DE102017115510A1 - Verfahren zur Außerbetriebnahme eines Brennstoffzellensystems und zur erneuten Inbetriebnahme des Brennstoffzellensystems - Google Patents

Verfahren zur Außerbetriebnahme eines Brennstoffzellensystems und zur erneuten Inbetriebnahme des Brennstoffzellensystems Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Außerbetriebnahme eines Brennstoffzellensystems (1) und zur erneuten Inbetriebnahme des Brennstoffzellensystems. Bei den erfindungsgemäßen Verfahren werden Schäden an den Brennstoffzellen durch den Aufbau elektrischer Spannungen und durch gefrierendes Produktwasser vermieden, indem ein Spannungsaufbau durch Anschließen einer Hilfslast (32), und ein Gefrieren von Produktwasser durch Ausspülen des Kathodengaswegs und des Anodengaswegs mit Kathodenbetriebsgas bzw. Anodenbetriebsgas verhindert werden. Bei der erneuten Inbetriebnahme des Brennstoffzellensystems werden vor der Aufnahme des normalen Brennstoffzellenbetriebs der Kathodengasweg und der Anodengasweg mit Kathodenbetriebsgas bzw. Anodenbetriebsgas gespült.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Außerbetriebnahme eines Brennstoffzellensystems mit mindestens einer Brennstoffzelle, welches das Brennstoffzellensystem in einen Ruhezustand bringt, in dem die mindestens eine Brennstoffzelle gegen Schädigung geschützt ist, und ein Verfahren zur erneuten Inbetriebnahme des außer Betrieb befindlichen Brennstoffzellensystems.
  • Brennstoffzellen erzeugen elektrische Energie zur Versorgung eines elektrischen Verbrauchers. Dazu benötigen sie Betriebsgase, beispielsweise Wasserstoff als Anodenbetriebsgas und Sauerstoff als Kathodenbetriebsgas, wobei der Sauerstoff typischerweise in Form von Luft zugeführt wird. Die Brennstoffzellen sind üblicherweise in Form von Stapeln angeordnet und elektrisch in Reihe geschaltet. Eine einzelne Brennstoffzelle erzeugt unter optimalen Bedingungen eine Spannung von etwa 1,2 Volt, d. h. ein Stapel von 100 Brennstoffzellen erzeugt etwa 120 Volt.
  • Wenn der Stromkreis zu dem elektrischen Verbraucher geöffnet wird, wenn also die Last von den Brennstoffzellen getrennt wird, können sich durch die in den Brennstoffzellen verbleibenden Betriebsgase hohe Anoden- und Kathodenpotentiale ergeben, die zu einer Schädigung der Brennstoffzellen führen können. Insbesondere die Katalysatorträger der Elektroden sind gefährdet. Diese bestehen meist aus Kohlenstoff, der durch die unerwünscht hohen Spannungen korrodiert. Dies führt im Laufe der Zeit zu einem deutlichen Leistungsverlust der Brennstoffzellen.
  • Ein weiteres Problem stellt das bei der Brennstoffzellenreaktion gebildete Produktwasser dar. Werden Brennstoffzellen in einer Umgebung betrieben, in der die Temperatur unter 0°C sinken kann, und insbesondere auch bei Temperaturen unter 0°C außer Betrieb gesetzt, kann es während des Ruhezustands des Brennstoffzellensystems zu schwerwiegenden Schäden durch gefrierendes Wasser kommen. Bei Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellen können insbesondere die Membranen der Brennstoffzellen durch Eiskristallbildung geschädigt werden.
  • Es besteht die Möglichkeit, bei der Außerbetriebnahme eines Brennstoffzellensystems die Betriebsgase und Produktwasser mit Hilfe von Inertgas, beispielsweise Stickstoff, aus dem System auszuspülen, um so einen raschen Abbau der Zellspannung und eine Entfernung des Produktwassers zu erreichen. Eine solche Vorgehensweise erfordert jedoch einen zusätzlichen Gasvorratsbehälter, was besonders bei mobilen Systemen wie Fahrzeugen einen erheblichen Nachteil darstellt.
  • Benötigt wird somit ein Verfahren, das es ermöglicht, ein Brennstoffzellensystem in einen Ruhezustand zu bringen, in dem die Brennstoffzellen vor einer Schädigung durch Korrosion der Katalysatorträger, und erforderlichenfalls auch vor einer Schädigung durch gefrierendes Produktwasser geschützt sind, ohne dass hierzu zwingend Inertgase benötigt werden. Gleichzeitig sollte das Brennstoffzellensystem aus dem Ruhezustand heraus rasch erneut in Betrieb genommen werden können.
