DE102014018121A1

DE102014018121A1 - Verfahren zur Brennstoffzufuhr

Info

Publication number: DE102014018121A1
Application number: DE102014018121.9A
Authority: DE
Inventors: Thomas Jogwer; Jürgen Lapp; Björn Lippoth; Sven Schmalzriedt
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Cellcentric GmbH and Co KG
Priority date: 2014-12-09
Filing date: 2014-12-09
Publication date: 2016-06-09

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Brennstoffzufuhr zu einem Anodenraum (4) eines Brennstoffzellenstapels (3), wobei ein Anodendruck und/oder ein Kathodenruck und/oder ihre Differenz erfasst wird, und wobei die Brennstoffzufuhr über ein pulsiert angesteuertes Auf/Zu-Ventil (11) erfolgt. Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil (11) immer dann geöffnet wird, wenn ein Druck in dem Anodenraum (4) unter einen vorgegeben Wert (p1, p0) abfällt und das Ventil (11) jeweils nach einer vorgegebenen Zeitspanne (Δt) nach dem Öffnen wieder geschlossen wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Brennstoffzufuhr zu einem Anodenraum eines Brennstoffzellenstapels nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art. Außerdem betrifft die Erfindung die Verwendung eines derartigen Verfahrens.
Verfahren zur Brennstoffzufuhr zu einem Anodenraum eines Brennstoffzellenstapels sind aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt. Insbesondere, wenn der Aufbau des betroffenen Brennstoffzellensystems so gestaltet ist, dass eine Rezirkulation von Anodenabgas, insbesondere über eine Gasstrahlpumpe bzw. einen Ejektor, erfolgt, dann ist ein unmittelbarer Zusammenhang zwischen der Dosiermenge und der Rezirkulationsrate durch die Gasstrahlpumpe gegeben. Eine gleichmäßige Dosierung und eine dementsprechend gleichmäßige Rezirkulationsrate lässt sich insbesondere über ein Proportionalventil erzielen. Proportionalventile sind nun aber aufwändig und teuer. Außerdem hat man erkannt, dass eine pulsierende Dosierung und/oder Rezirkulation, insbesondere im Teillastbetrieb der Brennstoffzelle, Vorteile hinsichtlich der Gasversorgung vor allem hinsichtlich des Austreibens von Wasser, welches sich in Gasverteilungskanälen des Anodenraums sammeln kann, mit sich bringt. In diesem Zusammenhang wird beispielhaft auf die US 7,320,840 B2 verwiesen.
Die Verwendung eines solchen gepulsten Gasstroms lässt sich nun sehr einfach und kostengünstig durch die Verwendung eines Auf/Zu-Ventils als Dosierventil erzielen, welches entsprechend gepulst angesteuert wird, sodass sich im zeitlichen Mittel der gewünschte Brennstoffstrom zur Anode einstellt. Dieser Aufbau hat dabei jedoch den Nachteil, dass durch die zwingende Kopplung zwischen Anodenpulsation und damit letztlich dem Anodendruck und durch die Notwendigkeit, die Brennstoffzelle mit Wasserstoff zu versorgen und Flüssigkeit aus dieser auszutreiben, ein Aufbau entsteht, welcher sehr nachteilig hinsichtlich der Freiheitsgrade der Steuerung bzw. Regelung ist.
Aus der WO 2014/045810 A1 ist ein gattungsgemäßes Verfahren mit einer gepulsten Wasserstoffzufuhr zu einem Anodenraum eines Brennstoffzellenstapels bekannt. Bei diesem Verfahren erfolgt eine dynamische Steuerung der Pulsdauer insbesondere in Abhängigkeit vom benötigten Wasserstoff, welcher in dem Brennstoffzellenstapel verbraucht werden soll. Darüber hinaus werden Drücke bzw. ein Differenzdruck zwischen der Kathodenseite und der Anodenseite überwacht, um durch eine zu lange oder zu kurze Öffnungsdauer der Ventileinrichtung keine sicherheitskritischen Druckdifferenzen bzw. Drücke in der Brennstoffzelle zu erhalten. Alles in allem ist das Verfahren außerordentlich komplex und aufwändig.
Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin, ein einfaches und effizientes Verfahren anzugeben, welches die Möglichkeit bietet, sowohl den Anforderungen des Brennstoffzellenstapels hinsichtlich seiner Wasserstoffversorgung als auch den Anforderungen hinsichtlich des Austreibens von flüssigem Wasser aus dem Anodenraum des Brennstoffzellenstapels gerecht zu werden.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen im Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich dabei aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen. Eine besonders bevorzugte Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist im Anspruch 9 angegeben. Auch hier ergibt sich eine besonders bevorzugte Weiterbildung der Verwendung aus dem abhängigen Unteranspruch.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Brennstoffzufuhr zu einem Anodenraum eines Brennstoffzellenstapels nutzt zumindest einen Druck im Anodenraum der Brennstoffzelle, um in seiner Abhängigkeit das Ventil zu öffnen. Das Ventil wird so immer dann geöffnet, wenn der Anodenruck bzw. also der Druck im Anodenraum unter einen entsprechenden Wert abfällt. Nach einer vorgegebenen Zeitspanne wird das Ventil dann wieder geschlossen, sodass durch das Aufbrauchen des Wasserstoffs der Anodendruck entsprechend abfällt und nach einer gewissen Zeit den nächsten Puls an Wasserstoff durch das Öffnen und anschließende Schließen des Ventils nach der vorgegebenen Zeitspanne ausgelöst wird.
Gemäß einer besonders günstigen und vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es dabei ferner vorgesehen, dass das Ventil immer dann geöffnet wird, wenn eine Druckdifferenz zwischen dem Anodenraum und dem Kathodenraum unter den vorgebebenen Wert abfällt. Diese besonders vorteilhafte Weiterbildung der Idee nutzt also den Differenzdruck zwischen der Anodenseite und der Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels, welcher beispielsweise über einen Differenzdrucksensor erfasst oder aus zwei Druckwerten rechnerisch ermittelt werden kann. Wie im Stand der Technik erfolgt die Brennstoffzufuhr über ein pulsiert angesteuertes Auf/Zu-Ventil. Erfindungsgemäß ist es nun so, dass das Ventil immer dann geöffnet wird, wenn eine Druckdifferenz zwischen dem Anodenraum und dem Kathodenraum unter einen vorgegebenen Wert abfällt. Diese Konstellation erlaubt es also immer, basierend auf der Druckdifferenz, welche typischerweise ohnehin erfasst werden muss, das Ventil für jeden einzelnen Puls immer genau dann zu öffnen, wenn der Differenzdruck unter den vorgegebenen Wert abfällt. Das ist gleichzeitig der späteste denkbare Zeitpunkt. Anschließend wird das Ventil dann geöffnet und wird jeweils nach einer vorgegebenen Zeitspanne nach dem Öffnen wieder geschlossen. Die Ansteuerung ist außerordentlich einfach und effizient und erlaubt nach dem Öffnen des Ventils zur Brennstoffzufuhr, sobald die vorgegebene Druckdifferenz erreicht wird, einen Öffnungspuls mit maximalem Durchfluss während der geöffneten Zeitspanne, sodass einerseits durch eine geeignete Vorgabe der Zeitspanne die gewünschte Dosiermenge eingestellt werden kann und andererseits durch den Start des maximalen Durchflusses beim Minimalwert der Druckdifferenz dieser maximale Durchfluss für eine möglichst lange Zeit aufrecht erhalten werden kann. Hierdurch wird sowohl dem Wasseraustrag aus den Gasführungskanälen des Anodenraums als auch der gewünschten Dosierung der benötigten Menge an Wasserstoff Rechnung getragen. Alles in allem entsteht hierdurch mit einfachen Mitteln eine sehr effiziente Steuerung bzw. Regelung der Brennstoffzufuhr.
