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Die hier offenbarte Technologie betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems und ein Brennstoffzellensystem.
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Ein mit Wasserstoff betriebenes Brennstoffzellensystem ist eine elektrochemische Vorrichtung, welche Wasserstoff und Sauerstoff, insbesondere Luftsauerstoff, in elektrische Energie wandelt. Hierbei wird ein Anodenraum eines Brennstoffzellenstapels des Brennstoffzellensystems mit Wasserstoffgas und ein Kathodenraum des Brennstoffzellenstapels mit dem Sauerstoff, insbesondere mit dem Sauerstoff aus der Umgebungsluft versorgt. Etwa ein Kompressor sorgt dafür, dass es zu keiner Unterversorgung des Brennstoffzellenstapels mit Luft kommt. Hierfür wird der Kompressor dynamisch betrieben. Bei einer derartigen Ausgestaltung wird die Versorgung des Kathodenraums mit Luft ausschließlich über die Ansteuerung des Kompressors geregelt.
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Dies bringt Nachteile mit sich im Hinblick auf die Dynamik beziehungsweise das Ansprechverhalten des Brennstoffzellenstapels. Des Weiteren ist es hierbei erforderlich, den von dem Kompressor geförderten Luftmassenstrom anzuheben, wenn Produktwasser aus dem Brennstoffzellenstapel ausgeblasen werden soll. Die hierfür zum Betreiben des Kompressors zur Verfügung zu stellende Leistung steht dann nicht mehr für andere Zwecke zur Verfügung. Darüber hinaus ist die maximale Leistung des Brennstoffzellenstapels durch die Auslegung beziehungsweise Baugröße des Kompressors begrenzt. Kurzfristige Leistungserhöhungen sind also dann nicht möglich, wenn der Kompressor bereits mit maximaler Leistung betrieben wird.
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Es ist eine bevorzugte Aufgabe der hier offenbarten Technologie, zumindest einen Nachteil von einer vorbekannten Lösung zu verringern oder zu beheben oder eine alternative Lösung vorzuschlagen. Es ist insbesondere eine bevorzugte Aufgabe der hier offenbarten Technologie ein Verfahren zu schaffen, mittels welchem verbessert situationsabhängig Oxidationsmittel in den Brennstoffzellenstapel eingebracht werden kann, und ein entsprechendes Brennstoffzellensystem bereitzustellen. Weitere bevorzugte Aufgaben können sich aus den vorteilhaften Effekten der hier offenbarten Technologie ergeben.
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Die Aufgabe(n) wird/werden gelöst durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche. Die abhängigen Ansprüche stellen bevorzugte Ausgestaltungen dar.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems wird ein Oxidationsmittel aus einem Oxidationsmittelspeicher in einen Brennstoffzellenstapel des Brennstoffzellensystems eingebracht. Mittels einer Überwachungseinrichtung des Brennstoffzellensystems wird wenigstens ein den Brennstoffzellenstapel betreffender Parameter überwacht. In Abhängigkeit von dem wenigstens einen Parameter wird das Einbringen des Oxidationsmittels aus dem Oxidationsmittelspeicher in den Brennstoffzellenstapel bewirkt. Es kann so auf verbesserte Weise situationsabhängig das Oxidationsmittel in den Brennstoffzellenstapel eingebracht werden, wodurch sich die Nachteile von vorbekannten Lösungen verringern oder beheben lassen. Denn durch das Überwachen des wenigstens einen den Brennstoffzellenstapel betreffenden Parameters kann in Abhängigkeit von dem Parameter reagiert werden, indem bedarfsgerecht Oxidationsmittel aus dem Oxidationsmittelspeicher in den Brennstoffzellenstapel eingebracht wird.
