DE102009036198A1 - Verfahren zum Abstellen eines Brennstoffzellensystems - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abstellen eines Brennstoffzellensystems (1), welches wenigstens eine Brennstoffzelle (2) mit einem Anodenbereich (4) und einem Kathodenbereich (3) umfasst. Der Anodenbereich (4) wird über einen Wasserstoffspeicher (7) mit Wasserstoff versorgt. Das aus dem Anodenbereich (4) strömende Abgas wird über eine Rezirkulationsleitung (8) und eine Rezirkulationsfördereinrichtung (9) zurückgeführt und dem Anodenbereich (4) erneut zugeführt. Der Kathodenbereich (3) ist zuluftseitig und abluftseitig mit der Umgebung verbunden, wobei zuluftseitig eine Luftfördereinrichtung (10) in der Verbindung angeordnet ist. In einem ersten Verfahrensschritt zum Abstellen des Brennstoffzellensystems (1) wird die Luftfördereinrichtung (10) gestoppt. Danach wird in einem zweiten Verfahrensschritt bei weiterhin erfolgender Wasserstoffversorgung elektrische Leistung aus der Brennstoffzelle (2) entnommen. Die Entnahme der elektrr einen elektrischen Verbraucher bis ein vorgegebenes Abbruchkriterium erreicht ist. Nach dem Erreichen des Abbruchkriteriums werden die Rezirkulationsfördereinrichtung (9), die Leistungsentnahme und die Wasserstoffversorgung gestoppt. Nach Abschluss des Verfahrens wird die Verbindung des Kathodenbereichs (3) mit der Umgebung sowohl abluftseitig als auch zuluftseitig offen gelassen und nicht abgesperrt.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abstellen eines Brennstoffzellensystems, nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.
  • Ein sehr starker, die Lebensdauer einer PEM-Brennstoffzelle negativ beeinflussender Degradationsmechanismus ist in einem Konzentrationsunterschied von Wasserstoff und Sauerstoff zu sehen, welcher beim Starten der Brennstoffzelle im Anodenbereich der Brennstoffzelle vorliegt. Im Allgemeinen ist der Grund hierfür, dass vor dem Start der Brennstoffzelle bzw. des die Brennstoffzelle aufweisenden Brennstoffzellensystems in der Anode eine Gaszusammensetzung vorliegt, welche in etwa der Umgebungsluft entspricht und damit ca. 20% Sauerstoff aufweist. Wird nun beim Start der Brennstoffzelle der Anodenbereich mit Wasserstoff befüllt, so entstehen die angesprochenen lokalen Konzentrationsunterschiede, die zu einer entsprechenden Degradation führen. Typischerweise liegen die Konzentrationsunterscheide dabei zeitlich nur sehr begrenzt vor, da der Luftsauerstoff mit dem zugeführten Wasserstoff im Bereich des Katalysators des Anodenbereichs sehr schnell abreagiert. Diese grundsätzliche Problematik ist in der WO 2007/44971 A1 sowie der US 6,635,370 B2 prinzipiell bereits beschrieben. Auch wird in diesen Schriften vorgeschlagen, die Problematik nicht erst beim Start des Brennstoffzellensystems anzugehen, sondern über ein geeignetes Verfahren zum Abstellen des Brennstoffzellensystems bestmögliche Bedingungen für einen späteren Wiederstart zu schaffen.
  • Im Rahmen dieser Überlegungen schlägt die gattungsgemäße DE 10 2007 059 999 A1 ein Verfahren zum Mindern von Brennstoffzellen-Verschlechterungen aufgrund von Einschalten und Abschalten mittels Wasserstoff-/Stickstoffspeicherung vor. Bei diesem Verfahren liegt der Kern darin, dass der Kathodenbereich der Brennstoffzelle entsprechend abgesperrt wird, um ein weiteres Zuströmen von Luft und damit Sauerstoff in den Kathodenbereich der Brennstoffzelle zu verhindern. Danach wird der Brennstoffzellenstapel kurzgeschlossen, um den Sauerstoff in der Kathodenseite durch den Wasserstoff auf der Anodenseite zu verbrauchen. Erst dann wird die Anodenseite entsprechend abgesperrt und die Abgasseite des Kathodenbereichs geschlossen.
