WO2023208714A1 - Brennstoffzellensystem und trocknungsverfahren zum trocknen von brennstoffzellen eines brennstoffzellensystems - Google Patents

Brennstoffzellensystem und trocknungsverfahren zum trocknen von brennstoffzellen eines brennstoffzellensystems Download PDF

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Helerson Kemmer
Jochen Braun
Mark Hellmann
Matthias Rink
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Definitions

  • the invention presented relates to a fuel cell system and a drying method for drying fuel cells of a fuel cell system.
  • a polymer electrolyte (PEM) fuel cell system consists of several subsystems, in particular an anode subsystem or hydrogen system (HyS) that supplies an anode of the fuel cell system with hydrogen.
  • PEM polymer electrolyte
  • HyS hydrogen system
  • a hydrogen metering valve HGI
  • purge valve opens a connection to a mixing point downstream of a cathode of the fuel cell system.
  • the anode fluid consisting of hydrogen, nitrogen and water vapor released through the purge valve is mixed with the depleted air from the cathode.
  • AirS An air system
  • conditioned air i.e. air whose pressure, temperature and humidity are set.
  • the AirS has a bypass around the cathode to extend system operation by systemically extending a limit of a compressor map.
  • a cooling system dissipates heat loss from a fuel cell stack of the fuel cell system to the environment via a cooler. Due to a limited operating temperature of a PEM fuel cell system and a Limited cooling capacity of the cooling system can lead to cooling problems during operation.
  • the invention presented serves to provide a robust fuel cell system.
  • the presented invention serves to minimize local drying out of fuel cells during a drying process in preparation for a freezing start.
  • a fuel cell system includes a fuel cell stack with a plurality of fuel cells, a recirculation path that is fluidly connected to a cathode tract of the fuel cell stack, an air system for supplying the fuel cell system with air, at least one actuator and a computing unit.
  • the at least one actuator is configured to allow a fluid to circulate in the recirculation path through the fuel cell stack in a first setting state, and to divert fluid flowing out of the fuel cell stack into an environment in a second setting state.
  • the computing unit is configured to activate a homogenization operation of the fuel cell system in order to evenly distribute water present in the fuel cell stack in the fuel cell stack, and wherein the computing unit is configured in the homogenization operation to switch the at least one actuator to the first actuating state and the air system to activate.
  • an actuator is to be understood as an element that can be switched between a fluid-conducting state and a non-fluid-conducting state.
  • an actuator can be a valve, in particular a 3/2-way valve.
  • an air system is to be understood as a system for conveying air.
  • An air system may include a pump or a compressor and/or an actuator and/or a bypass line.
  • the fuel cell system presented is based on a homogenization operation, in which an actuator, by means of which the recirculation path of the fuel cell system presented can be activated, i.e. supplied with fluid or deactivated, i.e. excluded from a supply of fluid, is switched to a first actuating state, so that from the fuel cell stack outflowing fluid circulates in the recirculation path of the cathode tract.
  • an actuator by means of which the recirculation path of the fuel cell system presented can be activated, i.e. supplied with fluid or deactivated, i.e. excluded from a supply of fluid, is switched to a first actuating state, so that from the fuel cell stack outflowing fluid circulates in the recirculation path of the cathode tract.
  • the homogenization operation is particularly suitable for use in a drying process, for example. when switching off the fuel cell stack.
  • the computing unit is configured to activate the homogenization operation before a bleed-down of the fuel cell stack.
  • the homogenization operation By activating the homogenization operation before a bleed-down, i.e. an outflow of operating fluids from the fuel cell stack, electrical energy provided by the fuel cell stack can be used to operate the air system of the fuel cell system presented and to activate the recirculation path, for example by introducing air into the Recirculation path is guided. Accordingly, the homogenization operation, if activated before bleed-down, can be carried out freely or without technical restrictions.
  • the fuel cell system only recirculates part of the cathode exhaust gas and discharges another part to an environment.
  • Partial recirculation allows the load acting on the air system to be adjusted.
