WO2021058343A1 - Verfahren zum betreiben eines brennstoffzellensystems, sowie brennstoffzellensystem - Google Patents

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Joerg Heyse
Helerson Kemmer
Ralf Brandenburger
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Robert Bosch Gmbh
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    • Y02T90/40—Application of hydrogen technology to transportation, e.g. using fuel cells

Definitions

  • the invention relates to a method for operating a fuel cell system, in particular a PEM fuel cell system, with the features of the preamble of claim 1.
  • the invention relates to a fuel cell system, in particular a PEM fuel cell system, which is suitable or suitable for performing the method according to the invention. according to which he inventive method can be operated.
  • PEM Protein Exchange Membrane
  • the electrical energy obtained by means of electrochemical conversion with the help of a fuel cell system can be used as drive energy, for example to drive a vehicle.
  • the hydrogen required for this is carried on board the vehicle in a suitable tank.
  • the oxygen that is also required can be taken from the ambient air.
  • Hydrogen-based fuel cell systems are considered to be the mobility concept of the future, as only water or water vapor is emitted. In addition, fast refueling times can be achieved. However, it proves to be problematic that a gaseous water component contained in the hydrogen can condense out and freeze at correspondingly low ambient temperatures. It will If the system is started at correspondingly low ambient temperatures, there is accordingly the risk of a hydrogen-carrying anode path of the fuel cell system icing up.
  • the present invention is based on the object of shortening the starting times of a fuel cell system, in particular at low ambient temperatures where water contained in the anode gas freezes.
  • an anode gas is supplied to an anode of a fuel cell via a supply path and returned via a recirculation path connected to the anode.
  • Hydrogen is used as the anode gas.
  • the anode gas is fed to a drying device, in particular an adsorber, via at least one normally open valve, and water is removed from the anode gas with the aid of the drying device.
  • the removal of water during start-up minimizes the risk of condensing water freezing during start-up and delaying the start-up process.
  • the danger is particularly great when starting, since the system is at this point in time has not yet warmed up and the water vapor contained in the anode gas can easily condense.
  • an adsorber as a drying device, the process can be implemented easily and inexpensively.
  • the integration of the drying device via at least one normally open valve ensures that the drying device is immediately ready for operation when the fuel cell system is started, but can be switched off if necessary.
  • the anode gas is fed to the drying device via at least one normally open valve and water is removed from the anode gas with the aid of the drying device.
  • the fuel cell system is started with already pre-dried anode gas, so that when the fuel cell system is started, the anode gas contains less water vapor that can condense. In this way, the start-up process can be further shortened.
  • the operation of a fan arranged in the recirculation path is preferably maintained while the fuel cell system is at a standstill.
  • the fan supports the recirculation or circulation of the anode gas. Since a fan is often already present in the recirculation path, this measure does not require any additional technical effort.
  • the at least one normally open valve via which the drying device is connected to the supply path and / or the recirculation path, can be closed. Because then the system has reached its normal operating temperature, so that there is no longer any risk of the water contained in the anode gas freezing. Furthermore, the closed valve ensures that the loading of the drying device with water does not increase any further.
  • the absorption capacity of the drying device is not infinite, it is proposed that water be removed from the drying device by desorption during the operation of the fuel cell system.
  • the at least one normally open valve is opened again, so that the connection the drying device with the supply path and / or the recirculation path is restored.
  • water is removed from the drying device by desorption and discharged via the anode gas, which absorbs the water. This means that the drying process is reversed.
  • the drying device can be supplied with fresh and thus largely dry anode gas from a tank.
  • the drying device can be supplied with recirculated anode gas that has already been run warm and dry during operation, for example by frequent "purge” or rinsing, which primarily serves to remove nitrogen, but also water vapor or water contained in the anode gas leads away.
  • the desorption can be promoted in that the drying device is heated with the aid of a heating device.
  • the fuel cell system in particular PEM fuel cell system, also proposed to solve the problem mentioned at the outset, comprises at least one fuel cell with an anode, which is connected on the inlet side to a supply path for supplying an anode gas and on the outlet side to a recirculation path for returning the anode gas.
  • the fuel cell system is characterized by a drying device, in particular an adsorber, which is connected to the supply path and / or the recirculation path via at least one normally open valve.
  • the proposed fuel cell system is therefore particularly suitable for carrying out the above-described method according to the invention or can be operated according to this method.
