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Die Erfindung betrifft einen Anodenkreislauf für ein Brennstoffzellensystem nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art. Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Vorbereiten einer Brennstoffzelle eines Brennstoffzellensystems auf einen Wiederstart, nach der im Oberbegriff von Anspruch 4 näher definierten Art.
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Aus dem allgemeinen Stand der Technik sind Brennstoffzellensysteme mit Brennstoffzellen, beispielsweise in PEM-Brennstoffzellentechnologie, allgemein bekannt. Bei solchen Brennstoffzellensystemen sind sogenannte Anodenkreisläufe oder Anodenloops sehr verbreitet. Sie bestehen aus einer Rezirkulationsleitung, welche Abgas aus einem Anodenraum der Brennstoffzelle zu einer Anodengaszuleitung zurückführt. Durch diese wird das rezirkulierte Abgas dann zusammen mit frischem Brennstoff für die Brennstoffzelle wieder in den Anodenraum geleitet. Um Druckverluste im Anodenraum selbst und im Bereich der Rezirkulationsleitung auszugleichen, weist ein solcher Anodenkreislauf typischerweise eine Rezirkulationsfördereinrichtung auf. Dabei sind sowohl Gebläse als auch Gasstrahlpumpen oder die Kombination hiervon aus dem Stand der Technik bekannt. Insbesondere die Verwendung einer Gasstrahlpumpe als Rezirkulationsfördereinrichtung hat dabei den entscheidenden Vorteil, dass diese mit dem typischerweise unter Druck stehenden Brennstoff, beispielsweise Wasserstoff aus einem Druckgasspeicher, betrieben werden kann. Die Rezirkulation des Abgases kann so vergleichsweise energiesparend erfolgen. Der frische Brennstoff als Treibgasstrom strömt dazu in eine Kammer mit dem rezirkulierten Abgas ein, an welche sich typischerweise eine Venturidüse anschließt. Durch Impulsaustausch zwischen dem Treibgasstrom und dem Abgas und/oder den im Bereich des Venturirohrs aufgebauten Unterdruck wird das Anodenabgas dann durch den Treibgasstrom gefördert und über die Anodengaszuleitung dem Anodenraum zugeführt.
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Ferner ist es so, dass sich in einem solchen Anodenkreislauf mit der Zeit inerte Gase und Wasser anreichern. Die Wasserstoffkonzentration fällt dadurch. Um dem entgegenzuwirken, weist ein Anodenkreislauf typischerweise eine Ablassleitung mit einer Blende oder einem Ablassventil auf. Über die Ablassleitung wird beispielsweise von Zeit zu Zeit oder in Abhängigkeit einer Wasserstoff- oder Stickstoffkonzentration in dem Anodenkreislauf Gas und gegebenenfalls Wasser abgelassen, um so die Wasserstoffkonzentration in dem Anodenkreislauf wieder anzuheben und die Performance der Brennstoffzelle zu verbessern. Dabei können jeweils eine Ablassleitung für das Gas und eine Ablassleitung für das Wasser vorgesehen sein. Es ist auch möglich lediglich eine Ablassleitung vorzusehen, welche dann vorzugsweise im Bereich eines Wasserabscheiders aus der Rezirkulationsleitung abzweigt, um im Bedarfsfall zuerst das Wasser und, wenn dieses ausgetragen ist, Gas aus dem Anodenkreislauf abzulassen.
