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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur reversiblen Überführung
eines Brennstoffzellensystems mit mindestens einer Brennstoffzelle
von einem Betriebszustand in einen Wartezustand nach Anspruch 1.
Weiterhin betrifft die Erfindung ein Brennstoffzellensystem mit
mindestens einer Brennstoffzelle nach dem Oberbegriff von Anspruch
8, wobei das Brennstoffzellensystem von einem Betriebszustand in
einen Wartezustand überführbar ist, wobei die
Brennstoffzelle Elektroden zur Erzeugung einer elektrischen Spannung
durch eine elektrochemische Reaktion eines Oxidationsmittels und
eines Brennstoffs im Betriebszustand aufweist und wobei im Wartezustand
die Brennstoffzelle selbst keine elektrische Leistung mehr erzeugt.
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Stand der Technik
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Bei
dem Betrieb einer Brennstoffzelle kann es immer wieder zu Zuständen
kommen, in denen eine Gesamtlast kurzfristig sinkt. Beispielsweise
kann ein Hauptverbraucher, beispielsweise ein Motor in einem Kraftfahrzeug,
kurzfristig keine Leistung benötigen, es aber absehbar
sein, dass dieser Zustand nur von kurzer Dauer ist. Problematisch
ist bei diesen kurzen An- und Abschaltevorgängen wie generell
beim Anschalten einer Brennstoffzelle, dass hierdurch eine vorzeitige
Alterung der Brennstoffzelle möglich ist. Die Alterung
der Brennstoffzelle rührt daher, dass das Oxidationsmittel
in einen Anodenraum, der für den Brennstoff vorgesehen
ist, diffundieren und sich dort anreichern kann, wenn die Brennstoffzelle
nicht im Betrieb ist. Dies führt beim Anfahren der Brennstoffzelle
zu hohen Spannungen, wodurch ein Katalysator einer Kathode korrodiert
wird. Auch anderweitig im Betrieb entstehende hohe Spannungen in
der Brennstoffzelle, z. B. bei einem schnellen Rückgang
der angeforderten Leistung, führen zu einer Korrosion des
Katalysators der Kathode.
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Die
Druckschrift
WO
2006 117969 A1 offenbart ein Brennstoffzellensystem, das
einen Betriebszustand einnehmen kann, in dem durch eine elektrochemische
Reaktion eine elektrische Spannung erzeugt wird, um Leistung an
einen Verbraucher abzugeben. Von dem Betriebszustand kann das Brennstoffzellensystem
in einen ersten Leerlaufbetrieb überführt werden.
Hierzu werden Ventile bei der Wasserstoffversorgung, ein Anodenrezirkulationsstrom,
ein Luftkompressor, ein Ventil zur Luftdruckeinstellung und eine
Kühlsystempumpe abgeschaltet. Das Brennstoffzellensystem
ist in einen zweiten Leerlaufbetrieb überführbar,
in dem durch die elektrochemische Reaktion eine elektrische Spannung
erzeugt wird, um eine Batterie aufzuladen. Hierbei wird die Spannung
der Brennstoffzelle in einem solchen Bereich gehalten, in dem eine
vorzeitige Alterung der Brennstoffzelle vermieden wird. Durch die
vielen Verfahrensschritte ist ein schnelles Wechseln aus dem ersten
Leerlaufbetrieb in den Betriebszustand oder den zweiten Leerlaufbetrieb
nicht möglich. Zudem werden keine Maßnahmen ergriffen,
eine Diffusion des Oxidationsmittels in den Anodenraum im ersten
Leerlaufbetrieb zu vermeiden.
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Die
Druckschrift
US
2005 271 911 A1 offenbart eine Brennstoffzelle, in der
in einem Betriebszustand durch die elektrochemische Reaktion von
Wasserstoff und Sauerstoff eine elektrische Spannung erzeugt wird und
die den Betriebszustand verlässt, indem zunächst
das Sauerstoffzufuhr und -abfuhrventil geschlossen werden. Bei sinkendem
Sauerstoffpartialdruck und sinkender Brennstoffzellenspannung reagieren
die Wasserstoff-Ionen, die zu einer Kathode diffundieren, nicht
mehr mit Sauerstoff zu Wasser, sondern untereinander zu Wasserstoff.
Hierdurch wird eine reduzierende Atmosphäre an der Kathode
geschaffen, bei der weiter eindringender Sauerstoff zu Wasser reagiert.
Danach wird die Wasserstoffzufuhr zur Brennstoffzelle unterbunden. Dieses
Konzept wurde nur für lange Pausen (tägliches
Anfahren und Abschalten der Brennstoffzelle) getestet. Ebenfalls
sinkt durch den Verbrauch von Wasserstoff an der Kathode ohne Erzeugung
einer elektrischen Spannung der Wirkungsgrad der Brennstoffzelle.
Es entsteht ein Sicherheitsproblem bei Abgabe von Wasserstoff aus
dem Kathodenraum an die Umgebung beim Anfahren der Brennstoffzelle.
