DE10150386A1

DE10150386A1 - Verfahren zum Abschalten eines Brennstoffzellensystems

Info

Publication number: DE10150386A1
Application number: DE10150386A
Authority: DE
Inventors: Rolf-Peter Essling; Wolfram Faas; Manfred Strohmaier; Andreas Zauner; Michael Kurrle; Erik Theis
Original assignee: Ballard Power Systems AG; Siemens VDO Electric Drives Inc
Current assignee: Mercedes Benz Fuel Cell GmbH
Priority date: 2001-10-11
Filing date: 2001-10-11
Publication date: 2003-04-30
Anticipated expiration: 2021-10-12
Also published as: DE10150386B4

Abstract

Ein Verfahren dient zum Abschalten eines Brennstoffzellensystems, welches wenigstens eine Brennstoffzelle mit einer protonenleitenden Membran umfaßt. In einem ersten Schritt werden die Betriebsparameter von Betriebsstoffen, welche der Brennstoffzelle zugeführt werden, in der Art verändert, daß die Brennstoffzelle getrocknet wird. In einem zweiten Schritt wird dann die Dosierung der anodenseitigen Betriebsstoffe in das Brennstoffzellensystem unterbrochen. In einem dritten Schritt wird, sobald im Bereich einer Anode der Brennstoffzelle keine Betriebsstoffe mehr vorliegen, die Dosierung der kathodenseitigen Betriebsstoffe unterbrochen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abschalten eines Brennstoffzellensystems, welches wenigstens eine Brennstoffzelle mit einer protonenleitenden Membran umfaßt.

Es ist bekannt, daß Brennstoffzellensysteme im allgemeinen mit Wasserstoffgasen oder dergleichen betrieben werden. Um nun beim Abschalten eines derartigen Brennstoffzellensystems in den Leitungslängen und in der Brennstoffzelle selbst keine gefährlichen Gemische aus dem wasserstoffhaltigen Gas und Luft zu erhalten, ist es allgemein bekannt und üblich, derartige Brennstoffzellensysteme nach dem Ende der eigentlichen Betriebszeit in einer Nachlaufphase zu betreiben, in welcher diese restlichen Betriebsstoffe aufgebraucht werden.

Meist entsteht dennoch das Problem, daß die Brennstoffzellen häufig trotz der oben genannten Nachlaufphase in einem undefinierten Zustand zum Stillstand kommen, nämlich dann, wenn die Zellspannung abfällt, bevor der Betriebsstoff, im allgemeinen das wasserstoffhaltige Gas, vollends aufgebraucht ist.

Hinsichtlich eines unmittelbar danach oder auch später erfolgenden Wiederstarts des Brennstoffzellensystems ist dies sehr ungünstig, da entsprechend lange Startzeiten erforderlich sind, um das Brennstoffzellensystem zuerst in einen definierten Zustand zu bringen und dann zu starten.

Des weiteren ist es möglich, daß sich in dem Brennstoffzellensystem, insbesondere im Bereich der Membran, Feuchtigkeit ansammelt, welche bei entsprechend schlechten Umgebungsbedingungen, wie Frost oder dergleichen, zu einem Einfrieren und gegebenenfalls zu einer bleibenden Beschädigung des Brennstoffzellensystems führen kann.

Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, diese oben genannten Nachteile zu vermeiden und ein Verfahren zum Abschalten eines Brennstoffzellensystems zu schaffen, welches das Brennstoffzellensystem in einem definierten frostsicheren Zustand hinterläßt, welcher darüber hinaus geeignet ist, kurze Startzeiten zu gewährleisten.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im Anspruch 1 genannten Verfahrensschritte gelöst.