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Ein Problem bei Brennstoffzellen, insbesondere PEM-Brennstoffzellen, ist der Start der Brennstoffzelle beziehungsweise des Brennstoffzellensystems. Dies gilt insbesondere dann, wenn der Start bei Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts erfolgen muss. Da im Bereich der Brennstoffzelle und des Brennstoffzellensystems flüssiges Produktwasser während des Betriebs entsteht, kann dieses bei Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts einfrieren und wesentliche Funktionalitäten der Brennstoffzelle und des Brennstoffzellensystems blockieren. Insbesondere ist das Einfrieren der Brennstoffzelle selbst kritisch für einen erfolgreichen Wiederstart. Aus dem allgemeinen Stand der Technik ist es dabei bekannt, dass eine möglichst trockene Brennstoffzelle eine bessere Startfähigkeit aufweist. Daher kann die Brennstoffzelle beim Abschalten des Systems mit Luft aus einer Luftfördereinrichtung gespült werden, um Wasser aus den Strömungskanälen zu entfernen. Dies ist gemäß der
DE 10 2006 046 104 A1 beispielsweise auch auf der Anodenseite der Brennstoffzelle möglich, um diese bestmöglichst auf einen späteren Wiederstart vorzubereiten. Ein vergleichbarer Aufbau wird auch in der
US 2010/0151291 A1 beschrieben. In beiden Fällen wird dabei die Luftfördereinrichtung der Brennstoffzelle zum Spülen der Anodenseite verwendet.
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Die
DE 103 08 473 A1 beschreibt das Spülen der Brennstoffzelle mit Luft aus einer Druckluftquelle, um dies auch ohne den Betrieb der Luftfördereinrichtung realisieren zu können. Die
DE 11 204 001 726 T5 beschreibt außerdem die Möglichkeit, hierfür Stickstoff zu verwenden.
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Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin, einen Anodenkreislauf eines Brennstoffzellensystems beziehungsweise ein Verfahren zum Vorbereiten eines Brennstoffzellensystems mit einem solchen Anodenkreislauf auf einen Wiederstand anzugeben, welches die oben genannten Nachteile vermeidet.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch einen Anodenkreislauf mit den Merkmalen im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst. Außerdem löst ein Verfahren mit den Merkmalen im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 4 diese Aufgabe. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Anodenkreislaufs und/oder des Verfahrens ergeben sich aus den restlichen hiervon jeweils abhängigen Unteransprüchen.
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Bei dem erfindungsgemäßen Anodenkreislauf ist es vorgesehen, dass die Gasstrahlpumpe schaltbar entweder mit einer Brennstoffquelle oder eine Spülgasquelle als Treibgasstromquelle verbindbar ist. Die Gasstrahlpumpe kann im regulären Betrieb entweder alleine oder zusätzlich zu einem Anodenrezirkulationsgebläse die Förderung des Anodenabgases übernehmen. Sie ist dafür mit der Brennstoffquelle verbunden und der frische zugeführte Brennstoff zu dem Anodenraum dient als Treibgasstrom für die Gasstrahlpumpe. Außerdem ist sie schaltbar mit einer Spülgasquelle, beispielsweise einer Luftquelle, einer Stickstoffquelle oder dergleichen verbunden. So kann beispielsweise zum Vorbereiten eines eventuellen späteren Wiederstarts anstelle des Brennstoffs Spülgas als Treibgasstrom durch die Gasstrahlpumpe in den Anodenkreislauf eindosiert werden. Der Aufbau bietet die Möglichkeit, sowohl den Anodenraum als auch den gesamten Kreislauf der Anodenrezirkulation mit dem Spülgas zu spülen, um so diesen Bereich zu trocknen, Feuchtigkeit und eventuell vorhandenes Wasser auszublasen. Dabei wird die Gasstrahlpumpe durch das Spülgas aktiv betrieben, sodass nicht nur der Anodenraum selbst, sondern auch die Rezirkulationsleitung entsprechend gespült wird.