DE102016201611A1

DE102016201611A1 - Verfahren zum Trocknen eines Brennstoffzellensystems, Verfahren zum Abschalten eines Brennstoffzellensystems und Brennstoffzellensystem zum Durchführen dieser Verfahren

Info

Publication number: DE102016201611A1
Application number: DE102016201611.3A
Authority: DE
Inventors: Nils Brandau; Raphael Geieregger; Martin ARENDT; Ingmar Hartung
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Audi AG; Volkswagen AG
Priority date: 2016-02-03
Filing date: 2016-02-03
Publication date: 2017-08-03

Abstract

Die Erfindung betrifft Verfahren zum Trocknen eines Brennstoffzellensystems (100), umfassend einen Brennstoffzellenstapel (10) mit Kathodenräumen (13), Anodenräumen (12) und Kühlmittelkanälen. Es ist vorgesehen, dass für bestimmte Zeiträume Δt1 und Δt2 der Volumenstrom von einem die Kühlmittelkanäle durchströmenden Kühlmittel vermindert und die Kathodenräume (13) mit einem bestimmten Massestrom eines Kathodenbetriebsmediums durchströmt werden. Während des bestimmten Zeitraums Δt1 wird in den Anodenräumen (12) ein Volumenstrom des Anodenbetriebsmediums unterbunden und in dem bestimmten Zeitraum Δt2 werden die Anodenräume (12) mit einem bestimmten Volumenstrom des Anodenbetriebsmediums durchströmt. Für die Zeiträume Δt1 und Δt2 wird ein bestimmter Überdruck in den Anodenräumen (12) gegenüber den Kathodenräumen (13) aufrechterhalten. Ebenfalls Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zum Abschalten eines Brennstoffzellensystems, aufweisend ein Trocknen des Brennstoffzellensystems sowie ein Brennstoffzellensystem zum Durchführen dieser Verfahren.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Trocknen eines Brennstoffzellensystems, ein Verfahren zum Abschalten eines Brennstoffzellensystems sowie ein Brennstoffzellensystem zum Durchführen dieser Verfahren.
Brennstoffzellen nutzen die chemische Umsetzung eines Brennstoffs mit Sauerstoff zu Wasser, um elektrische Energie zu erzeugen. Hierfür enthalten Brennstoffzellen als Kernkomponente die sogenannte Membran-Elektroden-Anordnung (MEA für membrane electrode assembly), die ein Gefüge aus einer ionenleitenden (meist protonenleitenden) Membran und jeweils einer beidseitig an der Membran angeordneten katalytischen Elektrode (Anode und Kathode) ist. Letztere umfassen zumeist geträgerte Edelmetalle, insbesondere Platin. Zudem können Gasdiffusionslagen (GDL) beidseitig der Membran-Elektroden-Anordnung an den der Membran abgewandten Seiten der Elektroden angeordnet sein. In der Regel wird die Brennstoffzelle durch eine Vielzahl im Stapel (stack) angeordneter MEA gebildet, deren elektrische Leistungen sich addieren. Zwischen den einzelnen Membran-Elektroden-Anordnungen sind in der Regel Bipolarplatten (auch Flussfeld- oder Separatorplatten genannt) angeordnet, welche eine Versorgung der Einzelzellen mit den Betriebsmedien, also den Reaktanten, sicherstellen und üblicherweise auch der Kühlung dienen. Zudem sorgen die Bipolarplatten für einen elektrisch leitfähigen Kontakt zu den Membran-Elektroden-Anordnungen.
Im Betrieb der Brennstoffzelle wird der Brennstoff (Anodenbetriebsmedium), insbesondere Wasserstoff H₂ oder ein wasserstoffhaltiges Gasgemisch, über ein anodenseitiges offenes Flussfeld der Bipolarplatte der Anode zugeführt, wo eine elektrochemische Oxidation von H₂ zu Protonen H⁺ unter Abgabe von Elektronen stattfindet (H₂ → 2H⁺ + 2e^–). Über den Elektrolyten oder die Membran, welche die Reaktionsräume gasdicht voneinander trennt und elektrisch isoliert, erfolgt ein (wassergebundener oder wasserfreier) Transport der Protonen aus dem Anodenraum in den Kathodenraum. Die an der Anode bereitgestellten Elektronen werden über eine elektrische Leitung der Kathode zugeleitet. Der Kathode wird über ein kathodenseitiges offenes Flussfeld der Bipolarplatte Sauerstoff oder ein sauerstoffhaltiges Gasgemisch (zum Beispiel Luft) als Kathodenbetriebsmedium zugeführt, sodass eine Reduktion von O₂ zu O^2– unter Aufnahme der Elektronen stattfindet (½O₂ + 2e^– → O^2–). Gleichzeitig reagieren im Kathodenraum die Sauerstoffanionen mit den über die Membran transportierten Protonen unter Bildung von Wasser (O^2– + 2H⁺ → H₂O).
Die Versorgung des Brennstoffzellenstapels mit seinen Betriebsmedien, also dem Anodenbetriebsgas (zum Beispiel Wasserstoff), dem Kathodenbetriebsgas (zum Beispiel Luft) und dem Kühlmittel, erfolgt über Hauptversorgungskanäle, die den Stapel in seiner gesamten Stapelrichtung durchsetzen und von denen die Betriebsmedien über die Bipolarplatten den Einzelzellen zugeführt werden. Für jedes Betriebsmedium sind mindestens zwei solcher Hauptversorgungskanäle vorhanden, nämlich einer zur Zuführung und einer zur Abführung des jeweiligen Betriebsmediums.
Das bei der Umsetzung des Brennstoffs im Kathodenraum entstehende Wasser kann je nach Betriebszustand des Brennstoffzellensystems, insbesondere des Brennstoffzellenstapels, als Dampf oder in flüssiger Form vorliegen. Der Anteil an flüssigem Produktwasser hängt dabei von einer Vielzahl von Parametern ab und lässt sich nur schwer vorhersagen. Zudem kann Produktwasser aufgrund von Undichtigkeiten des Brennstoffzellensystems sowie der Wasserdurchlässigkeit der Membranen von der Kathodenseite auf die Anodenseite des Brennstoffzellenstapels und in die Versorgungsabschnitte des Brennstoffzellensystems gelangen. Neben der Temperatur des Brennstoffzellenstapels spielen daher insbesondere auch die Drücke im Anoden- und Kathodenraum, die Betriebsdauer des Brennstoffzellenstapels und die Betriebsweise des Brennstoffzellensystems für die Menge und Verteilung von Flüssigwasser eine entscheidende Rolle. Beispielsweise wirkt sich der Bypass eines Befeuchters in der Kathodenversorgung unmittelbar auf den Anteil flüssigen Wassers im Kathodenabgaspfad aus.
Ein Brennstoffzellensystem durchläuft während des Betriebs somit unterschiedliche Zustände hinsichtlich des Flüssigwassergehalts, wobei weder die konkrete Menge noch der Ort des anfallenden Flüssigwassers präzise vorhergesagt werden können. Im laufenden Betrieb resultiert daraus die Gefahr einer Blockade des anodenseitigen Gasstroms. Beim Abschalten des Brennstoffzellensystems ist dadurch der Zustand, in dem das abgeschaltete System vorliegt, insbesondere dessen Flüssigwassergehalt, weitgehend unbestimmt. Somit liegen nicht nur unbekannte Ausgangsbedingungen für einen erneuten Start des Systems vor, unter Frostbedingungen können aufgrund des Flüssigwassers auch Gefrierschäden auftreten.
Aus dem Stand der Technik sind bereits Verfahren zum Trocknen und Abschalten eines Brennstoffzellenstapels bekannt.
Die DE 10 2011 007 615 A1 offenbart ein Verfahren zum Trocknen des Kathodenraums eines Brennstoffzellenstapels während des Betriebs eines Brennstoffzellensystems. Dabei wird der Druck im Kathodenraum über die Einstellung eines freien Strömungsquerschnitts im Kathodenabgaspfad variiert. Die US 8,318,364 B2 offenbart ebenfalls ein Verfahren zum Trocknen der Kathodenseite eines Brennstoffzellensystems. Dabei erfolgt das Trocknen nur, wenn die Brennstoffzelle für mehr als eine vorgegebene Referenzzeit abgeschaltet bleiben soll. Eine Trocknung der Anodenseite und -versorgung findet in diesen Verfahren nicht statt.