Gemäß einer sehr vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann der vorgegebene Wert in Abhängigkeit einer der nachfolgenden Größen jeweils aktuell errechnet und/oder einem Kennfeld entnommen werden. Die in Betracht kommenden Größen sind dabei

– die elektrische Belastung der Brennstoffzelle,
– eine elektrische Leistungsanforderung,
– eine vorausberechnete oder abgeschätzte zu erwartende Wasserstoffkonzentration in der Anode,
– der benötigte Gasstrom, um Wasser und/oder Inertgase aus einer Anodenrezirkulation auszutragen, und/oder
– die Temperatur.

In Abhängigkeit einer oder mehrerer dieser genannten Größen kann also über Berechnungen, Simulationen und/oder Kennfelder der Vorgabewert für die Druckdifferenz, ab welcher das Ventil geöffnet wird, den aktuellen Betriebssituationen der Brennstoffzelle angepasst werden. Hierdurch wird eine weitere Verbesserung im Gegensatz zu einem prinzipiell auch denkbaren starr vorgegebenen Wert erzielt.
Gemäß einer weiteren sehr günstigen Ausgestaltung dieser Idee kann es dabei vorgesehen sein, dass der vorgegebene Wert um einen Sicherheitszuschlag auf den errechneten und/oder dem Kennfeld entnommenen Wert erhöht wird. Ein solcher Sicherheitszuschlag erhöht die Betriebssicherheit des Brennstoffzellensystems, da die Gefahr einer potenziell zu großen Druckdifferenz und einer damit einhergehenden Schädigung der Membran an der Brennstoffzelle sicher und zuverlässig vermieden werden kann.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann prinzipiell mit einer fest vorgegebenen Zeitspanne arbeiten, insbesondere wenn eine Anodenrezirkulation vorhanden ist, sodass eine zu große zugeführte Wasserstoffmenge keinen ernsthaften Nachteil bedeutet. Gemäß einer besonders bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es jedoch vorgesehen, dass die vorgegebene Zeitspanne in der Abhängigkeit wenigstens einer der nachfolgenden Größen jeweils aktuell errechnet und/oder einem Kennfeld entnommen wird:

– die erwartete Zeit für den Austausch des Volumens des Brennstoffzellenstapels oder des Anodenraums,
– die Zeit zum Austreiben von flüssigem Wasser aus dem Brennstoffzellenstapel oder dem Anodenraum,
– die elektrische Brennstoffzellenlast,
– die elektrische Leistungsanforderung an die Brennstoffzelle, oder
– die Temperatur.

So kann ergänzend oder alternativ zu einer Anpassung des Werts, welche die Druckdifferenz unterschreiten muss, um eine Öffnung des Ventils zu bewirken, auch die Zeitspanne entsprechend angepasst werden. Die zuerst genannten Punkte sind dabei im Schwerpunkt konstruktiv bestimmt, gehen also mit dem Volumen des Brennstoffzellenstapels bzw. seines Anodenraums und dem Volumen einer Rezirkulation für das Anodenabgas einher. Die anderen Werte sind überwiegend Betriebsparameter, sodass die Öffnungszeit in Abhängigkeit der Leistung oder der Leistungsanforderung, und damit letztlich hinsichtlich des Wasserstoffbedarfs der Brennstoffzelle, vorgegeben werden kann.
Eine weitere sehr günstige Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht es nun ferner vor, dass das Ventil vor Ablauf der vorgegebenen Zeitspanne geschlossen wird, wenn der Anodendruck oder die Druckdifferenz einen vorgegebenen Sicherheitsgrenzwert überschreitet. Diese besonders günstige Ausgestaltung des erfindungsgemäße Verfahrens erweitert die Logik dahingehend, dass sicherheitskritische Situationen durch einen unerwartet schnellen oder unerwartet hohen Anstieg des Drucks im Anodenraum oder der Druckdifferenz zwischen der Kathodenseite und der Anodenseite der Brennstoffzelle „abgefangen” werden, indem dann eben nicht die vorgegebene Zeitspanne abgewartet wird, sondern das Ventil beim Erreichen von Sicherheitsgrenzwerten entsprechend geschlossen wird.