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Aufgabe und Vorteile der Erfindung
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Es
ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und ein Brennstoffzellensystem
für einen Übergang zwischen einem Betriebszustand,
bei dem die Gesamtlast hoch ist, z. B. ein Hauptverbraucher Leistung
abnimmt, und einem Wartezustand, bei dem der Gesamtlast niedrig
ist, z. B. ein Hauptverbraucher kurzfristig keine Leistung benötigt,
bereitzustellen. Hierbei soll eine Rückkehr in den Betriebszustand
schnell erfolgen können. Zudem sollen in dem Wartezustand
und beim Übergang Bedingungen in der Brennstoffzelle herrschen,
die nicht zu einer Alterung der Brennstoffzelle führen.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, dass der Wartezustand den
Wirkungsgrad des Gesamtbetriebes nicht unnötig verschlechtern
soll. Weiterhin sollen Brennstoffemissionen bei der Rückkehr
in den Betriebszustand vermieden und damit ein sicherer Betrieb
des Brennstoffzellensystems gewährleistet werden.
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Zur
Lösung dieser Aufgabe wird ein Verfahren zur reversiblen Überführung
eines Brennstoffzellensystems mit mindestens einer Brennstoffzelle
von einem Betriebszustand in einen Wartezustand mit den Merkmalen
des Anspruches 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der
Erfindung sind in den abhängigen Verfahrensansprüchen
angegeben. Weiterhin wird diese Aufgabe auch durch ein Brennstoffzellensystem
mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruches 8 gelöst,
insbesondere des kennzeichnenden Teils, wobei vorteilhafte Weiterbildungen
des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems
in den abhängigen Vorrichtungsansprüchen angegeben
sind. Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen
Verfahren beschrieben sind, gelten dabei selbstverständlich
auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen
Brennstoffzellensystem und jeweils umgekehrt. Dabei können
die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten
Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination
erfindungswesentlich sein.
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Erfindungsgemäß ist
ein Verfahren zur reversiblen Überführung eines
Brennstoffzellensystems mit mindestens einer Brennstoffzelle von
einem Betriebszustand in einen Wartezustand vorgesehen, wobei im
Betriebszustand ein Brennstoff und ein Oxidationsmittel der Brennstoffzelle
zugeführt werden und eine elektrochemische Reaktion des
Oxidationsmittels und des Brennstoffs an Elektroden der Brennstoffzelle
zur Erzeugung einer elektrischen Spannung stattfindet, wobei im
Wartezustand die Brennstoffzelle selbst keine elektrische Leistung
mehr erzeugt, wobei die Überführung von dem Betriebszustand
in den Wartezustand folgende Schritte aufweist:
- • Aufrechterhaltung
der Zuführung des Brennstoffes zur Brennstoffzelle,
- • Unterbrechen der Zuführung des Oxidationsmittels,
und
- • Anlegen einer elektrischen Spannung an die Brennstoffzelle,
so dass eine erste Elektrode, die im Betriebszustand als Anode fungiert,
im Wartezustand als Kathode zur Verfügung steht, und eine
zweite Elektrode, die im Betriebszustand als Kathode fungiert, im
Wartezustand als Anode zur Verfügung steht.
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Dadurch,
dass die Zuführung des Brennstoffes nicht gestoppt wird
und auch das Kühlsystem weiterläuft, ist ein schneller Übergang
aus dem Wartezustand in den Betriebszustand und umgekehrt möglich.
Die elektrische Spannung wird durch eine zusätzliche Spannungsquelle
angelegt. Durch die vorgegebene Spannungsrichtung der Spannungsquelle
entsteht ein Schaltkreis, bei dem die Spannungsquelle und die Brennstoffzelle
in Bezug auf die Verbraucher als zwei parallel geschaltete Spannungsquellen
aufgefasst werden können, so dass bei einem Übergang
von dem Wartezustand zu dem Betriebszustand die Verbraucher unabhängig
von dem Zustand, in dem sich die Brennstoffzelle befindet, z. B.
wenn der Partialdruck des Oxidationsmittels noch nicht genügend
hoch ist, dennoch genügend Leistung beziehen können.
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Ebenfalls
wird durch das erfindungsgemäße Verfahren ein
guter Gesamtwirkungsgrad erzielt. So kann das Brennstoffzellensystem
eine Zuführungsvorrichtung zur Zuführung des Oxidationsmittels,
insbesondere einen Kompressor, aufweisen, die bei der Überführung
von dem Betriebszustand in den Wartezustand abstellbar ist. Der
Kompressor benötigt nach dem eigentlichen Hauptverbraucher,
z. B. einem Motor, ebenfalls viel Leistung. Ein Abschalten des Kompressors
erhöht somit den Gesamtwirkungsgrad, zumal in dem Wartezustand
die Brennstoffzelle keine elektrische Leistung mehr erzeugt und
somit die Zuführung des Oxidationsmittels durch den Kompressor
nicht notwendig ist. Ebenfalls wird durch die Unterbrechung der
Zuführung des Oxidationsmittels der Partialdruck des Oxidationsmittels
in der Brennstoffzelle gesenkt und damit einer Alterung der Brennstoffzelle
vorgebeugt. Ebenfalls wird eine Alterung der Brennstoffzelle dadurch
vermieden, dass das restliche Oxidationsmittel, das sich noch in
der Brennstoffzelle in einem zweiten Elektrodenraum an der zweiten
Elektrode befindet, abreagieren kann. Hierbei muss nicht gewartet
werden, dass das Oxidationsmittel mit in den zweiten Elektrodenraum
diffundierenden Brennstoff reagiert, sondern durch die weitere Versorgung
der Brennstoffzelle mit Brennstoff kann der Oxidationsmittelrest
dazu verwendet werden, dass die Brennstoffzelle zunächst
weiterhin Strom erzeugt. Der Strom kann dazu genutzt werden, die
parallel geschaltete Spannungsquelle zu laden und/oder weitere,
kleinere Verbraucher mit Leistung zu versorgen, bis im Wartezustand
kein Oxidationsmittel mehr im zweiten Elektrodenraum vorhanden ist.