Dadurch, daß die entsprechenden Schritte durchlaufen werden, kommt es zu einer Trocknung der Brennstoffzelle während der Abschaltphase sowie zu einer Entleerung sämtlicher anodenseitiger Betriebsstoffe durch deren Verbrauch in dem Brennstoffzellensystem. Damit kann sichergestellt werden, daß keine schädlichen Emissionen, beispielsweise an Wasserstoff oder bei der Verwendung eines Gaserzeugungssystems an wasserstoffhaltigem Gas und entsprechenden Ausgangsstoffen, wie Methanol oder dergleichen, in die Umgebung gelangen. Zusätzlich ist die Brennstoffzelle, dadurch, daß sie getrocknet worden ist, frostsicher und das gesamte System mittelbar für einen Wiederstart vorbereitet, da keine Feuchtigkeit in dem System vorhanden ist, welche für den Wiederstart eingesetzte Elemente, wie beispielsweise katalytische Brenner oder dergleichen, aufgrund eines Zusetzen des Katalysators mit Feuchtigkeit in ihrer Aktivität hemmen könnte. Der in der Nachlaufphase durch den Verbrauch der restlichen vorhandenen Betriebsstoffe und durch den Weiterbetrieb, bis ein entsprechendes Trocknen der Brennstoffzelle erreicht ist, entstehende Strom, kann beispielsweise zum Antrieb des für die kathodenseitige Luftdosierung genutzten Kompressors verwendet werden oder, insbesondere bei Hybridsystemen auch in eine Batterie eingeladen werden, so daß diese Energie beim Wiederstart zur Verfügung steht.

Als Kriterium dafür, daß die Brennstoffzelle entsprechend trocken ist, kann das Unterschreiten eines Grenzwerts in der von der Brennstoffzelle gelieferten Spannung genutzt werden, wobei hier anzumerken wäre, daß dieser Vorgang des Trocknens der Brennstoffzelle den weitaus größten Zeitraum während des Verfahrens zum Abschalten eines Brennstoffzellensystems einnimmt. Dieser erste Schritt des Verfahrens kann bis in den Bereich von Minuten andauern, während die zwei anderen Schritten jeweils nur wenige Sekunden beanspruchen.

In einer besonders günstigen Weiterbildung der Erfindung ist es daher vorgesehen, daß bei einem Wiederstart des Brennstoffzellensystems bei noch nicht abgeschlossenem Durchlauf der drei Verfahrensschritte bis zum Erreichen einer unteren Grenzspannung des Brennstoffzellensystems, welche kurz vor Ende des zweiten Verfahrensschritts erfaßt wird, die Betriebsparameter von ihren aktuellen Werten wieder auf die Werte für einen bestimmungsgemäßen Betrieb des Brennstoffzellensystems verändert werden.

Dies bedeutet also, daß die Dosierung des anodenseitigen Betriebsstoffs wieder aufgenommen wird, falls sich das Verfahren bereits im zweiten Schritt der Abschaltprozedur befindet. Sollte sich das Verfahren zum Zeitpunkt dieses gewünschten Wiederstarts noch im ersten Schritt der Abschaltprozedur befinden, so müssen die aktuell vorliegenden Betriebsparameter lediglich "eingefroren" werden und können dann in einer besonders günstigen Weiterbildung der Erfindung kontinuierlich wieder auf die für einen bestimmungsgemäßen Betrieb notwendigen Werte hochgefahren werden.

Damit entsteht der entscheidende Vorteil, daß das Verfahren zum Abschalten des Brennstoffzellensystems bis kurz vor Ende des zweiten Verfahrensschritts jederzeit unterbrochen werden kann, so daß die Abschaltprozedur und insbesondere die Nachlaufphase nicht komplett abgewartet werden muß ehe wieder gestartet werden darf, sondern daß der sofortige Wiederstart möglich wird.