  • the drying device of the proposed fuel cell system can only be connected to the supply path or only to the recirculation path via the at least one normally open valve.
  • the drying device can be connected or connectable to both the supply path and the recirculation path via at least two valves, at least one of which is designed as a normally open valve.
  • the drying device can, for example, be connected in parallel to the anode.
  • the connection of the drying device via at least one normally open valve enables drying or predrying of the anode gas both during operation and during an operational shutdown of the fuel cell system. If the loading of the drying device with water is to be prevented, the valve can be closed.
  • the at least one normally open valve can be left open or opened in a targeted manner during normal operation of the fuel cell system in order to remove water from the drying device by desorption.
  • the loading of the drying device with water can be reduced so that the drying device remains ready to receive. Because the capacity of the drying device is not unlimited.
  • the drying device releases water to the anode gas, via which the water is discharged. The water is then - at least partially - completely removed from the system by subsequent “purge” or rinsing.
  • the at least one normally open valve for integrating the drying device into the system can advantageously be opened with different opening cross-sections. In this way it is possible to control or regulate the anode gas mass flow in the direction of the drying device.
  • the at least one normally open valve can accordingly be designed as a switching valve or as a proportional valve.
  • the drying device is connected to the supply path via at least one normally open valve and can be connected to the recirculation path via a non-return valve opening in the direction of the recirculation path.
  • a suction jet pump is preferably arranged in the supply path. With the help of the ejector pump, not only can fresh anode gas be taken from a tank, but the recirculation of the anode gas can also be promoted.
  • a blower be arranged in the recirculation path to promote the recirculation of the anode gas.
  • the drying device preferably has a heating device.
  • the heating device With the help of the heating device, the desorption can be supported if necessary, so that the drying device releases water to the anode gas more quickly.
  • the drying device comprises a container filled with zeolite, which is at least partially designed to be permeable to the anode gas.
  • the container can be perforated at least in some areas or at least in some areas it can be designed as a cage.
  • the zeolite filling is preferably designed as a bed. This means that the zeolite material is in the form of granules. This has the advantage that a particularly large surface is created over which water can be adsorbed or desorbed.
  • the ano dengas can be passed through the container or through the zeolite material received in the container.
  • Fig. 1 is a schematic representation of an anode area of a first preferred embodiment of a fuel cell system according to the invention
  • Fig. 2 is a schematic representation of an anode area of a second preferred embodiment of a fuel cell system according to the invention
  • Fig. 3 is a schematic representation of an anode area of a third preferred embodiment of a fuel cell system according to the invention.
  • Fig. 4 is a schematic representation of an anode area of a fourth preferred embodiment of a fuel cell system according to the invention
  • Fig. 5 is a schematic representation of an anode area of a fifth preferred embodiment of a fuel cell system according to the invention
  • FIG. 6 shows a schematic representation of an anode region of a sixth preferred embodiment of a fuel cell system according to the invention.
  • FIG. 7 shows a schematic representation of an anode region of a seventh preferred embodiment of a fuel cell system according to the invention.
  • FIG. 1 shows the anode area of a fuel cell system according to the invention.
  • an anode gas is fed to an anode 1 of the fuel cell system via a supply path 2 and is taken from a tank 6.
  • the withdrawal takes place by opening a metering valve 14 arranged in the supply path 2, which in the present case is preceded by a pressure reducer 13.
  • the anode gas is fed to the anode 1 via a suction jet pump 12 arranged in the supply path 2, which causes the anode gas emerging from the anode 1 to be returned via a recirculation path 3.
  • a water separator 15 can be arranged in the recirculation path 3, which forwards an excess of water to a flushing valve 16. When the flush valve 16 is opened, the excess water is drained away and removed from the system.
  • a fuel cell system has a drying device 4 to remove water that has arisen, in particular, from condensation of water vapor contained in the ano gas.
  • the drying device 4 is connected to the supply path 2 via a first normally open valve 8 and to the recirculation path 3 via a second normally open Ven valve 10.
  • the drying device 4 is thus arranged parallel to the anode 1.
  • the drying device 4 is preferably designed as an adsorber, in particular a container filled with zeolite can serve as the adsorber.
  • water contained in the anode gas is adsorbed during an operating standstill, so that it does not freeze at correspondingly low ambient temperatures.
  • the at least one valve 8, 10 remains open, so that water continues to be adsorbed and icing of the system or individual system components is prevented. In particular, water is adsorbed that was only created by condensation during the start-up phase.
