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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzelle sowie ein Brennstoffzellensystem zum Ausführen des Verfahrens.
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Stand der Technik
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Brennstoffzellensysteme, beispielsweise für Kraftfahrzeuge, werden typischerweise mit Wasserstoff als Brenngas und Luft als Oxidationsmittel betrieben. Infolge der geringfügigen Gasdurchlässigkeit der Elektrolytmembran, die Anode und Kathode voneinander trennt, und des Stickstoffkonzentrationsgradienten zwischen Wasserstoffseite und Luftseite, diffundiert im Betrieb kontinuierlich Stickstoff von der Kathodenseite auf die Anodenseite. Typische automobile Systeme beispielsweise arbeiten meist in einem sogenannten Anodenrezirkulationsbetrieb, weshalb sich der inerte Stickstoff an der Anode sammelt. Weiterhin stellt sich innerhalb weniger Minuten nahezu Sättigung mit Wasserdampf ein, welcher gleichermaßen wie Stickstoff als Inertgas wirkt Auf diese Weise sinkt die Wasserstoffkonzentration je nach Betriebszustand und Verhältnis von aktiver Fläche zu Anodenvolumen nach wenigen bis einigen Dutzend Minuten auf Konzentrationen von ≤ 50% ab. Hohe Inertgaskonzentrationen an oder auf der Anode beziehungsweise in dem Anodenraum führen zu Leistungseinbußen im einstelligen Prozentbereich, bergen in Lasttransienten die Gefahr starker Alterung eines Brennstoffzellenstacks infolge lokaler Wasserstoffunterversorgung und erhöhen die parasitären Verluste durch erhöhte Leistungsaufnahme des Rezirkulationsgebläses infolge des höheren/viskoseren Volumenstroms. Weiterhin muss üblicherweise regelmäßig ein Teil des Wasserstoff/Stickstoff/Wasser-Gemisches aus der Rezirkulationsschleife mittels eines Spülvorgangs (Anodenpurge) abgelassen und durch reinen Wasserstoff aus dem Tank ersetzt werden, um die Wasserstoffkonzentration auf einem ausreichend hohen Niveau zu halten und Flutung der Elektroden durch auskondensierendes Wasser zu vermeiden.
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Aus der Druckschrift
DE 10 2007 059 737 A1 ist ein Prozess bekannt, um zu bestimmen, wann ein Ablassen von Anodenabgas ausgeführt werden soll, wodurch Stickstoff von der Anodenseite eines Brennstoffzellenstapels entfernbar ist. Das Verfahren bestimmt ferner die Menge an Stickstoff, die von einer Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels zu einer Anodenseite des Brennstoffzellenstapels oder umgekehrt strömt Dazu wird eine Standardabweichung von Spannungsausgängen von Brennstoffzellen in dem Brennstoffzellenstapel bestimmt und die Standardabweichung als ein Modell zur Bestimmung der Leckrate von Stickstoff von der Anodenseite zur Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels verwendet.
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Aus
WO 00/46869 A2 ist ein Verfahren bekannt, in dem eine Brennstoffzelle zur quantitativen Bestimmung von Alkoholen eingesetzt wird. Dabei durchströmt ein Alkohol enthaltendes Messmedium einen Elektrodenraum der Brennstoffzelle. Dem anderen Elektrodenraum wird ein weiteres Fluid zugeleitet. Der Alkohol gelangt zur Anode, an welcher er oxidiert wird. Bei leitender Verbindung von Anode und Kathode fließt so ein Strom. Die Spannung und/oder der Strom in der Brennstoffzelle können dann gemessen und als Maß für die Konzentration an Alkohol in dem Messmedium verwendet werden.
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In
DE 10 2007 059 998 A1 ist ein Verfahren zum Bestimmen und Regeln der Konzentration von Stickstoffaufbau in einer arbeitenden Brennstoffzelle beschrieben. Das Verfahren ist insbesondere geeignet, das Steuern und Ausblasen von Stickstoff in einem Anodenkreislauf eines strömungswechselnden Brennstoffzellensystems zu regeln. Während des strömungswechselnden Betriebs des Brennstoffzellensystems können Spannungsschwankungen in Brennstoffzellenstapeln ermittelt werden, deren Größenordnung mit der Wasserstoffkonzentration in dem durch den Anodenströmungspfad strömenden Fluid korrelierbar sind.