Die WO 2006/030614 A2 offenbart ein Verfahren zum Trocknen eines Brennstoffzellensystems, wobei nach Abschalten des Brennstoffzellenstapels nur dessen Kathodenseite und erst einige Zeit später auch dessen Anodenseite mit trockener Luft gespült wird. Ein ähnliches Verfahren ist in der JP-2012-074385 A offenbart. Mittlerweile ist bekannt, dass bei einem Neustart eines Brennstoffzellenstapels bereits kleine Mengen Sauerstoff auf dessen Anodenseite zur Schädigung von dessen Kathoden führen können. Zudem erfordern diese Verfahren zusätzliche Leitungen beziehungsweise Fördermittel für die Trockenluftversorgung der Anodenseite.
Die US 8,192,885 B2 offenbart ein Verfahren zum Trocknen eines Brennstoffzellenstapels, wobei die Strömungsrichtungen des Kathodenluftstroms und des Anodengasstroms umgekehrt werden, um Wasser aus der Kathoden- beziehungsweise Anodenversorgung auszutragen. Das Umkehren der Strömungsrichtungen ist nur mit konstruktivem Mehraufwand zu erreichen.
Die DE 10 2012 023 799 A1 offenbart ein Verfahren zum Trocknen eines Brennstoffzellensystems, wobei flüssiges Wasser auf Anoden- und Kathodenseite eines Brennstoffzellenstapels jeweils durch Anlegen eines Unterdrucks verdampft und ausgetragen wird. Ähnliche Verfahren sind in der JP 2008103120 A und der DE 10061687 B4 offenbart. Die zur Erzeugung des Unterdrucks notwendigen Unterdruckpumpen bedeuten einen erhöhten Bauraumbedarf.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, Verfahren zum Trocknen und Abschalten eines Brennstoffzellensystems vorzuschlagen, welche die Nachteile des Standes der Technik überwinden und das Einstellen eines definierten Flüssigwassergehalts in Brennstoffzellensystemen ermöglichen. Ferner soll das Verfahren eine lange Lebenszeit des Brennstoffzellenstapels gewährleisten und keine baulichen Veränderungen am einfachen Brennstoffzellensystem, insbesondere keinen erhöhten Bauraumbedarf, erfordern.
Das erfindungsgemäße Verfahren richtet sich an ein Brennstoffzellensystem, das einen Brennstoffzellenstapel umfasst, der Kathodenräume, Anodenräume und Kühlmittelkanäle aufweist. Das erfindungsgemäße Verfahren zum Trocknen eines Brennstoffzellensystems umfasst die Schritte:

(a) Vermindern eines Volumenstroms von einem die Kühlmittelkanäle durchströmenden Kühlmittel für bestimmte Zeiträume Δt1 und Δt2;
(b) Durchströmen der Kathodenräume mit einem bestimmten Massestrom eines Kathodenbetriebsmediums für die vorbestimmten Zeiträume Δt1 und Δt2;
(c) Unterbinden von einem Volumenstrom eines Anodenbetriebsmediums durch die Anodenräume für den vorbestimmten Zeitraum Δt1;
(d) Durchströmen der Anodenräume mit einem bestimmten Volumenstrom des Anodenbetriebsmediums für den bestimmten Zeitraum Δt2; und
(e) Aufrechterhalten eines bestimmten Überdrucks in den Anodenräumen gegenüber den Kathodenräumen für die bestimmten Zeiträume Δt1 und Δt2.

Der Ausgangspunkt des erfindungsgemäßen Verfahrens ist ein aktives Brennstoffzellensystem, wobei es keine Rolle spielt, ob der Brennstoffzellenstapel in einer Startphase hochgefahren wird oder sich bereits im kontinuierlichen Betrieb befindet. In beiden Fällen werden zu Beginn des Verfahrens die Anodenräume des Brennstoffzellenstapels bereits mit Anodenbetriebsmedium, die Kathodenräume des Brennstoffzellenstapels bereits mit Kathodenbetriebsmedium und die Kühlmittelkanäle des Brennstoffzellenstapels bereits mit Kühlmittel durchströmt.
Als ein erster Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zunächst der Volumenstrom des Kühlmittels reduziert, der den Brennstoffzellenstapel durchströmt. Dies führt vorteilhaft zu einer verminderten Abkühlung des Stapels. Somit wird für die Dauer des Trocknungsverfahrens, das heißt für die vorbestimmten Zeiträume Δt1 und Δt2, energetisch günstig eine möglichst hohe Temperatur des Brennstoffzellenstapels erhalten. Dies unterstützt das Verdunsten des darin in flüssiger Form vorliegenden Wassers. Zusätzlich wird zu Beginn des erfindungsgemäßen Verfahrens mittels des Anodenbetriebsmediums ein bestimmter Zieldruck in den Anodenräumen des Brennstoffzellenstapels eingestellt. Der Wert des Zieldrucks ist dabei so gewählt, dass für den bestimmten Zeitraum Δt1 in den Anodenräumen ein Überdruck gegenüber den Kathodenräumen realisiert wird.
Unter Kühlmittel wird im Rahmen dieser Anmeldung eine Kühlflüssigkeit verstanden, deren Temperatur durch eine Kühlung reduziert ist. Die Kühlung erfolgt beispielsweise, indem die Kühlflüssigkeit durch einen Fahrzeugkühler strömt. In der Regel ist mittels eines Thermostatventils der Anteil der den Kühler durchströmenden Kühlflüssigkeit einstellbar. Wird das Thermostatventil geschlossen, strömt nur ein geringer oder kein Teil der Kühlflüssigkeit durch den Fahrzeugkühler. Somit wird kein oder nur ein geringer Teil der Kühlflüssigkeit zu Kühlmittel im Sinne dieser Anmeldung. Somit kann der Volumenstrom von einem die Kühlmittelkanäle durchströmenden Kühlmittel auch durch Verengen oder Schließen eines solchen Thermostatventils erfolgen. Der Kühlmittelstrom wird demnach vermindert, indem der Volumenstrom der den Brennstoffzellenstapel durchfließenden Kühlflüssigkeit oder indem der Volumenstrom der den Fahrzeugkühler durchfließenden Kühlflüssigkeit reduziert wird.
Sind die Anodenräume mit einem Volumen des Anodenbetriebsmediums gefüllt, das bei der vorliegenden Temperatur in den Anodenräumen den Zieldruck einstellt, wird für den bestimmten Zeitraum Δt1 ein weiterer Volumenstrom des Anodenbetriebsmediums in den Anodenräumen unterbunden. Bevorzugt wird dies erreicht, indem Stellmittel geschlossen werden, die sich ohnehin in der Anodenversorgung befinden. Wird die Sequenz, in der die Stellmittel geschlossen werden, an den die Anodenräume durchströmenden Volumenstrom des Anodenbetriebsmediums angepasst, kann so auch der Zieldruck in den Anodenräumen eingestellt werden. Der Überdruck in den Anodenräumen reduziert die während des Zeitraums Δt1 von der Kathodenseite auf die Anodenseite übertretende Menge an flüssigem bzw. gasförmigem Wasser.
Die Kathodenräume des Brennstoffzellenstapels werden während der bestimmten Zeiträume Δt1 und Δt2 mit einem bestimmten Massestrom des Kathodenbetriebsmediums durchströmt. Zum Zeitpunkt Δt1 ist der Druck in den Kathodenräumen, insbesondere am Kathodeneintritt, der Brennstoffzelle vorzugsweise so gering wie möglich, bevorzugt liegt der Druck in den Kathodenräumen zum Zeitpunkt Δt1 zwischen Umgebungsdruck und einem Druck von 800 mbar über Umgebungsdruck und besonders bevorzugt bei einem Druck von 30 mbar über Umgebungsdruck. Der Massestrom des Kathodenbetriebsmediums bewirkt eine gleichmäßige Verteilung flüssigen Wassers und eine strömungsbedingte lokale Druckminderung in den Kathodenräumen und der Kathodenversorgung. Dadurch wird das flüssige Wasser schließlich verdunstet und als Dampf aus den Kathodenräumen des Brennstoffzellenstapels und der Kathodenversorgung ausgetragen. Durch Ablassen des feuchtigkeitsbeladenen Kathodenbetriebsmediums an die Umwelt, wird der Feuchtigkeitsgehalt der Kathodenseite des Brennstoffzellensystems reduziert. Bei dem Kathodenbetriebsmedium handelt es sich bevorzugt um Außenluft, die dem Brennstoffzellensystem gereinigt und auf eine gewünschte Temperatur und relative Feuchte konditioniert zugeführt wird. Besonders bevorzugt beträgt der die Kathodenseite durchströmende Massestrom des Kathodenbetriebsmediums zwischen 0,003 g/Zelle/s und 0,3 g/Zelle/s, bevorzugt 0,04 g/Zelle/s.