  • the at least one normally open valve 8, 10 is closed so that there is no connection between the drying device 4 and the supply path 2 and the recirculation path 3 there is more. The drying device 4 is therefore no longer loaded with water.
  • the at least one normally open valve 8, 10 can be opened again, so that water is passed from the drying device 4 to the anode gas by desorption.
  • This assumes that there is largely dry anode gas in the supply path 2 and / or in the recirculation path 3. This is the case, for example, if it is fresh anode gas removed from tank 6 or anode gas that has been “run dry”. To “run dry” only the flushing valve 16 has to be opened more frequently.
  • FIG. 2 shows a modification of the embodiment of FIG. 1.
  • the drying device 4 is connected or can be connected to the recirculation path 3 via a check valve 11.
  • the check valve 11 opens in the direction of the recirculation path 3, so that the direction of flow of the anode gas through the drying device 4 is predetermined.
  • FIG. 3 Another modification of the embodiment of FIG. 1 is shown in FIG. 3 Darge provides.
  • a fan 5 is additionally arranged in the recirculation path 3, which fan promotes the recirculation of anode gas.
  • FIG. 4 shows a corresponding modification of the embodiment of FIG. 2, that is to say the embodiment of FIG. 2 with a fan 5 in the recirculation path 3.
  • FIG. 4 shows a corresponding modification of the embodiment of FIG. 2, that is to say the embodiment of FIG. 2 with a fan 5 in the recirculation path 3.
  • FIG. 4 shows a corresponding modification of the embodiment of FIG. 2, that is to say the embodiment of FIG. 2 with a fan 5 in the recirculation path 3.
  • FIG. 4 shows a corresponding modification of the embodiment of FIG. 2, that is to say the embodiment of FIG. 2 with a fan 5 in the recirculation path 3.
  • FIG. 4 shows a corresponding modification of the embodiment of FIG. 2, that is to say the embodiment of FIG. 2 with a fan 5 in the recirculation path 3.
  • FIG. 4 shows a corresponding modification of the embodiment of FIG. 2, that is to say the embodiment of FIG. 2 with a fan 5 in the recirculation path 3.
  • FIG. 4 shows a corresponding
  • FIG. 1 Another variant is shown in FIG.
  • the drying device 4 is connected to the supply path 2 via two normally open valves 8, 9.
  • fresh or dry anode gas from the tank 6 can thus be fed to the drying device 4 in order to accelerate the desorption.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems, insbesondere eines PEM- Brennstoffzellensystems, bei dem ein Anodengas über einen Versorgungspfad (2) einer Anode (1) einer Brennstoffzelle zugeführt und über einen an die Anode (1) angeschlossenen Rezirkulationspfad (3) rückgeführt wird, wobei Wasserstoff als Anodengas verwendet wird. Erfindungsgemäß wird während des Startens des Brennstoffzellensystems das Anodengas über mindestens ein stromlos offenes Ventil (8, 9, 10) einer Trocknungseinrichtung (4), insbesondere einem Adsorber, zugeführt und dem Anodengas wird mit Hilfe der Trocknungseinrichtung (4) Wasser entzogen. Die Erfindung betrifft ferner ein Brennstoffzellensystem, insbesondere ein PEM- Brennstoffzellensystem, das zur Durchführung des Verfahrens geeignet ist.

Description

Beschreibung
Titel:
VERFAHREN ZUM BETREIBEN EINES BRENNSTOFFZELLENSYSTEMS, SOWIE BRENNSTOFFZELLENSYSTEM
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensys tems, insbesondere eines PEM-Brennstoffzellensystems, mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Brenn stoffzellensystem, insbesondere ein PEM-Brennstoffzellensystem, das zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet bzw. nach dem er findungsgemäßen Verfahren betreibbar ist.
Stand der Technik
Mit Hilfe einer Brennstoffzelle eines Brennstoffzellensystems der eingangs ge nannten 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, beispiels weise zum Antrieb eines Fahrzeugs, genutzt werden. Der hierzu benötigte Was serstoff wird an Bord des Fahrzeugs in einem geeigneten Tank mitgeführt. Der ferner benötigte Sauerstoff kann der Umgebungsluft entnommen werden.