  • Das hierin beschriebene Verfahren weist diverse Nachteile auf. Durch das Kurzschließen der Brennstoffzelle bzw. des Brennstoffzellenstapels entsteht eine sehr hohe Belastung, welche sich ebenfalls negativ auf die Lebensdauer der Brennstoffzelle auswirkt. Außerdem sind zum Absperren des Kathodenbereichs an dessen Zuluftseite und Abluftseite entsprechende Ventileinrichtungen notwendig, welche entsprechend aufwendig und teuer in ihrer Ausgestaltung sind, und welche zusätzlichen Bauraum benötigen. Außerdem werden diese Ventileinrichtungen zum Absperren des Kathodenbereichs im regulären Betrieb nicht benötigt und verursachen hier lediglich nachteilige Druckverluste.
  • Ein weiterer gravierender Nachteil dieser Absperrvorrichtungen liegt außerdem darin, dass ein großer Teil des entstehenden Produktwassers im Bereich der Kathode in der Brennstoffzelle entsteht. Außerdem wird der Brennstoffzelle im Betrieb typischerweise befeuchtete Zuluft zugeführt, um ihre Membranen nicht auszutrocknen. Die Problematik der Ventileinrichtungen ist nun in dieser Tatsache zu sehen, dass die Leitungen typischerweise mit feuchten Luftströmen und/oder einem Luft-Tröpfchen-Gemisch betrieben werden. Die Ventileinrichtungen vor und nach dem Kathodenbereich der Brennstoffzelle, bei dem durch die DE 10 2007 059 999 A1 beschriebenen Aufbau, verursachen damit ein sehr großes Risiko bei Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts einzufrieren oder durch festgefrorene Tröpfchen in ihrer Funktionalität beeinträchtigt zu sein. Diese Bauteile sind also für eine sichere und zuverlässige Funktionalität eines Brennstoffzellensystems unter extremen Umgebungsbedingungen außerordentlich nachteilig.
  • Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung ist nun darin zu sehen, ein Verfahren zum Abstellen eines Brennstoffzellensystems zu schaffen, welches die eingangs erläuterten Degradationsmechanismen verhindern oder minimieren kann und dabei den Einsatz eines robusten und zuverlässigen Brennstoffzellensystems erlaubt, welches einfach, kompakt und kostengünstig ausgeführt werden kann, und welches auch unter Gefrierstart-Bedingungen einen zuverlässigen Start ermöglicht.
  • Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch das Verfahren mit den Merkmalen im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
  • Dadurch, dass in dem erfindungsgemäßen Verfahren elektrische Leistung zum Aufbrauchen des Sauerstoffs im Kathodenbereich durch einen Stromfluss über einen elektrischen Verbraucher entnommen wird, lässt sich diese Leistungsentnahme gezielt beeinflussen, beispielsweise steuern oder regeln, so dass einerseits schnell eine ausreichende Menge an Sauerstoff aufgebraucht wird, und andererseits die Belastung der Brennstoffzelle beschränkt bleibt. Danach ist das Verfahren im Wesentlichen abgeschlossen, da gemäß der Erfindung die Verbindung des Kathodenbereichs mit der Umgebung sowohl abluftseitig als auch zuluftseitig offen bleibt und nicht abgesperrt wird. Dadurch kann auf teure und aufwendige Ventileinrichtungen gänzlich verzichtet werden und die mit diesen Ventileinrichtungen verbundene Gefahr eines Einfrierens entfällt beim hier dargestellten Brennstoffzellensystem vollständig.