Durch die weitere Versorgung der Brennstoffzelle mit Brennstoff
kann auch in einem ersten Elektrodenraum, der sich an der ersten
Elektrode befindet, eine reduzierende Atmosphäre beibehalten
werden.
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Wird
als Brennstoff Wasserstoff und als Oxidationsmittel Sauerstoff enthaltene
Luft eingesetzt, so sind bei dem erfindungsgemäßem
Verfahren im Wartezustand Wasserstoff an der ersten Elektrode und
nahezu Sauerstofffreie Luft, d. h. im Wesentlichen Stickstoff, an
der zweiten Elektrode vorhanden. Die Brennstoffzelle ist im Wartezustand
somit nahezu Sauerstofffrei, so dass einer Alterung vorgebeugt werden
kann.
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Als
ein unerwünschter Effekt in einer mit Wasserstoff betriebenen
Brennstoffzelle tritt des Weiteren auf, dass Wasserstoff durch eine
Membran, die den ersten und den zweiten Elektrodenraum trennt, diffundieren
kann. Hierdurch wird zum einen der Gesamtwirkungsgrad verringert,
da der Wasserstoff der elektrochemischen Reaktion entzogen wird,
zum anderen ist die unkontrollierte Reaktion von Wasserstoff und
Sauerstoff ein Sicherheitsproblem. Daher ist ferner vorgesehen,
dass die erste Elektrode im Wartezustand als Kathode und die zweite
Elektrode im Wartezustand als Anode dient, wie von der angelegten
Spannungsrichtung vorgegeben. Hierdurch ist es möglich,
dass im Wartezustand Brennstoff, d. h. der Wasserstoff, der in den
zweiten Elektrodenraum eindiffundiert, an der zweiten Elektrode
oxidiert wird, im oxidierten Zustand in den ersten Elektrodenraum
zurückwandert und dort zu seinem ursprünglichen
Zustand reduziert wird. Der Wasserstoff, der sich auch im Wartezustand
im ersten Elektrodenraum befindet, diffundiert also durch die Membran
zum zweiten Elektrodenraum. Dort trifft er auf eine Elektrode, die
wegen der angelegten Spannung als eine Anode fungiert und die den
Wasserstoff zu Wasserstoff-Ionen oxidiert. Die Wasserstoff-Ionen
wandern zu der ersten Elektrode, die aufgrund der angelegten Spannung
als Kathode fungiert, zurück.
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Dort
werden sie wieder zu Wasserstoff reduziert, so dass sich der Wasserstoff
erneut im ersten Elektrodenraum befindet. Die dafür benötigte
Spannung hängt von den Partialdrücken des Wasserstoffs
in den beiden Elektrodenräumen ab. Eine Übersicht über
die Funktionen und die Reaktionen an den beiden Elektroden im Betriebs-
und im Wartezustand gibt Tabelle 1.
| | | 1.
Elektrode | 2.
Elektrode |
| Betriebszustand | Funktion | Anode | Kathode |
| Reaktion | H2 → 2H+ +
2e– | ½ O2 + 2H+ + 2e– → H2O |
| Wartezustand | Funktion | Kathode | Anode |
| Reaktion | 2H+ + 2e– → H2 | H2 → 2H+ +
2e– |
Tabelle
1: Übersicht über die Funktionen und die Reaktionen
an den beiden Elektroden im Betriebs- und im Wartezustand
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Durch
die elektrochemischen Reaktionen an den Elektroden im Wartezustand
wird gewährleistet, dass sich kein Wasserstoff im zweiten
Elektrodenraum befindet. Hierdurch kann kein Wasserstoff beim Übergang
in den Betriebszustand an die Umgebung abgegeben werden, so dass
sich der Wirkungsgrad der Brennstoffzelle wie auch die Sicherheit
erhöht.
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Obwohl
die Zuführung des Oxidationsmittels zur Brennstoffzelle
im Wartezustand unterbrochen ist, und damit aktiv kein Oxidationsmittel
mehr in die Brennstoffzelle gelangt, kann durch die offenen Zuführungswege
zum zweiten Elektrodenraum Sauerstoff aus der Umgebungsluft in die Brennstoffzelle
eindiffundieren. Um dieses zu verhindern, sieht eine Ausführungsform
der Erfindung vor, dass nach dem Unterbrechen der Zuführung
des Oxidationsmittels der zweite Elektrodenraum verschlossen wird.