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Offenbarung der Erfindung
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Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzelle, die wenigstens einen Anodenraum und wenigstens einen von dem Anodenraum getrennten Kathodenraum aufweist, wobei das Verfahren ein Ermitteln einer Brennstoffkonzentration eines Anodengases umfasst mit den Verfahrensschritten:
- a) Durchführen eines Spülvorgangs wenigstens eines Anodenraums,
- b) Einleiten von Anodengas in wenigstens einen Kathodenraum,
- c) Ermitteln der Leistung oder einer mit der Leistung zusammenhängenden Größe der Brennstoffzelle während Schritt b), und
- d) Ermitteln der Brennstoffkonzentration des Anodengases auf Basis der ermittelten Leistung oder der mit der Leistung zusammenhängenden Größe.
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Eine Brennstoffzelle im Sinne der vorliegenden Erfindung kann eine Brennstoffzelle mit einem Anodenraum und einem Kathodenraum sein. Ferner kann eine Brennstoffzelle im Sinne der vorliegenden Erfindung eine Mehrzahl beziehungsweise einen Stack von Brennstoffzellen umfassen, die beispielsweise vollständig zusammenhängend oder auch zumindest teilweise voneinander getrennt angeordnet sind und dann eine Mehrzahl von Anodenräumen und Kathodenräumen umfassen.
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Unter einem Anodenraum kann im Sinne der vorliegenden Erfindung insbesondere der Raum der Brennstoffzelle beziehungsweise die Brennstoffkammer verstanden werden, in der sich die Anode befindet. Korrespondierend dazu kann unter dem Kathodenraum im Sinne der vorliegenden Erfindung insbesondere der Raum der Brennstoffzelle beziehungsweise die Brennstoffkammer verstanden werden, in der sich die Kathode befindet. Der Anodenraum und der Kathodenraum sind dabei voneinander getrennt, beispielsweise durch eine Elektrolytmembran, wie es für Brennstoffzellen üblich ist.
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Unter einem Anodengas kann im Sinne der vorliegenden Erfindung insbesondere das Gas verstanden werden, das sich in dem Anodenraum befindet, beziehungsweise das bei einem Spülvorgang den Anodenraum verlässt. Das Anodengas kann beispielsweise Wasserstoff umfassen oder im Wesentlichen aus Wasserstoff bestehen. Korrespondierend dazu kann das Kathodengas insbesondere das in der Kathode sich befindende Gas sein und insbesondere Luft sein. Der Spülvorgang (Purgen) ist dabei ein Vorgang, der in Abhängigkeit des Betriebs beziehungsweise der Betriebsdauer der Brennstoffzelle standardmäßig durchgeführt wird. Er dient dazu, das Anodengas zu erneuern beziehungsweise Verunreinigungen zu entfernen. Der Spülvorgang kann demnach insbesondere dazu dienen, Gase, die in dem Anodenraum als Inertgase wirken, wie etwa Stickstoff oder Wasserdampf, aus dem Anodenraum beziehungsweise dem Anodengas zu entfernen und die Brennstoffkonzentration zu erhöhen. Die Verunreinigungen strömen beispielsweise durch eine Undichtigkeit in der Elektrolytmembran von dem Kathodenraum in den Anodenraum. Dieser Vorgang kann insbesondere durch Alterungsvorgänge der Membran beziehungsweise der Brennstoffzelle hervorgerufen werden.
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Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die Brennstoffkonzentration des Anodengases und damit die Konzentration von in dem Anodenraum unerwünschten Verunreinigungen, also beispielsweise die Stickstoffanreicherung oder die Anreicherung mit Wasserdampf, an der Anodenseite durch Ermitteln der Leistung oder einer mit der Leistung zusammenhängenden Größe bei einer Dosierung von Anodengas auf die Kathode ermittelt. Der Brennstoff kann dabei insbesondere Wasserstoff aber auch einen weiteren geeigneten flüssigen oder gasförmigen Brennstoff umfassen oder dieser sein. Die mit der Leistung der Brennstoffzelle zusammenhängende Größe ist insbesondere die Zellspannung. Erfindungsgemäß ist jedoch jegliche weitere zusammenhängende Größe umfasst, wie etwa ein fließender Strom oder ein herrschender Widerstand. Insgesamt ist eine mit der Leistung zusammenhängende Größe im Sinne der vorliegenden Erfindung insbesondere eine Größe, die sich bei einer Veränderung der Leistung ebenfalls verändert.