  • Dieser deutlichen Vereinfachung und Verbesserung des Verfahrens gegenüber dem Stand der Technik liegt die Erkenntnis der Erfinder zugrunde, dass die größte Gefahr für eine Diffusion von Sauerstoff aus dem Kathodenbereich in den Anodenbereich dann vorliegt, wenn die Brennstoffzelle selbst noch vergleichsweise warm ist. Wenn in die bereits abgekühlte Brennstoffzelle Sauerstoff eindringt, ist dies hinsichtlich der Degradation deutlich weniger riskant als in die noch warme Brennstoffzelle. Der Aufbau erlaubt nun auch ohne entsprechende Ventileinrichtung im Kathodenbereich ein Aufbrauchen des Sauerstoffs und hält die Sauerstoffkonzentration zumindest so lange auf einem unkritischen Niveau, bis die Brennstoffzelle ausreichend abgekühlt ist. Außerdem wird durch die aufrecht erhaltene Wasserstoffversorgung während des Abstellens ein entsprechender Überdruck an Wasserstoff aufgebaut, und in dem nach dem Abstellen verschlossenen Anodenbereich gehalten. Damit können geringe Mengen an Wasserstoff in den Kathodenbereich diffundieren und so eventuell noch eindringenden Sauerstoff, zumindest während die Brennstoffzelle noch eine gegenüber der Umgebung erhöhte Temperatur aufweist, aufbrauchen.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zum Abstellen und der hierfür genutzte Aufbau des Brennstoffzellensystems erlaubt somit eine deutliche Verringerung der Brennstoffzellendegradation und damit eine entsprechende Verlängerung der Lebensdauer, ohne dass der benötigte Aufbau aufwändig und komplex wird und, insbesondere bei einem Gefrierstart, entsprechende Probleme durch einfrierende oder durch Eis blockierte Ventileinrichtungen verursachen könnte.
  • In einer besonders günstigen und vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann es dabei außerdem vorgesehen sein, dass mit dem Stoppen der Luftfördereinrichtung im ersten Verfahrensschritt außerdem die Zuluftseite des Kathodenbereichs mit der Abluftseite des Kathodenbereichs verbunden wird.
  • Eine solche Verbindung über ein Ventil, welches nicht die Zuluftseite und die Abluftseite des Kathodenbereichs absperrt, diese beiden aber als Bypass zur Brennstoffzelle verbindet, entsteht ein Aufbau, bei welchem eindringende Luft aufgrund des geringeren Druckverlusts in diesem Bypass eher durch diesen Bypass strömen wird, als in den Kathodenbereich einzudringen. Ein solcher Bypass kann das erfindungsgemäße Verfahren daher sehr effizient unterstützen. Da der Bypass bzw. die in ihm typischerweise angeordnete Ventileinrichtung dabei nicht in den Bereichen liegt, in denen entsprechend hohe Feuchtigkeiten auftreten, ist hier die Gefahr eines Einfrierens vergleichsweise gering.
  • Wird nun bei einem Brennstoffzellensystem für das erfindungsgemäße Verfahren außerdem ein Strömungsverdichter und eine mit ihm verbundene Turbine auf der Abluftseite des Kathodenbereichs eingesetzt, ist eine derartige Verbindung typischerweise ohnehin vorgesehen, um in entsprechenden Situationen als Umblaseventil für einen solchen Turbolader zu dienen, wie es an sich bekannt ist. Dieses Ventil und die dafür vorgesehene Leitung kann nun ohne zusätzlichen konstruktiven Aufwand bei der Verwendung eines derartigen Systems zur Luftförderung sehr einfach und effizient eingesetzt werden, um das erfindungsgemäße Verfahren zu unterstützen.
  • Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben und ergeben sich aus dem Ausführungsbeispiel, welches nachfolgend anhand einer Figur näher beschrieben ist.
  • Die einzige beigefügte Figur zeigt ein schematisiert angedeutetes Brennstoffzellensystem, welches zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen und geeignet ist.