Wasserstoffbasierte 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 be kannt, die mindestens eine elektrische Heizeinrichtung im Bereich der Anode bzw. im Anodenpfad aufweisen. Der Betrieb der mindestens einen Heizeinrich tung belastet jedoch die Fahrzeugbatterie. Darüber hinaus kann der Enteisungs vorgang mit Hilfe der mindestens einen Heizeinrichtung etliche Sekunden bis Mi nuten in Anspruch nehmen, so dass sich die Startzeit verlängert.
Ausgehend von dem vorstehend genannten Stand der Technik liegt der vorlie genden Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Startzeiten eines Brennstoffzellen systems zu verkürzen, und zwar insbesondere bei tiefen Umgebungstemperatu ren, bei denen im Anodengas enthaltenes Wasser gefriert.
Zur Lösung der Aufgabe werden das Verfahren mit den Merkmalen des An spruchs 1 sowie das Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Anspruchs 5 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den jeweiligen Unteransprüchen zu entnehmen.
Offenbarung der Erfindung
Bei dem vorgeschlagenen Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensys tems, insbesondere eines PEM-Brennstoffzellensystems, wird ein Anodengas über einen Versorgungspfad einer Anode einer Brennstoffzelle zugeführt und über einen an die Anode angeschlossenen Rezirkulationspfad rückgeführt. Als Anodengas wird Wasserstoff verwendet. Erfindungsgemäß wird während des Startens des Brennstoffzellensystems das Anodengas über mindestens ein stromlos offenes Ventil einer Trocknungseinrichtung, insbesondere einem Adsor ber, zugeführt und dem Anodengas wird mit Hilfe der Trocknungseinrichtung Wasser entzogen.
Der Entzug von Wasser während des Startens minimiert die Gefahr, dass beim Starten kondensierendes Wasser gefriert und den Startvorgang verzögert. Die Gefahr ist insbesondere beim Starten groß, da zu diesem Zeitpunkt das System noch nicht warm gefahren ist und im Anodengas enthaltender Wasserdampf leicht kondensieren kann. Durch Verwendung eines Adsorbers als Trocknungs einrichtung kann das Verfahren einfach und kostengünstig umgesetzt werden. Die Einbindung der Trocknungseinrichtung über mindestens ein stromlos offenes Ventil gewährleistet, dass mit dem Starten des Brennstoffzellensystems die Trocknungseinrichtung sofort betriebsbereit ist, bei Bedarf jedoch abgeschaltet werden kann.
In Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass während des Betriebs stillstands des Brennstoffzellensystems das Anodengas über mindestens ein stromlos offenes Ventil der Trocknungseinrichtung zugeführt und dem Anoden gas mit Hilfe der Trocknungseinrichtung Wasser entzogen wird. In diesem Fall wird das Brennstoffzellensystem mit bereits vorgetrocknetem Anodengas gestar tet, so dass beim Starten des Brennstoffzellensystems im Anodengas weniger Wasserdampf enthalten ist, das kondensieren kann. Auf diese Weise kann der Startvorgang weiter verkürzt werden.
Zur Förderung der Vortrocknung des Anodengases wird vorzugsweise der Be trieb eines im Rezirkulationspfad angeordneten Gebläses während des Betriebs stillstands des Brennstoffzellensystems aufrechterhalten. Das Gebläse unter stützt die Rezirkulation bzw. Zirkulation des Anodengases. Da oftmals bereits ein Gebläse im Rezirkulationspfad vorhanden ist, erfordert diese Maßnahme keinen zusätzlichen technischen Aufwand.
Im Normalbetrieb des Brennstoffzellensystems kann das mindestens eine strom los offene Ventil, über das die Trocknungseinrichtung mit dem Versorgungspfad und/oder dem Rezirkulationspfad verbunden ist, geschlossen werden. Denn dann hat das System seine normale Betriebstemperatur erreicht, so dass keine Gefahr mehr besteht, dass im Anodengas enthaltenes Wasser gefriert. Ferner ist durch das geschlossene Ventil sichergestellt, das die Beladung der Trocknungs einrichtung mit Wasser nicht weiter steigt.
Da die Aufnahmekapazität der Trocknungseinrichtung nicht unendlich ist, wird vorgeschlagen, dass während des Betriebs des Brennstoffzellensystems der Trocknungseinrichtung Wasser durch Desorption entzogen wird. Hierzu wird das mindestens eine stromlos offene Ventil wieder geöffnet, so dass die Verbindung der Trocknungseinrichtung mit dem Versorgungspfad und/oder dem Rezirkulati- onspfad erneut hergestellt ist. In diesem Fall wird der Trocknungseinrichtung durch Desorption Wasser entzogen und über das Anodengas, welches das Was ser aufnimmt, abgeführt. Das heißt, dass der Trocknungsprozess umgekehrt ab läuft.