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Die Erfindung basiert somit auf der Möglichkeit, dass eine geringe Konzentration von Brennstoff, bezogen auf das Gesamtvolumen des Kathodenraums, ohne wesentliche negative Auswirkungen auf die Lebensdauer einer Brennstoffzelle beziehungsweise eines Brennstoffzellenstacks in einen Kathodenraum oder in eine Mehrzahl von Kathodenräumen beziehungsweise in das Kathodengas eindosiert werden kann. Dies gilt sogar dann, wenn der eindosierte Brennstoff in einem Kathodenraum mit dem Kathodengas, insbesondere Luft, abreagiert.
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Diese Abreaktion führt zu einem Leistungsabfall und damit etwa zu einem Zellspannungsabfall, der messtechnisch problemlos auswertbar ist und dabei aufgrund der Abhängigkeit des Leistungsabfalls und damit etwa des Spannungsabfalls zu der Konzentration des Brennstoffs eine Korrelation zu dem in dem Anodengas befindlichen Brennstoff zulässt. Im Detail nutzt die Erfindung somit aus, dass der Leistungsabfall der Brennstoffzelle bei konstanten werteren Randbedingungen eine starke Abhängigkeit von der Brennstoffkonzentration am Kathodeneintritt beziehungsweise in dem Kathodenraum zeigt. Auf diese Weise kann über den Leistungsabfall während des Spülvorgangs des Anodengases die Brennstoffkonzentration in der Anode bestimmt werden. Ein Ermitteln der Leistung oder einer mit der Leistung zusammenhängenden Größe einer Brennstoffzelle kann gleichermaßen ein Ermitteln einer der vorgenannten Größen eines Brennstoffzellenstacks umfassen.
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Die Absenkung der Leistung der Brennstoffzelle wird zum einen durch die Verringerung der Kathodenstöchiometrie, das heißt der Verringerung des Sauerstoffangebots für die eigentliche elektrochemische Zellreaktion zur Erzeugung des elektrochemischen Laststroms, hervorgerufen und zum anderen durch eine erhöhte Belastung der aktiven Zentren des Kathodenkatalysators.
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Vorteilhafterweise ist es somit möglich, eine hochgenaue und dynamische Messung durchzuführen. Diese Messung ist dabei nur abhängig von der Konzentration des Brennstoffs jedoch unabhängig von der Zusammensetzung der Inertgase beziehungsweise der gasförmigen Verunreinigungen in dem Anodengas, also etwa Stickstoff oder Wasserdampf.
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Darüber hinaus ist das erfindungsgemäße Verfahren in den meisten herkömmlichen Brennstoffzellensystemen ohne größere Probleme möglich. Denn oftmals wird das Anodenabgas bei einem Spülvorgang ohnehin über die Kathode abgelassen, um keinen zusätzlichen Abgaskatalysator zur Vermeidung von Brennstoffemissionen in die Umwelt zu benötigen. Somit sind für das erfindungsgemäße Verfahren keine zusätzlichen Komponenten notwendig, insbesondere ist kein Drucksensor am Anodenausgang notwendig.
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Weitere Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens liegen in einer erzielbaren Leistungsoptimierung hinsichtlich des Spannungsverlusts. Ferner kann der Brennstoffverlust reduziert werden und eine Alterung durch Vermeidung einer Brennstoffunterversorgung verringert werden.
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Im Rahmen einer Ausführungsform wird das Anodengas zusammen mit einem Trägergas in den Kathodenraum geleitet. Dadurch kann die Konzentration des Anodengases gesenkt werden, wodurch insbesondere die Brennstoffkonzentration in dem Kathodenraum gering gehalten werden kann. Beschädigungen oder negative Beeinflussungen der Lebensdauer der Brennstoffzelle beziehungsweise des Brennstoffzellenstacks bei einer Abreaktion des Brennstoffs können dadurch weitestgehend vermieden werden. Darüber hinaus kann auf diese Weise das erfindungsgemäße Verfahren vergleichbar zu herkömmlichen Spülvorgängen durchgeführt werden, was keinen wesentlichen Umbau der vorhandenen Systeme erforderlich macht.