  • In der einzigen Figur ist ein Brennstoffzellensystem 1 zu erkennen, welches eine Brennstoffzelle 2 aufweist. Diese Brennstoffzelle 2 ist dabei typischerweise als Stapel von Einzelzellen aufgebaut und wird auch als Brennstoffzellenstapel oder Brennstoffzellenstack bezeichnet. Die Brennstoffzelle 2 weist einen Kathodenbereich 3 und einen Anodenbereich 4 auf, welche beim hier verwendeten Beispiel einer PEM-Brennstoffzelle 2 durch eine protonenleitende Membran 5 in an sich bekannter Art und Weise voneinander getrennt sind. Der Anodenbereich 4 der Brennstoffzelle 2 wird nun über eine Wasserstoffversorgungseinrichtung mit Wasserstoff versorgt. Hierfür dient im hier dargestellten Ausführungsbeispiel eine Wasserstoffspeichereinrichtung 6, welche über eine Ventileinrichtung 7 mit dem Anodenbereich 4 verbunden ist. Über die Ventileinrichtung 7 kann die Versorgung des Anodenbereichs 4 mit Wasserstoff aus der Wasserstoffspeichereinrichtung 6, beispielsweise einem Hochdrucktank, entsprechend geregelt und beeinflusst, aber auch abgestellt werden. In die Ventileinrichtung 7 integriert oder auch in Reihe zur Ventileinrichtung angeordnet, ist dabei außerdem eine übliche Einrichtung zur Verminderung des Drucks des unter Hochdruck gespeicherten Wasserstoffs auf ein für die Brennstoffzelle 2 verträgliches Druckniveau vorgesehen.
  • Dabei wird der unverbrauchte Wasserstoff aus dem Anodenbereich 4 über eine Rezirkulationsleitung 8 und eine Rezirkulationsfördereinrichtung 9 zurückgeführt und dem Anodenbereich 4 zusammen mit dem frischen Wasserstoff aus der Wasserstoffspeichereinrichtung 6 wieder zugeführt. Auch diese sogenannte Anodenrezirkulation ist an sich bekannt und wird daher hier nicht näher beschrieben. Der Aufbau der Rezirkulationsfördereinrichtung 9 kann beliebig ausgeführt sein. So sind aus dem Stand der Technik beispielsweise Gasstrahlpumpen und Gebläse sowie die Kombination aus diesen beiden Elementen als Rezirkulationsfördereinrichtung 9 bekannt. In dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel soll die Rezirkulationsfördereinrichtung 9 dabei in konstruktiv besonders einfacher Art und Weise als Gebläse ausgebildet sein. Sie wird dann häufig als Wasserstoffrezirkulationsgebläse bezeichnet.
  • Dem Kathodenbereich 3 der Brennstoffzelle 2 wird über eine Luftfördereinrichtung 10, welche hier als Strömungsverdichter 10 ausgebildet ist, Luft als sauerstoffhaltiges Medium zugeführt. Der Strömungsverdichter 10 ist dabei Teil eines sogenannten elektrischen Turboladers 11, welcher aus dem Stand der Technik ebenfalls bekannt ist. Der elektrische Turbolader 11 umfasst neben dem Strömungsverdichter 10 außerdem eine Abluftturbine 12 sowie eine elektrische Maschine 13. Ein solcher elektrischer Turbolader 11 ist in der Lage, die zum Betrieb des Strömungsverdichters 10 benötigte Energie über die elektrische Maschine 13 als Elektromotor bereitzustellen. Außerdem kann über die Turbine 12 in der Abluft aus dem Kathodenbereich 3 enthaltene Energie in Form von Druck und Wärme genutzt werden, um einen gewissen Teil der Energie aus der verdichteten Luft zurückzugewinnen und wiederum dem Strömungsverdichter 10 zur Verfügung zu stellen. Bei einem sehr hohen Energieüberschuss im Bereich der Turbine 12 ist es außerdem denkbar, dass diese den Strömungsverdichter 10 ebenso wie die elektrische Maschine 13, welche dann als Generator genutzt wird, antreibt, um elektrische Energie aus dem Abluftstrom des Kathodenbereichs 3 der Brennstoffzelle 2 zurückzugewinnen.