Während des Zeitraums Δt2 wird das Durchströmen der Kühlmittelkanäle mit verminderter Kühlmittelmenge und das Durchströmen der Kathodenräume mit einem Massestrom des konditionierten, das heißt auf eine gewünschte Temperatur und eine gewünschte relative Feuchte eingestellten, Kathodenbetriebsmediums fortgesetzt. Zusätzlich werden die Anodenräume des Brennstoffzellenstapels getrocknet, indem sie von einem bestimmten Volumenstrom des Anodenbetriebsmediums durchströmt werden. Der Volumenstrom des Anodenbetriebsmediums bewirkt die gleichmäßige Verteilung flüssigen Produktwassers und eine strömungsbedingte lokale Druckminderung in den Anodenräumen und der Anodenversorgung. Dadurch wird das Wasser aus der Anodenseite des Brennstoffzellensystems ausgetragen. Dabei sind der Volumenstrom des Anodenbetriebsmediums und der Massestrom des Kathodenbetriebsmediums so gewählt, dass ein Überdruck der Anodenräume gegenüber den Kathodenräumen während des Zeitraums Δt2 aufrechterhalten bleibt. Bevorzugt werden der Volumenstrom des Kühlmittels und der Massestrom des Kathodenbetriebsmediums aus dem Zeitraum Δt1 auch im Zeitraum Δt2 beibehalten. Bevorzugt beträgt der im Zeitraum Δt1 die Anodenseite durchströmende Volumenstrom des Anodenbetriebsmediums zwischen 0,001 l/min/Zelle und 2,7 l/min/Zelle, besonders bevorzugt 1,45 l/min/Zelle. Weiterhin bevorzugt beträgt der Überdruck der Anodenräume gegenüber den Kathodenräumen in den Zeiträumen Δt1 und Δt2 zwischen 3 mbar und 780 mbar, bevorzugt 424 mbar.
Erfindungswesentlich ist die vorteilhafte Kombination der Verfahrensschritte des Patentanspruchs 1, mit denen ein energetisch günstiges Trocknen eines Brennstoffzellensystems unter ausschließlicher Verwendung in gängigen Brennstoffzellensystemen ohnehin vorhandener Komponenten ermöglicht wird. Dabei ist der Trocknungsgrad des Brennstoffzellensystems beziehungsweise der verbleibende Flüssigwassergehalt des Brennstoffzellensystems anhand weniger Größen einfach und gezielt einstellbar. Zudem wird die Anodenseite während und bevorzugt auch nach der Trocknung frei von sauerstoffhaltigem Kathodenbetriebsmedium gehalten, was sich positiv auf die Lebensdauer der Elektroden auswirkt und Luft/Luft-Starts entgegenwirkt.
In einer bevorzugten Durchführungsform des Verfahrens wird das Anodenbetriebsmedium während eines bestimmten Zeitraums Δt0 gezielt den Anodenräumen zugeführt, um diese mit dem Zieldruck zu beaufschlagen. Sobald den Anodenräumen das den Zieldruck einstellende Volumen Anodenbetriebsmedium zugeführt wurde, wird dieses besonders bevorzugt durch Schließen eines in einer Anodenversorgungsleitung angeordneten ersten Stellmittels und durch Schließen eines in einer Anodenabgasleitung angeordneten zweiten Stellmittels in den Anodenräumen eingeschlossen. Das Schließen dieser Stellmittel erfolgt bevorzugt ebenfalls im Zeitraum Δt0. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform bleiben das erste und das zweite Stellmittel auch für die Zeiträume Δt1 und Δt2 geschlossen, sodass die Anodenräume während der Zeiträume Δt1 und Δt2 ein weitgehend fluiddicht abgeschlossenes Volumen, insbesondere hinsichtlich des Anodenbetriebsmediums bilden. Ebenfalls besonders bevorzugt wird das im Zeitraum Δt0 zugeführte Anodenbetriebsmedium mittels einer in der Anodenversorgung angeordneten Rezirkulationsfördereinrichtung für den Zeitraum Δt2 in diesem weitgehend abgeschlossenen Volumen umgewälzt. Somit kann das erfindungsgemäße Verfahren nahezu ausschließlich mit dem im Zeitraum Δt0 zugeführten Anodenbetriebsmedium durchgeführt werden. Vorteilhaft hält dies die zum Trocknen benötigte Brennstoffmenge möglichst gering.
Im Detail sind zwei verschiedene Verfahrensführungen zum Trocknen des Anodenbetriebsmediums bevorzugt. In einer ersten bevorzugten Durchführungsform durchströmt das seit dem Zeitraum Δt0 in den Anodenräumen eingeschlossene Volumen des Anodenbetriebsmediums während des Umwälzens im Zeitraum Δt2 wiederholt einen in der Anodenversorgung angeordneten Wasserabscheider. Somit wird die Flüssigwasserbeladung des Anodenbetriebsmediums sukzessive reduziert. Das Flüssigwasser wird aus dem Wasserabscheider an die Umwelt abgegeben. In dieser Durchführungsform verbleiben das erste und zweite Stellmittel bevorzugt auch nach dem Zeitraum Δt2 geschlossen, um im abgeschalteten Zustand des Brennstoffzellenstapels den Überdruck auf Anodenseite aufrecht zu erhalten. Ferner bevorzugt wird das Fördern von Kühlmittel und Kathodenbetriebsmedium mit Ablauf des Zeitraums Δt2 eingestellt. Diese Durchführungsform ermöglicht das Trocknen des Brennstoffzellensystems und das Vermeiden eines Luft/Luft-Starts mit einer minimalen Menge Brennstoff.
Eine alternative Durchführungsform des Verfahrens ist insbesondere oberhalb eines bestimmten Grenzwerts des Flüssigwassergehalts im Brennstoffzellensystem bevorzugt. In diesem Fall kann die Abscheidung von Flüssigwasser in dem Wasserabscheider der Anodenversorgung nicht ausreichend sein. Bevorzugt wird dann für einen bestimmten Zeitraum Δt3 der Volumenstrom des Kathodenbetriebsmediums durch die Kathodenräume unterbunden. Somit kann während dieses Zeitraums Δt3 das umgewälzte und feuchtigkeitsbeladene Anodenbetriebsmedium aus den Anodenräumen abgelassen werden, ohne das in den Kathodenräumen ein Überdruck zu den Anodenräumen entsteht. Unmittelbar nach dem Ablassen wird erneut Anodenbetriebsmedium in die Anodenräume gefördert, um diese erneut mit einem bestimmten Überdruck zu den Kathodenräumen zu beaufschlagen. Bevorzugt werden anschließend ein in einer Anodenversorgungsleitung angeordnetes erstes Stellmittel und ein in der Anodenabgasleitung angeordnetes zweites Stellmittel geschlossen, um das neu zugeführte Anodenbetriebsmedium auch während des abgeschalteten Zustands des Stapels in den Anodenräumen einzuschließen. Das Fördern von Kühlmittel und Kathodenbetriebsmedium wird bevorzugt mit Ablauf des Zeitraums Δt2 eingestellt. Diese Durchführungsform ermöglicht eine zuverlässige Entwässerung der Anodenräume und ist insbesondere zum Trocknen eines Brennstoffzellensystems nach einem Startabbruch geeignet.
