DE102014018321A1 - Brennstoffzellensystem und Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems - Google Patents

Brennstoffzellensystem und Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems Download PDF

Info

Publication number
DE102014018321A1
DE102014018321A1 DE102014018321.1A DE102014018321A DE102014018321A1 DE 102014018321 A1 DE102014018321 A1 DE 102014018321A1 DE 102014018321 A DE102014018321 A DE 102014018321A DE 102014018321 A1 DE102014018321 A1 DE 102014018321A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
fuel cell
cell system
cell stack
shut
bypass
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
DE102014018321.1A
Other languages
English (en)
Inventor
Richard Fellows
Gustav Böhm
Michael Bader
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Mercedes Benz Group AG
Original Assignee
Daimler AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Daimler AG filed Critical Daimler AG
Publication of DE102014018321A1 publication Critical patent/DE102014018321A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04201—Reactant storage and supply, e.g. means for feeding, pipes
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L58/00—Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles
    • B60L58/30—Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles for monitoring or controlling fuel cells
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/043—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems applied during specific periods
    • H01M8/04303—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems applied during specific periods applied during shut-down
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L1/00—Supplying electric power to auxiliary equipment of vehicles
    • B60L1/003—Supplying electric power to auxiliary equipment of vehicles to auxiliary motors, e.g. for pumps, compressors
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L3/00—Electric devices on electrically-propelled vehicles for safety purposes; Monitoring operating variables, e.g. speed, deceleration or energy consumption
    • B60L3/0023—Detecting, eliminating, remedying or compensating for drive train abnormalities, e.g. failures within the drive train
    • B60L3/0061—Detecting, eliminating, remedying or compensating for drive train abnormalities, e.g. failures within the drive train relating to electrical machines
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L58/00—Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles
    • B60L58/30—Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles for monitoring or controlling fuel cells
    • B60L58/31—Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles for monitoring or controlling fuel cells for starting of fuel cells
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L58/00—Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles
    • B60L58/30—Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles for monitoring or controlling fuel cells
    • B60L58/32—Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles for monitoring or controlling fuel cells for controlling the temperature of fuel cells, e.g. by controlling the electric load
    • B60L58/34—Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles for monitoring or controlling fuel cells for controlling the temperature of fuel cells, e.g. by controlling the electric load by heating
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L58/00—Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles
    • B60L58/40—Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles for controlling a combination of batteries and fuel cells
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04197—Preventing means for fuel crossover
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04223—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids during start-up or shut-down; Depolarisation or activation, e.g. purging; Means for short-circuiting defective fuel cells
    • H01M8/04225—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids during start-up or shut-down; Depolarisation or activation, e.g. purging; Means for short-circuiting defective fuel cells during start-up
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04223—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids during start-up or shut-down; Depolarisation or activation, e.g. purging; Means for short-circuiting defective fuel cells
    • H01M8/04228—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids during start-up or shut-down; Depolarisation or activation, e.g. purging; Means for short-circuiting defective fuel cells during shut-down
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04223—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids during start-up or shut-down; Depolarisation or activation, e.g. purging; Means for short-circuiting defective fuel cells
    • H01M8/04231—Purging of the reactants
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L2240/00—Control parameters of input or output; Target parameters
    • B60L2240/10—Vehicle control parameters
    • B60L2240/36—Temperature of vehicle components or parts
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L2240/00—Control parameters of input or output; Target parameters
    • B60L2240/60—Navigation input
    • B60L2240/66—Ambient conditions
    • B60L2240/662—Temperature
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2250/00—Fuel cells for particular applications; Specific features of fuel cell system
    • H01M2250/20—Fuel cells in motive systems, e.g. vehicle, ship, plane
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/60—Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
    • Y02T10/70—Energy storage systems for electromobility, e.g. batteries
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/60—Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
    • Y02T10/72—Electric energy management in electromobility
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T90/00—Enabling technologies or technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02T90/10—Technologies relating to charging of electric vehicles
    • Y02T90/16—Information or communication technologies improving the operation of electric vehicles
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T90/00—Enabling technologies or technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02T90/40—Application of hydrogen technology to transportation, e.g. using fuel cells

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Transportation (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem (10), insbesondere für ein Fahrzeug, mit einem Brennstoffzellenstapel (12), einer Versorgungsleitung (14) zum Fördern eines Oxidationsmittels zu einer Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels (12) und mit einer Abgasleitung (16), welche mit der Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels (12) verbunden ist. Die Versorgungsleitung (14) und die Abgasleitung (16) sind miteinander über eine Umgehungsleitung (20) verbunden. Das Brennstoffzellensystem (10) umfasst auch ein Absperrelement (22), welches dazu ausgebildet ist, die Umgehungsleitung (20) zu öffnen oder zu verschließen. Das Brennstoffzellensystem (10) umfasst des Weiteren eine Steuerungseinrichtung (26), welche dazu ausgebildet ist, das Absperrelement (22) auf ein Herunterfahren des Brennstoffzellensystems (10) hin zu öffnen. Das Absperrelement (22) ist stromabwärts einer Verzweigungsstelle (24) angeordnet, an welcher eine Umgehungsleitung (20) von der Versorgungsleitung (14) abzweigt. Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Brennstoffzellensystems (10).