Dies hat insbesondere bei einer bevorzugten Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens für Brennstoffzellensysteme mit Gaserzeugungssystemen in einem Kraftfahrzeug eine große Bedeutung. Hier kann der Betreiber des Fahrzeugs anhalten und sein Fahrzeug abstellen und kann dies nach wenigen Minuten, beispielsweise nach einem kurzen Einkauf oder dergleichen, sofort wieder starten. Müßte er den gesamten Ablauf der Nachlaufphase erst abwarten, so könnte die Situation auftreten, daß er bei einem entsprechend kurzen Stopp noch einige Minuten abwarten muß, ehe der Wiederstart nach erfolgter Nachlaufphase möglich wird. Dies würde sicherlich einen gravierenden Nachteil für ein derartiges Fahrzeug darstellen, so daß in dem erfindungsgemäßen Verfahren eine sehr vorteilhafte Möglichkeit gesehen werden muß, eine Abschaltprozedur für ein Brennstoffzellensystem zu realisieren.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens ergeben sich aus den restlichen Unteransprüchen sowie aus dem anhand der Zeichnung nachfolgend dargestellten Ausführungsbeispiel.

Die einzige beigefügte Figur zeigt eine prinzipmäßige Darstellung eines Brennstoffzellensystems, das zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet ist.

Das Verfahren gemäß der Erfindung eignet sich dabei besonders für Brennstoffzellensysteme in mobilen Einheiten, wie beispielsweise Kraftfahrzeugen, es ist jedoch auch prinzipiell für stationäre Systeme geeignet.