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Die hier offenbarte Technologie betrifft demnach ein Brennstoffzellensystem mit mindestens einer Brennstoffzelle. Das Brennstoffzellensystem ist beispielsweise für mobile Anwendungen wie Kraftfahrzeuge gedacht, insbesondere zur Bereitstellung der Energie für mindestens eine Antriebsmaschine zur Fortbewegung des Kraftfahrzeugs. In ihrer einfachsten Form ist eine Brennstoffzelle ein elektrochemischer Energiewandler, der Brennstoff und Oxidationsmittel in Reaktionsprodukte umwandelt und dabei Elektrizität und Wärme produziert. Die Brennstoffzelle umfasst eine Anode und eine Kathode, die durch einen ionenselektiven beziehungsweise ionenpermeablen Separator getrennt sind. Die Anode wird mit Brennstoff versorgt. Bevorzugte Brennstoffe sind: Wasserstoff, niedrigmolekularer Alkohol, Biokraftstoffe oder verflüssigtes Erdgas. Die Kathode wird mit Oxidationsmittel versorgt. Bevorzugte Oxidationsmittel sind beispielsweise Luft, Sauerstoff und/oder Peroxide. Der ionenselektive Separator kann beispielsweise als Protonenaustauschmembran (proton exchange membrane, PEM) oder Polymerelektrolytmembran ausgebildet sein. Bevorzugt kommt eine kationenselektive Polymerelektrolytmembran zum Einsatz. Materialien für eine solche Membran sind beispielsweise: Nafion®, Flemion® und Aciplex®.
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Ein Brennstoffzellensystem umfasst neben der mindestens einen Brennstoffzelle periphere Systemkomponenten (BOP-Komponenten), die beim Betrieb der mindestens einen Brennstoffzelle zum Einsatz kommen können. In der Regel sind mehrere Brennstoffzellen zu einem Brennstoffzellenstapel beziehungsweise Stack zusammengefasst.
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Das Brennstoffzellensystem umfasst ein Anodensubsystem, das von den brennstoffführenden Bauelementen des Brennstoffzellensystems ausgebildet wird. Ein Anodensubsystem kann mindestens einen Druckbehälter, mindestens ein Tankabsperrventil (=TAV), mindestens einen Druckminderer, mindestens eine zum Anodeneinlass führende Anodenzuleitung, einen Anodenraum im Brennstoffzellenstapel, mindestens eine vom Anodenauslass wegführende Anodenabgasleitung, mindestens einen Wasserabscheider (= AWS), mindestens ein Anodenspülventil (= APV), mindestens einen aktiven oder passiven Brennstoff-Rezirkulationsförderer (= ARE bzw ARB) und/oder mindestens eine Rezirkulationsleitung sowie weitere Elemente aufweisen. Hauptaufgabe des Anodensubsystems ist die Heranführung und Verteilung von Brennstoff an die elektrochemisch aktiven Flächen des Anodenraums und die Abfuhr von Anodenabgas.
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Das Brennstoffzellensystem umfasst ein Kathodensubsystem. Das Kathodensubsystem wird aus den oxidationsmittelführenden Bauelementen gebildet. Ein Kathodensubsystem kann mindestens einen Oxidationsmittelförderer, mindestens eine zum Kathodeneinlass führende Kathodenzuleitung, mindestens eine vom Kathodenauslass wegführende Kathodenabgasleitung, einen Kathodenraum im Brennstoffzellenstapel, sowie weitere Elemente aufweisen. Hauptaufgabe des Kathodensubsystems ist die Heranführung und Verteilung von Oxidationsmittel an die elektrochemisch aktiven Flächen des Kathodenraums und die Abfuhr von unverbrauchtem Oxidationsmittel.
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Das hier offenbarte System umfasst mindestens einen Oxidationsmittelförderer. Der Oxidationsmittelförderer ist eingerichtet, das an der elektrochemischen Reaktion beteiligte Oxidationsmittel zur mindestens einen Brennstoffzelle zu fördern. Der Oxidationsmittelförderer (auch Fluidfördereinrichtung genannt) kann beispielsweise als Kompressor beziehungsweise Verdichter ausgebildet sein, besonders bevorzugt als luftgelagerter Turbokompressor, Turboverdichter, beziehungsweise Kreiselverdichter. Bevorzugt weist der Oxidationsmittelförderer einen Arbeits-Drehzahlbereich von ca. 15.000 U/min bis ca. 170.000 U/min, und besonders bevorzugt von ca. 25.000 U/min bis ca. 130.000 U/min auf.