Gemäß einer sehr günstigen Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es nun ferner vorgesehen, dass die Brennstoffzufuhr über eine nach dem Ventil angeordnete Gasstrahlpumpe erfolgt, mittels welcher Anodenabgas angesaugt und in den Anodenraum zurückgeführt wird. Insbesondere bei einem solchen konstruktiven Aufbau zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens treten die Vorteile besonders stark zu Tage, da nicht nur eine geeignete Dosierung und ein entsprechender Austrag von Wasser aus dem Anodenraum des Brennstoffzellenstapels durch den dosierten Wasserstoff bewerkstelligt wird, sondern auch die Rezirkulation des Anodenabgases, da der frisch zudosierte Wasserstoff als Treibgasstrom in der Gasstrahlpumpe dient, welcher durch Unterdruckeffekte und/oder Impulsaustausch das Abgas vermischt mit dem frischen Gas zum Anodenraum zurückfördert. Dieser Aufbau kann nun durch das erfindungsgemäße Verfahren sehr effizient betrieben werden, da ein ständiger Wechsel zwischen der maximalen Rezirkulationsrate und einer anschließend abfallende Rezirkulationsrate auftritt, was nicht nur im Anodenraum sondern auch in der Rezirkulationsleitung für Druckpulsationen sorgt, welche, wie es aus dem eingangs genannten Stand der Technik bekannt ist, einen optimalen Wasseraustrag in der gesamten Anodenseite des Brennstoffzellensystems gewährleisten.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung dieser Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht es nun ferner vor, dass das Anodenabgas über eine Rezirkulationsleitung angesaugt wird, in welcher zumindest eine Ventileinrichtung zum Ablassen von Gas und/oder Wasser und insbesondere ein Wasserabscheider angeordnet sind. Ein solcher Aufbau eines an sich bekannten Anodenkreislaufs eignet sich insbesondere zur Verwendung mit dem erfindungsgemäßen Verfahren, da die schon mehrfach beschriebenen Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens hierin besonders gut zur Geltung kommen.
Eine besonders bevorzugte Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht es gemäß Anspruch 8 vor, dass das Verfahren zur Brennstoffzufuhr zu einem Brennstoffzellenstapel eingesetzt wird, welcher Teil eines Brennstoffzellensystems in einem Fahrzeug ist. Insbesondere bei derartigen Brennstoffzellensystemen in einem Fahrzeug sind häufig hochdynamische Anforderungen an die Brennstoffzelle zu stellen. Insbesondere bei einem Wechsel von Volllast zu Teillast kann sich dabei außerordentlich viel Wasser im Bereich des Anodenraums sammeln, sodass ein guter Austrag von Wasser notwendig ist und gleichzeitig eine hohe Rezirkulationsrate bei möglichst exakter Dosierung der gewünschten Wasserstoffmenge eingehalten werden muss. Für diese Anwendung ist das erfindungsgemäße Verfahren aufgrund der nun schon mehrfach beschriebenen Vorteile besonders geeignet.
Eine bevorzugte Weiterbildung dieser Verwendung sieht es dabei nun ferner vor, dass das Brennstoffzellensystem mit unter Druck gespeichertem Wasserstoff als Brennstoff elektrische Antriebsleistung für das Fahrzeug bereitstellt. Vor allem in Antriebssystemen, welche mit Druckwasserstoff arbeiten, kann bevorzugt ein Aufbau mit Gasstrahlpumpe und Anodenkreislauf eingesetzt werden, welcher sich nun besonders gut für das erfindungsgemäße Verfahren eignet, weshalb dies die besonders bevorzugte Verwendung desselben darstellt.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens und eines Brennstoffzellensystems zur Verwendung mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ergeben sich aus dem Ausführungsbeispiel, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben ist.
Dabei zeigen:
1 ein prinzipmäßig angedeutetes Brennstoffzellensystem zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens; und
2 ein Anodendruckdiagramm und ein Öffnungsdiagramm des Dosierventils über der Zeit t.
