DE102021201398A1

DE102021201398A1 - Brennstoffzellensystem und Verfahren zum Regenerieren einer Trocknungseinrichtung

Info

Publication number: DE102021201398A1
Application number: DE102021201398.8A
Authority: DE
Inventors: Helerson Kemmer
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2021-02-15
Filing date: 2021-02-15
Publication date: 2022-08-18

Abstract

Brennstoffzellensystem mit mindestens einem Brennstoffzellenstack (101), einem Luftpfad (10), wobei über den Luftpfad (10) Luft aus der Umgebung zur Brennstoffzelle gelangt, einem Abgaspfad (12), eine Anodenleitung (20), wobei über die Anodenleitung (20) Wasserstoff zum Brennstoffzellenstack (101) transportiert wird, einer Rezirkulationsleitung (50), und einer Trocknungseinrichtung (40), insbesondere einem Zeolithbehälter(40), welcher über eine Trocknungsleitung (35) mit der Rezirkulationsleitung (50) oder der Anodenleitung (20) verbunden ist. In der Trocknungsleitung (35) ist ein Wärmetauscher (30) angeordnet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Patentanspruches 1. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Regeneration einer Trocknungseinrichtung eines Brennstoffzellensystems mit den Merkmalen des Patentanspruches 7.
Stand der Technik
Mit Hilfe einer Brennstoffzelle eines Brennstoffzellensystems der eingangs genannten Art wird unter Verwendung von Wasserstoff und Sauerstoff chemische in elektrische Energie umgewandelt. Dabei kann eine Polymermembran als Elektrolyt dienen. Ist dies der Fall, handelt es sich um eine PEM („Proton Exchange Membran“) -Brennstoffzelle. Brennstoffzellensysteme mit derartigen Brennstoffzellen werden als PEM-Brennstoffzellensysteme bezeichnet.
Die mit Hilfe eines Brennstoffzellensystems im Wege der elektrochemischen Wandlung gewonnene elektrische Energie kann als Antriebsenergie, beispielsweise zum Antrieb eines Fahrzeugs, genutzt werden. Der hierzu benötigte Wasserstoff wird an Bord des Fahrzeugs in einem geeigneten Tank mitgeführt. Der ferner benötigte Sauerstoff kann der Umgebungsluft entnommen werden.
Wasserstoff basierte Brennstoffzellensysteme gelten als Mobilitätskonzept der Zukunft, da nur Wasser bzw. Wasserdampf emittiert wird. Darüber hinaus sind schnelle Betankungszeiten realisierbar. Als problematisch erweist sich jedoch, dass ein im Wasserstoff enthaltener gasförmiger Wasseranteil auskondensieren und bei entsprechend tiefen Umgebungstemperaturen gefrieren kann. Wird das System bei entsprechend tiefen Umgebungstemperaturen gestartet, besteht demnach die Gefahr einer Vereisung eines wasserstoffführenden Anodenpfads des Brennstoffzellensystems.
Um dies zu vermeiden, sind aus dem Stand der Technik Systemtopologien bekannt, die eine Trocknungseinrichtung im Bereich der Anode bzw. im Anodenpfad aufweisen. Handelt es sich bei dieser Trocknungseinrichtung um einen Zeolithbehälter, so muss dieser regelmäßig regeneriert werden. Aus dem Stand der Technik sind elektrische Heizer bekannt, um die Trocknungseinrichtung zu regenerieren.
Ausgehend von dem vorstehend genannten Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Möglichkeit zur Regeneration einer Trocknungseinrichtung, insbesondere eines Zeolithbehälters, bereitzustellen.
Zur Lösung der Aufgabe wird das Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1, sowie das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 7 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den jeweiligen Unteransprüchen zu entnehmen.