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem, insbesondere für ein Fahrzeug, mit einem Brennstoffzellenstapel, einer Versorgungsleitung zum Fördern eines Oxidationsmittels zu einer Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels und mit einer Abgasleitung, welche mit der Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels verbunden ist. Die Versorgungsleitung und die Abgasleitung sind miteinander über eine Umgehungsleitung verbunden. Ein Absperrelement ist dazu ausgelegt, die Umgehungsleitung zu öffnen oder zu verschließen. Das Brennstoffzellensystem umfasst des Weiteren eine Steuerungseinheit, welche dazu ausgebildet ist, das Absperrelement auf ein Herunterfahren des Brennstoffzellensystems hin zu öffnen. Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Brennstoffzellensystems.
  • Brennstoffzellenstapel, insbesondere Brennstoffzellenstapel für Fahrzeuge, nutzen oft Wasserstoff als Brennstoff. Sie umfassen eine Vielzahl von Brennstoffzellen mit jeweils einer Kathode und einer Anode. Der Wasserstoff wird der Anodenseite des Brennstoffzellenstapels zugeführt. Im Allgemeinen wird komprimierte Luft als ein Oxidationsmittel verwendet, welches zu der Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels gefördert wird. Die Anode und die Kathode jeder Zelle sind voneinander durch eine Membran getrennt, welche üblicherweise Katalysatoren für die elektrochemische Reaktion des Wasserstoffs mit dem Sauerstoff trägt.
  • Wenn ein Fahrzeug abgeschaltet wird, welches mit einem Brennstoffzellensystem ausgestattet ist, zum Beispiel wenn das Fahrzeug geparkt wird, ist immer noch Wasserstoff auf der Anodenseite des Brennstoffzellenstapels vorhanden. Die Luft, welche auf der Kathodenseite oder Luftseite des Brennstoffzellenstapels vorhanden ist, wird bevorzugt an Sauerstoff durch eine fortdauernde Reaktion des Sauerstoffs mit dem Wasserstoff abgereichert, welcher in dem Brennstoffzellenstapel vorhanden ist. Eine geringe Konzentration an Sauerstoff auf der Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels ist für einen Neustart des Brennstoffzellensystems vorteilhaft. Je länger solch eine geringe Konzentration auf der Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels beibehalten werden kann, desto besser ist dies für ein Verhindern einer frühen Alterung der Katalysatoren, das heißt eines vorzeitigen Abbaus der Katalysatoren.
  • Wenn das Fahrzeug für eine längere Zeitspanne abgeschaltet wird und so auch das Brennstoffzellensystem abgeschaltet wird, diffundiert Wasserstoff über die Membran von der Anodenseite zu der Kathodenseite einer jeden Brennstoffzelle. Gleichzeitig kann Wasserstoff durch Dichtungen hindurch auch aus dem Brennstoffzellenstapel nach draußen diffundieren. Die Diffusion durch die Membran ist besonders rasch, wenn frische Luft mit einem normalen Sauerstoffgehalt in die Kathodenkammern der Brennstoffzellen eindringt. Dann reagiert der Wasserstoff, welcher durch die Membran diffundiert ist, an dem Katalysator zu Wasser. So wird ein hoher Konzentrationsgradient aufrechterhalten, und das Abreichern von Wasserstoff auf der Anodenseite des Brennstoffzellenstapels geht weiter. Ein hoher Sauerstoffgehalt auf der Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels kann auch zu einer Diffusion von Sauerstoff auf die Anodenseite einer jeden Brennstoffzelle und zu einer direkten Oxidation des Wasserstoffs auf der Anodenseite führen.
  • Nachdem der gesamte Wasserstoff auf der Anodenseite des Brennstoffzellenstapels aufgebraucht ist, reichert sich Sauerstoff auf der Anodenseite des Brennstoffzellenstapels an, bis die Gaszusammensetzung auf der Anodenseite der von Umgebungsluft entspricht, das heißt etwa 21% Sauerstoff und 79% Stickstoff. Wenn in einer solchen Situation das Fahrzeug und das Brennstoffzellensystem wieder gestartet werden, wird ein Zustand erreicht, in welchem die Anodenseite des Brennstoffzellenstapels, welche mit der Sauerstoff/Stickstoff-Mischung gefüllt ist, mit Wasserstoff versorgt wird. Dies ist ein unerwünschter Vorgang, da es zu einer frühen Alterung der Katalysatoren führt, welche auf den Elektroden der Brennstoffzellen geträgert sind.
  • Es ist daher wünschenswert, Frischluft daran zu hindern, rasch in die Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels einzudringen, nachdem das Fahrzeug und das Brennstoffzellensystem heruntergefahren wurden.
  • Dokument US 2005/0112424 A1 beschreibt ein Brennstoffzellensystem mit einem Luftströmungskanal, welcher mit einem Brennstoffzellenstapel des Brennstoffzellsystems verbunden ist. Ein Abgaskanal ist mit einer Abgasseite des Brennstoffzellensystems verbunden. Eine Luftpumpe wird verwendet, um die Luft zu komprimieren, welche über eine Versorgungsleitung des Luftströmungskanals zu dem Brennstoffzellenstapel gefördert wird. Von der Versorgungsleitung zweigt eine Umgehungsleitung ab, welche ein Umgehen des Brennstoffzellenstapels erlaubt. An einer Stelle, an welcher die Umgehungsleitung von der Versorgungsleitung abzweigt, ist ein Drei-Wege-Ventil angeordnet. Wenn der Betrieb des Brennstoffzellensystems beendet wird, wählt eine Steuerungseinheit die Umgehungsleitung aus, indem das Drei-Wege-Ventil so eingestellt wird, dass der Luftstrom durch den Brennstoffzellenstapel abgeschnitten ist. Wenn die Steuerungseinrichtung ein Einfrieren des Drei-Wege-Ventils feststellt, fördert die Luftpumpe Luft durch die Umgehungsleitung. Durch eine adiabatische Verdichtung der Luft wird ein Hochdruck-Heizgas stromaufwärts des Drei-Wege-Ventils erzeugt. So wird das Drei-Wege-Ventil geheizt und entsprechend aufgetaut.