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es dementsprechend vorgesehen, dass die Brennstoffzelle auf einen Wiederstart vorbereitet wird, indem sie mit einem Spülgas durchströmt wird. Die Zufuhr des Spülgas erfolgt dabei erfindungsgemäß aus einer Spülgasquelle in den Bereich der Gasstrahlpumpe, und zwar so, dass das Spülgas den Treibgasstrom der Gasstrahlpumpe bildet. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht so das Durchspülen des Anodenraums ebenso wie das Durchspülen der Rezirkulationsleitung und der Anodengaszuleitung. Damit wird ein sicheres Trocknen beziehungsweise Ausblasen von flüssigem Wasser aus dem gesamten Anodenkreislauf erreicht, sodass die Brennstoffzelle anodenseitig ideal auf einen späteren Wiederstart vorbereitet ist. Das erfindungsgemäße Verfahren kann dabei entweder beim Abstellen des Brennstoffzellensystems durchgeführt werden oder auch in einer eigenen Prozedur, welche das Brennstoffzellensystem auf einen Wiederstart vorbereitet. Eine solche Prozedur kann beispielsweise temperaturgesteuert während des Stillstands des Brennstoffzellensystems erfolgen. Das Brennstoffzellensystem wird dazu, wenn die Temperatur unter einen vorgegebenen Grenzwert fällt und deshalb mit einem Wiederstart bei Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts gerechnet werden muss, kurzzeitig aufgeweckt und mit einer geeigneten Prozedur auf den Wiederstart vorbereitet. Dabei kann das erfindungsgemäße Verfahren eingesetzt werden, um die Anodenseite entsprechend zu trocknen.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann als Spülgasquelle ein Druckgasspeicher verwendet werden. Ein solcher Druckgasspeicher, insbesondere wenn er während des Betriebs des Brennstoffzellensystems mit dem Druckgas gefüllt wird, stellt eine sehr einfache und günstige Spülgasquelle dar. Beispielsweise kann der Druckgasbehälter als Druckluftspeicher ausgebildet sein. Dieser wird während des regulären Betriebs der Brennstoffzelle durch den Kompressor mit Druckluft befüllt und kann dann bei dem erfindungsgemäßen Verfahren als Spülgasquelle genutzt werden. Der Vorteil ist insbesondere dann gegeben, wenn das Verfahren unabhängig vom Betrieb des Brennstoffzellensystems durchgeführt wird. in diesem Fall ist es besonders günstig, wenn die Spülgasquelle das Spülgas ohne zusätzlichen Energieaufwand bereitstellen kann, wie es bei einem Druckgasspeicher der Fall ist. In diesem Fall ist lediglich Energie zum Ansteuern der entsprechenden Ventile notwendig.
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In einer alternativen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann als Spülgasquelle eine Luftfördereinrichtung verwendet werden. Dies kann die Luftfördereinrichtung des Brennstoffzellensystems sein, welche dann beispielsweise mit reduzierter Drehzahl, zur Einsparung von Energie, betrieben werden kann. Insbesondere kann dies jedoch auch eine eigene Luftfördereinrichtung sein, welche ausschließlich für dieses Verfahren sowie gegebenenfalls einen Start des Brennstoffzellensystems eingesetzt wird. Eine solche Luftfördereinrichtung kann dabei insbesondere als Niedervoltluftfördereinrichtung ausgebildet sein, beispielsweise auf der Basis eines 12 oder 24 V-Systems. Der Aufbau hat ebenfalls, vor allem dann, wenn das Verfahren unabhängig vom Abstellen des Brennstoffzellensystems ausgeführt wird, den entscheidenden Vorteil, dass Energie lediglich aus einer typischerweise ohnehin vorhandenen Bordnetzbatterie benötigt wird. Außerdem wird die Verwendung von hohen Spannungen in dem dann im Normalfall unbeaufsichtigten Brennstoffzellensystem vermieden. Dies ist aus sicherheitstechnischen Aspekten ein entscheidender Vorteil.