Offenbarung der Erfindung
Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruches 1 und das Verfahren zur Regeneration haben den Vorteil, dass zur Regeneration der Trocknungseinrichtung kein elektrischer Heizer im Anodenkreis angeordnet werden muss. Durch die Einsparung des Heizers können Kosten gespart werden, des Weiteren findet eine Einsparung der elektrischen Leistung für die Regenerierung des Zeolithbehälters statt. Insgesamt lässt sich auf diese Weise der H2-Verbrauch senken.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist kostengünstig, da auf bereits im System verbaute Komponenten, wie den Verdichter zurückgegriffen werden kann, um das Fluid, welches den Zeolithbehälter durchströmt auf die notwendige Temperatur zu bringen, welche sich meist oberhalb von 160 °C befindet.
In den abhängigen Ansprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems angegeben.
Es ist von Vorteil, wenn der Wärmetauscher mit einer Abzweigleitung verbunden ist, wobei die Abzweigleitung mit Luft aus der Luftleitung durchströmbar ist, da auf diese Weise kein zusätzlicher Luftkreislauf zur Verfügung gestellt werden muss, um den Wärmetauscher zu erwärmen.
Ein besonderer Vorteil ergibt sich, wenn die Abzweigleitung eine Verbindung mit der Luftleitung aufweist, welche zwischen einem Verdichter und dem Brennstoffzellenstack angeordnet ist, da die Luft bereits durch den Verdichter erwärmt ist. Ist ein Befeuchter oder weiterer Wärmetauscher in der Luftleitung vorgesehen, ist es vorteilhaft, wenn die Verbindung zwischen Abzweigleitung und Luftleitung vor diesen Komponenten angeordnet ist.
Ein Absperrventil in der Abzweigleitung ist vorteilhaft, da auf diese Weise bei einem geschlossenen Absperrventil Luft nur in die Abzweigleitung strömen kann, wenn dies auch für die Regeneration benötigt wird.
Es ist von Vorteil, wenn in der Luftleitung mindestens zwei Verdichter parallel und/oder in Reihe zueinander angeordnet sind, um die Luft in der Luftleitung stärker aufzuheizen.
Es ist von Vorteil, wenn die erwärmte Luft aus dem Luftpfad über einen Wärmetauscher und nicht direkt thermische Energie an ein Fluid abgibt, da auf diese Weise keine Durchmischung von Luft und Anondengas stattfindet.
Ein erstes Ventil in einer Trocknungsleitung und ein zweites Ventil in einer Verbindungsleitung wird auf vorteilhafte Weise geöffnet, so dass der Zeolithbehälter mit der benötigten Menge an Fluid aus der Rezirkulationsleitung oder der Anodenleitung durchströmt wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann insbesondere in brennstoffzellenbetriebenen Kraftfahrzeugen eingesetzt werden. Ebenso ist jedoch auch ein Einsatz in anderen brennstoffzellenbetriebenen Fortbewegungsmitteln, wie Kränen, Schiffen, Schienenfahrzeugen, Flugobjekten oder auch in stationären brennstoffzellenbetriebenen Objekten denkbar.
Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,
2 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel,
3 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel und
4 ein Flussablaufdiagramm der einzelnen Schritte eines erfindungsgemäßen Verfahrens.

In der 1 ist eine schematische Topologie eines Brennstoffzellensystems gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt mit mindestens einem Brennstoffzellenstack 101. Das mindestens eine Brennstoffzellensystem weist einen Luftpfad 10, eine Abgasleitung 12 und eine Anodenleitung 20 auf. Der mindestens eine Brennstoffzellenstack 101 kann für mobile Anwendungen mit hohem Leistungsbedarf, bspw. in LKW's, oder für stationäre Anwendungen, bspw. in Generatoren, eingesetzt werden.