  • Ein solches Brennstoffzellensystem ist vergleichsweise kostenaufwändig und komplex.
  • Ein Brennstoffzellensystem mit einer Umgehungsleitung, welche eine Versorgungsleitung und eine Abgasleitung eines Brennstoffzellenstapels miteinander verbindet, ist des Weiteren im Dokument JP 2009 151 989 A offenbart.
  • Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Brennstoffzellensystem und ein Verfahren der eingangs genannten Art bereitzustellen, welches besonders einfach und kostengünstig ist.
  • Diese Aufgabe wird durch ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 8 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
  • Gemäß der Erfindung ist das Absperrelement stromabwärts einer Verzweigungsstelle angeordnet, an welcher die Umgehungsleitung von der Versorgungsleitung abzweigt. So kann ein sehr einfaches Absperrelement verwendet werden, um die Umgehungsleitung zu öffnen oder zu verschließen, und kein komplexes und kostenaufwändiges Drei-Wege-Ventil wird benötigt. Daher ist das Brennstoffzellensystem besonders einfach und kostengünstig.
  • Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass ohne eine Umgehungsleitung nach dem Herunterfahren des Brennstoffzellensystems Luft durch den Brennstoffzellenstapel strömen kann, das heißt während Situationen des Nicht-Fahrens, wenn ein Fahrzeug mit dem Brennstoffzellensystem ausgestattet ist. Solch ein unbeabsichtigter Luftstrom kann durch den Druck von Wind verursacht sein, welchem das Fahrzeug und der Brennstoffzellenstapel ausgesetzt sind. Des Weiteren kann das Eindringen von Luft in den Brennstoffzellenstapel durch thermische Konvektion bedingt sein, das heißt durch die Wärmeverteilung in dem Brennstoffzellensystem, wenn es nach dem Herunterfahren abkühlt. Solch eine thermische Konvektion kann zum Ansaugen von Frischluft aus der Umgebung in den Brennstoffzellenstapel führen.
  • Da das Öffnen des Absperrelements und somit der Umgehungsleitung auf wirksame Weise das Eindringen von Frischluft in den Brennstoffzellenstapel verhindert, können die negativen Auswirkungen, welche mit dem Vorhandensein von Sauerstoff in dem Brennstoffzellenstapel zusammenhängen, vermieden oder zumindest verringert werden. Da die Umgehungsleitung die Versorgungsleitung mit der Abgasleitung direkt verbindet, umgeht Frischluft, welche in die Versorgungsleitung aufgrund des Drucks von Wind oder durch thermische Effekte eindringt, den Brennstoffzellenstapel. Dies ist durch die Tatsache bedingt, dass der Gegendruck der Umgehungsleitung viel niedriger ist als der Gegendruck des Brennstoffzellenstapels. Der konvektionsgetriebene oder von Wind getriebene Luftstrom durch das Brennstoffzellensystem wird so hauptsächlich durch die Umgehungsleitung geführt und nur zu einem vernachlässigbaren Ausmaß – wenn überhaupt – durch den Brennstoffzellenstapel. So werden die negativen Auswirkungen beträchtlich verringert, welche mit dem Eindringen von Sauerstoff in den Stapel zusammenhängen.
  • In einem Fahrzeug, welches mit dem Brennstoffzellensystem ausgestattet ist, kann der Brennstoffzellenstapel vor einem unbeabsichtigten Luftstrom durch diesen über eine beträchtlich lange Zeitspanne hinweg durch Öffnen des Absperrelements geschützt werden, welches in der Umgehungsleitung angeordnet ist, im Vergleich zu einem Brennstoffzellensystem ohne die Umgehungsleitung. Zum Beispiel kann die Zeitspanne fünfmal länger sein als die Spanne, welche für ein Brennstoffzellensystem ohne die Umgehungsleitung unter denselben externen Winddruck-Bedingungen oder internen Bedingungen thermischer Konvektion beobachtet wurde. Wenn beispielsweise starker Wind zur Ansammlung von Sauerstoff auf der Wasserstoffseite des Brennstoffzellenstapels innerhalb von zwei Minuten führt, wenn kein Bypass mit geöffneter Absperreinrichtung bereitgestellt ist, kann diese Zeit durch Bereitstellen der Umgehungsleitung mit dem Absperrelement, welches in seine Offenstellung bewegt ist, auf etwa zehn Minuten verlängert werden. Dies ist insbesondere wichtig, wenn das Brennstoffzellensystem in ein Fahrzeug eingebaut ist, welches für die Auslieferung von Gütern auf Kurzstrecken benutzt wird und somit in kurzen Zeitabständen für einige Minuten gestoppt oder geparkt wird.
  • Das Absperrelement, welches in der Umgehungsleitung angeordnet ist, ist auch während eines Herauffahrens des Brennstoffzellensystems vorteilhaft. Wenn Wasserstoff auf die Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels gewandert ist, nachdem das Brennstoffzellensystem heruntergefahren wurde, wird dieser Wasserstoff aus dem Brennstoffzellenstapel während des Herauffahrens herausgeblasen. In solch einer Situation kann das Ansteuern des Absperrelements helfen, den Wasserstoff in der Abgasleitung zu verdünnen. So kann eine Konzentration an Wasserstoff in der Abgasleitung unterhalb einer Zündgrenze beibehalten werden, das heißt unterhalb 4%.
