DE-102024210738-A1 - Filter für ein Brennstoffzellensystem und Brennstoffzellensystem

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Filter (7) für ein Brennstoffzellensystem (10), wobei der Filter (7) in einem Gehäuse (75) aufgenommen ist, das in einer Wasserstoffleitung (9) des Brennstoffzellensystems (10) integriert ist. Erfindungsgemäß ist der Filter (7) 3-stufig ausgeführt. Ferner umfasst die Erfindung ein Brennstoffzellensystem (10) mit zumindest einem erfindungsgemäßen Filter (7), umfassend ein Tanksystem (30), zumindest einen Brennstoffzellenstapel (11, 11.1, 11.2), ein Kühlsystem (23), zumindest ein Anodensubsystem (1), über das zumindest einem Brennstoffzellenstapel (11, 11.1, 11.2) über ein Wasserstoffdosierventil (5) Wasserstoff zuführbar ist, wobei der zumindest ein Filter (7, 7.1, 7.2, 7.3) in dem Gehäuse (75) aufgenommen ist, das in eine das Wasserstoffdosierventil (5) mit einem Tank (13) des Tanksystems (30) verbindende Wasserstoffleitung (9) integriert ist.

Inventors

• Tobias Falkenau
• Timo Bosch

Assignees

• Robert Bosch Gesellschaft mit beschränkter Haftung

Dates

Publication Date

20260507

Application Date

20241107

Claims (7)