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Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform weist das Anodengas in dem Trägergas eine Konzentration von ≤ 20 Vol.-%, insbesondere ≤ 10 Vol.-%, auf, bezogen auf das Gesamtvolumen der Anodengas-Trägergas-Mischung. Dadurch kann erreicht werden, dass eine negative Beeinflussung der Lebensdauer einer Brennstoffzelle beziehungsweise eines Brennstoffzellenstacks vollständig ausgeschlossen werden kann. Darüber hinaus bleibt die Konzentration des Brennstoffs, wie etwa des Wasserstoffs, unterhalb der unteren Explosionsgrenze (UEG), so dass ein Zwischenfall ausgeschlossen werden kann. Dabei ist eine Konzentration von weniger oder gleich 10 Vol.-% besonders bevorzugt, wobei eine Beimengung des Anodengases von weniger oder gleich 20 Vol.-% ebenfalls ausreichen kann. Denn gerade bei einem Spülvorgang beträgt das Anodengas keine 100% Brennstoff mehr sondern eine vergleichsweise geringere Konzentration.
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Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform ist das Trägergas das Kathodengas, insbesondere Luft. Dies ist eine besonders einfache Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung, da das Anodengas, beziehungsweise das Anodenabgas des Spülvorgangs, lediglich in das ohnehin in den Kathodenraum einzubringende Gas eindosiert werden kann. Auf weitere Trägergase und damit einen weiteren Gaseinlass sowie auf wertere Gasbehälter kann somit verzichtet werden, weshalb der Betrieb einer Brennstoffzelle gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren besonders kostengünstig gestaltet werden kann.
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Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform kann durch die ermittelte Brennstoffkonzentration des Anodengases eine Steuereinheit zur Einleitung des Spülvorgangs, insbesondere ein modellbasierter Schätzer, kalibriert werden. Dadurch wird ermöglicht, dass die Steuereinheit stets auf Basis aktueller Daten eine Modellrechnung ausführt und somit der Spülvorgang stets zu einem geeigneten Zeitpunkt ausgelöst wird. So kann sichergestellt werden, dass ein Spülvorgang nur dann ausgelöst wird, wenn die Brennstoffkonzentration sicher unterhalb eines vorbestimmten Werts liegt. Eine allzu große Toleranz kann so vermieden werden, was den Brennstoffverbrauch weiter senkt.
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Eine Steuereinheit, insbesondere ein modellbasierter Schätzer, kann dabei insbesondere ein Modell, wie etwa einen geeigneten Algorithmus, verwenden, um eine Abschätzung der Stickstoffkonzentration in dem Anodenraum beziehungsweise in dem Anodengas online während des Betriebs der Brennstoffzelle bereitzustellen. Dadurch kann abgeschätzt werden, wann ein Spülvorgang notwendig ist, beziehungsweise wann ein inertes Gas, wie Wasserdampf oder Stickstoff, aus dem Anodengas entfernt werden sollte, beziehungsweise wann das Anodengas erneuert werden sollte. Beispielsweise kann das Modell beziehungsweise der Algorithmus einen Spülvorgang auslösen, wenn der berechnete Brennstoffgehalt außerhalb vorbestimmter Grenzen liegt, also insbesondere einen vorbestimmten Schwellenwert unterschreitet. Vorzugsweise kann ein Spülvorgang gestartet werden, wenn die Brennstoffkonzentration einen Wert von 50 Vol.-% unterschreitet. Dann wird das Anodengas oder zumindest ein Teil desselben aus dem Anodenraum entfernt und durch frischen Brennstoff ersetzt. Auf diese Weise wird die Brennstoffkonzentration in dem Anodenraum erneut erhöht, um wieder innerhalb vorbestimmter Grenzen zu liegen.
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Wenn die Brennstoffzelle während des Spülvorgangs unter definierter Last arbeitet, also insbesondere in diesem Lastzustand während des Spülvorgangs gehalten wird, kann eine besonders genaue Messung erfolgen.