  • Erfindungsgemäß wird das Problem gelöst durch ein Verfahren zur Außerbetriebnahme eines Brennstoffzellsystems, bei dem die Spannung der Brennstoffzellen durch Anschließen einer Hilfslast bei strömendem Anodenbetriebsgas, aber unterbrochener Kathodenbetriebsgasversorgung, abgebaut wird. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden außerdem, zumindest sofern die Gefahr einer Schädigung durch gefriedendes Wasser besteht, die Brennstoffzellen durch Spülen des Systems mit Betriebsgasen getrocknet. Bei einer erneuten Inbetriebnahme des Brennstoffzellensystems werden erfindungsgemäß frische Betriebsgase zugeführt und der normale Brennstoffzellenbetrieb aufgenommen, sobald sich die gewünschte Spannung aufgebaut hat. Zu diesem Zeitpunkt kann der elektrische Verbraucher, d. h. die Last, angeschlossen werden. Falls erforderlich, werden die Brennstoffzellen vor der Zuführung von frischen Betriebsgasen auf eine Temperatur über dem Gefrierpunkt des Wasser gebracht.
  • Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Außerbetriebnahme eines Brennstoffzellensystems mit den Merkmalen, wie sie im unabhängigen Anspruch 1 angegeben sind. Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist außerdem ein Verfahren zur erneuten Inbetriebnahme des Brennstoffzellensystems mit den Merkmalen, wie sie im unabhängigen Anspruch 8 angegeben sind. Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind in den jeweiligen abhängigen Ansprüchen angegeben.
  • Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand von Zeichnungen beschrieben. Die Zeichnungen sind nicht maßstabsgetreu und zeigen nur die zum Verständnis der Erfindung wesentlichen Merkmale. Es versteht sich, dass weitere Merkmale vorhanden sein können, bzw. nicht alle dargestellten Merkmale für das Funktionieren des Brennstoffzellensystems zwingend erforderlich sind. Maßgeblich ist jeweils das Verständnis des Fachmanns. Es zeigen
    • 1 ein Brennstoffzellensystem mit einem zur Durchführung der erfindungsgemäßen Verfahren geeignet konstruierten Lastkreis, und
    • 2 eine alternative Ausführungsform eines zur Durchführung der erfindungsgemäßen Verfahren geeigneten Brennstoffzellen-Lastkreises.
  • Das in 1 dargestellte Brennstoffzellensystem 1 weist einen Brennstoffzellenstapel auf, der schematisch als eine einzige Brennstoffzelle 2 mit einer Kathode 3 und einer Anode 4 dargestellt ist. Zur Kühlung ist eine Kühlplatte 5 vorgesehen, und die Stromabnahme erfolgt über anodenseitige und kathodenseitige Stromsammler 6, 6'.
  • Im Normalbetrieb wird der Kathode 3 Kathodenbetriebsgas wie beispielsweise Luft über eine Kathodenbetriebsgasleitung 9 zugeführt, und verbrauchtes Kathodenbetriebsgas wird durch eine Kathodenabgasleitung 20 aus der Kathode abgeführt und aus dem Brennstoffzellensystem 1 entlassen. Der Anode 4 wird Anodenbetriebsgas wie beispielsweise Wasserstoff durch eine Anodenbetriebsgasleitung 11 zugeführt. Ein Druckregler 12 in der Anodenbetriebsgasleitung 11 dient der Einstellung des gewünschten Drucks. Mittels eines Absperrventils 13 kann die Anodenbetriebsgasleitung 11 geschlossen werden. Das verbrauchte Anodenbetriebsgas verlässt die Anode 4 durch eine Anodenabgasleitung 14 und wird über eine Anodenabgasrezirkulierungsleitung 17, die an einer Stelle 17' in die Anodenbetriebsgasleitung 11 mündet, in diese zurückgeführt. So wird sichergestellt, dass das Anodenbetriebsgas weitestgehend umgesetzt wird. Eine Rezirkulationspumpe 18 in der Anodenabgasrezirkulierungsleitung 17 sorgt für die nötige Strömungsgeschwindigkeit.
  • Bei einer permanenten Rezirkulierung des Anodenabgases würden sich jedoch Verunreinigungen in dem Anodenbetriebsgas anreichern. Daher wird periodisch Anodenabgas aus dem Brennstoffzellensystem 1 entlassen. Zu diesem Zweck ist eine Anodenabgasentlassungsleitung 19 vorgesehen, die an der Stelle 14' von der Anodenabgasleitung 14 abzweigt. Die Entlassung erfolgt durch periodisches Öffnen des Spülventils 16 in der Anodenabgasentlassungsleitung 19.