Während der Zeiträume Δt1 und Δt2 ist das Aufrechterhalten eines Überdrucks in den Anodenräumen gegenüber den Kathodenräumen wesentlich für das erfindungsgemäße Trocknungsverfahren. Um diesen Überdruck während der gesamten Verfahrensdauer sicherzustellen und Diffusionsverluste durch die Membranen sowie durch Undichtigkeiten des Stapels auszugleichen, wird in einer bevorzugten Durchführungsform auch in den Zeiträumen Δt1 und Δt2 zusätzliches Anodenbetriebsmedium in die Anodenversorgung eingespeist. Besonders bevorzugt sind dazu das erste und/oder das zweite Stellmittel als steuerbares Rückschlagventil ausgebildet. Ebenfalls bevorzugt kann die Aufrechterhaltung eines Überdrucks in den Anodenräumen gegenüber den Kathodenräumen durch eine Anpassung von dem Massestrom des Kathodenbetriebsmediums in der Kathodenversorgung erfolgen.
In einer ebenfalls bevorzugten Durchführungsform wird der mittlere freie Strömungsquerschnitt der Kathodenversorgung während der Zeiträume Δt1 und Δt2 vergrößert. Der freie Strömungsquerschnitt ist dabei die von dem Kathodenbetriebsmedium an einem beliebigen Querschnitt der Kathodenversorgung widerstandsfrei durchströmbare Querschnittsfläche. Der mittlere freie Strömungsquerschnitt ist dabei als das arithmetische Mittel über alle freien Strömungsquerschnitte der Kathodenversorgung zu verstehen. Besonders bevorzugt wird der mittlere freie Strömungsquerschnitt der Kathodenversorgung erhöht, indem alle darin enthaltenen einstellbaren Komponenten, wie beispielsweise Drosselklappen, Bypass-Ventile und Expander, möglichst weit geöffnet werden. Dadurch wird der zum Fördern von dem bestimmten Massestrom des Kathodenbetriebsmediums durch die Kathodenversorgung benötigte Druck so gering wie möglich eingestellt, wodurch die Aufrechterhaltung eines Überdrucks in den Anodenräumen gegenüber den Kathodenräumen erleichtert wird.
Das Vermindern des Volumenstroms von dem die Kühlmittelkanäle durchströmenden Kühlmittel erfolgt bevorzugt durch die Reduktion der von einer Kühlmittelfördervorrichtung kontinuierlich geförderten Kühlflüssigkeitsmenge insgesamt oder durch Reduktion der eine Kühlvorrichtung durchströmenden Kühlflüssigkeitsmenge. Dabei wird der kontinuierlich geförderte Kühlmittelstrom besonders bevorzugt auf einen Wert zwischen 0 l/min/Zelle und 0,15 l/min/Zelle reduziert. Alternativ dazu wird diskontinuierlich ein definiertes Kühlmittelvolumen gepumpt, welches dem Volumen der Gesamtheit aller Kühlmittelkanäle entspricht. Eine Reduktion des Volumenstroms Kühlmittel wird dann durch Wartezeiten zwischen dem Pumpen der Kühlmittelvolumen erreicht. Die Wartezeit zwischen den diskontinuierlich gepumpten Volumen beträgt bevorzugt zwischen 1 s und 60 s, besonders bevorzugt 5 s. Das zyklische Pumpen des Kühlmittels ist energetisch günstiger als dessen kontinuierliche Förderung.
Die wichtigsten Steuergrößen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind die Längen der Zeiträume Δt1 und Δt2. In einer bevorzugten Durchführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die Zeiträume Δt1 und Δt2 in Abhängigkeit eines messtechnisch ermittelten Flüssigwassergehalts des Brennstoffzellensystems bestimmt. Der Flüssigwassergehalt des Brennstoffzellensystems kann dabei direkt mittels eines oder mehrerer Flüssigkeitssensoren, indirekt über eine Impedanz-Messung an einer oder mehreren Zellen des Brennstoffzellenstapels bestimmt werden. Das Trocknungsverfahren wird umso länger durchgeführt, je mehr Flüssigwasser im Brennstoffzellensystem enthalten ist. Ebenfalls bevorzugt werden die Zeiträume Δt1 und Δt2 in Abhängigkeit einer ermittelten Temperatur des Brennstoffzellenstapels oder der Umgebung bestimmt. Dabei wird das Trocknungsverfahren umso länger durchgeführt, je tiefer die gemessenen Temperaturen sind. Das Bestimmen der Zeiträume Δt1 und Δt2 in Abhängigkeit zumindest eines aktuellen Zustands des Brennstoffzellensystems ermöglicht vorteilhaft das Einstellen eines definierten Trocknungsgrades. Nach dem erfindungsgemäßen Trocknungsverfahren liegt das Brennstoffzellensystem somit vorteilhaft in einem definierten Zustand vor, aus dem ein erneuter Start problemlos möglich ist.
Der Zeitraum Δt1 beträgt bevorzugt zwischen 1 s und 300 s, besonders bevorzugt 15 s. Der Zeitraum Δt2 wird in Abhängigkeit des Zeitraums Δt1 bestimmt und beträgt bevorzugt zwischen 1 s und 120 s, besonders bevorzugt 14 s. Die Zeiträume Δt0, Δt1, Δt2 und Δt3 folgen bevorzugt in dieser Reihenfolge unmittelbar oder mittelbar aufeinander. Insbesondere ist der Zeitraum Δt0 dem Zeitraum Δt1 vorgelagert und ist der Zeitpunkt Δt3 dem Zeitraum Δt2 nachgelagert, wobei diese Abschnitte ebenfalls mittelbar oder unmittelbar aufeinander folgen können. Besonders bevorzugt wird vor, nach oder zwischen den einzelnen Zeiträumen eine weitere Zeitspanne für mindestens eine weitere Funktionalität des Brennstoffzellensystems vorgehalten.
Diese Zeitspanne beträgt bevorzugt zwischen 0,01 s und 300 s und besonders bevorzugt zwischen 1 s und 10 s und schützt zusätzlich vor einer beschleunigten Degradation des Stapels, insbesondere der Elektroden, sowie zum Einstellen eines definierten Zustandes des Brennstoffzellensystems.
In einer ebenfalls bevorzugten Durchführungsform des erfindungsgemäßen Trocknungsverfahrens werden die Zeiträume Δt1 und Δt2 in Abhängigkeit einer Betriebszeit beziehungsweise eines Betriebszustandes des Brennstoffzellensystems bestimmt. Für ein Brennstoffzellensystem werden in diesem Zusammenhang drei Betriebszustände unterschieden, nämlich Start/Hochfahren, kontinuierlicher Betrieb und Abschalten. Dabei kann eine Brennstoffzelle sowohl aus dem kontinuierlichen Betrieb als auch während des Starts/Hochfahrens abgeschaltet werden. Zumeist wird der Flüssigwassergehalt einer im Hochfahren befindlichen Brennstoffzelle höher sein, als der einer kontinuierlich betriebenen Brennstoffzelle. Die Betriebszeit korreliert in der Regel mit dem Betriebszustand beziehungsweise lässt Rückschlüsse auf diesen zu.
Ebenfalls Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zum Abschalten eines Brennstoffzellensystems, umfassend die Verfahrensschritte: Initialisieren eines Abschaltvorgangs durch Trennen einer elektrischen Hauptlast von dem Brennstoffzellenstapel und Durchführen eines Verfahrens zum Trocknen des Brennstoffzellensystems, wie vorstehend beschrieben, bis zum Erreichen eines definierten Flüssigwassergehalts des Brennstoffzellensystems. Das Abschalten eines Brennstoffzellensystems wird regelmäßig durch das Trennen des Brennstoffzellenstapels von dessen elektrischer Hauptlast eingeleitet, beispielsweise beim Abstellen der Zündung eines Fahrzeugs. Durch die Trennung der elektrischen Hauptlast werden im Stapel weniger und bevorzugt kein Kathoden- und Anodenbetriebsmedium mehr verbraucht. Nach dem Trennen des Stapels von dessen Hauptlast wird das Brennstoffzellensystem wie vorstehend beschrieben getrocknet, bis ein definierter Flüssigwassergehalt des Brennstoffzellensystem erreicht ist. Bevorzugt wird der Brennstoffzellenstapel unmittelbar oder mittelbar zum Bereitstellen der für das Trocknungsverfahren notwendigen elektrischen Leistung, beispielsweise für den Betrieb elektrisch betriebener Fördereinrichtungen, Stellmittel und/oder Steuereinrichtungen, verwendet. Am Ende des Trocknungsverfahrens liegt das Brennstoffzellensystem vorteilhaft in einem definierten Trocknungszustand beziehungsweise mit einem definierten Flüssigwassergehalt vor. Dies ermöglicht somit vorteilhaft das Einstellen eines definierten Abschaltzustands des Brennstoffzellensystems und damit einen zuverlässigen Neustart desselben.