  • Des Weiteren kann unter bestimmten Betriebsbedingungen eines Kompressors, welcher verwendet wird, um den Druck des Oxidationsmittels stromaufwärts des Brennstoffzellenstapels zu erhöhen, das Absperrelement als ein Druckregelventil oder Überdruckventil betrieben werden. So kann durch Ansteuern des Absperrelements eine Beschädigung des Brennstoffzellenstapels vermieden werden.
  • Vorteilhaft kann das Absperrelement als eine Klappe ausgebildet sein. Eine Klappe als Absperrelement ist besonders zuverlässig im Betrieb und zudem sehr kostengünstig. Des Weiteren erlaubt es die Verwendung einer Klappe, einen Durchgang innerhalb der Umgehungsleitung zu öffnen, welcher einen vergleichsweise großen Durchmesser aufweist. Insbesondere kann der Durchmesser der Umgehungsleitung, welcher durch die Klappe freigegeben wird, in etwa derselbe Durchmesser sein wie jeweils die Versorgungsleitung und die Abgasleitung. So kann durch das Öffnen der Klappe der Vorteil eines besonders geringen Gegendrucks der Umgehungsleitung voll ausgenutzt werden.
  • Bevorzugt ist das Absperrelement in einer Offenstellung, wenn das Absperrelement energielos geschaltet ist. In so einer Ausgestaltung wird keine Energie gebraucht, um das Absperrelement in der Offenstellung zu halten, das heißt wenn das Brennstoffzellensystem heruntergefahren ist.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist in der Umgehungsleitung das Absperrelement der Versorgungsleitung näher als der Abgasleitung. Solch eine Anordnung stellt sicher, dass das Absperrelement ausreichend weit von der Abgasleitung entfernt ist und so nicht von Wasser beeinträchtigt wird, welches in dem Abgas des Brennstoffzellenstapels enthalten ist. Dies ist wichtig, um ein Einfrieren des Absperrelements zu verhindern, wenn die Temperatur des Brennstoffzellensystems unter Null Grad Celsius fällt.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist das Absperrelement thermisch mit einer Komponente des Brennstoffzellensystems gekoppelt, welche eine größere Wärmekapazität als das Absperrelement aufweist. Aufgrund der hohen Wärmekapazität kühlt diese Komponente langsamer ab als andere Komponenten des Brennstoffzellensystems. Dies verlangsamt auch das Abkühlen des Absperrelements. Auf diese Weise kann ein Einfrieren des Absperrelements verzögert werden.
  • Dies ist insbesondere zutreffend, wenn das Absperrelement thermisch mit einem Kompressor des Brennstoffzellensystems gekoppelt ist, wobei der Kompressor dazu ausgebildet ist, den Druck des Oxidationsmittels stromaufwärts des Brennstoffzellenstapels zu erhöhen. Wenn das Absperrelement mit dem Kompressor verbunden ist, zum Beispiel über ein stark Wärme übertragendes Element, verzögert die in dem Kompressor gespeicherte Wärme auf effiziente Weise ein mögliches Einfrieren des Absperrelements. Des Weiteren ist auf diese Weise das Absperrelement sehr nahe der Versorgungsleitung angeordnet und somit nicht beeinflusst von der Feuchtigkeit des Abgases.
  • Zusätzlich oder alternativ kann das Absperrelement thermisch mit dem Brennstoffzellenstapel und/oder einer elektrischen Maschine gekoppelt sein. Wenn die Wärmekapazität des Brennstoffzellenstapels selber genutzt wird, um das Einfrieren des Absperrelements zu verzögern, ist es vorteilhaft, das Absperrelement weit entfernt von Komponenten des Brennstoffzellenstapels anzuordnen, welche Wasser transportieren, das heißt ein Produkt der elektrochemischen Reaktion innerhalb des Brennstoffzellenstapels.
  • Insbesondere wenn das Brennstoffzellensystem in einem Fahrzeug verwendet wird, kann als die Komponente mit der hohen Wärmekapazität eine elektrische Maschine verwendet werden, welche dazu ausgebildet ist, das Fahrzeug anzutreiben.
  • Des Weiteren kann das Absperrelement, insbesondere zeitweise, beheizt werden, um ein Einfrieren des Absperrelements zu verhindern. Solch ein Heizen des Absperrelements kann durchgeführt werden, wenn die Temperatur außerhalb des Brennstoffzellenstapels unter Null fällt und/oder wenn ein Neustart des Brennstoffzellensystems innerhalb einer bestimmten Zeitspanne erwartet werden kann. So kann sichergestellt werden, dass während oder vor dem Neustart des Brennstoffzellensystems das Absperrelement leicht in die Stellung bewegt werden kann, in welcher es die Umgehungsleitung zumindest teilweise verschließt.
  • Als weiter vorteilhaft hat es sich gezeigt, wenn das Brennstoffzellensystem wenigstens ein weiteres Absperrelement umfasst. Solch ein weiteres Absperrelement kann in der Versorgungsleitung angeordnet sein und dazu ausgebildet sein, einen Einlass des Brennstoffzellenstapels zu öffnen oder zu verschließen. Das weitere oder zusätzliche Absperrelement, welches in der Versorgungsleitung angeordnet ist, verhindert auf effiziente Weise, dass Umgebungsluft in den Brennstoffzellenstapel sowohl aufgrund des Drucks eindringt, welcher von Wind ausgeübt wird, als auch aufgrund von thermischer Konvektion.
  • Zusätzlich oder alternativ kann das weitere Absperrelement innerhalb einer Abgasleitung angeordnet sein, und es kann dazu ausgebildet sein, einen Auslass des Brennstoffzellenstapels zu öffnen oder zu verschließen. Solch ein Absperrelement verhindert auch zuverlässig jeglichen Luftstrom durch den Brennstoffzellenstapel nach dem Herunterfahren des Brennstoffzellensystems.