  • Das sich bei der Brennstoffzellenreaktion bildende Produktwasser wird durch einen Wasserabscheider 15 in der Anodenabgasleitung 14 aus dem Anodenabgas abgetrennt und in einem Wasserreservoir des Wasserabscheiders 15 gesammelt. Bei Bedarf wird das Produktwasser über eine Produktwasserablassleitung 21 durch Öffnen eines Produktwasserablassventils 22 in der Leitung 21 aus dem Brennstoffzellensystem 1 entlassen.
  • Die bei der Brennstoffzellenreaktion entstehende Wärme wird durch ein Kühlmittel abgeführt. Das Kühlmittel, beispielsweise Glykol oder ein Glykol-Wasser-Gemisch, wird bei der dargestellten Ausführungsform im Kreis geführt. Der Kühlmittelkreis 24 besitzt eine Kühlmittelpumpe 25, eine Kühlmittelheizung 26, einen Temperatursensor 27 und einen Wärmetauscher 28. Die Kühlmittelpumpe 25 pumpt das Kühlmittel mit der erforderlichen Strömungsgeschwindigkeit durch die Brennstoffzellen, und mittels der Heizung 26 ist das Kühlmittel beheizbar, sofern der Temperatursensor 27 eine zu niedrige Temperatur anzeigt. Der Wärmetauscher 28 dient der Abführung der Produktwärme aus dem Kühlmittel.
  • Ein Lastkreis 30 dient zum Anschließen eines elektrischen Verbrauchers (einer Last) 31 an das Brennstoffzellensystem 1. Die Last 31 ist im Normalbetrieb des Brennstoffzellensystems elektrisch leitend mit den Brennstoffzellen bzw. den Stromsammlem 6, 6' eines Brennstoffzellenstapels elektrisch leitend verbunden, d. h. der Lastkreis 30 ist geschlossen. Die Verbindung kann getrennt werden, beispielsweise durch Öffnen eines Schalters in dem Lastkreis.
  • Wenn der elektrische Verbraucher nicht mehr mit elektrischer Energie versorgt werden muss, beispielsweise wenn ein elektrisch betriebenes Fahrzeug geparkt wird, wird die elektrische Verbindung zwischen der Last 31 und den Brennstoffzellen des Brennstoffzellensystems 1 unterbrochen, und das Brennstoffzellensystem 1 wird außer Betrieb genommen. Bei einer konventionellen Außerbetriebnahme eines Brennstoffzellensystems wird nun die Zuführung von Kathodenbetriebsgas und Anodenbetriebsgas beendet. Demgegenüber wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Außerbetriebnahme nach dem Unterbrechen der elektrischen Verbindung zwischen der Last 31 und den Brennstoffzellen lediglich die Zuführung von Kathodenbetriebsgas zu der Kathode 3 beendet, während der Anode 4 weiterhin Anodenbetriebsgas zugeführt wird. Beim Beenden der Zuführung von Kathodenbetriebsgas oder unmittelbar danach wird eine elektrisch leitende Verbindung zwischen der Brennstoffzelle 2 und einer Hilfslast 32 hergestellt, d. h. der Lastkreis 30 wird erneut geschlossen. Daher fließt auch erneut Strom, der noch in dem Brennstoffzellensystem verbliebene Sauerstoff wird verbraucht und die Zellspannung bricht zusammen. Sobald die Spannung einen vorbestimmten Wert unterschreitet, wird auch die Zuführung von Anodenbetriebsgas zu der Anode beendet. Die elektrische Verbindung zwischen der Hilfslast 32 und der Brennstoffzelle 2 bleibt während der gesamten Ruhezeit des Brennstoffzellensystems 1 bestehen, um einen Spannungsaufbau durch eventuell in das Leitungssystem eindiffundierende Luft zu verhindern. Das Brennstoffzellensystem befindet sich nun in einem Zustand, in dem es gegen eine Korrosion der Katalysatorträger durch Spannungsaufbau geschützt ist.