In der Darstellung der 1 ist ein sehr stark schematisiertes Brennstoffzellensystem 1 in einem angedeuteten Fahrzeug 2 zu erkennen, welches sich zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens eignet. Den Kern des Brennstoffzellensystems 1 bildet dabei ein Brennstoffzellenstapel bzw. Brennstoffzellenstack 3, welcher aus einer Vielzahl von Einzelzellen aufgestapelt ist. Jede dieser Einzelzellen weist einen Anodenbereich und einen Kathodenbereich sowie eine dazwischen angeordnete Membran, typischerweise innerhalb einer sogenannten Membranelektrodeneinheit (MEA) auf. Rein beispielhaft ist ein gemeinsamer Anodenraum 4, ein gemeinsamer Kathodenraum 5 und eine beispielhafte MEA 6 in der Darstellung der 1 zu erkennen.
Dem Kathodenraum 5 wird Luft als Sauerstofflieferant über eine Luftfördereinrichtung 7 zugeführt, nicht verbrauchte Abluft gelangt über eine Abluftleitung 8 aus dem System. Dieser Aufbau ist sehr stark vereinfacht und schematisiert dargestellt. Da die Kathodenseite für die hier vorliegende Erfindung jedoch von untergeordneter Bedeutung ist, muss hierauf nicht näher eingegangen werden.
Die Anodenseite des Brennstoffzellensystems 1 weist einen Druckgasspeicher 9 für den Wasserstoff auf. Über ein Absperrventil 10 sowie eine Einheit 10a zur Druckreduzierung wird der Wasserstoff zu einem Ventil 11 geleitet, welches als Dosierventil ausgebildet ist. Dieses Ventil 11 ist als reines Auf/Zu-Ventil ausgebildet und kann beispielsweise als Magnetventil realisiert sein. Über eine angedeutete Magnetspule 11a kann es entsprechend angesteuert werden. Der so über das Ventil 11 zudosierte Wasserstoff strömt dann in den Anodenraum 4 und wird in diesem zumindest teilweise verbraucht. Nicht verbrauchter Wasserstoff strömt zusammen mit ausgetragenem Produktwasser und inerten Gasen, welche entweder in dem unter Druck gespeicherten Wasserstoff enthalten waren oder durch die MEA 6 aus dem Kathodenraum 5 in den Anodenraum 4 diffundiert sind, aus dem Anodenraum 4 ab. Über einen sogenannten Anodenkreislauf 12 mit einer Rezirkulationsleitung 12a wird das Anodenabgas zurückgeführt, wobei in der Rezirkulationsleitung 12a typischerweise ein Wasserabscheider 13 angeordnet ist. Über ein Ablassventil 14 kann Wasser und/oder Gas aus dem Anodenkreislauf in an sich bekannter Art und Weise abgelassen werden. Das Anodenabgas wird zum Ausgleich der Druckverluste in der Rezirkulationsleitung 12a, dem Wasserabscheider 13 und dem Anodenraum 4 über eine Gasstrahlpumpe 15 als Rezirkulationsfördereinrichtung durch den frisch zudosierten Gasstrom gefördert und vermischt mit dem frischen Wasserstoff dem Anodenraum 4 erneut zugeführt.
Die Ansteuerung des Ventils 11 kann nun insbesondere durch eine Steuereinheit 16 erfolgen. Diese Steuereinheit 16 erfasst zumindest einen Anodendruck, insbesondere jedoch einen Differenzdruck zwischen dem Anodenraum 4 und dem Kathodenraum 5. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist dies durch einen Differenzdrucksensor 17 beispielhaft angedeutet. Außerdem werden der Steuereinheit 16 weitere Größen zur Verfügung gestellt, beispielsweise Temperaturwerte, die aktuellen elektrischen Werte und damit die Last der Brennstoffzelle 3, Leistungsanforderungen des Fahrzeugs 2 an das Brennstoffzellensystem 1, und/oder konstruktive Gegebenheiten wie beispielsweise Volumina des Anodenraums 4 und der Rezirkulationsleitung 12a sowie des Wasserabscheiders 13 bis zum Ablassventil 14, sodass beispielsweise durch die Steuereinheit 16 bestimmt werden kann, wieviel Wasserstoff über das Ventil 11 dosiert werden muss, bis der Wasserabscheider 13 gänzlich von Wasser entleert ist und gegebenenfalls auch noch eine gewisse Menge an Gas, insbesondere mit einem hohen Anteil an Inertgasen, an die Umgebung abgelassen ist. Dieser Vorgang wird durch die englischen Begriffe Drain und Purge bezeichnet und ist dem Fachmann, welcher sich mit Anodenkreisläufen von Brennstoffzellensystemen beschäftigt, allgemein vertraut.