Nachfolgend wird das Verfahren anhand eines mit einem Gaserzeugungssystem betriebenen Brennstoffzellensystems beschrieben, soll aber nicht auf diese Ausführung beschränkt sein.
Die einzige beigefügte Figur zeigt ein Brennstoffzellensystem 1 mit einem Gaserzeugungssystem 2 und einer Brennstoffzelle 3, bei welcher eine protonenleitende Membran (PEM) 4 einen Anodenraum 5 von einem Kathodenraum 6 trennt. Das Gaserzeugungssystem 2 des Brennstoffzellensystems 1 wird über zwei Fördereinrichtungen 7 mit Methanol (CH₃OH) und Wasser (H₂O) versorgt, wobei diese beiden Ausgangsstoffe in einem vorgegebenen Mischungsverhältnis in das Gaserzeugungssystem 2 gelangen. Dort erfolgt eine entsprechende Umsetzung der Ausgangsstoffe in ein wasserstoffhaltiges Gas und Kohlendioxid, beispielsweise durch Heißdampfrefomierung oder dergleichen, in an sich bekannter Weise. Statt Methanol können auch andere reformierbare Betriebsmittel wie andere Alkohole, Kohlenwasserstoffe, Ether und dergleichen verwendet werden
Zwischen der eigentlichen Gaserzeugung im Gaserzeugungssystem 2 und der Brennstoffzelle 3 ist dann eine Kombination aus Kühler und Abscheider 8 angeordnet, in welcher flüssige Tröpfchen in dem wasserstoffhaltigen Gas abgeschieden werden und in welchem das wasserstoffhaltige Gas, welches in dem Gaserzeugungssystem 2 bei vergleichsweise hohen Temperaturen von 150 bis 300°C vorliegt, auf ein niedrigeres, für die Brennstoffzelle geeignetes Temperaturniveau von ca. 50 bis 100°C abgekühlt wird. Nach dieser Kombination aus Kühler und Abscheider 8 ist ein Druckhalteventil 9 angeordnet, über welches der Druck in dem Gaserzeugungssystem 2 beeinflußt werden kann.
Zwischen dem Druckhalteventil 9 und der Brennstoffzelle 3 ist hier ein optionaler Befeuchter 10 angedeutet, welcher bei einem derartigen Aufbau mit Gaserzeugungssystem 2 im allgemeinen nicht notwendig ist, jedoch bei einem System, bei welchem die Komponenten 2, 7, 8 in Strömungsrichtung vor dem Druckhalteventil 9 als Wasserstoffspeicher ausgebildet sind, sehr wichtig ist. Damit kann dann sichergestellt werden, daß die der Anodenseite der Brennstoffzelle 3 zugeführten Betriebsstoffe eine ausreichende Feuchtigkeit haben, um die Membran 4 in der Brennstoffzelle 3 während des bestimmungsgemäßen Betriebs ausreichend zu befeuchten.
Die kathodenseitige Versorgung der Brennstoffzelle mit Betriebsstoffen erfolgt im allgemeinen mit einem sauerstoffhaltigen Medium (O₂). Bei der hier dargestellten PEM-Brennstoffzelle 3, kann dies beispielsweise Luft sein. Diese Luft wird über einen Kompressor 11 verdichtet und dem Kathodenraum 6 der Brennstoffzelle 3 zugeführt. Zwischen dem Kompressor 11 und der Brennstoffzelle 3 ist in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel ein optionaler Ladeluftkühler 12 dargestellt, über welchen die nach dem Kompressor 11 gegebenenfalls sehr stark erwärmte Luft wieder abgekühlt werden kann.
Nach der Brennstoffzelle 3 werden die Abgase aus dem Anodenraum 5 und dem Kathodenraum 6 in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel zusammengeführt und gelangen dann in einen katalytischen Brenner 13, in welchem die in den Abgasen enthaltenen Reste an Wasserstoff und Methanol mit dem noch vorhandenen Sauerstoff umgesetzt werden. Die dabei entstehende thermische Energie kann z. B. wieder dem Gaserzeugungssystem 2 zugeführt werden, beispielsweise einem endotherm arbeitenden Reformer oder dergleichen. Nach dem Katbrenner 13 schließt sich im Brennstoffzellensystem 1 ein weiteres Druckhalteventil 14 an, über welches der Druck in dem Brennstoffzellensystem 1 insgesamt eingestellt werden kann.
Beim Abschalten eines derartigen Brennstoffzellensystems 1 wird dieses nun eine entsprechende Nachlaufphase erfahren, in welcher es in einen definierten, für einen Wiederstart geeigneten Zustand gebracht wird, in welchem in ihm enthaltene Reststoffe, insbesondere anodenseitige Betriebsstoffe, vollends verbraucht werden, und in welchem das Brennstoffzellensystem 1 in einen frostsicheren Zustand gebracht wird.