  • 1 zeigt einen Aufbau eines Lastkreises 30, der zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Außerbetriebnahme geeignet ist. Der Lastkreis 30 weist eine Hilfslast 32 und ein Relais 33 mit drei Schaltstellungen (A, B, C), ein Spannungsmessgerät 34 und ein Strommessgerät 35 auf. Im stromlosen Zustand befindet sich das Relais 33 in der Schaltstellung A, in der der Lastkreis 30 geschlossen und der Hilfswiderstand 32 mit der Brennstoffzelle 2 elektrisch leitend verbunden ist. Im strombeaufschlagten Zustand kann das Relais 33 eine Schaltstellung B oder eine Schaltstellung C einnehmen. In der Schaltstellung B ist der Lastkreis 30 geschlossen und die Last 31 mit der Brennstoffzelle 2 elektrisch leitend verbunden. In der Schaltstellung C ist der Lastkreis 30 geöffnet, d. h. der Stromfluss ist unterbrochen. So wird gewährleistet, dass einerseits die Last 31 nach Belieben mit der Brennstoffzelle verbunden oder von ihr getrennt werden kann, und andererseits die Hilfslast 32 zuverlässig den Lastkreis 30 schließt, wenn das Brennstoffzellensystem 1 abgeschaltet ist.
  • Während des Spannungsabbaus, d. h. bei beendeter Kathodenbetriebsgas-Zuführung bei gleichzeitig fortdauernder Anodenbetriebsgaszuführung, wird die Spannung in dem Lastkreis 30 überwacht. Die Zuführung von Anodenbetriebsgas kann beendet werden, wenn die mittlere Zellspannung einen Wert von etwa 200mV, bevorzugt 100mV, unterschreitet. Während des Spannungsabbaus sollte die Stromstärke bevorzugt 4 Ampere, bevorzugter 3 Ampere, nicht übersteigen. Der Widerstand der Hilfslast 32 wird dementsprechend gewählt. Je nach Anzahl der Brennstoffzellen 2 in dem System können Widerstände von etwa 10 bis 1000 Ohm geeignet sein. Zur Veranschaulichung: Soll bei einem Brennstoffzellenstapel mit 40 Brennstoffzellen, der im Leerlauf eine Spannung von etwa 48V aufweist, beim Spannungsabbau eine Stromstärke von 4A nicht überschritten werden, ist ein Hilfslastwiderstand von mindestens 12 Ohm erforderlich. Für einen Brennstoffzellenstapel, beispielsweise einen Automobil-Brennstoffzellenstapel, mit einer Leerlaufspannung von etwa 300V ist ein Hilfslastwiderstand von 1000 Ohm erforderlich, wenn bei dauerhaft angeschlossener Hilfslast nur 0,3A fließen sollen.
  • Alternativ zu der in 1 dargestellten Ausführungsform kann die Hilfslast 32 dauerhaft in den Lastkreis 30 integriert sein, d. h. auch beim Normalbetrieb des Brennstoffzellensystems 1 an der Brennstoffzelle 2 angeschlossen sein. Eine derartige Ausführungsform ist in 2 dargestellt. Bei dieser Ausführungsform wird ein Relais 33' mit zwei Schaltstellungen (A, B) verwendet, wobei das Relais 33' im stromlosen Zustand die Schaltstellung A einnimmt. In dieser Schaltstellung wird der Lastkreis 30 über die Hilfslast 32 geschlossen. Im strombeaufschlagten Zustand befindet sich das Relais 33' in der Schaltstellung B, so dass sowohl die Last 31 als auch die Hilfslast 32 an der Brennstoffstelle 2 angeschlossen sind. Diese Ausführungsform spart zwar Regelungsaufwand, aber durch den zusätzlichen Stromfluss über die Hilfslast 32 sinkt der Wirkungsgrad des Brennstoffzellensystems 1 während des Normalbetriebs.
  • Das oben beschriebene Verfahren zur Außerbetriebnahme des Brennstoffzellensystems 1 ist vorteilhaft, wenn sichergestellt ist, dass das Brennstoffzellensystem während der Ruhezeit keinen Temperaturen unter dem Gefrierpunkt von Wasser ausgesetzt wird. In diesem Fall ist auch das Vorsehen einer Kühlmittel-Heizung in dem Kühlmittelkreis 24 entbehrlich. Gewünschtenfalls kann auch auf andere Weise als durch ein flüssiges Kühlmittel gekühlt werden, beispielsweise mittels eines Luftstroms. Ein derartiges Brennstoffzellensystem 1 mit Luftkühlung hat keinen Kühlmittelkreis 24.