Zur Förderung der Desorption während des Betriebs des Brennstoffzellensys tems kann der Trocknungseinrichtung frisches und damit weitgehend trockenes Anodengas aus einem Tank zugeführt werden. Alternativ kann der Trocknungs einrichtung rezirkuliertes Anodengas zugeführt werden, das im Betrieb bereits warm und trocken gefahren worden ist, beispielsweise durch häufiges „Purgen“ bzw. Spülen, das vorrangig der Entfernung von Stickstoff dient, aber auch im Anodengas enthaltenen Wasserdampf bzw. enthaltenes Wasser mit abführt.
Darüber hinaus kann die Desorption dadurch gefördert werden, dass die Trock nungseinrichtung mit Hilfe einer Heizeinrichtung beheizt wird.
Das ferner zur Lösung der eingangs genannten Aufgabe vorgeschlagene Brenn stoffzellensystem, insbesondere PEM-Brennstoffzellensystem, umfasst mindes tens eine Brennstoffzelle mit einer Anode, die eintrittsseitig an einen Versor gungspfad zur Zuführung eines Anodengases und austrittsseitig an einen Rezir- kulationspfad zur Rückführung des Anodengases angeschlossen ist. Das Brenn stoffzellensystem zeichnet sich erfindungsgemäß durch eine Trocknungseinrich tung, insbesondere durch einen Adsorber, aus, die bzw. der über mindestens ein stromlos offenes Ventil mit dem Versorgungspfad und/oder dem Rezirkulations- pfad verbunden ist.
Mit Hilfe der Trocknungseinrichtung kann dem Anodengas Wasser entzogen werden, insbesondere, um ein eisfreies und damit schnelles Starten des Brenn stoffzellensystems nach einem Betriebsstillstand zu ermöglichen. Das vorge schlagene Brennstoffzellensystem ist demnach insbesondere zur Durchführung des zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet bzw. nach diesem Verfahren betreibbar. Hinsichtlich der Vorteile des vorgeschlagenen Brennstoffzellensystems kann demzufolge auf die Vorteile des zuvor beschriebe nen erfindungsgemäßen Verfahrens verwiesen werden. Die Trocknungseinrichtung des vorgeschlagenen Brennstoffzellensystems kann über das mindestens eine stromlos offene Ventil nur mit dem Versorgungspfad oder nur mit dem Rezirkulationspfad verbunden sein. Ferner kann die Trock nungseinrichtung über mindestens zwei Ventile, von denen mindestens ein Ventil als stromlos offenes Ventil ausgeführt ist, sowohl mit dem Versorgungspfad als auch mit dem Rezirkulationspfad verbunden bzw. verbindbar sein. Die Trock nungseinrichtung kann beispielsweise parallel zur Anode geschaltet sein. Die Anbindung der Trocknungseinrichtung über mindestens ein stromlos offenes Ventil ermöglicht ein Trocknen bzw. Vortrocknen des Anodengases sowohl im Betrieb als auch während eines Betriebsstillstands des Brennstoffzellensystems. Soll die Beladung der Trocknungseinrichtung mit Wasser unterbunden werden, kann das Ventil geschlossen werden.
Alternativ kann das mindestens eine stromlos offene Ventil im Normalbetrieb des Brennstoffzellensystems gezielt offengelassen bzw. geöffnet werden, um durch Desorption der Trocknungseinrichtung Wasser zu entziehen. Auf diese Weise kann die Beladung der Trocknungseinrichtung mit Wasser gesenkt werden, damit die Trocknungseinrichtung aufnahmebereit bleibt. Denn die Aufnahmekapazität der Trocknungseinrichtung ist nicht unbegrenzt. Bei der Desorption gibt die Trocknungseinrichtung Wasser an das Anodengas ab, über welches das Wasser abgeführt wird. Durch anschließendes „Purgen“ bzw. Spülen wird das Wasser dann - zumindest teilweise - aus dem System gänzlich entfernt.