Ebenfalls Gegenstand der Erfindung ist ein Brennstoffzellensystem, umfassend einen Brennstoffzellenstapel mit Kathodenräumen, Anodenräumen und Kühlmittelkanälen; eine Kathodenversorgung, aufweisend einen Kathodenversorgungspfad mit einem darin angeordneten Verdichter und einen Kathodenabgaspfad; eine Anodenversorgung, aufweisend einen Anodenversorgungspfad mit einem ersten Stellmittel, einen Anodenabgaspfad mit einem zweiten Stellmittel und eine den Anodenabgaspfad mit dem Anodenversorgungspfad verbindende Rezirkulationsleitung mit einer darin angeordneten Rezirkulationsfördereinrichtung; eine Kühlmittelversorgung, aufweisend eine Kühlmittelfördereinrichtung zum Zuführen eines Kühlmittels in die Kühlmittelkanäle; und ein Steuergerät, das zum Durchführen eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Trocknen eines Brennstoffzellensystems, wie obenstehend beschrieben, eingerichtet ist.
Das Brennstoffzellensystem weist bevorzugt Sensoren zum Bestimmen eines Flüssigwassergehalts des Brennstoffzellensystems, einer Temperatur des Brennstoffzellensystems, einer Temperatur der Umgebung, einer elektrischen Last, Leistung, Spannung oder Stromstärke des Brennstoffzellenstapels und/oder einer Betriebsdauer des Brennstoffzellenstapels auf. Die Rezirkulationsfördereinrichtung ist bevorzugt als Rezirkulationsgebläse ausgebildet. Das erste und oder zweite Stellmittel sind bevorzugt als Dosierventile oder steuerbare Rückschlagventile ausgestaltet, die ein Nachregeln des Drucks des Anodenbetriebsmediums in den Anodenräume ermöglichen.
Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.
Die verschiedenen in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar.
Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert, ohne darauf beschränkt zu sein. Es zeigen:
1 ein Blockschaltbild eines Brennstoffzellensystems gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung;
2 eine schematische Darstellung von Zustandsgrößen des Brennstoffzellensystems gemäß 1 während einer ersten Durchführungsform eines Verfahrens zum Trocknen desselben;
3 ein Blockschaltbild eines Brennstoffzellensystems gemäß einer zweiten bevorzugten Ausgestaltung; und
4 eine schematische Darstellung von Zustandsgrößen des Brennstoffzellensystems gemäß 3 während einer zweiten Durchführungsform eines Verfahrens zum desselben.
1 und 3 zeigen insgesamt mit 100 bezeichnete Brennstoffzellensysteme gemäß bevorzugten Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung. Die Brennstoffzellensysteme 100 sind jeweils Teil eines nicht weiter dargestellten Fahrzeugs, insbesondere eines Elektrofahrzeugs, das einen Elektrotraktionsmotor aufweist, der durch das jeweilige Brennstoffzellensystem 100 mit elektrischer Energie versorgt wird.
Die Brennstoffzellensysteme 100 umfassen als Kernkomponente einen Brennstoffzellenstapel 10, der eine Vielzahl von in Stapelform angeordneten Einzelzellen 11 aufweist, die durch abwechselnd gestapelte Membran-Elektroden-Anordnungen (MEA) 14 und Bipolarplatten 15 ausgebildet werden (siehe Detailausschnitt). Jede Einzelzelle 11 umfasst somit jeweils eine MEA 14, die eine hier nicht näher dargestellte ionenleitfähige Polymerelektrolytmembran aufweist, sowie beidseits daran angeordnete katalytische Elektroden, nämlich eine Anode und eine Kathode, welche die jeweilige Teilreaktion der Brennstoffzellenumsetzung katalysieren und insbesondere als Beschichtungen auf der Membran ausgebildet sein können. Die Anoden- und Kathodenelektrode weisen ein katalytisches Material auf, beispielsweise Platin, das auf einem elektrisch leitfähigen Trägermaterial großer spezifischer Oberfläche, beispielsweise einem kohlenstoffbasierten Material, geträgert vorliegt. Zwischen einer Bipolarplatte 15 und der Anode wird somit ein Anodenraum 12 ausgebildet und zwischen der Kathode und der nächsten Bipolarplatte 15 der Kathodenraum 13. Die Bipolarplatten 15 dienen der Zuführung der Betriebsmedien in die Anoden- und Kathodenräume 12, 13 und stellen ferner die elektrische Verbindung zwischen den einzelnen Brennstoffzellen 11 her. Optional können Gasdiffusionslagen zwischen den Membran-Elektroden-Anordnungen 14 und den Bipolarplatten 15 angeordnet sein.
Um den Brennstoffzellenstapel 10 mit den Betriebsmedien zu versorgen, weisen die Brennstoffzellensysteme 100 einerseits eine Anodenversorgung 20 und andererseits eine Kathodenversorgung 30 auf.
Die Anodenversorgung 20 der in den 1 und 3 gezeigten Brennstoffzellensysteme 100 umfasst jeweils einen Anodenversorgungspfad 21, welcher der Zuführung eines Anodenbetriebsmediums (dem Brennstoff), beispielsweise Wasserstoff, in die Anodenräume 12 des jeweiligen Brennstoffzellenstapels 10 dient. Zu diesem Zweck verbinden die Anodenversorgungspfade 21 jeweils einen Brennstoffspeicher 23 mit einem Anodeneinlass des jeweiligen Brennstoffzellenstapels 10. Die Anodenversorgung 20 umfasst ferner einen Anodenabgaspfad 22, der das Anodenabgas aus den Anodenräumen 12 über einen Anodenauslass des jeweiligen Brennstoffzellenstapels 10 abführt. Der Anodenbetriebsdruck auf den Anodenseiten 12 des jeweiligen Brennstoffzellenstapels 10 ist über ein erstes Stellmittel 24 in dem Anodenversorgungspfad 21 einstellbar. Darüber hinaus weist die Anodenversorgung 20 der in den 1 und 3 gezeigten Brennstoffzellensysteme wie dargestellt eine Rezirkulationsleitung 25 auf, welche den Anodenabgaspfad 22 mit dem Anodenversorgungspfad 21 verbindet. Die Rezirkulation von Brennstoff ist üblich, um den zumeist überstöchiometrisch eingesetzten Brennstoff dem Stapel zurückzuführen und zu nutzen. In der Rezirkulationsleitung ist jeweils eine Rezirkulationsfördereinrichtung 27, vorzugsweise ein Rezirkulationsgebläse, angeordnet. Ferner ist in dem Anodenabgaspfad 22 jeweils ein Wasserabscheider 28 verbaut, um aus dem Brennstoffzellenstapel 10 ausgetragenes Flüssigwasser zu kondensieren und abzuleiten.
In der Anodenabgasleitung 22 des in 1 gezeigten Brennstoffzellensystems 100 ist stromabwärts der Rezirkulationsleitung 25 ein zweites Stellmittel 26 angeordnet. Mit dem zweiten Stellmittel 26 kann ein Rezirkulationskreislauf von der Umgebung isoliert werden. Das erste und zweite Stellmittel 24, 26 können gemeinsam dazu genutzt werden, ein Ausströmen des Anodenbetriebsmediums aus den Anodenräumen 12 weitgehend zu unterbinden. Ferner ist stromabwärts des Brennstoffzellenstapels 10 und stromaufwärts des zweiten Stellmittels 26 ein Wasserabscheider 28 im Rezirkulationskreislauf der Kathodenabgasleitung 22 angeordnet.
In dem in 3 gezeigten Brennstoffzellensystem 100 ist stromabwärts des Brennstoffzellenstapels 10 und stromaufwärts der Rezirkulationsleitung 25 ein Dreiwegeventil als zweites Stellmittel 26 angeordnet. Die Anodenabgasleitung 22 dieses Brennstoffzellensystems 100 ist als Purge-Leitung 22 zu dem Kathodenabgaspfad 32 ausgebildet. Das zweite Stellmittel 26 kann auch hier genutzt werden, um gemeinsam mit dem ersten Stellmittel 25 einen Rezirkulationskreislauf, aufweisend eine Rezirkulationsfördereinrichtung 27 und einen Wasserabscheider 28, von der Umgebung zu trennen. In einer anderen Stellung des Dreiwegeventils 26 kann das Anodenbetriebsmedium aus den Anodenräumen 12 über die Kathodenabgasleitung 32 an die Umwelt abgegeben werden.