  • Das Brennstoffzellensystem 1 weist außerdem einen an sich ebenfalls bekannten Befeuchter 14 auf, welcher hier optional angedeutet ist. Dieser Befeuchter 14 ist im Allgemeinen als Gas-zu-Gas-Befeuchter ausgebildet und weist zwei durch eine Membran voneinander getrennte Bereiche auf. Diese Membran ist lediglich für Wasserdampf durchlässig, so dass die relativ feuchte Abluft aus dem Kathodenbereich 3 in dem einen Bereich die noch relativ trockene Zuluft zu dem Kathodenbereich 3 in dem anderen Bereich durch die Membran hindurch entsprechend befeuchtet.
  • In dem Aufbau des Brennstoffzellensystems 1 ist außerdem eine Ventileinrichtung 15 in einer Verbindungsleitung 16 zwischen der Zuluftseite und der Abluftseite des Kathodenbereichs 3 der Brennstoffzelle 2 zu erkennen. Diese Verbindungsleitung 16 stellt also einen Bypass für die geförderte Luft um das Brennstoffzellensystem 1 bzw. die Brennstoffzelle 2 dar. Die Verbindungsleitung 16 ist dabei dicht hinter dem elektrischen Turbolader 11 angeordnet und verbindet die Druckseite des Strömungsverdichters 10 mit der Druckseite der Turbine 12, so dass ein Teil der geförderten Luft unmittelbar wieder in den Abluftbereich abgeblasen werden kann. Diese Luft durchströmt dabei weder den optionalen Befeuchter 14 noch den Kathodenbereich 3 der Brennstoffzelle 2, weil hier entsprechend höhere Druckverluste herrschen, als über die Ventileinrichtung 15 und die Verbindungsleitung 16. Letztlich handelt es sich bei der Verbindungsleitung 16 und der Ventileinrichtung 15 also um ein sogenanntes Umblaseventil, wie es bei Turboladern an sich bekannt und üblich ist.
  • Das hier dargestellte Brennstoffzellensystem 1 weist außerdem einen elektrischen Teil auf, welcher aus einem symbolisch angedeuteten Bordnetz 17 besteht, welches insbesondere das Bordnetz 17 eines mit dem Brennstoffzellensystem 1 ausgerüsteten Kraftfahrzeugs sein kann. Teil dieses Bordnetz 17 können dabei sämtliche elektrischen Verbraucher in dem Kraftfahrzeug sein, insbesondere auch die zur Traktion benötigten Komponenten, wie beispielsweise elektrische Antriebsmotoren oder dergleichen. Der elektrische Teil des Brennstoffzellensystems 1 weist außerdem eine elektrische Speichereinrichtung 18, beispielsweise eine Batterie, einen Hochleistungskondensator oder eine Kombination dieser Bauelemente auf. In der einzigen beigefügten Figur ist diese elektrische Speichereinrichtung 18 beispielhaft als Batterie angedeutet. Diese dient zur Aufnahme von überschüssiger Leistung, welche beispielsweise bei einem Abbremsen des Kraftfahrzeugs über die Antriebsmotoren in einem generatorischen Betrieb, der sogenannten Rekuperation anfällt. Außerdem zeigt der elektrische Teil des Brennstoffzellensystems 1 einen DC/DC-Wandler 19, welcher die Brennstoffzelle 2 mit dem elektrischen Teil des Brennstoffzellensystems 1 verbindet. Der DC/DC-Wandler 19 dient in an sich bekannter Art und Weise zur Beeinflussung des aus der Brennstoffzelle 2 entnommenen Stroms und damit der aus der Brennstoffzelle 2 entnommenen Leistung. Auch die Hilfsaggregate des Brennstoffzellensystems 1, also die elektrische Maschine 13 des elektrischen Turboladers 11 sowie ein Antriebsmotor 20 für die Rezirkulationsfördereinrichtung 9 werden über die elektrische Energie entweder aus der Brennstoffzelle 2 oder gegebenenfalls auch aus der Batterie 18 entsprechend angetrieben, je nach Betriebszustand des Brennstoffzellensystems 1. Neben den genannten Hilfsaggregaten des Brennstoffzellensystems können über den elektrischen Teil des Brennstoffzellensystems 1 außerdem weitere Hilfsaggregate sowohl des Brennstoffzellensystems 1 als auch des Kraftfahrzeugs über die Brennstoffzelle 2 und/oder die Batterie 18 mit elektrischer Leistung versorgt werden.