Vorteilhafterweise kann das mindestens eine stromlos offene Ventil zur Einbin dung der Trocknungseinrichtung in das System mit unterschiedlichen Öffnungs querschnitten geöffnet werden. Auf diese Weise ist es möglich, den Anodengas massenstrom in Richtung der Trocknungseinrichtung zu steuern bzw. zu regeln. Das mindestens eine stromlos offene Ventil kann demnach als Schaltventil oder als Proportionalventil ausgeführt sein.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Trocknungsein richtung über mindestens ein stromlos offenes Ventil mit dem Versorgungspfad verbunden und über ein in Richtung des Rezirkulationspfads öffnendes Rück schlagventil mit dem Rezirkulationspfad verbindbar. Auf diese Weise wird eine Strömungsrichtung durch die Trocknungseinrichtung vorgegeben. Bevorzugt ist im Versorgungspfad eine Saugstrahlpumpe angeordnet. Mit Hilfe der Saugstrahlpumpe kann nicht nur frisches Anodengas einem Tank entnom men, sondern zugleich die Rezirkulation des Anodengases gefördert werden. Al ternativ oder ergänzend wird vorgeschlagen, dass im Rezirkulationspfad ein Ge bläse zur Förderung der Rezirkulation des Anodengases angeordnet ist.
Des Weiteren bevorzugt weist die Trocknungseinrichtung eine Heizeinrichtung auf. Mit Hilfe der Heizeinrichtung kann bei Bedarf die Desorption unterstützt wer den, so dass die Trocknungseinrichtung schneller Wasser an das Anodengas abgibt.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst die Trock nungseinrichtung einen mit Zeolith gefüllten Behälter, der zumindest bereichs weise für das Anodengas durchlässig ausgestaltet ist. Beispielsweise kann der Behälter zumindest bereichsweise perforiert sein oder zumindest bereichsweise als Käfig ausgestaltet sein. Das Weitern bevorzugt ist die Zeolithfüllung als Schüttung ausgeführt. Das heißt, dass das Zeolithmaterial als Granulat vorliegt. Dies hat den Vorteil, dass eine besonders große Oberfläche geschaffen wird, über die Wasser adsorbiert bzw. desorbiert werden kann. Ferner kann das Ano dengas durch den Behälter bzw. durch das im Behälter aufgenommene Zeolith material hindurchgeleitet werden.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher er läutert. Diese zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Anodenbereichs einer ersten be vorzugten Ausführungsform eines erfindungsmäßen Brennstoffzellensystems,
Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Anodenbereichs einer zweiten be vorzugten Ausführungsform eines erfindungsmäßen Brennstoffzellensystems,
Fig. 3 eine schematische Darstellung eines Anodenbereichs einer dritten be vorzugten Ausführungsform eines erfindungsmäßen Brennstoffzellensystems,
Fig. 4 eine schematische Darstellung eines Anodenbereichs einer vierten be vorzugten Ausführungsform eines erfindungsmäßen Brennstoffzellensystems, Fig. 5 eine schematische Darstellung eines Anodenbereichs einer fünften be vorzugten Ausführungsform eines erfindungsmäßen Brennstoffzellensystems,
Fig. 6 eine schematische Darstellung eines Anodenbereichs einer sechsten bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsmäßen Brennstoffzellensystems und
Fig. 7 eine schematische Darstellung eines Anodenbereichs einer siebten be vorzugten Ausführungsform eines erfindungsmäßen Brennstoffzellensystems.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
Den Fig. 1 ist der Anodenbereich eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensys tem zu entnehmen. Im Betrieb des Brennstoffzellensystems wird einer Anode 1 des Brennstoffzellensystems über einen Versorgungspfad 2 ein Anodengas zu geführt, das einem Tank 6 entnommen wird. Die Entnahme erfolgt durch Öffnen eines im Versorgungspfad 2 angeordneten Dosierventils 14, dem vorliegend ein Druckminderer 13 vorgeschaltet ist. Das Anodengas wird der Anode 1 über eine im Versorgungspfad 2 angeordnete Saugstrahlpumpe 12 zugeführt, die bewirkt, dass aus der Anode 1 austretendes Anodengas über einen Rezirkulationspfad 3 rückgeführt wird. Im Rezirkulationspfad 3 kann - wie vorliegend dargestellt - ein Wasserabscheider 15 angeordnet sein, der einen Wasserüberschuss an ein Spülventil 16 weiterleitet. Mit Öffnen des Spülventils 16 wird somit der Wasser überschuss abgeführt und aus dem System entfernt.