Die Dosierung des Wasserstoffs über das Ventil 11 erfolgt nun durch eine pulsierte Ansteuerung des Ventils 11. Hierfür wird das Ventil 11, wie es in der Darstellung der 2 angedeutet ist, immer dann geöffnet, wenn die durchgezogen dargestellte Druckdifferenz Δp über der Zeit t in der oberen Hälfte des Diagramms in 2 einen vorgegebenen Wert p₁ erreicht. Typischerweise wird hierzu ein mit p₀ bezeichneter Wert vorgegeben. Dieser Wert als Vorgabewert kann beispielsweise fest vorgegeben sein oder kann insbesondere auf Basis der nachfolgenden Größen jeweils aktuell errechnet und/oder einem Kennfeld entnommen werden. Die relevanten Größen, welche berücksichtigt werden können bzw. sollen, sind:

Dieser Wert p₀ wird um einen Sicherheitszuschlag s erhöht, sodass der Wert p₁ erreicht wird. Die durchgezogen eingezeichnete Druckdifferenz wird bei im ersten Zeitabschnitt von t₀ bis t₁ geschlossenem Ventil 11 entsprechend abfallen, da der noch zum Anodenraum 4 strömende Wasserstoff aufgebraucht wird. Zum Zeitpunkt t₁ erreicht die Druckdifferenz Δp den Wert p₁, also den errechneten Wert p₀ plus dem Sicherheitszuschlag s. Zu diesem Zeitpunkt t₁ wird das Ventil 11 entsprechend geöffnet, wie es in der unteren Hälfte des Diagramms der 2 zu erkennen ist. In dieser geöffneten Stellung des Ventils 11 kommt es zum maximalen Durchfluss an Wasserstoff durch das Ventil. Dieser wird für eine Zeitspanne Δt, hier zwischen t₁ und t₂, aufrechterhalten, wodurch die Druckdifferenz Δp bei typischerweise unverändertem Druck im Kathodenraum 5 ansteigt, wie es in der oberen Hälfte des Diagramms zu erkennen ist. Zum Zeitpunkt t₂ ist die Zeitspanne Δt, welche entsprechend vorgegeben wird, verstrichen. Das Ventil 11 wird, wie es in der unteren Hälfte des Diagramms dargestellt ist, wieder geschlossen. Zwischen den Zeiten t₂ und t₃ kommt es nun zu einem Aufbrauchen des zudosierten Wasserstoffs, sodass wiederum bei unveränderten Bedingungen im Kathodenraum 5 die Druckdifferenz Δp entsprechend abfällt, bis sie wieder den Wert p₁ erreicht hat und der Zyklus zum Zeitpunkt t₃ von vorne beginnt.
Die vorgegebene Zeitspanne Δt kann dabei einerseits fest vorgegeben werden oder wird insbesondere auf Basis der nachfolgenden Größen jeweils aktuell errechnet und/oder einem Kennfeld entnommen. Die Größen, welche hier insbesondere berücksichtigt werden können bzw. sollen, sind:

Hierdurch lässt sich eine ideale Anpassung an Last und Leistungsanforderungen und insbesondere eine Anpassung der Wasserstoffdosierung erzielen. Da während der Zeitspanne Δt eine maximale Durchströmung der Gasstrahlpumpe 15 und der gesamten Anodenseite des Brennstoffzellensystems 1 stattfindet, kann währenddessen eine hohe Rezirkulationsrate erzielt werden, mit einem entsprechend guten Austrag von Wasser aus den Gasführungskanälen des Anodenraums 4, sodass auch im Teillastsituationen der Brennstoffzellenstack 3 sicher und zuverlässig funktioniert und seine volle Leistungsfähigkeit zur Verfügung steht.