  • Beim Abstellen des Brennstoffzellensystems 1 startet das Verfahren zum Abstellen typischerweise anhand eines Signals eines Fahrzeugsteuergeräts, welches beispielsweise das Abziehen eines Zündschlüssels, das Drücken eines Start/Stopp-Knopfs oder dergleichen auswertet. Im Allgemeinen wird dabei keine Leistungsanforderung der primären Last, also der Antriebsmotoren des Fahrzeugs mehr vorliegen. Ausgehend von dem Signal des Fahrzeugsteuergeräts, dass das Brennstoffzellensystem 1 abgestellt werden soll, wird dann in einem ersten Verfahrensschritt die Luftversorgung gestoppt, indem auf einen aktiven Antrieb des Strömungsverdichters 10 verzichtet wird. Da dieser, insbesondere in seinem Aufbau als elektrischer Turbolader 11, noch entsprechend nachlaufen kann, wird außerdem die Ventileinrichtung 15, welche im regulären Betrieb in den meisten Betriebssituationen geschlossen ist, entsprechend geöffnet, um für Luft, welche aufgrund des im Allgemeinen noch nachlaufenden Strömungsverdichters 10 gegebenenfalls noch gefördert wird, einen Weg des geringen Druckverlusts zu eröffnen. Zumindest ein großer Teil der Luft wird dann durch die Verbindung 16 strömen und damit um das System herumgeleitet. Die Wasserstoffversorgung über die Ventileinrichtung 7 wird zu diesem Zeitpunkt noch aufrecht erhalten und ebenso wird die Rezirkulationsfördereinrichtung 9 weiterhin betrieben.
  • Über den DC/DC-Wandler 19 wird dann weiterhin gezielt ein gewisser Strom und damit eine gewisse Leistung aus der Brennstoffzelle 2 entnommen, um mit dem weiterhin zuströmenden Wasserstoff zum Anodenbereich 4 die im Kathodenbereich 3 verbleibende Luft bzw. den darin verbleibenden Sauerstoff aufzubrauchen. Dies kann durch den DC/DC-Wandler sehr gezielt und für die Brennstoffzelle 2 vergleichsweise schonend erfolgen, da dieser einen gesteuerten oder geregelten Strom zieht, welcher dann einer Last im elektrischen Teil des Brennstoffzellensystems 1 zugeführt wird. Diese Last kann insbesondere der elektrische Motor 20 der Rezirkulationsfördereinrichtung 9 sein, welcher in dieser Situation weiterhin betrieben wird. Ist die aus der Brennstoffzelle 2 entnommene Leistung höher als die dort benötigte Leistung, so kann diese insbesondere auch in der Batterie 18 entsprechend gespeichert werden. Dieses „Ziehen” eines geregelten bzw. gesteuerten Stroms erfolgt dabei so lange, bis ein Abbruchkriterium im Bereich der Brennstoffzelle 2 erreicht ist. Dieses Abbruchkriterium kann beispielsweise eine gemessene Sauerstoffkonzentration im Kathodenbereich 3 sein. Typischerweise ist diese jedoch eher aufwändig zu ermitteln und die hierfür benötigten Sensoren sind vergleichsweise teuer. Daher ist es besonders günstig, als Abbruchkriterium eine Spannung entweder einer oder mehrerer der Einzelzellen in der Brennstoffzelle 2 zu verwenden. Je nachdem, ob die Brennstoffzelle 2 über eine Einzelzellüberwachung oder eine in dem Stapel als Sensorzelle ausgeführte Zelle verfügt oder nicht, kann dabei die Spannung einer oder mehrerer Einzelzellen oder die Gesamtspannung der Brennstoffzelle 2 betrachtet werden.