Zum Entferner von Wasser, das insbesondere durch Kondensation von im Ano dengas enthaltenem Wasserdampf entstanden ist, weist ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem eine Trocknungseinrichtung 4 auf. Im Ausführungsbei spiel der Fig. 1 ist die Trocknungseinrichtung 4 über ein erstes stromlos offenes Ventil 8 an den Versorgungspfad 2 und über ein zweites stromlos offenes Ven til 10 an den Rezirkulationspfad 3 angebunden. Die Trocknungseinrichtung 4 ist somit parallel zur Anode 1 angeordnet. Die Trocknungseinrichtung 4 ist vorzugs weise als Adsorber ausgeführt, wobei als Adsorber insbesondere ein mit Zeolith gefüllter Behälter dienen kann. Durch das mindestens eine stromlos offene Ventil 8, 10 wird während eines Be triebsstillstands im Anodengas enthaltenes Wasser adsorbiert, so dass dieses bei entsprechend tiefen Umgebungstemperaturen nicht gefriert. Während des nachfolgenden Startens des Brennstoffzellensystems bleibt das mindestens eine Ventil 8, 10 geöffnet, so dass weiterhin Wasser adsorbiert und eine Vereisung des Systems oder einzelner Systemkomponenten verhindert wird. Insbesondere wird Wasser adsorbiert, das erst während der Startphase durch Kondensation entstanden ist. Bei gestiegenen Umgebungstemperaturen bzw. im Normalbetrieb des Brennstoffzellensystems, wenn sich die Temperatur im System sicher ober halb der Frosttemperatur befindet, wird das mindestens eine stromlos offene Ventil 8, 10 geschlossen, so dass keine Verbindung der Trocknungseinrichtung 4 mit dem Versorgungspfad 2 und dem Rezirkulationspfad 3 mehr besteht. Die Trocknungseinrichtung 4 wird somit nicht weiter mit Wasser beladen. Um die Be ladung der Trocknungseinrichtung 4 mit Wasser zu senken, kann das mindes tens eine stromlos offene Ventil 8, 10 wieder geöffnet werden, so dass durch Desorption Wasser von der Trocknungseinrichtung 4 an das Anodengas abge geben wird. Dies setzt voraus, dass sich im Versorgungspfad 2 und/oder im Re zirkulationspfad 3 weitgehend trockenes Anodengas befindet. Dies ist beispiels weise der Fall, wenn es sich um dem Tank 6 entnommenes frisches Anodengas oder um „trockengefahrenes“ Anodengas handelt. Zum „Trockenfahren“ muss le diglich das Spülventil 16 häufiger geöffnet werden.
Der Fig. 2 ist eine Abwandlung der Ausführungsform der Fig. 1 zu entnehmen. Anstelle eines zweiten stromlos offenen Ventils 10 ist die Trocknungseinrich tung 4 über ein Rückschlagventil 11 mit dem Rezirkulationspfad 3 verbunden bzw. verbindbar. Das Rückschlagventil 11 öffnet in Richtung des Rezirkulations- pfads 3, so dass hiermit die Strömungsrichtung des Anodengases durch die Trocknungseinrichtung 4 vorgegeben ist.
Eine weitere Abwandlung der Ausführungsform der Fig. 1 ist in der Fig. 3 darge stellt. Hier ist zusätzlich im Rezirkulationspfad 3 ein Gebläse 5 angeordnet, das die Rezirkulation von Anodengas fördert.
Die Fig. 4 zeigt eine entsprechende Abwandlung der Ausführungsform der Fig. 2, das heißt die Ausführungsform der Fig. 2 mit einem Gebläse 5 im Rezirkulations pfad 3. Eine weitere bevorzugte Ausführungsform ist der Fig. 5 zu entnehmen. Hier ist die Verbindung der Trocknungseinrichtung 4 mit dem Versorgungspfad 2 über ein stromlos offenes Ventil 9 hergestellt, dass zwischen dem Dosierventil 14 und der Saugstrahlpumpe 12 in den Versorgungspfad 2 mündet. Über das Ventil 9 ist somit der Trocknungseinrichtung 4 frisches und damit weitgehend trockenes Anodengas aus dem Tank 6 zuführbar, so dass durch die Zufuhr von trockenem Wasserstoff die Desorption der Trocknungseinrichtung 4 begünstigt wird. Da der frische bzw. trockene Wasserstoff aus dem Tank 6 ggf. nicht heiß genug für eine schnelle Desorption ist, wird ferner vorgeschlagen, dass - wie beispiel haft in der Fig. 6 dargestellt - zusätzlich eine Heizeinrichtung 7 vorgesehen ist. Die für eine schnelle Desorption erforderliche Wärme kann somit über die Heiz einrichtung 7 eingebracht werden. Die dargestellte Variante weist zusätzlich den Vorteil auf, dass ein Ventil 8 bzw. 9 eingespart wird. Die Trocknungseinrichtung 4 wird durch ein einzelnes Ventil 10 sowohl während der Adsorptionsphase als auch während der Desorptionsphase angeströmt.