  • In allen Fällen, in denen damit gerechnet werden muss, dass ein Brennstoffzellensystem 1 während des Ruhezustands Temperaturen unter dem Gefrierpunkt von Wasser ausgesetzt wird, sollte das Brennstoffzellensystem mit einem beheizbaren Kühlmittelkreis ausgestattet werden, beispielsweise dem in 1 dargestellten Kühlmittelkreis 24, oder auf andere Weise beheizbar sein, und bei der Außerbetriebnahme des Brennstoffzellensystems sollten zusätzliche Maßnahmen getroffen werden, die eine Schädigung der Brennstoffzellen oder anderer Teile des Brennstoffzellensystems durch gefrierendes Produktwasser verhindern. Zu diesem Zweck werden bei dem oben beschriebenen Verfahren zur Außerbetriebnahme eines Brennstoffzellensystems zusätzliche Schritte durchgeführt. Insbesondere werden der Kathodengasweg (bestehend aus Kathodenbetriebsgasleitung 9, Kathode 3 bzw. Kathodenströmungsfeld und Kathodenabgasleitung 20) und der Anodengasweg (bestehend aus Anodenbetriebsgasleitung 11, Anode 4 bzw. Anodenströmungsfeld, Anodenabgasleitung 14, Anodenabgasrezierkulierungsleitung 17 und Anodenabgasentlassungsleitung 19) getrocknet. Bevorzugt wird auch das Wasser aus dem Wasserabscheider 15 in die Umgebung entlassen.
  • Das Trocknen des Kathodengaswegs und des Anodengaswegs wird unmittelbar nach dem Unterbrechen der elektrischen Verbindung zwischen der Last 31 und der Brennstoffzelle 2 durchgeführt. Das Trocknen des Kathodengaswegs erfolgt dadurch, dass für eine vorgegebene Zeit eine konstante Kathodenbetriebsgasströmung durch den Kathodengasweg geleitet wird. Eine geeignete Kathodenbetriebsgasströmung kann beispielsweise mittels eines Betriebsgas-Massenmessgeräts 7 eingestellt werden.
  • Das Trocknen des Anodengaswegs erfolgt bevorzugt durch Einleiten von Anodenbetriebsgas und wechselweises Rezirkulieren und Entlassen des Anodenbetriebsgases, d. h. Anodenbetriebsgas wird wie im normalen Betrieb (aber bei unterbrochenen Verbindung zur Last 31!) durch die Brennstoffzelle geströmt, wobei jedoch das Spülventil 16 in rascher Folge geöffnet und geschlossen wird, so dass Produktwasser effizient durch eine vorgegebene Anzahl von Spülstößen aus dem Anodengasweg ausgetragen wird. Bevorzugt ist eine Anzahl von etwa 5 bis 10 Spülstößen.
  • Die genauen Trocknungsbedingungen variieren in Abhängigkeit von der Größe und dem Aufbau der Brennstoffzellensysteme, insbesondere in Abhängigkeit von der Anzahl der Brennstoffzellen eines Stapels und der Größe der aktiven Fläche. Der Massenstrom der Kathode kann von einem Fachmann durch wenige Versuche problemlos ermittelt werden. Beispielsweise kann ein Brennstoffzellenstapel mit 96 Brennstoffzellen und einer aktiven Fläche von 155cm2 vorteilhaft mit einem Luftmassenstrom von 5,9 g/s innerhalb von 60 Sekunden getrocknet werden. Dieser Massenstrom entspricht im Normalbetrieb einer Luftzahl von 1,7 bei einer Last von 0,65 A/cm2. Bei einem Stapel mit nur halb so viel Brennstoffzellen und gleicher Größe der aktiven Fläche halbiert sich der Luftmassenstrom bei gleicher Trocknungszeit, da auch in diesem Fall der Massenstrom im Normalbetrieb einer Luftzahl von 1,7 bei einer Stromdichte von 0,65 A/cm2 entspräche.
  • Die anodenseitige und die kathodenseitige Spülung werden gleichzeitig durchgeführt. Anschließend wird die Zuführung von Kathodenbetriebsgas beendet, während weiterhin Anodenbetriebsgas zugeführt wird.
  • Zu Perfektionierung des Schutzes gegen eine Schädigung durch gefrierendes Produktwasser wird zusätzlich zur Spülung des Kathodengaswegs 9, 3, 20 und des Anodengaswegs 11, 4, 14, 17, 19 mit Kathodenbetriebsgas bzw. Anodenbetriebsgas der Wasserabscheider 15 entleert. Das Ablassen des Produktwassers durch Öffnen des Produktswasserablassventils 22 wird bevorzugt nach dem Beenden der Zuführung von Anodenbetriebsgas zu der Anode 4 durchgeführt.