Das Verfahren zum Abschalten kann dabei von verschiedenen Startkriterien ausgelöst werden. Als einfachster Fall ist es denkbar, daß, z. B. beim bevorzugten Einsatzfall des Verfahrens bei einem Brennstoffzellensystem 1 für ein Kraftfahrzeug, durch ein Drehen des Zündschlüssels in die Stellung "AUS" ein Startkriterium für das Abschaltverfahren geschaffen wird. Von diesem Startkriterium für das Abschalten ausgelöst, können dann die einzelnen Schritte des Verfahrens selbsttätig nacheinander ablaufen. Alternativ dazu wäre es auch denkbar, daß ein Betreiber des Kraftfahrzeugs, einige Zeit bevor er das Kraftfahrzeug abstellt, beispielsweise an der letzten Ampel vor dem Erreichen seines Fahrziels, dem System über eine Aktion seinerseits, beispielsweise durch das Betätigen eines Druckschalters oder dergleichen, mitteilt, daß ein Abschalten des Systems in absehbarer Zeit, beispielsweise innerhalb der nächsten Minuten anstehen wird. Das System wird dann unmittelbar nach dem Erhalt dieses Startkriteriums in das Abschaltverfahren wechseln, wobei dann der erste Schritt des Verfahrens, nämlich das Trocknen der Brennstoffzelle, ausgeführt wird. In diesem Schritt wird das System, bei entsprechenden und von dem Fahrer bewußt in Kauf zu nehmenden Leistungseinbußen, welche das Standardfahrverhalten, beispielsweise im Stadtverkehr, jedoch nicht beeinträchtigen, verbleiben, bis ein endgültiges Abstellen des Fahrzeugs erfolgt.
Beide der oben beschriebenen Startkriterien lösen dabei das Abschaltverfahren aus, welches in einem ersten Verfahrensschritt aus der Trocknung der Brennstoffzelle 3 besteht. Der erste Verfahrensschritt kann je nach vorliegenden Umgebungsbedingungen einen vergleichsweise großen Zeitraum, gegebenenfalls bis zu einigen Minuten, in Anspruch nehmen. In diesem Verfahrensschritt werden eventuell vorhandene Befeuchter 10 in der Zuführung der Betriebsstoffe abgeschaltet. Gegebenenfalls kann auch eine vorhandene Wassereinspritzung des Kompressors 11 abgeschaltet werden. Danach wird über das Druckhalteventil 9 erreicht, daß der Druck in dem Gaserzeugungssystem 2 entsprechend höher wird, während gleichzeitig für den Kompressor 11 der Volumenstrom der kathodenseitigen Betriebsstoffe erhöht wird. Weiterhin kann auch die Wasser-Dosiermenge verändert werden, da eine Trocknung der Brennstoffzelle schneller ablaufen kann, wenn das Verhältnis von Wasser zu Methanol verringert wird.
Durch den erhöhten Druck in dem Gaserzeugungssystem 2 wird erreicht, daß im Bereich des Gaserzeugungssystems 2 mehr Feuchtigkeit in Form von Flüssigkeit ausfällt und im Bereich des Kühlers und Abscheiders 8 abgeschieden werden kann. Nach der Entspannung des Gases aus dem Gaserzeugungssystem 2 kann nach dem Druckhalteventil 9 so ein weitaus trockeneres Gas erreicht werden, welches in der Brennstoffzelle 3 vorliegende Feuchtigkeit besser aufnehmen und mit den Abgasen abtransportieren kann. Parallel dazu kann über den Kühler und Abscheider 8 eine Beeinflussung der Temperatur erfolgen, beispielsweise kann die Kühlung des Gases verringert werden, so daß etwas heißeres Gas in den Bereich der Brennstoffzelle 3 gelangt, welches ebenfalls entsprechend mehr Feuchtigkeit aufnehmen kann. Ebenso kann eine Absenkung der Kühlertemperatur vorgenommen werden, da bei tieferen Temperaturen mehr Wasser abgeschieden wird und ein trockeneres Reformat in die Brennstoffzelle gelangt. Weiterhin kann der Druck über das Abgasdruckventil 14 variiert werden, vorzugsweise zu höheren Drücken hin. Günstig ist auch, die Kühlung der Brennstoffzelle abzuschalten, um ein zu schnelles Auskühlen der Brennstoffzelle zu vermeiden. Die Temperatur heißer Gase in der Brennstoffzelle sinkt nicht so schnell ab.
