt, bei der der Aktivierungsschritt 405 wiederholt wird, insbesondere abwechselnd mit dem Trocknungsschritt 403 wiederholt wird, um ein zu starkes Austrocknen von Brennstoffzellen des Brennstoffzellensystems durch zu lange Trocknungszeiten zu vermeiden.

In Figur 7 ist eine Kombination der Ausgestaltungen des Trocknungsverfahrens 400 gemäß Figuren 5 und 6 dargestellt, bei der der Aktivierungsschritt 405 zum einen parallel zu einem bleed-down 501 des Brennstoffzellenstapels stattfindet und zum anderen abwechselnd mit dem Trocknungsschritt 403 wiederholt wird.