  • Das wenigstens eine weitere Absperrelement kann insbesondere dazu ausgebildet sein, in einer Offenstellung zu sein, wenn es energielos geschaltet ist.
  • Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems, welches einen Brennstoffzellenstapel, eine Versorgungsleitung zum Fördern eines Oxidationsmittels zu einer Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels und eine Abgasleitung umfasst, welche mit der Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels verbunden ist, wobei die Versorgungsleitung und die Abgasleitung miteinander über eine Bypassleitung verbunden sind, bewirkt eine Steuerungseinheit das Öffnen der Umgehungsleitung auf ein Herunterfahren des Brennstoffzellensystems hin. Dies wird durch Ansteuern eines Absperrelements bewerkstelligt, welches dazu ausgebildet ist, die Umgehungsleitung zu öffnen oder zu verschließen, wobei das Absperrelement stromabwärts einer Verbindungsstelle angeordnet ist, an welcher die Umgehungsleitung von der Versorgungsleitung abzweigt. Solch ein Betriebsverfahren ist besonders einfach und kostengünstig beim Verhindern eines unbeabsichtigten Luftstroms durch den Brennstoffzellenstapel nach dem Herunterfahren des Brennstoffzellensystems.
  • Es ist vorteilhaft, wenn während des Herunterfahrens des Brennstoffzellensystems die Menge des Oxidationsmittels verringert wird, welches der Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels zugeführt wird, während elektrische Energie von dem Brennstoffzellenstapel abgezogen wird. Bevorzugt wird die Umgehungsleitung anschließend geöffnet, das heißt nach einer wenigstens teilweisen Abreicherung des Sauerstoffs auf der Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels. Die elektrische Energie, welche von dem Brennstoffzellenstapel während des Herunterfahrens erzeugt wird, kann insbesondere in einer Batterie gespeichert werden. Das Verwenden der elektrischen Energie, welche von dem Brennstoffzellenstapel während des Herunterfahrens produziert wird, bewirkt, dass die elektrochemische Reaktion weitergeht. So kann der Sauerstoffgehalt in dem Brennstoffzellenstapel auf besonders geringe Werte verringert werden. Wenn in einer solchen Situation das Absperrelement geschlossen wird, kann der geringe Sauerstoffgehalt über eine besonders lange Zeitspanne hinweg aufrechterhalten werden.
  • Die Vorteile und bevorzugten Ausführungsformen, welche im Hinblick auf das Brennstoffzellensystem beschrieben wurden, gelten auch für das Verfahren zum Betreiben des Brennstoffzellensystems und umgekehrt.
  • Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in der Figur alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Es sind somit auch Ausführungen als von der Erfindung umfasst und offenbart anzusehen, die in der Figur nicht explizit gezeigt oder erläutert sind, jedoch durch separierte Merkmalskombinationen aus den erläuterten Ausführungen hervorgehen und erzeugbar sind.
  • Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnung.
  • Dabei zeigt die Fig. Komponenten eines Brennstoffzellensystems für ein Fahrzeug, wobei eine Umgehungsleitung eine Versorgungsleitung mit einer Abgasleitung eines Brennstoffzellenstapels verbindet, wobei eine Klappe innerhalb der Umgehungsleitung angeordnet ist.
  • Die Fig. zeigt Elemente eines Brennstoffzellensystems 10, welches einen Brennstoffzellenstapel 12 umfasst. Der Brennstoffzellenstapel 12 umfasst Anodenkammern, welche mit Wasserstoff beaufschlagt werden, und Kathodenkammern, welche mit einem Oxidationsmittel wie Luft oder Sauerstoff beaufschlagt werden. In dem Brennstoffzellensystem 10 der Fig. wird die Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels über eine Versorgungsleitung 14 mit Luft beaufschlagt. Eine Abgasleitung 16 ist ebenso an die Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels angeschlossen, wobei die Abgasleitung 16 Luft oder Sauerstoff zusammen mit dem Produkt der elektrochemischen Reaktion abführt, welche innerhalb des Brennstoffzellenstapels 12 stattfindet, insbesondere in der Form von Wasser. Wenn das Brennstoffzellensystem 10 heruntergefahren wird, wird ein Kompressor 18 ausgeschaltet, welcher in der Versorgungsleitung 14 angeordnet ist. Der Kompressor 18 kann insbesondere als ein elektrischer Turbolader ausgebildet sein. Obwohl der Kompressor 18 abgeschaltet wird, geht die elektrochemische Reaktion des Sauerstoffs und Wasserstoffs innerhalb des Brennstoffzellenstapels 12 weiter, während elektrische Energie von dem Brennstoffzellenstapel 12 abgezogen wird, etwa um eine Batterie des Fahrzeugs zu laden. Somit nimmt der Sauerstoffgehalt innerhalb des Brennstoffzellenstapels 12 ab.
  • Es ist wünschenswert, einen geringen Sauerstoffgehalt innerhalb des Brennstoffzellenstapels 12 nach dem Herunterfahren des Brennstoffzellensystems 10 aufrechtzuerhalten. Jedoch kann in einem üblichen Brennstoffzellensystem Umgebungsluft durch die Versorgungsleitung 14 in den Brennstoffzellenstapel 12 eintreten. Ein Grund hierfür kann Wind sein, welcher die Umgebungsluft durch die Versorgungsleitung 14 und dann durch den Brennstoffzellenstapel 12 drückt. Auch können Effekte thermischer Konvektion zu einem Ansaugen von Umgebungsluft durch den Brennstoffzellenstapel 12 hindurch führen.