Vergleichbares gilt selbstverständlich auch beim Einsatz des optionalen Ladeluftkühlers 12, in welchem ebenfalls durch eine Verringerung der Abkühlung erreicht werden kann, daß heißeres Gas in den Bereich der Brennstoffzelle 3 gelangt und dort mehr Feuchtigkeit abtransportiert werden kann.
Bei einem reinen Wasserstoffgassystem, bei welchem die Komponenten 2, 7 und 8 durch einen Wasserstoffspeicher, beispielsweise einen Druckspeicher ersetzt wären, können diese Punkte entsprechend wegfallen bzw. durch das Abschalten des etwaig vorhandenen Befeuchters 10 ersetzt werden. Für die Dosierung der kathodenseitigen Betriebsstoffe, hier also insbesondere der Luft, gelten bei einem derartigen System die gleichen Bedingungen.
Nach dieser Trocknung der Brennstoffzelle 3, deren Endkriterium über ein entsprechendes Abfallen der Systemspannung, welche durch die Brennstoffzelle 3 geliefert wird erkennbar ist, wechselt das Verfahren in den zweiten Schritt, bei dem die Dosierung der anodenseitigen Betriebsstoffe in das Brennstoffzellensystem 1 unterbrochen wird. Bei einem derartigen System hieße das, daß die beiden Fördereinrichtungen 7 abgeschaltet werden, so daß das Gaserzeugungssystem 2 keine Betriebsstoffe mehr zur Verfügung hat. In den Leitungslängen des Gaserzeugungssystems 2 gespeicherte Betriebsstoffe würden dann langsam über die Brennstoffzelle abgebaut werden, wobei hier sinnvollerweise der Druck in dem Gaserzeugungssystem 2 über das Druckhalteventil 9 reduziert wird, um einerseits das Abströmen der in dem Gaserzeugungssystem 2 gespeicherten Reststoffe über die Brennstoffzelle 3 zu ermöglichen und andererseits aufgrund der Druckverluste in den Leitungslängen in dem Gaserzeugungssystem 2 verbleibenden Reste an Wasserstoff und Methanol am Austritt aus dem Gaserzeugungssystem durch Leckagen usw. zu hindern und das Gaserzeugungssystem in einen betriebssicheren Zustand zu bringen.
In einem entsprechenden System mit Wasserstoffspeicher kann sich dieser Verfahrensschritt darin erschöpfen, das Ventil des Speichers zu schließen, so daß kein Betriebsstoff mehr zu der Brennstoffzelle 3 gelangen kann. Auch hier würde dann der in den Leitungslängen zwischen dem Speicher bzw. dem Ventil und der Brennstoffzelle 3 verbleibende Reststoff über die Brennstoffzelle 3 abgearbeitet werden.
Nachdem dann im Bereich der Anode 5 der Brennstoffzelle 3 keine Betriebsstoffe mehr vorliegen, wird die Spannung an der Brennstoffzelle 3 vollends einbrechen. Erst dann erfolgt die Abschaltung der kathodenseitigen Dosierung der Betriebsstoffe. Der Kompressor 11 wird abgeschaltet und das System hat seinen trockenen, frostsicheren und definierten Stillstand erreicht.
Während der gesamten Abschaltprozedur wird dabei weiterhin Energie in der Brennstoffzelle 3 umgesetzt. Sollte die gesamte Abschaltprozedur erst nach dem Abstellen des Fahrzeugs erfolgen, so wird diese Energie, welche während der ersten beiden Verfahrensschritte noch anfällt, beispielsweise über den Kompressor 11 verbraucht oder sie kann in elektrische Speichersysteme wie Batterien oder dergleichen in dem Brennstoffzellensystem 1 bzw. dem mit ihm betriebenen Fahrzeug eingespeichert werden, so daß sie beim Wiederstart des Brennstoffzellensystems 1 zur Verfügung steht. Wird nun die Abschaltprozedur durch ein Startkriterium ausgelöst, welches der Betreiber wenige Minuten vor dem Abstellen des Fahrzeugs gibt, so wird die während dem ersten Verfahrensschritt anfallende Energie weiterhin für den Fahrbetrieb genutzt, während die im Zuge des zweiten Verfahrensschritts noch anfallende Energie über den Kompressor 11 aufgebraucht wird. In diesem Fall entsteht im allgemeinen keine Überschußenergie, welche in Batterien oder dergleichen eingespeichert werden kann. Selbstverständlich wird, falls dennoch Überschußenergie anfällt, diese jedoch auch in entsprechenden Speichereinrichtungen zwischengespeichert.