Hierzu kann beispielsweise vorgesehen sein, dass das Brennstoffzellensystem
zusätzlich mindestens ein Verschlussmittel, insbesondere mindestens
ein Ventil, aufweist, um den zweiten Elektrodenraum bei der Überführung
des Brennstoffzellensystems von dem Betriebszustand in den Wartezustand
zu verschließen. Vorzugsweise wird der zweite Elektrodenraum
sowohl am Eingang als auch am Ausgang verschlossen, um eine Eindiffusion
von Sauerstoff aus beiden Richtungen zu verhindern.
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Durch
die Spannungsrichtung der angelegten Spannung wird gewährleistet,
dass die Brennstoffzelle beim Übergang vom Betriebs- in
den Wartezustand erst das Oxidationsmittel verbrauchen, um Strom
zu erzeugen, und danach im Wartezustand Wasserstoff in den ersten
Kathodenraum zurückbefördern kann, ohne dass die
Spannungsrichtung umgepolt werden muss. Dadurch ist es möglich,
dass die Spannung an die Brennstoffzelle angelegt wird, solange
noch Oxidationsmittel in dem zweiten Elektrodenraum vorhanden ist.
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Eine
weitere Ausführungsform der Erfindung sieht zum Schutz
vor einer Alterung der Brennstoffzelle vor, dass die Spannung der
Brennstoffzelle bei der Überführung vom Betriebszustand
in den Wartezustand durch wenigstens einen zu der Brennstoffzelle
parallel geschalteten Widerstand in einen nicht degradativ wirkenden
Bereich, d. h. korrosionfördernden Bereich, gehalten wird.
Alternativ oder zusätzlich kann die Spannung auch gering
gehalten werden, indem Leistung für andere Verbraucher
oder zum Aufladen der Spannungsquelle verwendet wird. Im Falle mehrerer
in Reihe geschalteter Brennstoffzellen sind parallel geschaltete Widerstände
zusätzlich nützlich, weil Spannungsabfälle
der einzelnen Brennstoffzellen, die durch die angelegte Spannung
im Wartezustand erzeugt werden, durch ein Widerstandsnetzwerk aus
parallel zu den einzelnen Brennstoffzellen geschalteten Widerständen
einander angeglichen werden. Hierdurch werden Unregelmäßigkeiten
der Innenwiderstände der Brennstoffzellen, die zu unterschiedlichen
Spannungen an den einzelnen Zellen und somit auch zu einer Alterung
der Zellen führen könnten, vermieden. Die Widerstände
sind dabei so groß zu wählen, dass nur ein geringer
Leistungsverlust erfolgt.
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Wie
zuvor erwähnt ist bei dem erfindungsgemäßen
Verfahren auch vorteilhaft, dass ein schneller Übergang
vom Wartezustand in den Betriebszustand möglich ist, da
das Kühlsystem und die Brennstoffversorgung auch im Wartezustand
weiterläuft. Daher müssen bei der Überführung
von dem Wartezustand in den Betriebszustand nur folgende Schritte
durchgeführt werden:
- • Wiederaufnahme
der Zuführung des Oxidationsmittels zur Brennstoffzelle
und
- • Abschalten der an die Brennstoffzelle angelegten
Spannung.
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Optional
bei einem Verschließen des zweiten Elektrodenraumes muss
dieser zusätzlich wieder geöffnet werden.
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Die
Aufgabe der Erfindung wird auch durch ein Brermstoffzellensystem
mit mindestens einer Brennstoffzelle gelöst, das eine mit
der Brennstoffzelle schaltbar verbundene Spannungsquelle aufweist,
so dass eine durch die Spannungsquelle erzeugte Spannung an der
Brennstoffzelle bei der Überführung von dem Betriebszustand
in den Wartezustand anlegbar ist, so dass eine erste Elektrode,
die im Betriebszustand als Anode fungiert, im Wartezustand als Kathode
zur Verfügung steht, und eine zweite Elektrode, die im
Betriebszustand als Kathode fungiert, im Wartezustand als Anode
zur Verfügung steht.
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Zur
Erhöhung der Leistung des Brennstoffzellensystems kann
anstelle einer einzelnen Brennstoffzelle auch ein Brennstoffzellenstapel
verwendet werden.
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Bei
der Spannungsquelle kann es sich um eine Hochvolt-Batterie handelt.
Alternativ kann eine Batterie mit einer geringeren Spannung, beispielsweise
12 V, verwendet werden, die über einen Wandler an den Hochvoltkreis
angeschlossen wird. Die Batterie kann wiederaufladbar gestaltet
werden und zwischenzeitlich nach Ausstellen des Hauptverbrauchers
als Verbraucher dienen. Die angelegte Spannung pro Brennstoffzelle
beträgt bevorzugt zwischen 70 und 1000 mV und besonders
bevorzugt zwischen 70 und 920 mV, um eine Alterung der Brennstoffzelle
zu vermeiden.