Der Luftpfad 10 dient als Zuluftleitung, um einer Kathode 105 des Brennstoffzellenstacks 101 über einen Einlass 16 Luft aus der Umgebung zuzuführen. In dem Luftpfad 10 sind Komponenten angeordnet sein, welche für den Betrieb des Brennstoffzellenstacks 101 benötigt werden. Im Luftpfad 10 ist ein Luftverdichter 11 und/oder Kompressor 11 angeordnet, welcher die Luft entsprechend der jeweiligen Betriebsbedingungen des Brennstoffzellenstacks 101 verdichtet bzw. ansaugt. Stromabwärts vom Luftverdichter 11 und/oder Kompressor 11 kann sich ein Wärmetauscher 15 befinden, welcher die Luft im Luftpfad 10 vor der Einströmung in den Brennstoffzellenstack 101 abkühlt, und diesen somit vor thermisch bedingten Schäden schützt.
Innerhalb des Luftpfades 10 können noch weitere Komponenten wie beispielsweise ein Filter und/oder ein Befeuchter und/oder Ventile vorgesehen sein. Über den Luftpfad 10 wird dem Brennstoffzellenstack 101 sauerstoffhaltige Luft bereitgestellt.
Im Eingang der Anodenleitung 20 befinden sich ein Hochdrucktank 21 und ein Absperrventil 22. Es können weitere Komponenten in der Anodenleitung 20 angeordnet sein, um eine Anode 103 des Brennstoffzellenstack 101 nach Bedarf mit Brennstoff zu versorgen.
Um den Brennstoffzellenstack 101 immer ausreichend mit Brennstoff zu versorgen, besteht die Notwendigkeit einer überstöchiometrischen Dosierung von Brennstoff über die Brennstoffleitung 20. Der überschüssige Brennstoff, sowie gewisse Mengen von Wasser und Stickstoff, die durch die Zellmembranen auf die Anodenseite diffundieren, werden in einen Rezirkulationskreis 50 zurückgeführt und mit dem zudosierten Brennstoff aus der Brennstoffleitung 20 vermischt.
Zum Antrieb der Strömung im Rezirkulationskreis 50 können verschiedene Komponenten, wie beispielsweise eine mit dem zudosierten Brennstoff betriebene Strahlpumpe 51 oder eine Rezirkulationspumpe 52 verbaut sein. Auch eine Kombination von Strahlpumpe 51 und Rezirkulationspumpe 52 sind möglich.
Zum Entfernen von Wasser, das insbesondere durch Kondensation von im Anodengas enthaltenem Wasserdampf entstanden ist, weist das Brennstoffzellensystem eine Trocknungseinrichtung 40 auf. Die Trocknungseinrichtung 40 ist vorzugsweise als Adsorber ausgeführt, wobei als Adsorber insbesondere ein mit Zeolithbehälter 40 dienen kann.
Der Zeolithbehälter 40 ist über eine Trocknungsleitung 35 mit dem Rezirkulationsleitung 50 verbunden. In der Trocknungsleitung 35 ist ein Wärmetauscher 30 angeordnet, so dass das Fluid, welches aus der Rezirkulationsleitung 50 in Richtung des Zeolithbehälters 40 strömt auch den Wärmetauscher 30 durchströmt. Durch den Wärmetauscher kann das Fluid auf eine für die Regeneration des Zeolithbehälters 40 benötigte Temperatur aufgeheizt werden.
In der Trocknungsleitung 35 ist ein erstes Ventil 36 angeordnet, so dass das Fluid aus dem Rezirkulationskreis 50 nur bei Bedarf im Falle eines geöffneten ersten Ventils 36 zum Zeolithbehälter 40 strömen kann.
Nach dem Durchströmen des Zeolithbehälters 40 gelang das Fluid über eine Verbindungsleitung 37 in die Rezirkulationsleitung 50. In der Rückführleitung kann ein zweites Ventil 38 angeordnet sein, welches als Rückschlagventil oder als steuerbares Ventil ausgebildet sein kann.