  • the air system comprises an electrically driven turbomachine coupled to a battery and the computing unit is configured to activate the homogenization operation after a bleed-down of the fuel cell stack, in particular with the shut-off valves closed.
  • a turbomachine coupled to a battery
  • the recirculation path of the fuel cell system presented can be activated or supplied with air regardless of the state of the fuel cell stack.
  • the homogenization operation can be activated after a bleed-down or when the fuel cell stack is deactivated.
  • the homogenization operation can be activated, for example, in several repetitions spaced apart in time, in particular several minutes, so that moisture accumulating on the fuel cells of the fuel cell stack is distributed homogeneously several times.
  • the fuel cell system includes an anode recirculation system
  • the computing unit is configured to activate the anode recirculation system at least temporarily when the homogenization operation is activated.
  • the computing unit is configured to alternately switch the at least one actuator to the first positioning state and the second positioning state in order to alternately dry the fuel cell stack and distribute water in the fuel cell stack.
  • the air system includes a cathode recirculation fan and the computing unit is configured to activate the cathode recirculation fan when the homogenization operation is activated.
  • a cathode recirculation blower ie a blower that works independently of an air supply to supply the fuel cell stack with air in normal operation or an additional blower unit, the recirculation operation can be set freely or without technical restrictions due to the requirements of the fuel cell system itself.
  • the fuel cell system comprises a first actuator and a second actuator, between which the cathode recirculation fan is arranged in order to minimize leakage from the outside through the cathode recirculation fan.
  • blowers Since a blower usually includes rotating parts and is connected to an environment in order to suck in air, blowers are susceptible to leaks or incorrect air, so that shutting off the cathode recirculation blower using two actuators contributes to efficient and robust normal operation of the fuel cell system presented.
  • the fuel cell system comprises a first shut-off valve and a second shut-off valve, with the first shut-off valve being arranged in front of the recirculation path and the second shut-off valve being arranged behind the recirculation path.
  • shut-off valves of the fuel cell system By arranging shut-off valves of the fuel cell system in such a way that they enclose or surround the recirculation path, the homogenization operation can also take place with the shut-off valves closed.
  • the fuel cell system includes a third shut-off valve, which is arranged in the recirculation path in front of the cathode tract in order to minimize leakage of the fuel cell system.
  • a third shut-off valve which is arranged in the recirculation path and in front of the cathode tract, maximizes the tightness of the fuel cell system when the fuel cell system is switched off or deactivated, so that leaks are minimized.
  • the air system comprises a first compressor and a further compressor and the recirculation path opens into an air guide path between the first compressor and the further compressor.
  • a particularly energy-efficient homogenization operation can be achieved using a multi-stage air system if only one stage of the air system is used to supply the recirculation path with air.
  • the presented invention relates to a drying method for drying fuel cells of a fuel cell system.
  • the drying method includes activating a homogenization operation of the fuel cell system, wherein moisture present in the fuel cell stack is evenly distributed in the fuel cell stack by the homogenization operation by switching at least one actuator of the fuel cell system to a first actuating state and activating an air system of the fuel cell system, wherein the at least one actuator In the first positioning state, fluid flowing out of the fuel cell stack is allowed to circulate in a recirculation path of the fuel cell system that is fluidly connected to a cathode tract of the fuel cell stack, and in a second positioning state, fluid flowing out of the fuel cell stack is diverted into an environment.
  • Figure 1 is a schematic representation of a possible embodiment of the fuel cell system presented.
  • Figure 2 is a schematic representation of a further possible embodiment of the fuel cell system presented.
  • FIG. 3 is a schematic representation of yet another possible embodiment of the fuel cell system presented.