Die Kathodenversorgung 30 der in den 1 und 3 gezeigten Brennstoffzellensysteme 100 umfasst jeweils einen Kathodenversorgungspfad 31, welcher den Kathodenräumen 13 des jeweiligen Brennstoffzellenstapels 10 ein sauerstoffhaltiges Kathodenbetriebsmedium zuführt, insbesondere Luft, die aus der Umgebung angesaugt wird. Die Kathodenversorgung 30 umfasst ferner einen Kathodenabgaspfad 32, welcher das Kathodenabgas (insbesondere die Abluft) aus den Kathodenräumen 13 des jeweiligen Brennstoffzellenstapels 10 abführt und dieses gegebenenfalls einer nicht dargestellten Abgasanlage zuführt. Zur Förderung und Verdichtung des Kathodenbetriebsmediums ist in dem Kathodenversorgungspfad 31 ein Verdichter 33 angeordnet. In den dargestellten Ausführungsbeispielen ist der Verdichter 33 jeweils als ein hauptsächlich elektromotorisch angetriebener Verdichter 33 ausgestaltet, dessen Antrieb über einen mit einer entsprechenden Leistungselektronik 35 ausgestatteten Elektromotor 34 erfolgt. Der Verdichter 33 kann ferner durch eine im Kathodenabgaspfad 32 angeordnete Turbine 36 (gegebenenfalls mit variabler Turbinengeometrie) unterstützend über eine gemeinsame Welle (nicht dargestellt) angetrieben werden.
Die in den 1 und 3 gezeigten Brennstoffzellensysteme 100 weisen ferner ein Befeuchtermodul 39 auf. Die Befeuchtermodule 39 sind einerseits jeweils so in dem Kathodenversorgungspfad 31 angeordnet, dass sie von dem Kathodenbetriebsgas durchströmbar sind. Andererseits sind sie so in dem Kathodenabgaspfad 32 angeordnet, dass sie von dem Kathodenabgas durchströmbar sind. Ein Befeuchter 39 weist typischerweise eine Mehrzahl von wasserdampfpermeablen Membranen auf, die entweder flächig oder in Form von Hohlfasern ausgebildet sind. Dabei wird eine Seite der Membranen von dem vergleichsweise trockenen Kathodenbetriebsgas (Luft) überströmt und die andere Seite von dem vergleichsweise feuchten Kathodenabgas (Abgas). Getrieben durch den höheren Partialdruck an Wasserdampf in dem Kathodenabgas kommt es zu einem Übertritt von Wasserdampf über die Membran in das Kathodenbetriebsgas, das auf diese Weise befeuchtet wird.
Die Kathodenversorgung 30 weist gemäß dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ferner eine Bypass-Leitung 37 auf, welche die Kathodenversorgungsleitung 31 mit der Kathodenversorgungsleitung 31 so verbindet, dass das Befeuchtermodul 39 stromaufwärts des Brennstoffzellenstapels 10 nicht durchströmt wird. Die Kathodenversorgung 30 weist gemäß dem in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel ferner eine Bypass-Leitung 37 auf, welche die Kathodenabgasleitung 32 mit der Kathodenabgasleitung 32 so verbindet, dass das Befeuchtermodul 39 stromabwärts des Brennstoffzellenstapels 10 nicht durchströmt wird. Ein jeweils in der Bypass-Leitung 37 angeordnetes Stellmittel 38 dient der Steuerung der Menge des den Befeuchters 39 umgehenden Kathodenbetriebsmediums.
Zum Kühlen des Brennstoffzellenstapels 10 weisen die in den 1 und 3 gezeigten Brennstoffzellensysteme 100 zudem einen Kühlmittelkreislauf 40 auf. Dieser ist außerhalb des jeweiligen Brennstoffzellenstapels 10 durch eine ein Kühlmittel führende Leitung 42 gebildet, die mit Kühlmitteleinlassöffnungen und Kühlmittelauslassöffnungen des jeweiligen Brennstoffzellenstapels 10 verbunden ist. Im Brennstoffzellenstapel sind zwischen den Kühlmitteleinlassöffnungen und Kühlmittelauslassöffnungen Kühlmittelkanäle in den Bipolarplatten 15 angeordnet. Zum Fördern des Kühlmittels durch die Kühlmittelleitung 42 und die Kühlmittelkanäle des Brennstoffzellenstapels 10 ist im Kühlmittelkreislauf 40 eine Kühlmittelfördereinrichtung 41 angeordnet. Kühlmittel im Sinne dieser Anmeldung ist ein Kühlmittel dessen Temperatur durch eine Kühlung reduziert wird. Zum Kühlen ist hier ein nicht dargestellter Fahrzeugkühler als Kühlvorrichtung vorgesehen, wobei zwischen Brennstoffzellenstapel und Kühler stromaufwärts des Kühlers und stromabwärts des Brennstoffzellenstapels ein regelbares Thermostatventil angeordnet ist.
Sämtliche Stellmittel 24, 26, 38 der Brennstoffzellensysteme 100 können als regelbare oder nicht regelbare Ventile oder Klappen ausgebildet sein. Entsprechende weitere Stellmittel können in den Leitungen 21, 22, 31 und 32 angeordnet sein, um die Brennstoffzellenstapel 10 von der Umgebung isolieren zu können.
In der 2 sind Zustandsgrößen des Brennstoffzellensystems 100 gemäß 1 während einer ersten Durchführungsform eines Verfahrens zum Trocknen desselben dargestellt. Insbesondere sind die Temperatur T des Brennstoffzellestapels 10 und der Volumenstrom V ._K des durch den Stapel 10 geförderten Kühlmittels gezeigt. Ferner sind der Druck p_Ka in den Kathodenräumen 13 und der Massestrom m ._Ka des Kathodenbetriebsmediums durch die Kathodenräume 13 gezeigt. Ebenfalls dargestellt sind der Druck p_A in den Anodenräumen 12 und der Volumenstrom V ._A des Anodenbetriebsmediums durch die Anodenräume 12.
Wie in der 2 dargestellt, nehmen während einer Startphase des Brennstoffzellensystems 100 beziehungsweise beim Hochfahren des Brennstoffzellenstapels 10 der Massestrom m ._Ka des Kathodenbetriebsmediums durch die Kathodenräume 13 und der Volumenstrom V ._A des Anodenbetriebsmediums durch die Anodenräume 12 kontinuierlich zu. Dadurch steigen der Druck p_Ka in den Kathodenräumen 13 und der Druck p_A in den Anodenräumen 12 global an. Aufgrund der einsetzenden Reaktionen in dem Stapel 10 nimmt dessen Temperatur T zu, was von einer Erhöhung des Kühlmittel-Volumenstroms V ._K begleitet wird.
Während des kontinuierlichen Betriebs des Brennstoffzellensystems 100 sind die Ströme m ._Ka, V ._A und V ._K, die Drücke p_Ka und p_A sowie die Temperatur T weitgehend konstant. Der Brennstoffzellenstapel 10 wird mit einem Überdruck der Anodenräume 12 gegenüber den Kathodenräumen 13 von 200 mbar betrieben. Während des kontinuierlichen Betriebs ist der Brennstoffzellenstapel 10 durcherhitzt und es fällt nur wenig Flüssigwasser darin an.