Der Wärmetauscher 30 ist mit einer Abzweigleitung 31 verbunden, wobei die Abzweigleitung 31 mit Luft aus der Luftleitung 10 durchströmbar ist. Auf diese Weise kann thermische Energie, welche in der Luft der Luftleitung 10 vorhanden ist über den Wärmetauscher 30 zum Erwärmen des Zeolithbehälters 40 an das Fluid in der Trocknungsleitung 35 abgegeben werden.
Die Abzweigleitung 31 weist eine Verbindung mit der Luftleitung 12 auf, welche zwischen dem Verdichter 11 und dem Brennstoffzellenstack 101 angeordnet ist.
Um eine Strömung von Luft, nur bei Bedarf zu ermöglichen, ist in der Abzweigleitung 31 ein Absperrventil 32 angeordnet, welches je nach Bedarf geöffnet oder geschlossen werden kann.
Die Luft aus der Abzweigleitung 31 gelangt nach dem Durchströmen des Wärmetauschers 30 über eine Rückführleitung 33 zurück in die Luftleitung 10.
Die Abgasleitung 12 dient dazu Abgas über einen Auslass 18 in die Umgebung zu transportieren. Das Abgas weist ein Gasgemisch mit Bestandteilen der Luft aus dem Luftpfad 10 und Wasser auf. Das Abgas der Abgasleitung 12 kann auch Wasserstoff (H2) enthalten, weil Teile des Wasserstoffes aus der Brennstoffleitung 20 durch die Membran des Brennstoffzellenstacks 101 diffundieren können. Des Weiteren können über eine Purgeleitung Wasserstoff und ein Gasgemisch mit Stickstoff in die Abgasleitung 12 gelangen.
In einem zweiten Ausführungsbeispiel gemäß 2 ist der Zeolithbehälter 40 ist über die Trocknungsleitung 35 mit der Anodenleitung 20 verbunden. Ansonsten existieren keine Veränderungen zum ersten Ausführungsbeispiel.
3 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel. Im dritten Ausführungsbeispiel weist die Luftleitung 12 mindestens zwei Verdichter 11 auf, welche parallel und/oder in Reihe zueinander angeordnet sind, um die Luft in der Luftleitung 12 stärker aufzuheizen. Die Abzweigstelle kann auch zwischen den Verdichtern platziert sein.
4 zeigt ein Flussablaufdiagramm der Schritte eines Verfahrens zum Regenerieren eines Zeolithbehälters 40 innerhalb eines Brennstoffzellensystems, wobei das Brennstoffzellensystem einen Brennstoffzellenstack 101, einen Luftpfad 10, eine Abgasleitung 12, eine Anodenleitung 20 und eine Rezirkulationsleitung 50 aufweist.
Für die Regeneration des Zeolithbehälters 40 wird gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren erwärmte Luft aus dem Luftpfad 40 zur Erwärmung des Zeolithbehälters 40 genutzt. Die erwärmte Luft aus dem Luftpfad 10 gibt über einen Wärmetauscher 30 thermische Energie an ein Fluid abgibt, welches den Zeolithbehälter 40 durchströmt.
In einem Verfahrensschritt 100 wird ein Betriebspunkt des mindestens einen Verdichters 11 ausgewählt, welcher eine Erwärmung der Luft im Luftpfad 10 sicherstellt. Dies ist in bevorzugter Weise ein Hochlastpunkt, da dieser sicherstellt, dass sowohl der Luftmassenstrom, als auch der Luftdruck angehoben werden. Der Verdichter 11 kann im oberen Drehzahlbereich angetrieben werden, so dass die Luft auf Temperaturen von oberhalb 200°C aufgeheizt wird.
Im Verfahrensschritt 200 wird das Absperrventil 32 in der Abzweigleitung 31 geöffnet, so dass die durch den mindestens einen Verdichter 11 erwärmte Luft in Richtung des Wärmetauschers 30 strömen kann. Auf diese Weise wird der Wärmetauscher 30 durch die erwärmte Luft aufgeheizt.