Insbesondere bei dem beschriebenen bevorzugten Anwendungszweck in einem Kraftfahrzeug ist es nun sehr wichtig, daß ein Betreiber nach dem Abstellen des Kraftfahrzeugs und einem dann in einer sehr kurzen Zeit erfolgenden Wiederstart, beispielsweise nach einem sehr kurzen Einkauf, einem kurzen Tankstop oder dergleichen, sofort wieder starten kann. Im allgemeinen und bei herkömmlichen Brennstoffzellensystemen 1, die ebenfalls über eine Nachlaufphase verfügen, müßte der Betreiber nun das gesamte Abarbeiten dieser Nachlaufphase abwarten, ehe er das Fahrzeug wieder in Betrieb nehmen kann. Da insbesondere die Trocknung der Brennstoffzelle einen vergleichsweise großen Zeitraum in Anspruch nimmt, wäre dies für den Betreiber eines derartigen Kraftfahrzeugs sicherlich sehr ärgerlich. Das hier dargestellte Verfahren ist daher in der Lage, einen Wiederstart des Brennstoffzellensystems 1 bei noch nicht vollkommen abgeschlossenem Durchlaufen der drei Verfahrensschritte, innerhalb eines sehr kurzen Zeitraums zu gewährleisten.
Dies wird ermöglicht, indem die aktuell vorliegenden Betriebsparameter unmittelbar mit dem Befehl zum Wiederstart, welcher beispielsweise durch das Drehen eines Zündschlüssels in die Stellung "EIN" erfolgt, eingefroren werden. Von diesen dann festliegenden Werten der Betriebsparameter wird kontinuierlich auf die für den bestimmungsgemäßen Betrieb erforderlichen Werte Betriebsparameter gefahren. Ein derartiger Wiederstart während der Abschaltprozedur ist dabei möglich, so lange die Brennstoffzelle 3 in der Lage ist, elektrische Energie zu liefern, also bis kurz vor Ende des zweiten Verfahrensschritts. Dies bedeutet also, daß lediglich eine geringe Menge an Wasserstoff im Bereich der Anode 5 der Brennstoffzelle 3 vorliegen muß. Dann kann durch ein Wiedereinschalten der Dosierung der Betriebsstoffe über die Fördereinrichtungen 7 und eine entsprechende Anpassung der Drücke und des Luftvolumenstroms der unmittelbare Wiederstart des Brennstoffzellensystems 1 erfolgen. Durch das kontinuierliche Verändern der Werte der Betriebsstoffe, beispielsweise werden hier entsprechende Funktionen wie Rampen oder dergleichen von den Drücken, den Fördermengen usw. durchlaufen, wird erreicht, daß der Übergang fließend erfolgt, so daß eine Belastung des Systems durch schlagartig ansteigende Drücke oder dergleichen sowie ein Ruckeln des Fahrzeugs vermieden werden kann.
Sollte der Befehl zum Wiederstart nun erfolgen, nachdem in der Brennstoffzelle 3 bereits kein wasserstoffhaltiges Gas mehr vorliegt, so muß auch in dem hier dargestellten Verfahren zum Abschalten eines Brennstoffzellensystems 1 abgewartet werden, ehe die restlichen Schritte, also insbesondere der Schritt 3 des Verfahrens vollends durchlaufen ist, ehe ein Wiederstart erfolgen kann. Da dieser dritte Verfahrensschritt jedoch im Vergleich zu dem Verfahrensschritt des Trocknens der Brennstoffzelle einen sehr kleinen Zeitraum beansprucht, ist die dadurch entstehende Verzögerung für den Betreiber im allgemeinen durchaus zumutbar, da hier nur einige Sekunden abgewartet werden muß, ehe die Startprozedur erfolgen kann. Allerdings ist der Betreiber in diesem Fall auf eine zweite kurze Wartezeit angewiesen, da das System, insbesondere das Gaserzeugungssystem 2 - falls ein solches vorhanden ist - über die an sich bekannten und ebenfalls einen gewissen Zeitraum benötigenden Startmaßnahmen auf seine bestimmungsgemäßen Bedingungen hinsichtlich Druck und insbesondere hinsichtlich der Temperatur gebracht werden muß.
Alles in allem stellt das hier beschriebene Verfahren jedoch eine erhebliche Erleichterung und Zeiteinsparung bei derartigen Wiederstarts dar und erlaubt es, das Brennstoffzellensystem 1 in einem definierten Zustand abzustellen, so daß dieses frostsicher ist. Außerdem sind die Bedingungen ideal für einen Wiederstart des Systems, so daß das Verfahren zum Abschalten auch einen positiven Einfluß auf eine mögliche Verkürzung der Kaltstartzeit eines derartigen Brennstoffzellensystems 1 bei einem Wiederstart nach einem komplettem Abkühlen des Gaserzeugungssystems 2 hat.