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Im Rahmen einer werteren Ausführungsform arbeitet die Brennstoffzelle daher während des Spülvorgangs unter definierter Last. Bei einer vorbestimmten und vor allem konstanten Last ändert sich vorteilhafterweise beispielsweise die Zellspannung der Brennstoffzelle beziehungsweise der Brennstoffzellenstacks nur vernachlässigbar, wenn die sonstigen Bedingungen ebenfalls konstant gehalten werden. Dadurch ist eine durch die Einleitung des Anodengases in den Kathodenraum hervorgerufene Absenkung der Leistung und damit beispielsweise der Spannung besonders genau zu messen. Vorzugsweise wird der Lastzustand beziehungsweise Betriebspunkt derart gewählt, dass die Druckverhältnisse vor und hinter dem Anodenraum und Kathodenraum einen problemlosen Spülvorgang von einem Anodenausgang auf einen Kathodeneingang erlauben.
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Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Brennstoffzellensystem, insbesondere geeignet zum Ausführen eines erfindungsgemäßen Verfahrens, umfassend
- – eine Brennstoffzelle mit einem wenigstens einem Anodenraum und wenigstens einem von dem Anodenraum getrennten Kathodenraum,
- – eine mit dem wenigstens einen Anodenraum fluidisch verbundene Anodengasquelle,
- – eine mit dem wenigstens einen Kathodenraum fluidisch verbundene Kathodengasquelle,
- – eine Anodenabgasleitung zum Abführen von Anodengas aus wenigstens einem Anodenraum,
- – ein mit einem Kathodeneingang und mit der Anodenabgasleitung verbundenes Ventil, um Anodengas selektiv in wenigstens einen Kathodenraum zu leiten, und
- – eine Messvorrichtung zum Ermitteln der Leistung oder einer mit der Leistung zusammenhängenden Größe der Brennstoffzelle, wobei die Messvorrichtung mit einer Auswerteinheit verbunden ist, die dazu ausgebildet ist, die Brennstoffkonzentration des Anodengases auf Basis der Leistung oder der mit der Leistung zusammenhängenden Größe zu ermitteln.
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Die Anodenabgasleitung kann beispielsweise eine Rezirkulationsleitung sein und im Sinne der vorliegenden Erfindung insbesondere dazu dienen, das Anodengas in einem Anodenrezirkulationsbetrieb zu verwenden, also aus dem Anodenraum und zurück in diesen zu leiten.
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Die Messvorrichtung kann jede geeignete Vorrichtung sein, um die Leistung oder eine mit der Leistung verbundene Größe zu ermitteln. Beispielsweise kann die Messvorrichtung ein Spannungsmesser sein. Er dient der Messung der Zellspannung der Brennstoffzelle und ist mit einer Auswerteinheit verbunden. Dieser ist dann dazu ausgebildet, die Brennstoffkonzentration des Anodengases auf Basis der Zellspannung zu messen. Das wird beispielsweise möglich durch eine Software mit einem geeigneten Algorithmus, in dem die Beziehung zwischen Brennstoffkonzentration und Zellspannung gespeichert beziehungsweise eingespeist ist. Grundsätzlich eignet sich jedoch jegliche Messvorrichtung, mit der die Leistung beziehungsweise eine mit der Leistung zusammenhängende Größe, wie neben der Spannung etwa der Strom oder der Widerstand, messbar ist.
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Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem kann auf einfache Weise in bestehende Systeme integriert werden beziehungsweise diese ersetzen. Aufwändige Anpassungsarbeiten entfallen dabei. Lediglich eine entsprechende Auswerteinheit ist dabei zu integrieren.