In einem Verfahrensschritt 300 wird das erste Ventil 36 geöffnet, so dass das Fluid aus der Rezirkulationsleitung 50 oder der Anodenleitung 20 über den Wärmetauscher 30 in Richtung des Zeolithbehälters 40 strömen kann. Je nach Ausführungsform des zweiten Ventils 38, wird dieses auch geöffnet, so dass das Fluid zurück in die Rezirkulationsleitung 50 strömen kann. Auf diese Weise wird das Fluid auf die zur Regeneration nötige Temperatur von >160°C aufgeheizt.
Im Verfahrensschritt 400 wird ein Zeitintervall abgewartet, welches zur Regeneration des Zeolithbehälters 40 benötigt wird.
In einem Verfahrensschritt 500 wird das Absperrventil 36, das erste Ventil 36 und gegebenenfalls das zweite Ventil 38 wieder geschlossen.
Um sicherzustellen, dass das Fluid, welches zur über die Anodenleitung 20 zur Anode 103 strömt, keine zu hohen Temperaturen aufweist, kann über das erste Ventil 36 und/oder zweite Ventil 38 das Mischungsverhältnis von erhitztem Fluid und nicht-erhitzten Fluid verändert werden.

Claims

Brennstoffzellensystem mit mindestens einem Brennstoffzellenstack (101), einem Luftpfad (10), wobei über den Luftpfad (10) Luft aus der Umgebung zur Brennstoffzelle gelangt, einem Abgaspfad (12), eine Anodenleitung (20), wobei über die Anodenleitung (20) Wasserstoff zum Brennstoffzellenstack (101) transportiert wird, einer Rezirkulationsleitung (50), und einer Trocknungseinrichtung (40), insbesondere einem Zeolithbehälter (40), welcher über eine Trocknungsleitung (35) mit der Rezirkulationsleitung (50) oder der Anodenleitung (20) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass in der Trocknungsleitung (35) ein Wärmetauscher (30) angeordnet ist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (30) mit einer Abzweigleitung (31) verbunden ist, wobei die Abzweigleitung (31) mit Luft aus der Luftleitung (10) durchströmbar ist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Abzweigleitung (31) eine Verbindung mit der Luftleitung (12) aufweist, welche zwischen einem Verdichter (11) und dem Brennstoffzellenstack (101) angeordnet ist.
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 2 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass in der Abzweigleitung (31) ein Absperrventil (32) angeordnet ist.
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 2 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (30) mit einer Rückführleitung (33) verbunden ist, wobei über die Rückführleitung (33) Luft aus der Abzweigleitung (31) zurück in die Luftleitung (10) abführbar ist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 2, wobei in der Luftleitung (12) mindestens zwei Verdichter (11) parallel und/oder in Reihe zueinander angeordnet sind, um die Luft in der Luftleitung (12) stärker aufzuheizen.
Verfahren zum Regenerieren eines Zeolithbehälters (40) innerhalb eines Brennstoffzellensystems, wobei das Brennstoffzellensystem einen Brennstoffzellenstack (101), einen Luftpfad (10), eine Abgasleitung (12), eine Anodenleitung (20) und eine Rezirkulationsleitung (50) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass zur Regeneration des Zeolithbehälters (40) erwärmte Luft aus dem Luftpfad (10) zur Erwärmung des Zeolithbehälters (40) genutzt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei die erwärmte Luft aus dem Luftpfad (10) über einen Wärmetauscher (30) thermische Energie an ein Fluid abgibt, welches den Zeolithbehälter (40) durchströmt.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein erstes Ventil (36) in einer Trocknungsleitung (35) und ein zweites Ventil (38) in einer Verbindungsleitung (37) geöffnet wird, so dass der Zeolithbehälter (40) mit Fluid aus der Rezirkulationsleitung (50) oder der Anodenleitung (20) durchströmt wird.