  • Um zu verhindern, dass während des Ruhezustands des Brennstoffzellensystems 1 größere Mengen an Luft in den Kathodengasweg und den Anodengasweg einströmen, können am Eingang der Kathodenbetriebsgasleitung 9 und am Ausgang der Kathodenabgasleitung 20 Absperrventile 8, 8' vorgesehen werden, die während des Ruhezustands des Brennstoffzellensystems geschlossen werden, und in dem Anodengasweg können das Absperrventil 13, das Spülventil 16 und das Produktwasserablassventil 22 geschlossen werden.
  • Wenn das Brennstoffzellensystem 1 erneut in Betrieb genommen werden soll, wobei die Temperatur des Brennstoffzellensystems und die Umgebungstemperatur über dem Gefrierpunkt von Wasser liegen, werden zunächst gleichzeitig der Kathodengasweg 9, 3, 20 mit Kathodenbetriebsgas geflutet und der Anodengasweg 11, 4, 14, 17, 19 mit Anodenbetriebsgas geflutet, während die Hilfslast 32 mit der Brennstoffzelle 2 elektrisch verbunden ist. Das Fluten wird wie bei der Außerbetriebnahme durch Einstellen einer konstanten Kathodenbetriebsgasströmung in dem Kathodengasweg und durch wechselweises Rückzirkulieren und Entlassen von Anodenbetriebsgas in dem Anodengasweg durchgeführt. Durch die konstante Strömung von Kathodenbetriebsgas bzw. die Spülstöße von Anodenbetriebsgas werden die in den Leitungen befindlichen Gase verdrängt und durch reines Kathodenbetriebsgas bzw. Anodenbetriebsgas ersetzt. Während des Flutens baut sich die Zellspannung auf. Der Aufbau der Zellspannung wird mittels eines Spannungsmessgeräts 34 in dem Lastkreis 30 überwacht. Sobald die Spannung einen vorbestimmten Wert erreicht, wird der Normalbetrieb des Brennstoffzellensystems 1 aufgenommen, d. h. die Last 31 kann mit der Brennstoffzelle 2 elektrisch verbunden werden. Bei der in 1 dargestellten Ausführungsform erfolgt dies durch Schalten des Relais 33 in den Schaltzustand B. Die elektrische Verbindung der Hilfslast 32 zu der Brennstoffzelle 2 wird dabei unterbrochen. Alternativ kann die elektrische Verbindung auch bereits vor dem Fluten des Kathodengaswegs mit Kathodenbetriebsgas und dem Fluten des Anodenbetriebswegs mit Anodenbetriebsgas unterbrochen werden, d. h. das Relais 33 befindet sich dann während des Flutens des Kathodengaswegs und des Anodengaswegs im Schaltzustand C. Wenn die Spannung in dem Lastkreis den vorbestimmten Wert erreicht hat, schaltet das Relais in die Schaltstellung B. Als Richtwert kann eine mittlere Zellspannung von etwa 800mV gelten, d. h. bei einem Stapel von 100 Brennstoffzellen erfolgt die Schaltung in die Schaltstellung B bei etwa 80 Volt. Bei mehr bzw. weniger als 100 Brennstoffzellen ist der vorbestimmte Spannungswert entsprechend höher bzw. niedriger.
  • Es ist nicht zwingend erforderlich, die elektrische Verbindung der Hilfslast 32 mit der Brennstoffzelle 2 während des Normalbetriebs des Brennstoffzellensystems zu unterbrechen. Es kann auch ein „Passivbleeding“ erfolgen (2), d.h. der Bleedingwiderstand 32 ist dauerhaft angeschlossen. Er kann, wenn er entsprechend dimensioniert ist, wesentlich kleiner ausfallen (z.B. 50W) und auf beide (metallischen) Endplatten aufgeteilt sein. Durch die direkte Befestigung kann die Endplatte gleich als Kühlkörper und Auflegepunkt für jeweils einen Widerstandsanschluss genutzt werden. Die beiden anderen Anschlüsse müssen nur noch miteinander verbunden werden. An die Verbindungsleitung müssen keine besonderen Anforderungen (Kurzschlussgefahr) gestellt werden, da der jeweils direkt auf der Endplatte befestigte Widerstand (z.B. 1500hm) als Strombegrenzer in der Verbindungsleitung wirkt (bei Leerlaufspannung 120V und Kurzschluss an der jeweils anderen Endplatte max. 800mA).