1. Filter (7) für ein Brennstoffzellensystem (10), wobei der Filter (7) in einem Gehäuse (75) aufgenommen ist, das in einer Wasserstoffleitung (9) des Brennstoffzellensystems (10) integriert ist, dadurch gekennzeichnet , dass der Filter (7) 3-stufig ausgeführt ist.
2. Filter (7) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet , dass das Gehäuse (75) des Filters (7) über eine thermische Anbindung mit einem Kühlkreis (24) des Kühlsystems (23) des Brennstoffzellensystems (10) oder einem Brennstoffzellenstapel (11, 11.1, 11.2) des Brennstoffzellensystems (10) verbunden ist.
3. Filter (7) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass der Filter (7) in Reihe einen mechanischen Filter (70), einen photokatalytischen Filter (71) und einen Adsorptionsfilter (72) aufweist.
4. Filter (7) nach Anspruch 3 , dadurch gekennzeichnet , dass der mechanische Filter (70), insbesondere aus einem porösem Filtermaterial gebildet ist, wobei das poröse Filtermaterial zum Filtern von Verunreinigungen mit einer Partikelgröße zwischen 10 µm und 100 µm ausgebildet ist.
5. Filter (7) nach Anspruch 3 , dadurch gekennzeichnet , dass der photokatalytischen Filter (71), insbesondere ein katalytisches Material aufweist, wobei das katalytisches Material in Gegenwart von Licht zum Abbau von Verunreinigungen in gasförmigen Wasserstoff ausgebildet ist.
6. Filter (7) nach Anspruch 3 , dadurch gekennzeichnet , dass der Adsorptionsfilter (72), insbesondere aus einem Aktivkohlefilter gebildet ist, wobei der Aktivkohlefilter zum Filtern von adsorptionsfähige Verunreinigungen ausgebildet ist.
7. Brennstoffzellensystem (10) mit zumindest einem Filter (7) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend ein Tanksystem (30), zumindest einen Brennstoffzellenstapel (11, 11.1, 11.2), ein Kühlsystem (23), zumindest ein Anodensubsystem (1), über das zumindest einem Brennstoffzellenstapel (11, 11.1, 11.2) über ein Wasserstoffdosierventil (5) Wasserstoff zuführbar ist, wobei der zumindest ein Filter (7, 7.1, 7.2, 7.3) in dem Gehäuse (75) aufgenommen ist, das in eine das Wasserstoffdosierventil (5) mit einem Tank (13) des Tanksystems (30) verbindende Wasserstoffleitung (9) integriert ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Filter für ein Brennstoffzellensystem und ein Brennstoffzellensystem. Bevorzugter Anwendungsbereich der Erfindung sind Filter für Brennstoffzellensysteme, insbesondere für mobile Brennstoffzellensysteme bzw. für Brennstoffzellenfahrzeuge. Stand der Technik Wasserstoffbasierte Brennstoffzellen wandeln Wasserstoff und Sauerstoff in elektrische Energie, Wärme und Wasser. Zur Steigerung der elektrischen Leistung werden eine Vielzahl von Brennstoffzellen gestapelt und zu einem Brennstoffzellenstapel, dem sogenannten Stack, zusammengefasst. Der Wasserstoff wird einem Anodenbereich des Stacks und der Sauerstoff - in Form von Umgebungsluft - einem Kathodenbereich des Stacks zugeführt. Die Versorgung des Anodenbereichs eines Stacks mit Wasserstoff erfolgt über ein Anodensubsystem. Dieses umfasst einen Anodenkreis, über den frischer Wasserstoff aus einem Tank zugeführt wird. In wasserstoffbetriebenen Fahrzeugen wird der Wasserstoff, bzw. Kraftstoff in Druckgasbehältern oder Kryogen gespeichert. Dabei liegt ein gasförmiger Kraftstoff bei Drücken von bis zu 875 bar und Temperaturen zwischen -40 und 85 °C vor und in flüssiger Form bei Drücken bis zu 20 bar und Temperaturen bis zu -250 °C. Um Komponenten stromabwärts im Wasserstoffversorgungssystem zu schützen, wird der Wasserstoff in Extrembereichen zwischen minimal -40 °C und maximal 120 °C eingeschränkt, wobei die Eintrittstemperatur idealerweise zwischen minimal -20 °C und maximal 95 °C liegt. Die Versorgung von Brennstoffzellensystemen in Fahrzeugen erfolgt in der Regel mit Wasserstoff in genormter Qualität, wobei die darin vorgegebenen Grenzwerte von Stoffen im Wasserstoff den Betrieb über eine gewünschte Lebensdauer von Brennstoffzellen reversibel und/oder irreversibel beeinflussen können. Insbesondere in PEM Brennstoffzellensystemen kommt es durch den Einfluss von Verunreinigungen zu Einbußen in der Leistung, der Lebensdauer und der Effizienz. Üblicherweise wird der Kraftstoff in Brennstoffzellensystemen, insbesondere im Anodenkreislauf rezirkuliert, wobei sich in dem geschlossenen Anodenkreislauf weitere Gase außer Wasserstoff über den Betrieb anreichern können. Aus diesem Grund muss das System regelmäßig gespült werden, wobei Kraftstoff, bzw. Wasserstoff verloren geht. Diese und durch weitere Effekte auftretende Effizienzverluste müssen in der Maximallastauslegung eines Brennstoffzellensystems berücksichtig werden, wobei dieser Vorhalt insbesondere in der Brennstoffzellen-, bzw. Stackauslegung oder der Auslegung weiterer Komponenten aufwändig und teuer ist. Die vorliegende Erfindung ist mit der Aufgabe befasst, den Eintrag von Verunreinigungen in den Anodenbereich eines Brennstoffzellenstapels zu verhindern oder zumindest zu verringern. Zur Lösung der Aufgabe wird ein Filter für ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Brennstoffzellensystem nach Anspruch 7 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen. Offenbarung der Erfindung Die Erfindung betrifft einen Filter für ein Brennstoffzellensystem, wobei der Filter in einem Gehäuse aufgenommen ist, das in einer Wasserstoffleitung des Brennstoffzellensystems integriert ist. Erfindungsgemäß ist der Filter 3-stufig ausgeführt. Mit Hilfe des 3-stufigen Filters können feste Bestandteile bzw. Partikel aus der Wasserstoffleitung, bzw. dem Wasserstoff entfernt werden, bevor dieser über einen Anodenkreis einem Brennstoffzellenstapel, bzw. dem sogenannten Stack zugeführt wird. Auf diese Weise wird der Eintrag von Partikeln über das Wasserstoff verhindert oder zumindest verringert. Der 3-stufige Filter kann auch als kaskadierter Filter bezeichnet werden, wobei dieser in mehreren Stufen Verunreinigungen aus dem Wasserstoff entfernt. Dadurch kann eine Reduktion von Durchflüssen und damit eine Reduktion der Lasten an den wasserstoffführenden Komponenten erzielt werden, wodurch in vorteilhafter Weise ein Effizienzgewinn erzielt werden kann, da reversible und irreversible Schädigungsmechanismen minimiert sind. Ferner ermöglicht die Erfindung weniger energie- und kraftstoffintensivere Regenerationsprozeduren im Betrieb. Des Weiteren vermeidet die Erfindung, dass durch schlechte Filterleistung ein kosten- und bauraumintensiver Vorhalt in der Maximallast- und Lebensdauerauslegung des Stacks und anderen Komponenten notwendig ist. In einer bevorzugten Weiterbildung ist das Gehäuse des Filters über eine thermische Anbindung mit einem Kühlkreis eines Kühlsystems des Brennstoffzellensystems oder einem Brennstoffzellenstapel des Brennstoffzellensystems verbunden. Da beispielsweise bei tiefen Umgebungstemperaturen der Filter insbesondere durch Eisbildung blockiert sein kann, kann der Filter durch die thermische Anbindung erwärmt werden und dadurch in vorteilhafter Weise ein Blockieren des Filters verhindert werden. Das den Filter aufnehmende Gehäuse wird demnach von einem Medium durchströmt, das temperiert ist, so dass dieses zum schn