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In einer weiteren sehr günstigen und vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann es außerdem vorgesehen sein, dass eine Ventileinrichtung in einer mit der Rezirkulationsleitung verbundenen Ablassleitung während der Zufuhr des Spülgases im zeitlichen Wechsel abwechselnd geöffnet und geschlossen wird. Neben der prinzipiell auch denkbaren dauerhaften Öffnung der Ventileinrichtung ist dieser gepulste Betrieb von besonderem Vorteil. Er ermöglicht eine gute Funktionalität der Gasstrahlpumpe immer dann, wenn die Ventileinrichtung geschlossen ist, da dann eine umgehende Rezirkulation des Gasstroms in der Rezirkulationsleitung stattfinden kann. Lediglich wenn die Ventileinrichtung geöffnet ist, wird der Gasstrom abgeblasen. Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass, in den Phasen, in denen die Ventileinrichtung geschlossen ist, ein höherer Druck aufgebaut wird, welcher dann in den Phasen, in denen die Ventileinrichtung geöffnet ist, wieder abgebaut wird. Durch diese Druckschwankungen zwischen niedrigem und hohem Druck gelingt es sehr gut, flüssiges Wasser aus dem Bereich des Anodenraums und der Rezirkulationsleitung auszublasen. Die Abfuhr von flüssigem Wasser ist dabei deutlich besser, als bei ständig geöffneter Ventileinrichtung und konstantem Druckgefälle.
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Der erfindungsgemäße Aufbau des Anodenkreislaufs sowie das Verfahren zum Vorbereiten der Brennstoffzelle auf einen Wiederstart eignet sich vorzugsweise für Brennstoffzellen beziehungsweise Brennstoffzellensysteme, welche häufig abgestellt und wieder gestartet werden müssen. Dies gilt insbesondere dann, wenn für den Wiederstart gelegentlich auch Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts auftreten. In diesen Systemen kann der erfindungsgemäße Anodenkreislauf sowie das erfindungsgemäß durchgeführte Verfahren seine besonderen Vorteile ausspielen. Brennstoffzellen, welche derartigen Bedingungen ausgesetzt sind, werden dabei häufig in Fahrzeugen, beispielsweise Kraftfahrzeugen auf dem Land oder in Wasserfahrzeugen eingesetzt. Insbesondere hier liegt die bevorzugte Verwendung des erfindungsgemäßen Anodenkreislauf sowie des Verfahrens zum Vorbereiten des Wiederstarts der Brennstoffzelle.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Anodenkreislaufs sowie des Verfahrens zum Vorbereiten einer Brennstoffzelle eines Brennstoffzellensystems auf einen Wiederstart ergeben sich aus den restlichen abhängigen Patentansprüchen und werden anhand des Ausführungsbeispiels deutlich, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figur näher beschrieben wird.
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Die einzige beigefügte Figur zeigt einen zur Erläuterung der Erfindung relevanten Ausschnitt aus einem Brennstoffzellensystem in einem Fahrzeug.
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In der einzigen beigefügten Figur ist ein Ausschnitt aus einem Brennstoffzellensystem 1 in einem prinzipmäßig angedeuteten Fahrzeug 2 dargestellt. Dabei ist eine Brennstoffzelle 3 zu erkennen, welche als Stapel von PEM-Brennstoffzellen, als sogenannter Brennstoffzellenstack, aufgebaut sein soll. Die Brennstoffzelle 3 weist einen Anodenraum 4 und einen Kathodenraum 5 auf. Dem Kathodenraum 5 der Brennstoffzelle 3 wird in an sich bekannter Art und Weise über eine Luftfördereinrichtung 6 Luft als Sauerstofflieferant zugeführt. Unverbrauchte Abluft gelangt nach dem Kathodenraum 5 der Brennstoffzelle 3 aus dem Brennstoffzellensystem 1. Dem Anodenraum 4 der Brennstoffzelle 3 wird Wasserstoff aus einem Druckgasspeicher 7 zugeführt. Der Wasserstroff strömt über eine Absperr- und Druckregeleinrichtung 8 zu einer Gasstrahlpumpe 9. Nach der Gasstrahlpumpe 9 gelangt der Wasserstoff über eine Anodengaszuleitung 10 in den Anodenraum 4. Vom Ausgang des Anodenraums 4 wird Abgas über eine Rezirkulationsleitung 11 in den Bereich der Gasstrahlpumpe 9 zurückgeführt. Dieser Aufbau wird auch als Anodenkreislauf oder Anodenloop bezeichnet. Die Gasstrahlpumpe 9 wird im regulären Betrieb von dem frischen Wasserstoff als Treibgasstrom angetrieben und durch Impulsaustausch und/oder Unterdruckeffekte wird der Abgasstrom aus der Rezirkulationsleitung 11 gefördert und gelangt vermischt mit dem frischen Wasserstoff durch die Anodengaszuleitung 10 in den Anodenraum 4 der Brennstoffzelle 3.