  • FIG. 6 shows a representation of yet another possible embodiment of the drying process presented
  • Figure 7 shows a representation of yet another possible embodiment of the drying process presented.
  • a fuel cell system 100 is shown in FIG.
  • the fuel cell system 100 includes a fuel cell stack 101 with a cathode tract 103.
  • the cathode tract 103 is fluidly connected to a recirculation path 105 via a first actuator 107.
  • the fuel cell system 100 includes a computing unit 109.
  • the computing unit 109 switches the first actuator 107 to a first actuating state and activates an air system 111, so that fluid in the recirculation path flows through the recirculation path 105 and, as a result, circulates through the fuel cell stack 101.
  • gases contained in the fluid mix together a homogeneous mixture, so that in particular a homogeneous moisture occurs in the recirculation path 105 and, as a result, in the fuel cell stack 101.
  • the recirculation path 105 optionally opens between an air filter 113 and a compressor 115 of the air system 111, the air system 111 also comprising a cooler 117.
  • the cathode tract 103 can optionally be shut off by a first shut-off valve 119 and a second shut-off valve 121 in order to minimize leaks through the recirculation path 105.
  • an exhaust gas path for discharging fluid into an environment can be opened or closed.
  • the fuel cell system 100 according to Figure 1 has been expanded to include a cathode recirculation blower 201.
  • the cathode recirculation fan 201 can be controlled independently of the air system 111, which here includes an optional humidifier 205.
  • the cathode recirculation fan 201 can be coupled, for example, to an electric battery in order to be able to be operated independently of an operating state of the fuel cell stack 101.
  • the cathode recirculation blower 201 enables a compact design of the recirculation path 105, which in the present case is arranged between the shut-off valves 119 and 121, so that the entire recirculation path 105 can be shut off and correspondingly protected against leaks from the outside.
  • the fuel cell system 100 has been expanded to include a two-stage air system 111.
  • the air system 111 includes a first compressor stage 301, which is driven by an electric motor, for example, and a second compressor stage 303, which is driven, for example, by an exhaust gas enthalpy.
  • the recirculation path 105 opens here between the two compressor stages 301 and 303 in an intermediate pressure level, which leads to an increase in the efficiency of the fuel cell system, since the first compressor stage 301 can be operated independently of the homogenization operation, i.e. can be operated independently of the recirculation flow rate of the homogenization operation.
  • a drying process 400 is shown in FIG.
  • the drying process 400 starts from normal operation 401 of a fuel cell system.
  • a drying procedure for drying fuel cells of the fuel cell system is initiated in a drying step 403, in which air flows through the fuel cells.
  • a homogenization operation of the fuel cell system is activated in an activation step 405, through which moisture present in the fuel cell stack is evenly distributed in the fuel cell stack by switching at least one actuator of the fuel cell system to a first actuating state and activating an air system of the fuel cell system wherein the at least one actuator in the first positioning state allows fluid flowing out of the fuel cell stack to circulate in a recirculation path of the fuel cell system that is fluidly connected to a cathode tract of the fuel cell stack, and in a second positioning state diverts fluid flowing out of the fuel cell stack into an environment.
  • the activation step 405 takes place, for example, after the drying step 403 or during the drying step 403.
  • a deactivation step 407 the fuel cell system is completely deactivated, which, for example, leads to a bleed-down of a fuel cell stack of the fuel cell system.
  • FIG. 5 shows an embodiment of the drying process 400, in which the activation step 405 takes place in parallel to a bleed-down 501 of the fuel cell stack, for example by using a recirculation fan supplied with electrical power by a battery.
  • FIG. 6 shows an embodiment of the drying method 400, in which the activation step 405 is repeated, in particular repeated alternately with the drying step 403, in order to avoid excessive drying out of fuel cells of the fuel cell system due to drying times that are too long.
  • FIG. 7 shows a combination of the embodiments of the drying process 400 according to FIGS. 5 and 6, in which the activation step 405 takes place parallel to a bleed-down 501 of the fuel cell stack and is repeated alternately with the drying step 403.