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Im Rahmen einer Ausführungsform umfasst das Brennstoffzellensystem eine Steuereinheit, insbesondere einen modellbasierten Schätzer, der mit der Auswerteinheit verbunden ist. Auf diese Weise kann nicht nur durch die Steuereinheit der Spülvorgang ausgelöst werden, wenn die Steuereinheit eine Brennstoffkonzentration in dem Anodengas schätzt, welche außerhalb beziehungsweise unterhalb eines vorbestimmten Grenzbereichs liegt. Darüber hinaus kann die Steuereinheit zusätzlich durch die konkret ermittelte Brennstoffkonzentration kalibriert werden, was eine sehr genaue Abschätzung der Brennstoffkonzentration ermöglicht. Eine Steuereinheit kann dabei insbesondere ein Modell, wie etwa einen geeigneter Algorithmus, verwenden, um eine Abschätzung der Brennstoffkonzentration in dem Anodenraum beziehungsweise in dem Anodengas online während des Betriebs der Brennstoffzelle bereitzustellen.
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Die Erfindung betrifft ferner ein Kraftfahrzeug, das ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem aufweist. Insbesondere in Kraftfahrzeugen sind Brennstoffzellensysteme geeignet. Ferner sind in einem Kraftfahrzeug die Vorteile des erfindungsgemäßen Systems, also insbesondere eine Leistungsoptimierung, eine Verringerung des Brennstoffverbrauchs sowie eine verringerte Alterung besonders von Nutzen.
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Zeichnungen und Beispiele
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Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Gegenstände werden durch die Zeichnungen veranschaulicht und in der nachfolgenden Beschreibung erläutert. Dabei ist zu beachten, dass die Zeichnungen nur beschreibenden Charakter haben und nicht dazu gedacht sind, die Erfindung in irgendeiner Form einzuschränken. Es zeigen
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1 eine schematische Ansicht einer erfindungsgemäßen Ausführungsform eines Brennstoffzellensystems; und
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2 ein Diagramm zeigend die Abhängigkeit der Zellspannung von der Wasserstoffkonzentration in dem Kathodenraum.
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1 zeigt eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems 1. Das Brennstoffzellensystem 1 ist für stationäre, portable und automobile Anwendungen geeignet und kann als solches beispielsweise in einem Kraftfahrzeug angeordnet sein.
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Das Brennstoffzellensystem 1 umfasst erfindungsgemäß eine Brennstoffzelle 2, die wenigstens einen Anodenraum 3 aufweist. Der wenigstens eine Anodenraum 3 ist dabei beispielsweise durch eine Elektrolytmembran 4 von wenigstens einem Kathodenraum 5 getrennt. Die Elektrolytmembran 4 ist insbesondere ein Ionenleiter und kann beispielsweise eine Polymermembran sein. In dem wenigstens einen Anodenraum 3 ist eine Anode 6 angeordnet, wohingegen in dem wenigstens einem Kathodenraum 5 eine Kathode 7 angeordnet ist. Die Anode 6 wie auch die Kathode 7 kann aus einem Metall oder Kohlenstoff ausgebildet sein und vorzugsweise mit einem Katalysator beschichtet sein. Als Katalysatoren sind beispielsweise Platin oder Platin-Legierungen geeignet.
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Mit dem wenigstens einen Anodenraum 3 fluidisch verbunden ist eine Anodengasquelle 8, wie etwa eine Wasserstoffquelle. Korrespondierend dazu ist mit dem wenigstens einen Kathodenraum 5 eine Kathodengasquelle 9 verbunden, beispielsweise eine Luftquelle, also insbesondere die das Brennstoffzellensystem 1 umgebende Luft.
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Um das Anodengas, also einen Brennstoff wie beispielsweise Wasserstoff, in den wenigstens einen Anodenraum 3 und damit zu der Anode 6 zu leiten, ist eine Anodengasleitung 10 vorgesehen, welche die Anodengasquelle 8 mit dem wenigstens einen Anodenraum 3 verbindet. Die Anodengasquelle 8 weist ein Absperrventil 11 auf, stromabwärts von dem ein Druckminderer 12 zur Voreinstellung des Drucks vorgesehen ist. Stromabwärts des Druckminderers 12 kann ferner ein Niederdruck-Absperrventil 13 angeordnet sein. Um eine geeignete Menge beziehungsweise einen geeigneten Druck an Brennstoff in den wenigstens einen Anodenraum 3 zu leiten, ist ferner ein Dosierventil 14 vorgesehen, dass stromaufwärts des wenigstens einen Anodenraums 3 in der Anodengasleitung 10 angeordnet ist.