  • Typischerweise gilt dann das Abschaltekriterium als erreicht, sobald eine Spannung von ca. 0,3 V, insbesondere eine Spannung von 0,1 V je Zelle unterschritten ist. Beispielsweise bei einem Brennstoffzellenstapel als Brennstoffzelle 2, welcher über eine Größenordnung von ca. 300 Zellen verfügt, wären dies 30 V Spannung an der Brennstoffzelle 2. Sobald dieses Abbruchkriterium vorliegt, insbesondere als eine Spannung von 0,1 V je Einzelzelle unterschritten ist, liegt im Kathodenbereich 3 nur noch so wenig Sauerstoff vor, dass das Brennstoffzellensystem 1 vollständig abgeschaltet werden kann, was dann durch ein Stoppen der Rezirkulationsfördereinrichtung 9 und ein Beenden der Wasserstoffversorgung durch Schließen der Ventileinrichtung 7 erfolgt. Damit ist der Anodenbereich 4 zusammen mit der Rezirkulationsleitung 8 und der Rezirkulationsfördereinrichtung 9 insgesamt abgesperrt und gegenüber der Umgebung verschlossen. Theoretisch ließe sich das Abbruchkriterium selbstverständlich weiter absenken, der angegebene Wert von 0,1 V/Zelle stellt jedoch einen guten Kompromiss aus einem zügig erfolgenden Abstellen des Brennstoffzellensystems 1 und einer die Brennstoffzelle beim Wiederstart nicht schädigenden Konzentration an Sauerstoff im Kathodenbereich 3 dar.
  • Während des gesamten Abschaltvorgangs wird dabei, wie bereits erwähnt, die Rezirkulationsfördereinrichtung 9 in Betrieb gehalten und über diese und/oder die Ventileinrichtung 7 der Wasserstoffversorgung wird die Wasserstoffversorgung aufrecht erhalten. Dabei erfolgt die Wasserstoffversorgung so, dass im Anodenbereich 4 ein vorgegebenes Druckniveau eingehalten wird. Dieses Druckniveau liegt in der bevorzugten Ausgestaltung beispielsweise bei 0,5 bar Überdruck. Je nach Zustand, aus welchem heraus das Brennstoffzellensystem 1 abgeschaltet worden ist, und aus welchem das Verfahren zum Abstellen des Brennstoffzellensystems 1 startet, kann dies sowohl mit einer Verringerung des Drucks im Anodenbereich als auch einer Erhöhung des Drucks im Anodenbereich, beispielsweise beim Abstellen aus dem Leerlaufbetrieb heraus, einhergehen. Durch das vorgegebene Druckniveau wird dabei sichergestellt, dass anodenseitig ein gewisser Wasserstoffvorrat im Anodenbereich 4 vorhanden bleibt, welcher durch Kombination mit eventuell eindringendem Sauerstoff dafür sorgt, dass auch nach dem Abstellen für eine relativ lange Zeit kein Sauerstoff im Stack vorliegt.
  • Damit wird mit dem hier dargestellten Aufbau erreicht, dass ohne entsprechende Absperrventile in oder um den Kathodenbereich 3 der Brennstoffzelle 2 ein Zustand mit ausreichend wenig Sauerstoff erreicht wird, bis die Brennstoffzelle 2 entsprechend abgekühlt ist, idealerweise bis sie wieder gestartet wird.