  • Diese Art der Realisierung und des beschriebenen Aufbaus ist extrem einfach und preiswert. Ein kleiner Nachteil dieser „Passivbleeding“-Lösung ist der geringere Wirkungsgrad durch die dauerhaft entstehende Verustleistung über die Widerstände.[Bei einem 25kW-Stack ergibt sich ein „Dauerverlust“ zwischen 48W » 0,19% (im Leerlauf / 120V Stackspannung) und 12W >> 0,05% (bei Voll-Last / 60V Stackspannung).
  • Soll die erneute Inbetriebnahme des Brennstoffzellensystems 1 bei Temperaturen um 0°C oder darunter erfolgen, oder wurde das Brennstoffzellensystem bei Temperaturen um 0°C oder darunter gelagert, wird die Brennstoffzelle bzw. der Brennstoffzellenstapel auf eine mittlere Temperatur von mehr als 0°C gebracht bevor mit dem Fluten des Kathodengaswegs und dem Fluten des Anodengaswegs begonnen wird. Bevorzugt ist ein Erwärmen auf eine Temperatur von etwa 1 bis 4°C. Dadurch wird ein ausreichender Schutz gegen Schädigung durch gefrierendes Wasser bei vergleichsweise geringem Aufwand gewährleistet. Das Erwärmen der Brennstoffzelle 2 erfolgt beispielsweise durch Erwärmen des in dem Kühlmittelkreis 24 strömenden Kühlmittels mittels der Kühlmittelheizung 26, und Pumpen des Kühlmittels mit Hilfe der Kühlmittelpumpe 25 durch die Kühlplatten 5 der Brennstoffzelle 2. Natürlich ist es grundsätzlich auch möglich, die Brennstoffzelle 2 auf eine andere Art zu erwärmen, beispielsweise mittels eines Heißluftgebläses.
  • Brennstoffzellensysteme, die mittels der erfindungsgemäßen Verfahren außer Betrieb genommen und erneut in Betrieb genommen werden, haben eine hohe Lebensdauer bei gleichzeitig hoher Leistungsfähigkeit über die gesamte Lebensdauer, da die erfindungsgemäßen Verfahren helfen, korrosionsbedingte Schäden an den Brennstoffzellen zu vermeiden sowie Totalausfälle durch gefrierendes Produktwasser zu vermeiden.

Claims (11)

  1. Verfahren zur Außerbetriebnahme eines Brennstoffzellensystems (1) mit mindestens einer Brennstoffzelle (2), die mit einer Last (31) elektrisch leitend verbunden ist, einem Kathodengasweg (9, 3, 20), in dem Kathodenbetriebsgas der Kathode (3) der Brennstoffzelle (2) zugeführt und Kathodenabgas aus der Kathode (3) der Brennstoffzelle (2) abgeführt wird, und einem Anodengasweg (11, 4, 14, 17, 19), in dem Anodenbetriebsgas der Anode (4) der Brennstoffzelle (2) zugeführt und Anodenabgas aus der Anode (4) der Brennstoffzelle (2) abgeführt wird, wobei die Last (31) in einen Lastkreis (30) des Brennstoffzellensystems (1) integriert ist, der eine Hilfslast (32) aufweist, die mit der Brennstoffzelle (2) elektrisch leitend verbunden ist oder verbunden werden kann, folgende Schritte umfassend: (a) Unterbrechen der elektrisch leitenden Verbindung zwischen der Last (31) und der Brennstoffzelle (2), (b) optional, Trocknen des Kathodengaswegs (9, 3, 20) und des Anodengaswegs (11, 4, 14, 17, 19), (c) Beenden der Zuführung von Kathodenbetriebsgas zu der Kathode (3), (d) Herstellen einer elektrisch leitenden Verbindung zwischen der Hilfslast (32) und der Brennstoffzelle (2), sofern noch keine elektrisch leitende Verbindung zwischen der Hilfslast (32) und der Brennstoffzelle (2) besteht, und Überwachen der elektrischen Spannung und des elektrischen Stroms in dem Lastkreis (30), (e) Beenden der Zuführung von Anodenbetriebsgas zu der Anode (4) sobald die Spannung in dem Lastkreis (30) einen vorbestimmten Wert unterschreitet, und (f) Verhindern eines Spannungsaufbaus während der Zeit der Trennung der Last (31) von der Brennstoffzelle (2) durch Aufrechterhalten der elektrisch leitenden Verbindung zwischen der Hilfslast (32) und der Brennstoffzelle (2).