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Korrespondierend dazu ist eine Kathodengasleitung 15 vorgesehen, mit der Kathodengas, wie etwa Umgebungsluft, in den wenigstens einen Kathodenraum 5 einleitbar ist. Der wenigstens eine Kathodenraum 5 ist daher über die Kathodengasleitung 15 mit der Kathodengasquelle 9 fluidisch verbunden.
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Verbunden mit dem wenigstens einen Anodenraum 3 ist ferner eine Anodenabgasleitung. Im Folgenden wird die Erfindung in nicht beschränkender Weise mit einer Rezirkulationsleitung 16 (Anodenloop) zum Rezirkulieren von Anodengas als Anodenabgasleitung beschrieben. Die Erfindung ist jedoch gleichermaßen mit jeder weiteren Anodenabgasleitung ausführbar. Die Rezirkulationsleitung 16 ist mit wenigstens einem Anodenausgang 17 und der Anodengasleitung 10 verbunden. Um ein Rezirkulieren des Anodengases zu ermöglichen, kann in der Rezirkulationsleitung 16 ein Rezirkulationsgebläse 18 angeordnet sein. Vorteilhafterweise stromaufwärts des Rezirkulationsgebläses 18 kann ferner ein Kondensatabscheider 19 angeordnet sein, der zur Abtrennung des abgeschiedenen Kondensats, beziehungsweise Wassers, über eine Spülleitung 27 mit der Kathodengasleitung 15 verbunden ist. Zweckmäßigerweise verbunden mit dem Kondensatabscheider 19 und angeordnet in der Spülleitung 27 ist ferner ein Spülventil 20, durch welches ein Spülvorgang steuerbar ist. Das Brennstoffzellensystem 1 umfasst ferner eine weitere Spülleitung 25 mit einem Ventil 26. Durch das Ventil 26 kann selektiv Anodengas in wenigstens einen Kathodenraum 5 beziehungsweise in die Kathodengasleitung 15 eindosiert werden. Das Ventil 26 ist somit mit der Anodenabgasleitung beziehungsweise mit der Rezirkulationsleitung 16 und dem Kathodenraum 5, beziehungsweise mit einem Kathodeneingang 24, durch die Spülleitung 25 verbunden.
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1 verdeutlich ferner, dass das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem 1 eine Messvorrichtung aufweist, um die Leistung oder eine mit der Leistung zusammenhängende Größe zu ermitteln. Im Folgenden wird die Erfindung in nicht beschränkender Weise mit einer Spannungsmessvorrichtung 21 zum Messen der Zellspannung beschrieben. Die Spannungsmessvorrichtung 21 ist mit der Anode 6 und der Kathode 7 verbunden. Die Spannungsmessvorrichtung 21 ist dazu ausgelegt, die Zellspannung zwischen der Anode 6 und der Kathode 7 und damit der Brennstoffzelle 2 zu messen. Im Sinne der vorliegenden Erfindung ist von einer Messung der Spannung der Brennstoffzelle 2 das Messen der Spannung eines Brennstoffzellenstacks umfasst, das ausgeführt werden kann, wenn das Brennstoffzellensystem 1 eine Mehrzahl an Brennstoffzellen 2 aufweist. Dabei ist die Spannungsmessvorrichtung 21 mit einer Auswerteinheit 22 verbunden, welche dazu ausgebildet ist, die Brennstoffkonzentration des Anodengases auf Basis beispielsweise der Zellspannung zu ermitteln. Dazu weist die Auswerteinheit 22 beispielsweise einen geeigneten Algorithmus auf, mittels dem etwa aus der Spannung auf die Brennstoffkonzentration geschlossen werden kann, wie dies später erläutert wird.
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Es kann ferner eine Steuereinheit, wie etwa ein modellbasierter Schätzer 23 vorgesehen sein, der mit der Auswerteinheit 22 verbunden ist, also beispielsweise in diese integriert ist. Die Steuereinheit kann insbesondere den Startpunkt eines Spülvorgangs wenigstens eines Anodenraums 3 auslösen. Insbesondere in diesem Fall kann die Auswerteinheit 22 mit dem Spülventil 20 verbunden sein, um dieses zu betätigen und so den Spülvorgang auszulösen.