  • Insbesondere während eines Neustarts des Brennstoffzellensystems 10, das heißt während eines Hochfahrens nach einer längeren Dauer eines Heruntergefahrenseins des Brennstoffzellensystems 10, kann das Vorhandensein von Sauerstoff zu einem frühen Altern oder einem Abbau der Katalysatoren führen, welche für die Elektroden einer jeden Brennstoffzelle in dem Brennstoffzellenstapel 12 verwendet werden. Dies liegt insbesondere an einer Diffusion von Sauerstoff auf die Anodenseite einer jeden Brennstoffzelle innerhalb des Brennstoffzellenstapels 12, wobei der Sauerstoff durch die Membran hindurchtritt, welche die anodische Elektrode und die kathodische Elektrode einer jeden Brennstoffzelle voneinander trennt.
  • Um eine geringe Konzentration an Sauerstoff innerhalb des Brennstoffzellenstapels 12 über eine verlängerte Zeitspanne beizubehalten, sind die Versorgungsleitung 14 und die Abgasleitung 16 fluidisch miteinander über eine Umgehungsleitung 20 gekoppelt. In der Umgehungsleitung 20 ist ein Absperrelement angeordnet, welches als eine Klappe 22 ausgebildet sein kann. Die Klappe 22 kann in eine Offenstellung bewegt werden, in welcher Luft durch die Umgehungsleitung 20 strömen kann. Die Umgehungsleitung 20 zweigt von der Versorgungsleitung 14 an einer Verzweigungsstelle 24 ab.
  • Bevorzugt ist die Klappe 22 direkt an die Verzweigungsstelle 24 angrenzend angeordnet. So kommt feuchte Luft, welche durch die Abgasleitung 16 strömt, nicht leicht in Kontakt mit der Klappe 22. Die Klappe 22 wird von einem Steuergerät 26 angesteuert, welches auch das Herunterfahren aller anderen Komponenten des Brennstoffzellensystems 10 ausführt. Nachdem der Sauerstoff innerhalb des Brennstoffzellenstapels 12 durch die fortdauernde Reaktion des verbleibenden Sauerstoffs mit dem verbleibenden Wasserstoff in dem Brennstoffzellenstapel 12 abgereichert wurde, wird die Klappe 22 in eine Offenstellung bewegt. Somit ist die Umgehungsleitung 20 geöffnet. Folglich umgeht Luft, welche in die Versorgungsleitung 14 gedrückt oder angesaugt wird, den Brennstoffzellenstapel 12 und strömt durch die Umgehungsleitung 20. Dies beruht auf der Tatsache, dass die Umgehungsleitung 20 einen viel niedrigeren Gegendruck hat als der Brennstoffzellenstapel 12. Der hauptsächliche Luftstrom durch die Umgehungsleitung 20 ist in der Fig. durch einen Pfeil 28 veranschaulicht.
  • Ein weiterer Pfeil 30 veranschaulicht einen unbedeutenden Luftstrom durch den Brennstoffzellenstapel 12, welcher auftreten kann. Um selbst diesen Luftstrom zu verhindern, umfasst das Brennstoffzellensystem 10 bevorzugt zusätzliche Absperrelemente wie etwa ein erstes Absperrventil 32 und ein zweites Absperrventil 34. Das erste Absperrventil 32 ist stromaufwärts des Brennstoffzellenstapels 12 angeordnet, das heißt in der Versorgungsleitung 14 aber stromabwärts der Verzweigungsstelle 24. Das erste Absperrventil 32 ist somit dazu ausgelegt, einen Lufteinlass 36 in den Brennstoffzellenstapel 12 zu verschließen.
  • Das zweite Absperrventil 34 ist stromabwärts der Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels 12 angeordnet, das heißt innerhalb der Abgasleitung 16. Durch Ansteuern dieses Absperrventils 34 kann ein Luftauslass 38 des Brennstoffzellenstapels 12 verschlossen werden.
  • Um ein Einfrieren der Klappe 22 zu verhindern, kann die Klappe 22 thermisch mit einer Komponente des Brennstoffzellensystems 10 gekoppelt sein, welche eine hohe Wärmekapazität aufweist. Zum Beispiel kann die Klappe 22 thermisch mit dem Kompressor 18 oder einem Teil des Brennstoffzellenstapels 12 gekoppelt sein. Wenn die Klappe, zum Beispiel über ein wärmeleitfähiges Element, mit dem Brennstoffzellenstapel 12 verbunden ist, sollte dafür Sorge getragen werden, dass kein Abgas in Kontakt mit der Klappe 22 gelangt, da das Abgas eine beträchtliche Menge an Wasser enthält.
  • Anstelle einer Klappe 22 kann ein Zwei-Wege-Ventil in der Umgehungsleitung 20 angeordnet sein und auf ein Herunterfahren des Brennstoffzellensystems 10 hin geöffnet werden. Dies ermöglicht es ebenso der Umgebungsluft, welche in die Versorgungsleitung 14 des Brennstoffzellensystems 10 eintritt, den Brennstoffzellenstapel 12 und möglicherweise andere Komponenten zu umgehen, welche in dem Kathodenzweig des Brennstoffzellensystems 10 angeordnet sind.
  • Jedoch ist die Verwendung der Klappe 22 ein besonders einfacher und kostengünstiger Weg, um einen unbeabsichtigten Luftstrom durch den Brennstoffzellenstapel 12 zu verringern und so einen Abbau der Katalysatoren innerhalb der Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels 12 zu verringen.
  • Bezugszeichenliste
    • 10
    Brennstoffzellensystem
    12
    Brennstoffzellenstapel
    14
    Versorgungsleitung
    16
    Abgasleitung
    18
    Kompressor
    20
    Umgehungsleitung
    22
    Klappe
    24
    Verzweigungsstelle
    26
    Steuergerät
    28
    Pfeil
    30
    Pfeil
    32
    Absperrventil
    34
    Absperrventil
    36
    Lufteinlass
    38
    Luftauslass
  • 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 2005/0112424 A1 [0007]
    • JP 2009151989 A [0009]