Durch das Trennen des Brennstoffzellenstapels 10 von der elektrischen Hauptlast mittels Abstellen der Zündung des mit dem Brennstoffzellensystem 100 ausgestatteten Fahrzeugs kommen die Umsetzungsreaktionen von Anoden- und Kathodenbetriebsmedium weitgehend zum Erliegen und das erfindungsgemäße Verfahren zum Trocknen des Brennstoffzellensystems 100 wird eingeleitet. Anhand der Betriebsdauer des Brennstoffzellensystems 100 ermittelt ein Steuergerät (nicht dargestellt), dass sich der Stapel 10 im kontinuierlichen Betrieb befand. Anhand dieser Information und einer gemessenen Temperatur des Brennstoffzellenstapels 10 und der Umgebung, bestimmt das Steuergerät mittels einer Wertetabelle einen Zeitraum Δt1 von 15 s und davon abgeleitet einen Zeitraum Δt2 von 4 s
Unmittelbar nach dem Einleiten des Trocknungsverfahrens, das heißt, zu Beginn des Zeitraums Δt1 wird der Volumenstrom V ._K des kontinuierlich durch den Stapel 10 geförderten Kühlmittels auf ein Minimum von 0,018 l/min/Zelle reduziert, wobei dieser Wert so gewählt ist, dass eine Überhitzung der Membranen 14 gerade vermieden wird. Der verminderte Volumenstrom V ._K wird für die Zeiträume Δt1 und Δt2 beibehalten, sodass die Temperatur T des Brennstoffzellenstapels 10 nur langsam abfällt, insbesondere im Vergleich zum Gradienten der Aufheizung des Stapels 10 während der Startphase. Das Vermindern des Kühlmittelvolumenstroms kann dabei erfolgen, indem der mittels der Kühlmittelfördervorrichtung der Volumenstrom der den Brennstoffzellenstapel durchströmenden Kühlflüssigkeit insgesamt reduziert wird oder indem mittels des Thermostatventils der Volumenstrom der den Fahrzeugkühler durchströmenden Kühlflüssigkeit reduziert wird.
Gleichzeitig zur Reduktion des Volumenstroms V ._K des Kühlmittels wird zu Beginn des Zeitraums Δt1 in der Anodenversorgung 20 zuerst das zweite Stellmittel 26 und anschließend das erste Stellmittel 24 geschlossen und dadurch ein Überdruck p_A – p_Ka von 424 mbar in den Anodenräumen 12 gegenüber den Kathodenräumen 13 eingestellt. Da den Anodenräumen 12 kein neues Anodenbetriebsmedium aus dem Speicher 23 zugeführt wird, sinkt der Volumenstrom V ._A zu Beginn des Zeitraums Δt1 auf ein Minimum, im Wesentlichen auf Null, ab. Dieser Zustand der Anodenräume 12 wird für den gesamten Zeitraum Δt1 beibehalten.
In der Kathodenversorgung 30 werden zu Beginn des Zeitraums Δt1 alle Stellmittel so eingestellt, dass sich der mittlere freie Strömungsquerschnitt der Kathodenförderung 30 vergrößert. Insbesondere wird das Steuermittel 38 der Bypass-Leitung 37 geöffnet, um den Befeuchter 39 zu umgehen und somit den Strömungswiderstand für das Kathodenbetriebsmedium zu reduzieren und dessen Befeuchtung zu verhindern. Durch dieses Einstellen aller Stellmittel kann der Druck p_Ka in den Kathodenräumen 13 trotz der Förderung eines reduzierten Massestroms m ._Ka des Kathodenbetriebsmediums von 0,042 g/s/Zelle durch die Kathodenräume 13 deutlich gesenkt werden, was das Aufrechterhalten des Überdrucks p_A – p_Ka von 424 mbar in den Anodenräumen 12 sicherstellt. Der Massestrom m ._Ka des Kathodenbetriebsmediums trocknet die Kathodenräume 13 des Stapels 10, während der Überdruck in den Anodenräumen 12 ein Übertritt von Flüssigwasser dorthinein stark reduziert bis verhindert. Das dampfbeladene Kathodenbetriebsmedium wird über die Abgasleitung 32 an die Umwelt abgegeben. Der Massestrom m ._Ka und der Druck p_Ka werden für die gesamten Zeiträume Δt1 und Δt2 beibehalten.
Zu Beginn des Zeitraums Δt2 wird die Rezirkulationsfördereinrichtung 27 auf der Anodenseite 20 in Betrieb genommen, während die Stellmittel 24, 26 geschlossen bleiben. Dadurch wird das bereits in den Anodenräumen 12 befindliche Anodenbetriebsmedium mit einem Volumenstrom von 1,45 l/min/Zelle durch diese umgewälzt, was dort zu einem globalen Druckanstieg in den Anodenräumen 12 führt. Durch das umgewälzte Anodenbetriebsmedium wird Flüssigwasser aus den Anodenräumen 12 ausgetragen und in dem Wasserabscheider 28 abgeschieden. Somit erfolgt im Zeitraum Δt2 auch eine Trocknung der Anodenräume 12, wobei ein Überdruck p_A – p_Ka der Anodenräume 12 630 mbar beträgt.
Zum Ende des erfindungsgemäßen Trocknungsverfahrens am Ende des Zeitraums Δt2 liegt das Brennstoffzellensystem 100 mit einem definierten Flüssigwassergehalt vor. Der Verdichter 33, die Kühlmittelfördereinrichtung 41 und das Rezirkulationsgebläse 27 werden abgestellt und die Stellmittel 24, 26 geschlossen gehalten. Das System 100 liegt somit mit einem definierten Zustand und mit einem Überdruck in den Anodenräumen 12 im abgeschalteten Zustand vor.
In der 4 sind Zustandsgrößen des Brennstoffzellensystems 100 gemäß 3 während einer zweiten Durchführungsform eines Verfahrens zum Trocknen desselben dargestellt. Die gezeigten Zustandsgrößen entsprechen dabei denen der 2 und zeigen während einer Startphase das mit Bezug auf 2 oben beschriebene Verhalten.
In der in 4 gezeigten Durchführungsform wird das erfindungsgemäße Trocknungsverfahren bereits während der Startphase des Brennstoffzellensystems 100 eingeleitet. Die Trennung des Stapels 10 von einer elektrischen Hauptlast erfolgt insbesondere zu Beginn eines Zeitraums Δt0.
Während dieses Zeitraums Δt0 wird zudem der Volumenstrom V ._K des durch den Stapel 10 geförderten Kühlmittels auf Null reduziert. Auch der Volumenstrom V ._A des Anodenbetriebsmediums durch die Anodenräume 12 wird während des Zeitraums Δt0 auf Null reduziert, während zunächst das zweite Stellmittel 26 zur Purge-Leitung 22 und dann das erste Stellmittel 24 geschlossen werden, um einen bestimmten Druck p_A in den mit Anodenbetriebsmedium gefüllten Anodenräumen 12 einzustellen. Ebenfalls während des Zeitraums Δt0 werden alle Stellmittel in der Kathodenversorgung 30 zur Erhöhung des mittleren freien Strömungsquerschnitts eingestellt, wie obenstehend beschrieben, und wird der Verdichter 33 so angesteuert, dass ein bestimmter Massestrom m ._Ka des Kathodenbetriebsmediums durch die Kathodenräume 13 gefördert wird. Aufgrund aller dieser Schritte liegt zum Ende des Zeitraums Δt0 ein Überdruck p_A – p_Ka von 215 mbar vor.
Während des Zeitraums Δt1 werden alle Zustandsgrößen der Anodenräume 12 und der Kathodenräume 13 beibehalten. Das heißt, es erfolgt ein Trocknen der Kathodenräume 13, während der Volumenstrom in den Anodenräumen 12 weiterhin Null beträgt. Nach dem Ablauf einer Wartezeit von 3 s ab dem Ende des Zeitraums Δt0 wird ein Volumen des Kühlmittels, das der Summe der Volumina aller Kühlmittelkanäle entspricht, während eines Zeitraums von 5 s in den Brennstoffzellenstapel 10 gepumpt, wodurch ein Austausch des im Stapel 10 befindlichen Kühlmittels erfolgt.
Zu Beginn des Zeitraums Δt2 wird das Rezirkulationsgebläse 27 in der Anodenversorgung 20 aktiviert und durch Umwälzen des in den Anodenräumen 12 befindlichen Anodenbetriebsmediums ein Volumenstrom erzeugt, wie obenstehend beschrieben. Dadurch kommt es im Vergleich zum Zeitraum Δt1 zu einem globalen Druckanstieg in den Anodenräumen 12, zum Einstellen eines Überdrucks p_A – p_Ka von 424 mbar und zu einer Trocknung der Anodenräume 12, wie obenstehend beschrieben. Zudem wird im Zeitraum Δt2 nach einer Wartezeit von 4 s nach dem Ende des letzten Betriebs der Kühlmittelfördereinrichtung 41 erneut Kühlmittel gepumpt.