  2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem Schritt (b) durchgeführt wird und bei dem das Trocknen des Kathodengaswegs (9, 3, 20) und des Anodengaswegs (11, 4, 14, 17, 19) in Schritt (b) erfolgt durch Strömenlassen von Kathodenbetriebsgas durch den Kathodengasweg (9, 3, 20), und Strömenlassen von Anodenbetriebsgas durch den Anodengasweg (11, 4, 14, 17, 19), wobei das Anodenbetriebsgas wechselweise zur Anode (4) zurückzirkuliert und aus dem Brennstoffzellensystem entlassen wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das Brennstoffzellensystem (1) außerdem einen Wasserabscheider (15) zum Abscheiden und Sammeln von Produktwasser in dem Anodengasweg (11, 4, 14, 17, 19) aufweist, und bei dem nach Schritt (d) oder (e) das Produktwasser aus dem Wasserabscheider (15) abgelassen wird.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die Hilfslast (32) ein Widerstand von 10 bis 1000 Ohm ist.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem der vorbestimmte Wert der mittleren Zellspannung in Schritt (e) 100mV beträgt.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem der Lastkreis (30) ein NC-Relais aufweist, das im stromlosen Zustand eine elektrisch leitende Verbindung zwischen der Hilfslast (32) und der Brennstoffzelle (2) herstellt und im strombeaufschlagten Zustand eine elektrisch leitende Verbindung zwischen der Last (31) und der Brennstoffzelle (2) herstellt.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem die Hilfslast (32) permanent mit der Brennstoffzelle (2) elektrisch leitend verbunden ist, und der Lastkreis (30) ein NC-Relais aufweist, das im strombeaufschlagten Zustand eine elektrisch leitende Verbindung zwischen der Last (31) und der Brennstoffzelle (2) herstellt, und im stromlosen Zustand die elektrisch leitende Verbindung zwischen der Last (31) und der Brennstoffzelle (2) unterbricht.
  8. Verfahren zur Inbetriebnahme eines Brennstoffzellensystems (1) mit mindestens einer Brennstoffzelle (2), die mit einer Hilfslast (32) elektrisch leitend verbunden ist, einem Kathodengasweg (9, 3, 20) zur Zuführung von Kathodenbetriebsgas zu der Kathode (3) der Brennstoffzelle (2) und zur Abführung von Kathodenabgas aus der Kathode (3) der Brennstoffzelle (2), und einem Anodengasweg (11, 4, 14, 17, 19) zur Zuführung von Anodenbetriebsgas zu der Anode (4) der Brennstoffzelle (2) und zur Abführung von Anodenabgas aus der Anode (4) der Brennstoffzelle (2), wobei die Hilfslast (32) in einen Lastkreis (30) des Brennstoffzellensystems (1) integriert ist, folgende Schritte umfassend: (a1) Fluten des Kathodengaswegs (9, 3, 20) mit Kathodenbetriebsgas und gleichzeitig (a2) Fluten des Anodengaswegs (11, 4, 14, 17, 19) mit Anodenbetriebsgas, (a3) Überwachen der elektrischen Spannung in dem Lastkreis (30) während des Flutens des Kathodengaswegs und des Anodengaswegs, und (b) Herstellen einer elektrisch leitenden Verbindung zwischen einer Last (31) und der Brennstoffzelle (2), nachdem die Spannung in dem Lastkreis (30) einen vorbestimmten Wert erreicht hat.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, bei dem die elektrisch leitende Verbindung zwischen der Hilfslast (32) und der Brennstoffzelle (2) unterbrochen wird, nachdem die Spannung in dem Lastkreis (30) den vorbestimmten Wert erreicht hat oder nachdem die elektrisch leitfähige Verbindung zwischen der Last (31) und der Brennstoffzelle (2) hergestellt wurde.
  10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, bei dem die Brennstoffzelle (2) vor dem Fluten des Kathodengaswegs (9, 3, 20) und des Anodengaswegs (11, 4, 14, 17, 19) auf eine Temperatur über 0°C erwärmt wird.
  11. Verfahren nach Anspruch 10, bei dem das Brennstoffzellensystem (1) einen Kühlmittelkreis (24) mit einer Kühlmittelpumpe (25) und einer Kühlmittelheizung (26) aufweist, und bei dem das Erwärmen der Brennstoffzelle (2) auf eine Temperatur über 0°C durch Erwärmen des Kühlmittels und Pumpen des erwärmten Kühlmittels durch die Brennstoffzelle (2) erfolgt.
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