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Abstract

Die vorgestellte Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem (100) zum Wandeln von Energie. Das Brennstoffzellensystem (100) umfasst einen Brennstoffzellenstapel (101) mit einer Vielzahl Brennstoffzellen, einen Rezirkulationspfad (105), der mit einem Kathodentrakt (103) des Brennstoffzellenstapels (101) fluidleitend verbunden ist, ein Luftsystem (111) zum Versorgen des Brennstoffzellensystems (100) mit Luft, mindestens ein Stellglied (107, 123) und eine Recheneinheit (109).

Description

Beschreibung
Titel
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ren zum Trocknen von
Brennstoffzellen eines
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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.

Claims

Ansprüche
1. Brennstoffzellensystem (100) zum Wandeln von Energie, wobei das Brennstoffzellensystem (100) umfasst:
- einen Brennstoffzellenstapel (101) mit einer Vielzahl Brennstoffzellen,
- einen Rezirkulationspfad (105), der mit einem Kathodentrakt (103) des Brennstoffzellenstapels (101) fluidleitend verbunden ist,
- ein Luftsystem (111) zum Versorgen des Brennstoffzellensystems (100) mit Luft,
- mindestens ein Stellglied (107, 123),
- eine Recheneinheit (109), wobei das mindestens eine Stellglied (107, 123) dazu konfiguriert ist, in einem ersten Stellzustand ein Fluid in dem Rezirkulationspfad (105) durch den Brennstoffzellenstapel (101) zirkulieren zu lassen, und in einem zweiten Stellzustand aus dem Brennstoffzellenstapel (101) ausströmendes Fluid in eine Umgebung abzuleiten, wobei die Recheneinheit (109) dazu konfiguriert ist, einen Homogenisierungsbetrieb des Brennstoffzellensystems zu aktivieren, um in dem Brennstoffzellenstapel (101) vorhandenes Wasser gleichmäßig in dem Brennstoffzellenstapel (101) zu verteilen, und wobei die Recheneinheit (109) in dem Homogenisierungsbetrieb dazu konfiguriert ist, das mindestens eine Stellglied (107, 123) in den ersten Stellzustand zu schalten und das Luftsystem (111) zu aktivieren.
2. Brennstoffzellensystem (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Recheneinheit (109) dazu konfiguriert ist, den Homogenisierungsbetrieb vor einem bleed-down des Brennstoffzellenstapels (101) zu aktivieren.
3. Brennstoffzellensystem (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Brennstoffzellensystem (100) in dem ersten Stellzustand lediglich einen Teil des Kathodenabgases rezirkuliert und einen anderen Teil an eine Umgebung abführt. Brennstoffzellensystem (100) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Luftsystem (111) eine elektrisch angetriebene und mit einer Batterie gekoppelte Turbomaschine umfasst und die Recheneinheit dazu konfiguriert ist, den Homogenisierungsbetrieb nach einem bleed-down des Brennstoffzellenstapels (101), insbesondere bei geschlossenen Absperrventilen (119, 121), zu aktivieren. Brennstoffzellensystem (100) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Brennstoffzellensystem (100) ein Anodenrezirkulationssystem umfasst, und die Recheneinheit (109) dazu konfiguriert ist, das Anodenrezirkulationssystem zumindest zeitweise zu aktivieren, wenn der Homogenisierungsbetrieb aktiviert ist. Brennstoffzellensystem (100) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Recheneinheit (109) dazu konfiguriert ist, das mindestens eine Stellglied (107, 123) abwechselnd in den ersten Stellzustand und den zweiten Stellzustand zu schalten, um ein abwechselndes Trocknen des Brennstoffzellenstapels (1019 und Verteilen von Wasser in dem Brennstoffzellenstapel (101) zu bewirken. Brennstoffzellensystem (100) nach einem der voranstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass das Luftsystem (111) ein Kathodenrezirkulationsgebläse (201) umfasst und die Recheneinheit (109) dazu konfiguriert ist, das Kathodenrezirkulationsgebläse (201) zu aktivieren, wenn der Homogenisierungsbetrieb aktiviert ist. Brennstoffzellensystem (100) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Brennstoffzellensystem (100) ein erstes Stellglied (119) und ein zweites Stellglied (121) umfasst, zwischen denen das Kathodenrezirkulationsgebläse (201) angeordnet ist, um den Einfluss einer Leckage durch das Kathodenrezirkulationsgebläse (201) auf den abgestellten Brennstoffzellenstapel (101) zu minimieren. Brennstoffzellensystem (100) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Brennstoffzellensystem (100) ein erstes Absperrventil (119) und ein zweites Absperrventil (121) umfasst, wobei das erste Absperrventil (119) vor dem Rezirkulationspfad (105) und das zweite Absperrventil (121) hinter dem Rezirkulationspfad (105) angeordnet ist. Brennstoffzellensystem (100) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Brennstoffzellensystem (100) ein drittes Absperrventil umfasst, das in dem Rezirkulationspfad (105) vor dem Kathodentrakt (103) angeordnet ist, um eine Leckage des Brennstoffzellensystems (100) zu minimieren. Brennstoffzellensystem (100) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Luftsystem (111) eine erste Verdichterstufe (301) und eine weitere Verdichterstufe (303) umfasst und der Rezirkulationspfad (105) in einem Luftleitpfad zwischen der ersten Verdichterstufe (301) und der weiteren Verdichterstufe (303) mündet. Trocknungsverfahren (400) zum Trocknen von Brennstoffzellen eines Brennstoffzellensystems (100), wobei das Trocknungsverfahren (400) umfasst:
- Aktivieren (403) eines Homogenisierungsbetriebs des Brennstoffzellensystems (100), wobei durch den Homogenisierungsbetrieb in den Brennstoffzellen vorhandene Feuchte gleichmäßig verteilt wird, indem mindestens ein Stellglied (107, 123) des Brennstoffzellensystems (100) in einen ersten Stellzustand geschaltet und ein Luftsystem (111) des Brennstoffzellensystems (100) aktiviert wird, wobei das mindestens eine Stellglied (107, 123) in dem ersten Stellzustand aus einem Brennstoffzellenstapel (101) des Brennstoffzellensystems (100) ausströmendes Fluid in einem mit einem Kathodentrakt (103) des Brennstoffzellenstapels (101) fluidleitend verbundenen Rezirkulationspfad (105) des Brennstoffzellensystems (100) zirkulieren lässt, und in einem zweiten Stellzustand aus dem Brennstoffzellenstapel (101) ausströmendes Fluid in eine Umgebung ableitet.
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