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In dem Anodenkreislauf reichert sich mit der Zeit Wasser und Stickstoff, welcher durch die Membranen der Brennstoffzelle 3 aus dem Kathodenraum 5 in den Anodenraum 4 diffundiert, an. Dies führt dazu, dass die Wasserstoffkonzentration in dem Anodenkreislauf sinkt und deshalb dieser Stickstoff, idealerweise zusammen mit entstandenem Produktwasser, von Zeit zu Zeit oder in Abhängigkeit der Stickstoff oder Wasserstoffkonzentration abgelassen werden muss. In dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel dient dazu eine Ablassleitung 12 mit einem Ablassventil 13. Diese sind mittels eines Wasserabscheiders 14 mit der Rezirkulationsleitung 11 verbunden. Dadurch wird flüssiges Wasser in dem Abgasstrom abgeschieden und sammelt sich in dem Wasserabscheider 14. Nachdem die Ventileinrichtung 14, beispielsweise in Abhängigkeit der gesammelten Wassermenge, geöffnet worden ist, strömt zuerst das Wasser durch die Ablassleitung 12 ab. Danach strömt noch eine gewisse Menge an Gas mit ab, beispielsweise bis die Ventileinrichtung zeitgesteuert und/oder in Abhängigkeit der Wasserstoff- oder Stickstoffkonzentration in der Rezirkulationsleitung 11 wieder geschlossen wird. Prinzipiell wäre es auch denkbar, diesen als kombinierten Drain/Purge bezeichneten Aufbau aufzuteilen, sodass über eine Drain-Leitung als Ablassleitung ausschließlich Wasser und über eine Purge-Leitung als Ablassleitung ausschließlich Gas abgelassen wird.
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Um das Brennstoffzellensystem 1 nun ideal auf einen später bevorstehenden Wiederstart vorbereiten zu können, ist es entscheidend, dass insbesondere die Anodenseite des Brennstoffzellensystems vergleichsweise trocken ist. Dafür wird die Anodenseite des Brennstoffzellensystems 1 mit einem Spülgas gespült, um Wasser und feuchte Restgase aus der Anodenseite auszutreiben. Bei dem hier dargestellten Aufbau des Brennstoffzellensystems 1 dient dafür eine Spülgasquelle 15. Die Spülgasquelle 15 kann über eine geeignete Ventileinrichtung 16 so mit der Gasstrahlpumpe 9 verbunden werden, dass das Spülgas als Treibgasstrom dient und sowohl den Anodenraum 4 der Brennstoffzelle 3 als auch den Bereich der Anodengaszuleitung 10 und der Rezirkulationsleitung 11 entsprechend durchspült. Idealerweise ist dafür die Ventileinrichtung 13 geöffnet. Dies kann entweder kontinuierlich sein oder periodisch, sodass die Ventileinrichtung über die Zeit für eine gewisse Zeit geschlossen und dann für eine gewisse Zeit wieder geöffnet ist. Wie oben bereits erläutert kann dadurch die Durchströmung der gesamten Rezirkulationsleitung 11 sowie der Austrag von Feuchtigkeit und Wasser verbessert werden.
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Der Aufbau ist sehr einfach und effizient und erlaubt die Vorbereitung der Brennstoffzelle 3 auf einen effizienten Wiederstart entweder unmittelbar beim Abstellen des Brennstoffzellensystems oder in einer eigenen Verfahrensroutine zur Vorbereitung des Wiederstarts, welche beispielsweise in Abhängigkeit der Umgebungstemperatur bei Bedarf im Stillstand des Brennstoffzellensystems 1 gestartet werden kann.
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Als Spülgas eignet sich dabei insbesondere Luft oder gespeicherter Stickstoff, wobei die Verwendung von Luft augrund der uneingeschränkten Verfügbarkeit in der Umgebung des Brennstoffzellensystems 1 zu bevorzugen ist.