Über eine weitere Logik lässt sich zusätzlich in den Ablauf eingreifen, falls die Druckdifferenz Δp oder auch nur der Druckwert im Anodenraum 4 unerwartet schnell ansteigt und eine hier nicht dargestellte Sicherheitsgrenze überschreitet. In diesem Fall wird das Ventil 11 durch eine Sicherheitsroutine geschlossen, um so eine Schädigung der Brennstoffzelle 3, insbesondere eine druckbedingte Schädigung der Membranen in der MEA 6 sicher und zuverlässig auszuschließen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 7320840 B2 [0002]
WO 2014/045810 A1 [0004]

Claims

Verfahren zur Brennstoffzufuhr zu einem Anodenraum (4) eines Brennstoffzellenstapels (3), wobei ein Anodendruck und/oder ein Kathodenruck und/oder ihre Differenz erfasst wird, und wobei die Brennstoffzufuhr über ein pulsiert angesteuertes Auf/Zu-Ventil (11) erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil (11) immer dann geöffnet wird, wenn ein Druck in dem Anodenraum (4) unter einen vorgegeben Wert (p₁, p₀) abfällt und das Ventil (11) jeweils nach einer vorgegebenen Zeitspanne (Δt) nach dem Öffnen wieder geschlossen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil (11) immer dann geöffnet wird, wenn eine Druckdifferenz zwischen dem Anodenraum (4) und dem Kathodenraum (5) unter den vorgegeben Wert (p₁, p₀) abfällt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der vorgegebene Wert (p₀) in Abhängigkeit wenigstens einer der nachfolgenden Größen jeweils aktuell errechnet und/oder einem Kennfeld entnommen wird: – die elektrische Belastung der Brennstoffzelle, – eine elektrische Leistungsanforderung, – eine vorausberechnete oder abgeschätzte zu erwartende Wasserstoffkonzentration in der Anode, – der benötigte Gasstrom, um Wasser und/oder Inertgase aus einer Anodenrezirkulation auszutragen, und/oder – die Temperatur.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der vorgegebene Wert (p₁) um einen Sicherheitszuschlag (s) auf den errechneten und/oder dem Kennfeld entnommen Wert (p₀) erhöht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die vorgegebene Zeitspanne (Δt) in Abhängigkeit wenigstens einer der nachfolgenden Größen jeweils aktuell errechnet und/oder einem Kennfeld entnommen wird: – die erwartete Zeit für den Austausch des Volumens des Brennstoffzellenstapels oder des Anodenraums, – die Zeit zum Austreiben von flüssigem Wasser aus dem Brennstoffzellenstapel oder dem Anodenraum, – die elektrische Brennstoffzellenlast, – die elektrische Leistungsanforderung an die Brennstoffzelle, oder – die Temperatur.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil (11) vor Ablauf der vorgegebenen Zeitspanne (Δt) geschlossen wird, wenn der Anodendruck oder die Druckdifferenz einen vorgegebenen Sicherheitsgrenzwert überschreitet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzufuhr über eine nach dem Ventil (11) angeordnete Gasstrahlpumpe (15) erfolgt, mittels welcher Anodenabgas abgesaugt und in den Anodenraum (4) zurückgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Anodenabgas über eine Rezirkulationsleitung (12a) angesaugt wird, in welcher zumindest eine Ventileinrichtung (14) zum Ablassen von Gas und/oder Wasser und insbesondere ein Wasserabscheider (13) angeordnet sind.
Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8, zur Brennstoffzufuhr zu einem Brennstoffzellenstapel (3), welcher Teil eines Brennstoffzellensystems (1) in einem Fahrzeug (2) ist.
Verwendung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Brennstoffzellensystem (1) mit unter Druck gespeichertem Wasserstoff als Brennstoff zumindest einen Teil der elektrischen Antriebsleistung für das Fahrzeug (2) bereitstellt.