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Es
kann vorgesehen sein, dass die Brennstoffzelle im Hochvoltkreis
angeordnet ist. Durch das Anlegen der elektrischen Spannung im Wartezustand
kann die Brennstoffzelle während des Wartezustands im Hochvoltkreis
verbleiben. Ein im Hochvoltkreis vorhandener Schütz zum
Anbinden der Brennstoffzelle an den Hochvoltkreis muss nicht geöffnet
werden. Die gewünschte Spannung pro Brennstoffzelle kann
z. B. dadurch, dass die Spannungsquelle über einen DC/DC-Wandler
in den Hochvoltkreis eingebunden ist, vorgegeben werden. Im Folgenden
wird dieser DC/DC-Wandler als DC/DC-Wandler der Spannungsquelle
bezeichnet.
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Alternativ
kann es sein, dass die Brennstoffzelle selber über einen
DC/DC-Wandler an den Hochvoltkreis angeschlossen ist, wobei dieser
DC/DC-Wandler im Folgenden als DC/DC-Wandler der Brennstoffzelle bezeichnet
wird. Dies ermöglicht im Betriebszustand eine Einstellung
der elektrischen Spannung im Hochvoltkreis unabhängig von
der elektrischen Spannung der Brennstoffzelle, die von Parameter
wie der Konzentration des Brennstoffes und des Oxidationsmittels,
der Temperatur und der Feuchtigkeit abhängt. Bevorzugt
wird hierbei die Spannung im Hochvoltkreis über den DC/DC-Wandler
der Brennstoffzelle auf einen konstanten Wert im Betriebszustand
eingeregelt. Während der Überführung
in den Wartezustand kann die an die Brennstoffzelle angelegte elektrische
Spannung durch den DC/DC-Wandler der Brennstoffzelle unabhängig
von der Spannung im Hochvoltkreis eingestellt werden. Hierdurch
kann eine niedrige elektrische Spannung von bevorzugt 70 bis 90
mV pro Brennstoffzelle angelegt werden. Vorteilhafterweise sinkt
dadurch die elektrische Leistung, die die Brennstoffzelle zum Reduzieren
der Wasserstoff-Ionen an der ersten Elektrode und zum Oxidieren
des Wasserstoffs an der zweiten Elektrode benötigt. Hierdurch
steigt der Wirkungsgrad des Brennstoffzellensystems im Wartezustand.
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Es
kann sein, dass das Brennstoffzellensystem entweder den DC/DC-Wandler
der Spannungsquelle oder den DC/DC-Wandler der Brennstoffzelle aufweist.
Bevorzugt weist das Brennstoffzellensystem sowohl den DC/DC-Wandler
der Spannungsquelle als auch den DC/DC-Wandler der Brennstoffzelle
auf.
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Zur
Einstellung der Spannung im Hochvoltkreis und/oder an der Brennstoffzelle
kann eine Steuer- und/oder Regeleinheit vorhanden sein, die zusätzlich
das Abstellen der Zuführungsvorrichtung und gegebenenfalls
das Verschließen des zweiten Elektrodenraums steuert und/oder
regelt.
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Ausführungsbeispiele
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Weitere
die Erfindung verbessernde Maßnahmen sind in den Unteransprüchen
angegeben oder ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von
Ausführungsbeispielen der Erfindung, welche in den Figuren
schematisch dargestellt sind. Sämtliche aus den Ansprüchen,
der Beschreibung oder der Zeichnung hervorgehenden Merkmale und/oder
Vorteile, einschließlich konstruktiven Einzelheiten, räumlichen
Anordnungen und Verfahrensschritten, können sowohl für
sich als auch in den verschiedensten Kombinationen erfindungswesentlich
sein. Es zeigen:
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1 mögliche
Zustände eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems,
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2 Verfahrensschritte
zur Überführung des Brennstoffzellensystems von
einem Betriebszustand in einen Wartezustand,
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3 Verfahrensschritte
zur Überführung des Brennstoffzellensystems von
dem Wartezustand in den Betriebszustand,
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4 Verfahrensschritte
zur Überführung des Brennstoffzellensystems von
dem Wartezustand in einen Auszustand,
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5a Aufbau
eines ersten Ausführunsgbeispiels des erfindungsgemäßen
Brennstoffzellensystems in Bezug auf elektrische Spannungen und
Stromflüsse,
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5b Aufbau
eines zweiten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen
Brennstoffzellensystems in Bezug auf elektrische Spannungen und
Stromflüsse,
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6 Aufbau
des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems
in Bezug auf Zuführungen von Edukten und
-
7 Strom-
und Spannungsverlauf sowie Sauerstoffkonzentration des Brennstoffzellensystems
bei einem Übergang von einem Betriebszustand in einen Wartezustand.