Claims (9)

  1. Brennstoffzellensystem (10), insbesondere für ein Fahrzeug, mit einem Brennstoffzellenstapel (12), einer Versorgungsleitung (14) zum Fördern eines Oxidationsmittels zu einer Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels (12) und mit einer Abgasleitung (16), welche mit der Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels (12) verbunden ist, wobei die Versorgungsleitung (14) und die Abgasleitung (16) miteinander über eine Umgehungsleitung (20) verbunden sind, und mit einem Absperrelement (22), welches dazu ausgelegt ist, die Umgehungsleitung (20) zu öffnen oder zu verschließen, wobei das Brennstoffzellensystem (10) des Weiteren eine Steuerungseinheit (26) umfasst, welche dazu ausgebildet ist, das Absperrelement (22) auf ein Herunterfahren des Brennstoffzellensystems (10) hin zu öffnen, dadurch gekennzeichnet, dass das Absperrelement (22) stromabwärts einer Verzweigungsstelle (24) angeordnet ist, an welcher die Umgehungsleitung (20) von der Versorgungsleitung (14) abzweigt.
  2. Brennstoffzellensystem (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Absperrelement (22) als eine Klappe ausgebildet ist.
  3. Brennstoffzellensystem (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Absperrelement (22) in einer Offenstellung ist, wenn das Absperrelement (22) energielos geschaltet ist.
  4. Brennstoffzellensystem (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass in der Umgehungsleitung (20) das Absperrelement (22) der Versorgungsleitung (14) näher ist als der Abgasleitung (16).
  5. Brennstoffzellensystem (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Absperrelement (22) thermisch mit einer Komponente des Brennstoffzellensystems (10) gekoppelt ist, welche eine größere Wärmekapazität als das Absperrelement (22) aufweist.
  6. Brennstoffzellensystem (10) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Absperrelement (22) thermisch mit – einem Kompressor (18), welcher dazu ausgebildet ist, den Druck des Oxidationsmittels stromaufwärts des Brennstoffzellenstapels (12) zu erhöhen und/oder – mit dem Brennstoffzellenstapel (12) und/oder – mit einer elektrischen Maschine gekoppelt ist.
  7. Brennstoffzellensystem (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Brennstoffzellensystem zumindest ein weiteres Absperrelement (32, 34) umfasst, – welches in der Versorgungsleitung (14) angeordnet und dazu ausgebildet ist, einen Einlass (36) des Brennstoffzellenstapels (12) zu öffnen oder zu verschließen und/oder – welches in der Abgasleitung (16) angeordnet und dazu ausgebildet ist, einen Auslass (38) des Brennstoffzellenstapels (12) zu öffnen oder zu verschließen.
  8. Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems (10), insbesondere für ein Fahrzeug, mit einem Brennstoffzellenstapel (12), einer Versorgungsleitung (14) zum Fördern eines Oxidationsmittels zu einer Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels (12) und einer Abgasleitung (16), welche mit der Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels (12) verbunden ist, wobei die Versorgungsleitung (14) und die Abgasleitung (16) miteinander über eine Umgehungsleitung (20) verbunden sind, wobei auf ein Herunterfahren des Brennstoffzellensystems (10) hin eine Steuerungseinheit (26) das Öffnen der Umgehungsleitung (20) bewirkt, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungseinheit (26) das Öffnen der Umgehungsleitung (20) durch Ansteuern eines Absperrelements (22) bewirkt, welches dazu ausgebildet ist, die Umgehungsleitung (22) zu öffnen oder zu verschließen, und welches stromabwärts einer Verzweigungsstelle (24) angeordnet ist, an welcher die Umgehungsleitung (20) von der Versorgungsleitung (14) abzweigt.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass während des Herunterfahrens des Brennstoffzellensystems (10) die Menge des Oxidationsmittels verringert wird, welches der Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels (12) zugeführt wird, während elektrische Energie von dem Brennstoffzellenstapel (12) abgezogen wird, wobei die Umgehungsleitung (20) anschließend geöffnet wird.
DE102014018321.1A 2013-12-19 2014-12-10 Brennstoffzellensystem und Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems Withdrawn DE102014018321A1 (de)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
GB1322582.6A GB2510256A (en) 2013-12-19 2013-12-19 Fuel cell system and method for operating a fuel cell system
GB1322582.6 2013-12-19