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Als Spülgasquelle 15 können verschiedene Spülgasquellen eingesetzt werden. Die Spülgasquelle 15 kann vorzugsweise Luft als Spülgas liefern. Sie kann in der einfachsten Ausführungsform die Luftfördereinrichtung 6 des Brennstoffzellensystems 1 sein, welche über geeignete Leitungselemente und Ventile so verschaltet ist, dass zumindest ein Teilgasstrom der normalen Luftversorgungseinrichtung 6 den Treibgasstrom für die Gasstrahlpumpe 9 bereitstellt. Vorzugsweise kann dann ein anderer Teilgasstrom der Luftversorgungseinrichtung 6 den Kathodenraum 5 der Brennstoffzelle 3 durchspülen.
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Alternativ dazu wäre es auch möglich, einen Druckgasspeicher als Spülgasquelle 15 einzusetzen. Dieser könnte prinzipiell mit Luft oder auch mit Stickstoff befüllt werden, welcher dann extern zugeführt wird. Alternativ dazu wäre es auch denkbar und besonders effizient möglich, den Druckgasspeicher mit Luft zu befüllen, welche während des Betriebs des Brennstoffzellensystems 1 über die Luftfördereinrichtung 6 in den Druckgasspeicher gefördert wird. Der Aufbau hätte den Vorteil, dass er beim Spülen der Anodenseite sehr energieeffizient ist. Als Druckgasspeicher kann dabei entweder ein herkömmlicher Druckgasspeicher, wie er aus dem Bereich der Luftdrucktechnik bekannt ist, eingesetzt werden. Es wäre auch denkbar, ein ohnehin vorhandenes Volumen an Bord des Fahrzeugs als Druckgasspeicher zu verwenden, beispielsweise ein Reserverad, wobei hier die Befüllung während des Betriebs entscheidend wäre, da ansonsten die Gefahr besteht, dass das Reserverad bei Bedarf nicht verwendbar ist.
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Eine weitere Möglichkeit wäre ein eigenes Sekundärgebläse oder ein Sekundärkompressor. Ein solcher könnte beispielsweise eigens für den genannten Zweck vorgehalten werden. Es wäre aber auch denkbar hier einen ohnehin vorhanden Kompressor zu verwenden, z. B. den Kompressor einer Druckluftanlage, den Kompressor eines Reifendrucksystems, den Kompressor eines Systems, welches ein Reserverad ersetzt (Tire-fit) oder dergleichen.
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Dieser könnte dann entweder zum Befüllen eines Speichers eingesetzt werden, oder unmittelbar zum Spülen der Anodenseite der Brennstoffzelle 3. Insbesondere kann ein solches eigenes Sekundärgebläse beispielsweise als 12 V-Gebläse aufgebaut sein. Dieses kann dann, ohne dass die Hochvoltenergie in dem Brennstoffzellensystem 1 aktiviert werden muss, beispielsweise aus der Bordbatterie für das ohnehin vorhandene Bordnetz betrieben werden. Damit ist ebenfalls ein vergleichsweise energieeffizienter Betrieb zum Spülen der Anodenseite des Brennstoffzellensystems 1 möglich. Außerdem wird die Beaufschlagung des Hochvoltspannungskreislaufs mit Spannung im unbeaufsichtigten Betrieb verhindert, was einen Sicherheitsvorteil darstellt. Um ein solch eigenes Sekundärluftgebläse nicht ausschließlich für diesen Zweck vorhalten zu müssen, kann dieses auch andersweitig genutzt werden, beispielsweise zur Luftversorgung des Brennstoffzellensystems 1 im Startfall, als Gebläse beispielsweise im Rahmen einer Standklimatisierung des Fahrzeugs 2 oder dergleichen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102006046104 A1 [0004]
- US 2010/0151291 A1 [0004]
- DE 10308473 A1 [0005]
- DE 11204001726 T5 [0005]