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Die 1 zeigt
drei mögliche Betriebszustände, in denen sich
ein Brennstoffzellensystem 1 erfindungsgemäß befinden
kann. Dies sind ein Betriebszustand 40, ein Wartezustand 41 und
ein Auszustand 42. In dem Betriebszustand 40 erzeugt
eine Brennstoffzelle 2 oder ein Brennstoffzellenstapel 2' durch
eine elektrochemische Reaktion von einem Brennstoff 17 und
einem Oxidationsmittel 18 eine elektrische Leistung, die von
einem Hauptverbraucher 9 und weiteren nicht dargestellten
Verbrauchern abgenommen wird (s. 6). Beispielsweise
entspricht der Betriebszustand 40 bei einem Einbau eines
Brennstoffzellensystems 1 in ein Kraftfahrzeug dem Zustand,
bei dem das Kraftfahrzeug fährt und ein Motor als Hauptverbraucher 9 von
dem Brennstoffzellenstapel 2' Leistung benötigt.
Der Wartezustand 41 zeichnet sich dadurch aus, dass die
Gesamtlast niedrig ist, beispielsweise weil der Hauptverbraucher 9 momentan
keine Leistung benötigt, jedoch zu erwarten ist, dass bald
die Gesamtlast wieder steigt, beispielsweise weil wieder Leistung
vom Hauptverbraucher 9 aufgenommen wird. Um bei dem Beispiel
mit dem Kraftfahrzeug zu bleiben, entspricht der Wartezustand 41 dem
Zustand, bei dem das Kraftfahrzeug z. B. an einer Ampel steht, d.
h. der Motor als Hauptverbraucher 9 selber benötigt
keine Leistung, jedoch weitere Verbraucher bleiben angeschaltet,
wie z. B. die Beleuchtung, das Radio, die Heizung oder die Klimaanlage.
Im Auszustand 42 wird keine Leistung für längere
Zeit von dem Brennstoffzellensystem 1 benötigt.
Beim Beispiel Kraftfahrzeug bedeutet der Auszustand 42 beispielsweise, dass
das Kraftfahrzeug geparkt wurde. Das Brennstoffzellensystem 1 kann
grundsätzlich reversibel zwischen jedem der drei Zustände
hin- und herwechseln. Ein direkter Übergang zwischen Betriebszustand 40 und
Auszustand 42 ist jedoch kritisch, da diese Vorgänge
zu einer erhöhten Alterung des Brennstoffzellenstapels 2' führen.
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Zum
einen ist deswegen ein zusätzlicher Wartezustand 41 sinnvoll,
zum anderen auch um den Hauptverbraucher 9 schnell wieder
mit Leistung versorgen zu können.
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Die 5a,
b und 6 zeigen die benötigten Vorrichtungen,
um die in 2–4 dargestellten Verfahrensschritte
durchführen zu können. Ein Brennstoffzellenstapel 2' ist
in 5a, b und 6 jeweils
exemplarisch mit drei Brennstoffzellen 2 dargestellt. Die
Brennstoffzellen 2 sind hier beispielhaft als Polymer-Elektrolyt-Membran
(PEM) Brennstoffzellen 2 ausgestaltet. Hierbei weist jede
Brennstoffzelle 2 einen ersten Elektrodenraum 12 mit
einer ersten Elektrode 10, eine Membran 14 und
einen zweiten Elektrodenraum 13 mit einer zweiten Elektrode 11 auf.
Die Brennstoffzellen 2 werden durch Bipolarplatten 21 voneinander
getrennt. Als Brennstoff 17 wird dem Brennstoffzellenstapel 2' Wasserstoff 17 über
ein Ventil 20 zugeführt und an die ersten Elektrodenräume 12 verteilt.
Unverbrauchter Wasserstoff 17 wird z. B. zu einem Verdichter 22 geleitet,
der den Wasserstoff 17 wieder zu dem Brennstoffzellestapel 2 zurückführt.
Diese Rückführung wird auch als Rezirkulation
bezeichnet. Um eine Ansammlung von Verunreinigungen zu vermeiden,
wird über ein Ventil 20' kontrolliert Gas an die
Umgebung abgelassen. Als Oxidationsmittel 18 wird dem Brennstoffzellensystem 1 im
Betriebszustand 40 Sauerstoff 18 enthaltene Luft über
eine Zuführungsvorrichtung 3 und ein Verschlussmittel 6 zugeführt,
an die zweiten Elektrodenräume 13 verteilt und
durch ein weiteres Verschlussmittel 6' wieder abgeführt.
In diesem Ausführungsbeispiel sind die Zuführungsvorrichtung 3 als
ein Kompressor 3 und die Verschlussmittel 6, 6' als
Ventile 6, 6' ausgeführt. Ein Hauptverbraucher 9,
beispielsweise ein über einen DC/AC-Wandler 8 betriebener
Motor, nimmt die Leistung des Brennstoffzellenstapels 2' im
Betriebszustand 40 ab. Der Brennstoffzellenstapel 2' kann
für weitere nicht dargestellte Verbraucher Leistung zur
Verfügung stellen. Der DC/AC-Wandler 8 ist in
einem Hochvoltkreis 30 angeordnet. In 5a ist
ebenfalls der Brennstoffzellenstapel 2' direkt in dem Hochvoltkreis 30 angeordnet.