  • Anders als in den meisten Systemen des Standes der Technik kommt man dabei ohne eine Kathodenrezirkulation und insbesondere ohne Ventileinrichtungen zum Abstellen bzw. Absperren des Kathodenbereichs 3 der Brennstoffzelle 2 aus. Dies ermöglicht einen Aufbau, welcher kompakt, robust und einfach ausgeführt werden kann, und welcher insbesondere beim Gefrierstart keinerlei Probleme mit eventuell einfrierenden Absperreinrichtungen verursacht, welche dann die Zufuhr von Luft zum Kathodenbereich 3 beim Start des Brennstoffzellensystems 1 massiv beeinträchtigen könnten.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • - WO 2007/44971 A1 [0002]
    • - US 6635370 B2 [0002]
    • - DE 102007059999 A1 [0003, 0005]

Claims (16)

  1. Verfahren zum Abstellen eines Brennstoffzellensystems, welches wenigstens eine Brennstoffzelle mit einem Anodenbereich und einem Kathodenbereich umfasst, wobei der Anodenbereich über einen Wasserstoffspeicher mit Wasserstoff versorgt wird, wobei das aus dem Anodenbereich strömende Abgas über eine Rezirkulationsleitung mit einer Rezirkulationsfördereinrichtung zurückgeführt und dem Anodenbereich erneut zugeführt wird, wobei der Kathodenbereich zuluftseitig und abluftseitig mit der Umgebung verbunden ist, wobei zuluftseitig eine Luftfördereinrichtung in der Verbindung angeordnet ist, wobei in einem ersten Verfahrensschritt die Luftfördereinrichtung gestoppt wird, wonach in einem zweiten Verfahrensschritt bei weiterhin erfolgender Wasserstoffversorgung elektrische Leistung aus der Brennstoffzelle entnommen wird, wonach die Rezirkulationsfördereinrichtung, Entnahme von Leistung und die Wasserstoffversorgung gestoppt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Leistung durch eine Stromfluss über einen elektrischen Verbraucher (20, 18) entnommen wird, bis ein vorgegebenes Abbruchkriterium erreicht wird, und die Verbindung des Kathodenbereichs (3) mit der Umgebung sowohl abluftseitig als auch zuluftseitig offen bleibt und nicht abgesperrt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Abbruchkriterium das Unterschreiten einer vorgegebenen Sauerstoffkonzentration im Kathodenbereich (3) genutzt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Abbruchkriterium das Unterschreiten einer vorgegebenen Spannung der Brennstoffzelle (2) oder wenigstens einer der Einzelzellen der Brennstoffzelle (2) genutzt wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannung mit ca. 0,3 Volt, bezugt ca. 0,1 Volt, mittlere Spannung je Einzelzelle der Brennstoffzelle (2) vorgegeben wird.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass als Rezirkulationsfördereinrichtung (9) ein Rezirkulationsgebläse verwendet wird.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass als Luftfördereinrichtung (10) ein Strömungsverdichter verwendet wird.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Kathodenbereich (3) abluftseitig über eine mit dem Strömungsverdichter (10) verbundene Turbine (12) mit der Umgebung verbunden wird.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Stoppen der Luftfördereinrichtung (10) der Druck in dem Anodenbereich durch eine geeignete Ansteuerung der Wasserstoffversorgung und/oder der Rezirkulationsfördereinrichtung (9) auf einem vorgegebenen Niveau gehalten wird.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Niveau bei ca. 0,5 bar Überdruck vorgegeben wird.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der entnommene Strom über einen DC/DC-Wandler (19) beeinflusst, insbesondere gesteuert oder geregelt, wird.
  11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Leistung über eine Last entnommen wird.
  12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Last zumindest einen Antrieb (20) der Rezirkulationsfördereinrichtung (9) umfasst.
  13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Last eine elektrische Speichereinrichtung (18), insbesondere eine Batterie, umfasst.
  14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass mit dem Stoppen der Luftfördereinrichtung (10) im ersten Verfahrensschritt die Zuluftseite des Kathodenbereichs (3) mit der Abluftseite des Kathodenbereichs (3) verbunden wird.
  15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung (16) zuluftseitig zwischen der Luftfördereinrichtung (10) und dem Kathodenbereich (3) angeordnet wird und im regulären Betrieb über eine Ventileinrichtung (15) geschlossen gehalten wird.
  16. Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung (16) zuluftseitig zwischen der Luftfördereinrichtung (10) und einem Befeuchter (14) angeordnet wird.
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