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Als der wenigstens eine Parameter wird vorzugsweise überwacht, mit welcher Geschwindigkeit eine Erhöhung einer von dem Brennstoffzellenstapel abzugebenden Leistung angefordert wird. Beim Überschreiten eines Schwellenwerts der Geschwindigkeit wird das Einbringen des Oxidationsmittels in den Brennstoffzellenstapel bewirkt. Auf diese Weise kann somit die Dynamik beziehungsweise das Ansprechverhalten des Brennstoffzellenstapels verbessert werden. Von dem Brennstoffzellenstapel kann so besonders rasch Leistung zur Verfügung gestellt werden.
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Dem liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels erst dann den gewünschten elektrischen Strom liefern, wenn beide Reaktionsmedien, nämlich dass Oxidationsmittel und das Reduktionsmittel, beispielsweise Wasserstoffgas und Luftsauerstoff, an den aktiven Flächen der Brennstoffzellen in ausreichender Menge vorhanden sind. Üblicherweise liegt das Reduktionsmittel, beispielsweise also der Wasserstoff, bereits in komprimierter Form in dem mindestens einen Druckbehälter beziehungsweise Tank vor. Demgegenüber wird das Oxidationsmittel wie etwa die Luft zunächst über den Oxidationsmittelförderer beziehungsweise eine solche Luftversorgungseinheit (insbesondere in Form des Verdichters oder Kompressors) gefördert und komprimiert.
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Die Dynamik und das Ansprechverhalten des Brennstoffzellenstapels, also das tatsächliche Bereitstellen einer angeforderten abzugebenden Leistung des Brennstoffzellenstapels, ist daher hauptsächlich von der Beaufschlagung des Kathodenraums mit dem Oxidationsmittel abhängig und somit von der Dynamik des Oxidationsmittelförderers. Soll jedoch auch der Oxidationsmittelförderer dazu in der Lage sein, eine hohe Anforderung an die Dynamik des Oxidationsmittelförderers zu erfüllen, so ist eine vergleichsweise hohe parasitäre Leistung des Oxidationsmittelförderers gegeben. Wird der Oxidationsmittelförderer hierfür mit von dem Brennstoffzellenstapel bereitgestellter elektrischer Energie versorgt, so steht von der elektrischen Energie, welche von dem Brennstoffzellenstapel bereitgestellt wird, ein geringerer Anteil für andere Zwecke zur Verfügung.
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Durch das Einbringen des Oxidationsmittels aus dem Oxidationsmittelspeicher kann nun vorliegend dafür gesorgt werden, dass mehr von einer solchen Netto-Leistung übrig bleibt. Durch das Bereitstellen des von dem Oxidationsmittelspeicher zusätzlich bereitgestellten Oxidationsmittelvolumens, insbesondere Luftvolumens, kann also die notwendige Leistungsaufnahme des Oxidationsmittelförderers reduziert beziehungsweise verhindert werden. Wird also eine rasche Erhöhung der von dem Brennstoffzellenstapel abzugebenden Leistung angefordert, so braucht hierfür nicht nur der Oxidationsmittelförderer Oxidationsmittel in den Brennstoffzellenstapel einzubringen. Vielmehr steht auch das Oxidationsmittel, welches von den Oxidationsmittelspeicher bereitgestellt wird, in dem Brennstoffzellenstapel für die elektrochemische Reaktion zur Verfügung.
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Als weiter vorteilhaft hat es sich gezeigt, wenn als der wenigstens eine Parameter überwacht wird, welche von dem Brennstoffzellenstapel abzugebende Leistung angefordert wird. Beim Überschreiten eines Schwellenwerts der angeforderten Leistung wird das Einbringen des Oxidationsmittels in den Brennstoffzellenstapel bewirkt. Mit anderen Worten kann durch das zusätzliche Einbringen des Oxidationsmittels aus dem Oxidationsmittelspeicher in den Brennstoffzellenstapel eine temporäre Leistungserhöhung des Brennstoffzellenstapels erreicht werden. Es sind also kurzfristige Leistungserhöhungen auch dann möglich, wenn der Oxidationsmittelförderer bereits dauerhaft mit maximaler Leistung betrieben wird.