Die Spannungsquelle 4 ist über einen DC/DC-Wandler 31 mit
dem Hochvoltkreis 30 verbunden. Hingegen ist in 5b der
Brennstoffzellenstapel 2' über einen DC/DC-Wandler 32 mit
dem Hochvoltkreis 30 verbunden. Der Brennstoffzellenstapel 2' ist
in einem Stromkreis 33 mit einer niedrigeren Spannung als
im Hochvoltkreis 30 angeordnet. In 5b ist
es möglich, dass die elektrische Spannung des Brennstoffzellenstapels 2' im
Wartezustand unabhängig von der Spannung im Hochvoltkreis 30 eingestellt
ist. Ebenfalls kann in 5b die Spannungsquelle 4 über
einen in 5b nicht dargestellten DC/DC-Wandler
mit dem Hochvoltkreis 30 verbunden sein.
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Die
erfindungsgemäßen Verfahrensschritte werden durch
eine Steuer- und Regeleinheit 7 koordiniert, die einen
Schalter 19 zum Anschluss einer Spannungsquelle 4,
die hier als eine Batterie 4 ausgeführt ist, an den
Brennstoffzellenstapel 2' betätigen kann. Die
Steuer- und Regeleinheit 7 kann über den DC/DC-Wandler 31 und/oder
den DC/DC-Wandler 32 die an dem Brennstoffzellenstapel 2' angelegte
Spannung steuern oder regeln. Eine dazu benötigte Spannungsmesseinrichtung
ist nicht dargestellt. Des Weiteren kann die Steuer- und Regeleinheit 7 das
An- und Abstellen des Kompressors 3 und des Verdichters 22,
das Öffnen und Schließen der Ventile 6, 6' und
der Ventile 20, 20' steuern und/oder regeln.
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Die 2 zeigt
die nacheinander auszuführenden Verfahrensschritte beim Übergang
von dem Betriebszustand 40 in den Wartezustand 41.
Die Steuer- und Regeleinheit 7 erfährt, dass die
Gesamtlast unter eine vorgegebene Grenze sinkt. Im Rahmen des Ausführungsbeispiels
soll angenommen werden, dass der Hauptverbraucher 9 keine
Leistung mehr benötigt. Die Steuer- und Regeleinheit 7 schaltet
nun von einer Stromführung, bei der die Steuerung und Regelung
darauf ausgerichtet ist, die Verbraucher, z. B. den DC/AC-Wandler 8,
mit einem benötigten Strom und Spannung zu versorgen, zu
einer Spannungsführung um, bei der die Steuerung und Regelung
darauf ausgerichtet ist, eine konstante Spannung in dem Brennstoffzellenstapel 2' in
einem nicht degradativ wirkenden Bereich zu erreichen (Verfahrensschritt 30).
Hierzu schließt im Verlauf des Übergangs die Steuer-
und Regeleinheit 7 den Schalter 19. Hierdurch
wird zunächst um durch ein Aufladen der Batterie 4 eine
Spannungsspitze in der Brennstoffzelle vermieden, danach wird durch
die angelegte Spannung der Batterie 4 nach Verbrauch des
Sauerstoffs ein Spannungsabfall in der Brennstoffzelle und eine
Anreicherung von Wasserstoff 17 in den zweiten Elektrodenräumen 13 verhindert.
Die Steuer- und Regeleinheit 7 kann hierbei in 5a die
an den Brennstoffzellenstapel 2' angelegte Spannung über
den DC/DC-Wandler 31 einstellen. In 5b stellt
die Steuer- und Regeleinheit 7 die an den Brennstoffzellenstapel 2' angelegte
Spannung über den DC/DC-Wandler 32 ein, wobei
die eingestellte Spannung in 5b niedrig sein
kann. Nach dem Umschalten auf die Spannungsführung wird
der Kompressor 3 abgestellt (Verfahrensschritt 31).
Um neben der aktiven Zuführung von Sauerstoff 18 auch
das Eindiffundieren von Sauerstoff 18 in die zweiten Elektrodenräume 13 zu
verhindern, werden die zweiten Elektrodenräume 13 durch
das Schließen der Ventile 6, 6' verschlossen
(Verfahrensschritt 32). Damit ist der Wartezustand 41 erreicht,
der sich durch folgende Eigenschaften auszeichnet: Die Zuführung
von Wasserstoff 17 durch Rezirkulation wird aufrecht erhalten.