Claims

1. Verfahren zum Abschalten eines Brennstoffzellensystems (1), welches wenigstens eine Brennstoffzelle (3) mit einer protonenleitenden Membran (4) umfaßt, wobei in einem ersten Schritt die Betriebsparameter von Betriebsstoffen, welche der Brennstoffzelle (3) zugeführt werden, in der Art verändert werden, daß die Brennstoffzelle (3) getrocknet wird, wonach in einem zweiten Verfahrensschritt die Dosierung (Fördereinrichtungen 7) der anodenseitigen Betriebsstoffe in das Brennstoffzellensystem (1) unterbrochen wird, und wonach in einem dritten Schritt, sobald im Bereich einer Anode (5) der Brennstoffzelle (3) kein Betriebsstoff mehr vorliegt, die Dosierung von kathodenseitigen Betriebsstoffen unterbrochen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Schritte des Verfahrens, nach Erfolgen eines Startkriteriums für das Verfahren, selbsttätig ablaufen.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Startkriterium aus einem Abstellen des Brennstoffzellensystems (1) generiert wird, und daß gleichzeitig in den Leerlaufbetrieb des Brennstoffzellensystems (1) gewechselt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Startkriterium aus einem von einem Bediener gegebenen Signal, das ein Abstellen des Brennstoffzellenssystems (1) in absehbarer Zeit bevorsteht, generiert wird, wobei der Wechsel von dem ersten Schritt des Verfahrens in den zweiten Schritt des Verfahrens erst dann erfolgt, wenn das endgültige Abstellen des Brennstoffzellensystems (1) erfolgt ist.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß wenn das Brennstoffzellensystem (1) ein Gaserzeugungssystem (2) aufweist, die Veränderung der Betriebsparameter im ersten Schritt in der Art erfolgt, daß der Druck der anodenseitigen Betriebsstoffe vor der Brennstoffzelle (3) erhöht wird, und daß der Volumenstrom der kathodenseitigen Betriebsstoffe erhöht wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß wenn das Brennstoffzellensystem (1) ein Gaserzeugungssystem (2) aufweist, die Veränderung der Betriebsparameter im ersten Schritt in der Art erfolgt, daß die Temperatur der Betriebsstoffe durch eine verringerte Abkühlung der Betriebsstoffe vor der Brennstoffzelle (3) erhöht wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß wenn das Brennstoffzellensystem (1) ein Gaserzeugungssystem (2) aufweist, während des zweiten Schritts der Druck in dem Gaserzeugungssystem (2) gesenkt wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß während des Verfahrens die Befeuchtung der Betriebsstoffe abgestellt wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Wiederstart des Brennstoffzellensystems (1), bei noch nicht abgeschlossenem Durchlaufen der drei Verfahrensschritte, bis zum Erreichen einer unteren Grenzspannung der Brennstoffzelle (3), kurz vor Ende des zweiten Schritts, die Betriebsparameter von ihren aktuellen Werten wieder auf Werte verändert werden, welche für den bestimmungsgemäßen Betrieb des Brennstoffzellensystems (1) geeignet sind.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Veränderung der Werte für die Betriebsparameter kontinuierlich erfolgt.

11. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Verringerung des Verhältnisses Wasser zu Methanol vorgenommen wird.

12. Verwendung des Verfahrens zum Abschalten eines Brennstoffzellensystems (1) nach einem der oben genannten Ansprüche für ein Brennstoffzellensystem (1) in einem Kraftfahrzeug.