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Es kann also durch einen kurzzeitigen Boost die von dem Brennstoffzellenstapel abgegebene Leistung erhöht werden. Mit anderen Worten lässt sich die Maximalleistung des Brennstoffzellenstapels erhöhen, ohne dass hierfür die Leistung des Oxidationsmittelförderers erhöht zu werden braucht.
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Dies ist insbesondere bei der Verwendung des Brennstoffzellensystems in einem Kraftfahrzeug von Vorteil, etwa wenn das Kraftfahrzeug rasch beschleunigt werden soll. Ist hingegen lediglich der Oxidationsmittelförderer vorhanden, so ist das Einbringen von Oxidationsmittel in den Brennstoffzellenstapel nur durch Betrieb des Oxidationsmittelförderers möglich. Wenn der Oxidationsmittelförderer jedoch zusätzliche Leistung aufnehmen soll, um mehr Oxidationsmittel pro Zeiteinheit in den Brennstoffzellenstapel zu fördern, so wirkt sich dies wiederum negativ auf die Energiebilanz des Brennstoffzellensystems aus. Dies wird vorliegend jedoch dann vermieden, wenn beim Überschreiten des Schwellenwerts der angeforderten Leistung das Oxidationsmittel aus dem Oxidationsmittelspeicher in den Brennstoffzellenstapel eingebracht wird.
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Vorzugsweise wird als der wenigstens eine Parameter überwacht, welche jeweilige Spannung von Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels bereitgestellt wird. Beim Unterschreiten eines Schwellenwerts der Spannung wird das Einbringen des Oxidationsmittels in den Brennstoffzellenstapel bewirkt. Dem liegt die Erkenntnis zugrunde, dass es durch eine regionale Ansammlung von Produktwasser dazu kommen kann, dass die Reaktionsmedien in Form des Reduktionsmittels und des Oxidationsmittels nicht mehr an die aktiven Oberflächen aller Brennstoffzellen gelangen. Wenigstens eine Brennstoffzelle kann also mit Wasser geflutet sein. Diese Brennstoffzelle liefert dann keine Spannung mehr oder eine geringere Spannung. Da jedoch die Brennstoffzellen in dem Brennstoffzellenstapel elektrisch in Reihe geschaltet sind, wird auch die geflutete Brennstoffzelle, welche insbesondere keine Spannung mehr liefert, weiterhin von elektrischem Strom durchströmt. Dies kann für die betroffene Brennstoffzelle beziehungsweise für die betroffenen Brennstoffzellen schädlich sein.
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Dies gilt insbesondere dann, wenn etwa durch eine Flutung der Anode der betroffenen Brennstoffzelle die Brennstoffzelle mit dem Reduktionsmittel, insbesondere mit dem Wasserstoff, unterversorgt ist. Dann kann nämlich die betroffene Brennstoffzelle negativ werden, es also zu einer Umpolung der Zellspannung kommen. In der Folge kann bei einer dann stattfinden Elektrolyse von Wasser an der Anode Sauerstoff gebildet werden. Dieser Sauerstoff kann mit an der Anode vorliegendem Kohlenstoff zu Kohlendioxid reagieren. Dies führt zu einer lokalen Elektrodenalterung.