Zum Ende des Zeitraums Δt2 beziehungsweise zu Beginn des Zeitraums Δt3 werden der Verdichter 33 und die Kühlmittelfördereinrichtung 41 deaktiviert und das in der Kathodenversorgung 30 befindliche Kathodenbetriebsmedium an die Umwelt abgelassen. Dadurch fällt der Druck in der Kathodenversorgung 30 auf Null ab. Ebenfalls zu Beginn des Zeitraums Δt3 wird in der Anodenversorgung das Stellmittel 26 so gestellt, dass das zuvor umgewälzte und feuchtigkeitsbeladene Anodenbetriebsmedium über die Purge-Leitung 22 und die Kathodenabgasleitung 32 an die Umwelt abgegeben wird. Damit fällt auch der Druck in den Anodenräumen 12 kurzzeitig auf Null ab. Anschließend wird das Stellmittel 26 vollständig geschlossen und wird das Stellmittel 24 kurzzeitig geöffnet, um neues Anodenbetriebsmedium in die Anodenräume 12 einzuspeisen, bis erneut ein Überdruck p_A – p_Ka von 424 mbar eingestellt ist. Das System 100 wird somit zum Ende des Zeitraums Δt3 in einem definierten Zustand und mit einem Überdruck in den Anodenräumen 12 abgeschaltet.
Bezugszeichenliste

100: Brennstoffzellensystem
10: Brennstoffzellenstapel
11: Einzelzelle
12: Anodenraum
13: Kathodenraum
14: Membran-Elektroden-Anordnung (MEA)
15: Bipolarplatte (Separatorplatte, Flussfeldplatte)
20: Anodenversorgung
21: Anodenversorgungsleitung
22: Anodenabgasleitung
23: Brennstofftank
24: Erstes Stellmittel
25: Rezirkulationsleitung
26: Zweites Stellmittel
27: Rezirkulationsfördereinrichtung
28: Wasserabscheider
30: Kathodenversorgung
31: Kathodenversorgungsleitung
32: Kathodenabgasleitung
33: Verdichter
34: Elektromotor
35: Leistungselektronik
36: Turbine
37: Bypass-Leitung
38: Stellmittel
39: Befeuchtermodul
40: Kühlmittelkreislauf
41: Kühlmittelfördervorrichtung
42: Kühlmittelleitung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102011007615 A1 [0008]
US 8318364 B2 [0008]
WO 2006/030614 A2 [0009]
JP 2012-074385 A [0009]
US 8192885 B2 [0010]
DE 102012023799 A1 [0011]
JP 2008103120 A [0011]
DE 10061687 B4 [0011]

Claims

Verfahren zum Trocknen eines Brennstoffzellensystems (100), umfassend einen Brennstoffzellenstapel (10) mit Kathodenräumen (13), Anodenräumen (12) und Kühlmittelkanälen, wobei das Verfahren die Schritte umfasst: (a) Vermindern eines Volumenstroms von einem die Kühlmittelkanäle durchströmenden Kühlmittel für bestimmte Zeiträume Δt1 und Δt2; (b) Durchströmen der Kathodenräume (13) mit einem bestimmten Massenstrom eines Kathodenbetriebsmediums für die bestimmten Zeiträume Δt1 und Δt2; (c) Unterbinden von einem Volumenstrom eines Anodenbetriebsmediums durch die Anodenräume (12) für den bestimmten Zeitraum Δt1; (d) Durchströmen der Anodenräume (12) mit einem bestimmten Volumenstrom des Anodenbetriebsmediums für den bestimmten Zeitraum Δt2; und (e) Aufrechterhalten eines bestimmten Überdrucks in den Anodenräumen (12) gegenüber den Kathodenräumen (13) für die bestimmten Zeiträume Δt1 und Δt2.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner aufweisend die Verfahrensschritte: – Zuführen des Anodenbetriebsmediums in die Anodenräume (12) während eines bestimmten, dem Zeitraum Δt1 vorgelagerten Zeitraums Δt0 zum Beaufschlagen der Anodenräume (12) mit dem bestimmten Überdruck; und mindestens einen der folgenden Verfahrensschritte: – Schließen eines in einer Anodenversorgungsleitung (21) angeordneten ersten Stellmittels (24) und eines in einer Anodenabgasleitung (22) angeordneten zweiten Stellmittels (26) während des Zeitraums Δt0 und für die Zeiträume Δt1 und Δt2; und – Umwälzen des im Zeitraum Δt0 zugeführten Anodenbetriebsmediums mittels einer in der Anodenversorgung (20) angeordneten Rezirkulationsfördereinrichtung (27) für den bestimmten Zeitraum Δt2.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, ferner aufweisend die Verfahrensschritte: – Unterbinden von einem Volumenstrom des Kathodenbetriebsmediums durch die Kathodenräume (13) für einen bestimmten, dem Zeitraum Δt2 nachgelagerten Zeitraum Δt3; – Ablassen des umgewälzten Anodenbetriebsmediums aus den Anodenräumen (12) während des bestimmten Zeitraums Δt3; und – Zuführen von Anodenbetriebsmedium in die Anodenräume (12) zum Beaufschlagen der Anodenräume (12) mit einem bestimmten Überdruck zu den Kathodenräumen (13) während des bestimmten Zeitraums Δt3 und Schließen eines in einer Anodenversorgungsleitung (21) angeordneten ersten Stellmittels (24) und eines in einer Anodenabgasleitung (22) angeordneten zweiten Stellmittels (26).
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der bestimmte Volumenstrom des Anodenbetriebsmediums im Zeitraum Δt2 einen in der Anodenversorgung (20) angeordneten Wasserabscheider (28) durchströmt.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Überdruck in den Anodenräumen (12) gegenüber den Kathodenräumen (13) während der bestimmten Zeiträume Δt1 und Δt2 durch Einspeisen zusätzlichen Anodenbetriebsmediums in die Anodenversorgung (20) und/oder durch Anpassung von dem Massestrom des Kathodenbetriebsmediums in der Kathodenversorgung (30) aufrechterhalten wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mittlere freie Strömungsquerschnitt der Kathodenversorgung (30) während der Zeiträume Δt1 und Δt2 vergrößert wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein dem Volumen aller Kühlmittelkanäle entsprechendes Volumen Kühlmittel während der Zeiträume Δt1 und Δt2 zyklisch in den Brennstoffzellenstapel (10) gepumpt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zeiträume Δt1 und Δt2 in Abhängigkeit eines ermittelten Flüssigwassergehalts des Brennstoffzellensystems (100), einer ermittelten Temperatur des Brennstoffzellenstapels (10), einer ermittelten Temperatur der Umgebung, einer Betriebszeit des Brennstoffzellensystems (100) und/oder eines Betriebszustandes des Brennstoffzellensystems (100) bestimmt werden.
Verfahren zum Abschalten eines Brennstoffzellensystems (100), umfassend einen Brennstoffzellenstapel (10) mit Kathodenräumen (13), Anodenräumen (12) und Kühlmittelkanälen, wobei das Verfahren die Schritte umfasst: – Initialisieren eines Abschaltvorgangs durch Trennen einer elektrischen Hauptlast von dem Brennstoffzellenstapel; und – Durchführen des Verfahrens zum Trocknen des Brennstoffzellensystems nach einem der Ansprüche 1 bis 8 bis zum Erreichen eines definierten Flüssigwassergehalts des Brennstoffzellensystems.
Brennstoffzellensystem (100), umfassend – einen Brennstoffzellenstapel (10) mit Kathodenräumen (13), Anodenräumen (12) und Kühlmittelkanälen; – eine Kathodenversorgung (30), aufweisend einen Kathodenversorgungspfad (31) mit einem darin angeordneten Verdichter (33) und einen Kathodenabgaspfad (32); – eine Anodenversorgung (20), aufweisend einen Anodenversorgungspfad (21) mit einem ersten Stellmittel (24), einen Anodenabgaspfad (22) mit einem zweiten Stellmittel (26) und eine den Anodenabgaspfad (22) mit dem Anodenversorgungspfad (21) verbindende Rezirkulationsleitung (25) mit einer darin angeordneten Rezirkulationsfördereinrichtung (27); – eine Kühlmittelversorgung (40), aufweisend eine Kühlmittelfördereinrichtung (41) zum Zuführen eines Kühlmittels in die Kühlmittelkanäle; und – ein Steuergerät, das zum Durchführen eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8 eingerichtet ist.