Eine weitere Variante ist in der Fig. 7 dargestellt. Hier ist die Trocknungseinrich- tung 4 über zwei stromlos offene Ventile 8, 9 mit dem Versorgungspfad 2 ver bunden. Analog der in der Fig. 5 dargestellten Ausführungsform kann somit der Trocknungseinrichtung 4 frisches bzw. trockenes Anodengas aus dem Tank 6 zugeführt werden, um die Desorption zu beschleunigen.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems, insbesondere ei nes PEM-Brennstoffzellensystems, bei dem ein Anodengas über einen Versor gungspfad (2) einer Anode (1) einer Brennstoffzelle zugeführt und über einen an die Anode (1) angeschlossenen Rezirkulationspfad (3) rückgeführt wird, wobei Wasserstoff als Anodengas verwendet wird, dadurch gekennzeichnet, dass während des Startens des Brennstoffzellensys tems das Anodengas über mindestens ein stromlos offenes Ventil (8, 9, 10) einer Trocknungseinrichtung (4), insbesondere einem Adsorber, zugeführt wird und dem Anodengas mit Hilfe der Trocknungseinrichtung (4) Wasser entzogen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass während des Betriebsstillstands des Brennstoff zellensystems das Anodengas über mindestens ein stromlos offenes Ventil (8, 9, 10) der Trocknungseinrichtung (4) zugeführt wird und dem Anodengas mit Hilfe der Trocknungseinrichtung (4) Wasser entzogen wird, wobei vorzugsweise der Betrieb eines im Rezirkulationspfad (3) angeordneten Gebläses (5) aufrecht erhalten wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass während des Betriebs des Brennstoffzellensys tems der Trocknungseinrichtung (4) Wasser durch Desorption entzogen wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass zur Förderung der Desorption während des Be triebs des Brennstoffzellensystems der Trocknungseinrichtung (4) frisches Ano dengas aus einem Tank (6) zugeführt wird und/oder die Trocknungseinrich tung (4) mit Hilfe einer Heizeinrichtung (7) beheizt wird.
5. Brennstoffzellensystem, insbesondere PEM-Brennstoffzellensystem, umfas send mindestens eine Brennstoffzelle mit einer Anode (1), die eintrittsseitig an einen Versorgungspfad (2) zur Zuführung eines Anodengases und austrittsseitig an einen Rezirkulationspfad (3) zur Rückführung des Anodengases angeschlos sen ist, gekennzeichnet durch eine Trocknungseinrichtung (4), insbesondere einen Ad sorber, die bzw. der über mindestens ein stromlos offenes Ventil (8, 9, 10) mit dem Versorgungspfad (2) und/oder dem Rezirkulationspfad (3) verbunden ist.
6. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Trocknungseinrichtung (4) über mindestens ein stromlos offenes Ventil (8, 9) mit dem Versorgungspfad (2) verbunden und über ein in Richtung des Rezirkulationspfads (3) öffnendes Rückschlagventil (11) mit dem Rezirkulationspfad (3) verbindbar ist.
7. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass im Versorgungspfad (2) eine Saugstrahlpum pe (12) und/oder im Rezirkulationspfad (3) ein Gebläse (5) zur Förderung der Rezirkulation des Anodengases angeordnet ist.
8. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Trocknungseinrichtung (4) eine Heizeinrich tung (7) aufweist.
9. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Trocknungseinrichtung (4) einen mit Zeolith gefüllten Behälter umfasst, der zumindest bereichsweise für das Anodengas durchlässig ausgestaltet ist, wobei vorzugsweise die Zeolithfüllung als Schüttung ausgeführt ist.
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