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Bei einer eine Mehrzahl an Einzelzellen umfassenden Brennstoffzellen 2 kann selbstverständlich eine Mehrzahl an Zuleitungen und/oder Ableitungen für die Anodenräume 3 beziehungsweise Kathodenräume 5 vorgesehen sein, die entsprechend geschaltet sind, um das Verfahren in geeigneter Weise durchführen zu können.
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2 zeigt beispielhaft die Abhängigkeit der Zellspannung der Brennstoffzelle 2 von der Wasserstoffkonzentration, die sich insbesondere durch das Einleiten des Anodengases in einen Kathodenraum 5 in diesem einstellt. 2 zeigt somit das Prinzip, auf dem das erfindungsgemäße Verfahren beruht. Die X-Achse stellt die Wasserstoffkonzentration in einem Kathodenraum 5 in Volumen-% dar, wohingegen die Y-Achse die auf 0% Wasserstoff normierte Zellspannung der Brennstoffzelle 2 darstellt.
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Aus 2 ist ersichtlich, dass insbesondere bei hohen Wasserstoffkonzentrationen, also bei Wasserstoffkonzentrationen in einem Bereich von 10 Vol-%, eine Abnahme der Zellspannung von mehr als 10% vorliegt. Um gut messbare und auswertbare Ergebnisse zu erhalten, sind jedoch gleichermaßen Wasserstoffkonzentrationen in einem Bereich von deutlich unterhalb 10 Vol-% möglich. Jedoch sind auch größere Wasserstoffkonzentrationen möglich, da hier der Spannungsabfall noch deutlicher auswertbar ist.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben der Brennstoffzelle 2 nutzt diesen Effekt insbesondere bei dem Ermitteln der Brennstoffkonzentration des Anodengases aus. Erfindungsgemäß wird dabei ein Spülvorgang wenigstens eines Anodenraums 3 durch Ausleiten von Anodengas aus wenigstens einem Anodenraum 3 durchgeführt. Dadurch soll insbesondere einer abgesunkenen Brennstoffkonzentration entgegengewirkt werden, indem das Inertgase enthaltende Anodengas aus dem Anodenraum 3 und ferner aus der Rezirkulationsleitung 16 entfernt wird und durch frisches Anodengas, also insbesondere reinen Wasserstoff, ersetzt wird. Um das verschmutzte Anodengas aus dem Brennstoffzellensystem 1 zu entfernen, wird dieses in wenigstens einen Kathodenraum 5 der Brennstoffzelle 2 geleitet. Wird dabei, also insbesondere während des Einleitens beziehungsweise Eindosierens des Anodengases in den Kathodenraum 5, beispielsweise die Zellspannung der Brennstoffzelle 2 gemessen, kann aufgrund des in 2 gezeigten Effekts die Brennstoffkonzentration des Anodengases anhand der Zellspannung unter Verwendung eines geeigneten Algorithmus ermittelt werden.
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Dabei ist es insbesondere von Vorteil, dass das Anodengas in einem Trägergas in den Kathodenraum 5 geleitet wird. Dazu kann es in einer durch das Ventil 26 einstellbaren Menge in die Kathodengasleitung 15 und damit in den Strom von Kathodengas geleitet werden. Eine zu hohe Konzentration kann dabei schädlich sein, da der abreagierende Brennstoff sich nachteilig auf die Brennstoffzelle 2 auswirken könnte. Jedoch zeigt 2, dass bei einer höheren Wasserstoffkonzentration deutlichere Messwerte sichtbar werden. Daher sind Konzentrationen von dem Anodengas in dem Trägergas, wie etwa in dem Kathodengas, in einem Bereich von ≤ 20 Vol.-%, insbesondere ≤ 10 Vol.-%, besonders vorteilhaft.
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Der in 2 dargestellte Effekt gilt vergleichbar für andere gasförmige oder flüssige Brennstoffe, welche in einer Brennstoffzelle Verwendung finden können. Der Effekt gilt ferner neben einer Spannung für die Leistung selbst oder für eine wertere mit der Leistung zusammenhängende Größe, wie Strom oder Widerstand.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007059737 A1 [0003]
- WO 00/46869 A2 [0004]
- DE 102007059998 A1 [0005]