Publications (1)

Publication Number Publication Date
DE102014018321A1 true DE102014018321A1 (de) 2015-06-25

Family

ID=50071144

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE102014018321.1A Withdrawn DE102014018321A1 (de) 2013-12-19 2014-12-10 Brennstoffzellensystem und Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems

Country Status (2)

Country Link
DE (1) DE102014018321A1 (de)
GB (1) GB2510256A (de)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2021063706A1 (de) * 2019-10-04 2021-04-08 Robert Bosch Gmbh BRENNSTOFFZELLENSCHLIEßSYSTEM

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20050112424A1 (en) 2003-11-20 2005-05-26 Takayuki Hirano Fuel cell system
JP2009151989A (ja) 2007-12-19 2009-07-09 Toyota Motor Corp 燃料電池システム

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE10325196B8 (de) * 2003-06-04 2005-06-30 Pierburg Gmbh Bypassventil
JP2007317475A (ja) * 2006-05-25 2007-12-06 Toyota Motor Corp 燃料電池システム
DE102007035056A1 (de) * 2007-07-26 2009-01-29 Daimler Ag Vorrichtung zu Rezirkulation eines Kathodengases in einer Brennstoffzellenanordnung, Verfahren zum Herunterfahren einer Brennstoffzellenvorrichtung mit der Brennstoffzellenanordnung
KR101124985B1 (ko) * 2009-06-19 2012-03-27 현대자동차주식회사 연료전지 스택용 통합형 밸브 장치
JP5872315B2 (ja) * 2012-02-13 2016-03-01 本田技研工業株式会社 燃料電池システムの起動方法および起動装置

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20050112424A1 (en) 2003-11-20 2005-05-26 Takayuki Hirano Fuel cell system
JP2009151989A (ja) 2007-12-19 2009-07-09 Toyota Motor Corp 燃料電池システム

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2021063706A1 (de) * 2019-10-04 2021-04-08 Robert Bosch Gmbh BRENNSTOFFZELLENSCHLIEßSYSTEM

Also Published As

Publication number Publication date
GB2510256A (en) 2014-07-30
GB201322582D0 (en) 2014-02-05

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE112007000822B4 (de) Verfahren zum Verhindern eines Einfrierens eines Ventils bei einem Brennstoffzellensystem und Brennstoffzellensystem zur Durchführung des Verfahrens
WO2016062506A1 (de) Brennstoffzellensystem sowie verfahren zum abschalten eines brennstoffzellenstapels
DE102014224135B4 (de) Verfahren zum Abschalten eines Brennstoffzellenstapels sowie Brennstoffzellensystem
DE112008002321T5 (de) Brennstoffzellensystem und Steuerverfahren dafür
DE102009043569A1 (de) Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems
WO2015180746A1 (de) Brennstoffzellensystem
DE102010023671A1 (de) Brennstoffzellensystem mit einer in einem Gehäuse angeordneten Brennstoffzelle
DE102012001602A1 (de) Anodenkreislauf für ein Brennstoffzellensystem
DE102015005837A1 (de) Brennstoffzellensystem
DE102017204110A1 (de) Verfahren zum Erfassen von Leckage-Brennstoff sowie Brennstoffzellensystem
DE102013209200A1 (de) Brennstoffzellensystem
DE102015213913A1 (de) Verfahren und System zum Ablassen von Anodenabgas einer Brennstoffzelle
DE102012018873A1 (de) Verfahren zum Erfassen einer kritischen Wasserstoffkonzentration
WO2021228915A2 (de) Brennstoffzellensyste
DE102004033169A1 (de) Hochfahrbetriebsverfahren einer Brennstoffzelle bei niedriger Temperatur
DE102015200473A1 (de) Verfahren zum Überführen eines Brennstoffzellensystems in einen Stand-by-Modus sowie entsprechendes Brennstoffzellensystem
DE102011122306A1 (de) Brennstoffzellensystem
DE102018124717A1 (de) Brennstoffzellensystem
DE102012007383A1 (de) Brennstoffzellensystem
DE102009036198B4 (de) Verfahren zum Abstellen eines Brennstoffzellensystems
DE102014018321A1 (de) Brennstoffzellensystem und Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems
DE102014016961A1 (de) Verfahren zum Erzeugen eines sauerstoffabgereicherten Gases
WO2011101009A1 (de) Brennstoffzellensystem mit wenigstens einer brennstoffzelle
DE102012018513A1 (de) Brennstoffzellensystem
DE102015213917B4 (de) Verfahren und System zum Ablassen von Anodenabgas einer Brennstoffzelle

Legal Events

Date Code Title Description
R012 Request for examination validly filed
R120 Application withdrawn or ip right abandoned