Hierdurch bleibt die reduzierende Atmosphäre in den ersten
Elektrodenräumen 12 gewahrt. Zusätzlich enthält
der rezirkulierte Wasserstoff 17 genügende Feuchtigkeit,
so dass die Membrane 14 nicht austrocknen und für
eine Wiederaufnahme des Betriebszustands 40 sofort wieder
einsatzbereit ist. Die zweiten Elektrodenräume 13 befinden
sich nach Verbrauch des Restsauerstoffs 18 in einem nahezu
sauerstofffreien Zustand, in dem sich im Wesentlichen Stickstoff
in den zweiten Elektrodenräumen 13 befindet. Dadurch
wird ebenfalls einer Alterung der Brennstoffzellen vorgebeugt. In 5a kann
durch die angelegte Spannung der Brennstoffzellenstapel 2' im
Hochvoltkreis verbleiben. Sowohl in 5a als
auch in 5b sorgt die an den Brennstoffzellenstapel 2' angelegte
Spannung dafür, durch die Membran diffundierenden Wasserstoff 17 von
den zweiten Elektrodenräumen 13 in die ersten
Elektrodenräume 12 zurückzubringen. Hierdurch
ebenso wie durch das Abstellen des Kompressors 3 wird ein
guter Gesamtwirkungsgrad erreicht. Ein Widerstandsnetzwerk 15 aus
zu je einer Brennstoffzelle parallel geschalteten Widerständen 5 sorgt
dafür, dass selbst bei unterschiedlichen Innenwiderständen
der einzelnen Brennstoffzellen 2 die angelegte Spannung
jeder Brennstoffzelle 2 gleich bleibt. Ebenfalls kann die
Batterie 4 die Stromversorgung der Verbraucher, die noch
Leistung im Wartezustand 41 beziehen, übernehmen.
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Der
in 3 dargestellte Übergang von dem Wartezustand 41 zu
dem Betriebszustand 40 kann einfach und schnell erfolgen,
da nur Luft dem Brennstoffzellenstapel 2' wieder zur Verfügung
gestellt werden muss, um wieder Leistung aus dem Brennstoffzellenstapel 2' zu
beziehen. Hierzu werden die Ventile 6, 6' geöffnet
(Verfahrensschritt 33), dann der Kompressor 3 wieder
angestellt (Verfahrensschritt 34) und die Steuer- und Regeleinheit 7 von
der Spannungs- auf die Stromführung zurückgeschaltet
(Verfahrensschritt 35). Hierbei kann der Schalter 19 wieder
geöffnet werden.
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Aus
dem Wartezustand 41 kann der Brennstoffzellenstapel 2 einfach
in einen Auszustand 42 überführt werden
(s. 4). Hierzu wird der Schalter 19 geöffnet
und die Spannung abgeschaltet (Verfahrensschritt 36) und
die Wasserstoffzufuhr durch Abstellen des Verdichters 22 und
Schließen der Ventile 20, 20' beendet
(Verfahrensschritt 37). Zusätzlich ist noch das
Kühlsystem auszustellen. Das Einstellen des Auszustandes 42 aus dem
Wartezustand 41 ist dem Einstellen des Auszustandes 42 direkt
aus dem Betriebszustand 40 vorzuziehen. Zum einen ist der
Auszustand 42 aus dem Wartezustand 41 schnell
erreichbar. Zum anderen befindet sich der Brennstoffzellenstapel 2 im
Wartezustand 41 in einem nahezu sauerstofffreien Zustand,
so dass auch in einem Auszustand 42, der aus einem Wartezustand 41 erfolgt,
nicht degradative Bedingungen herrschen. Hierbei sollte Idealerweise
ein Wasserstoffüberdruck im Brennstoffzellenstapel 42 verbleiben,
um über einen langen Zeitraum reduzierende Zustände
zu gewährleisten.
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Die 7 zeigt
einen zeitlichen Stromverlauf I, einen Spannungsverlauf U sowie
eine Sauerstoffkonzentration c(O2) des Brennstoffzellenstapels 2' bei
einem Übergang von einem Betriebszustand 40 in
einen Wartezustand 41. Hierbei befindet sich der Brennstoffzellenstapel 2' zunächst
im Betriebszustand 40 mit einer im Wesentlichen konstant
hohen Spannung U, einem konstant hohen Strom I und konstant hoher
Sauerstoffzufuhr c(O2). Am Punkt A nimmt
der Hauptverbraucher 9 keine Leistung mehr ab, der Strom
I verringert sich dadurch, die Steuer- und Regeleinheit 7 schaltet
auf Spannungsführung 30 um. Am Punkt B erfolgt
das Abstellen 31 des Kompressors 3 und ein Verschließen 32 der
Ventile 6, 6'. Hierdurch sinkt der Sauerstoffgehalt c(O2) in dem Brennstoffzellenstapel 2 und
damit auch der Strom I, während die Spannung U durch die
Spannungsregelung gleich bleibt. Am Punkt C ist kein Sauerstoff
mehr im Brennstoffzellenstapel 2' vorhanden und der Wartezustand 41 ist
erreicht. Die Spannung U des Brennstoffzellenstapels 2' wird
durch die Batterie 4 erhalten. Dadurch, dass der durch
die Membran 14 in die zweiten Elektrodenräume 13 diffundierende
Wasserstoff 17 an den zweiten Elektroden 11 oxidiert
wird, als Wasserstoff-Ion an die erste Elektroden 10 zurückwandert
und dort wieder reduziert wird, fließt wieder ein leichter
Strom I im Brennstoffzellenstapel 2. Weil im Wartezustand 41 die
ersten Elektroden 10 nicht mehr als Anode, sondern als
Kathode fungiert und die zweiten Elektroden 11 nicht mehr
als Kathode, sondern als Anode fungieren, dreht sich die Stromrichtung
um.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - WO 2006117969
A1 [0003]
- - US 2005271911 A1 [0004]