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Ein derartiges Abnehmen der Spannung wenigstens einer Brennstoffzelle des Brennstoffzellenstapels oder gar eine Umpolung der Brennstoffzelle kann insbesondere bei niedrigen Lasten auftreten, also wenn der Brennstoffzellenstapel eine vergleichsweie geringe Leistung abgibt. Denn dann sind auch nur geringe Massenströme des Oxidationsmittels, insbesondere Luftmassenströme, vorhanden. Um das Abnehmen der Zellspannung zu verhindern und insbesondere die Umpolung der Brennstoffzelle zu verhindern, kann zwar der von dem Oxidationsmittelförderer bereitgestellte Oxidationsmittelstrom stark angehoben werden, um das Produktwasser auszublasen. Es ist dann jedoch eine große parasitäre Leistung erforderlich, um den Oxidationsmittelförderer entsprechend zu beschleunigen.
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Vorliegend kann jedoch das in dem Oxidationsmittelspeicher gespeicherte Oxidationsmittel für ein solches Ausblasen von Produktwasser aus den Brennstoffzellen genutzt werden. Durch das von dem Betrieb des Oxidationsmittelförderers unabhängige Ausblasen von Produktwasser aus dem Brennstoffzellenstapel kann auf besonders einfache Weise die Stabilität der von den Brennstoffzellen gelieferten Spannungen erhöht werden. Des Weiteren kann auf sonstige Maßnahmen wie etwa die Erhöhung einer Drehzahl des Oxidationsmittelförderers beziehungsweise Kompressors zur Erhöhung der geförderten Oxidationsmittelmenge beziehungsweise Luftmenge verzichtet werden. Insbesondere kann ein Notlaufbetrieb des Brennstoffzellenstapels vermieden werden, welcher bei zu geringen Spannungen wenigstens einer der Brennstoffzellen eingeleitet werden kann. Auch kann vermieden werden, dass es gar zu einer Abschaltung des Brennstoffzellenstapels kommt, um eine Schädigung der Brennstoffzellen vermeiden. Die Verfügbarkeit von besonders hohen Leistungen des Brennstoffzellenstapels wird somit erhöht.
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Das Regenerieren der Brennstoffzellen durch das Ausblasen von Produktwasser aus den Brennstoffzellen führt also insbesondere zur Vermeidung von negativen Effekten aufgrund einer Umpolung einer oder mehrerer Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels.
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Vorzugsweise wird als der wenigstens eine Parameter überwacht, welche Konzentration an Wasserstoff in einer Abgasleitung des Brennstoffzellenstapels vorhanden ist. Beim Überschreiten eines Schwellenwerts der Konzentration an Wasserstoff wird das Einbringen des Oxidationsmittels in den Brennstoffzellestapel bewirkt. Dem liegt die Erkenntnis zugrunde, dass es bei einer Konzentration von mehr als 4 Prozent Wasserstoff im Abgas der Katode des Brennstoffzellenstapels zur Ausbildung eines zündfähigen Gemisches kommen kann. Wird jedoch beim Feststellen eines Ansteigens der Konzentration des Wasserstoffs mehr Oxidationsmittel in den Brennstoffzellenstapel eingebracht, nämlich das Oxidationsmittel aus dem Oxidationsmittelspeicher, so wird der Wasserstoff im Abgas des Brennstoffzellenstapels verdünnt. So kann besonders einfach sichergestellt werden, dass sich in der Abgasleitung kein Gemisch mit einer unerwünscht hohen Konzentration an Wasserstoff bildet.
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Zudem wird durch das Einbringen von zusätzlichem Oxidationsmittel in den Brennstoffzellenstapel und damit Überführen dieses Oxidationsmittels in die Abgasleitung ein besonders rasches Ausblasen des Wasserstoffs in die Umgebung bewirkt. Auch dies ist dem sicheren Unterschreiten der unerwünscht hohen Konzentration an Wasserstoff in der Abgasleitung zuträglich.
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Vorzugsweise wird zum Befüllen des Oxidationsmittelspeichers mit dem Oxidationsmittel ein Verdichter verwendet, welcher von einem Oxidationsmittelförderer des Brennstoffzellensystems verschieden ist. Mittels des Oxidationsmittelförderers ist weiteres Oxidationsmittel über eine Kathodenzuleitung in den Brennstoffzellenstapel einbringbar. Dadurch ist das Befüllen des Oxidationsmittelspeichers vom Betrieb des Oxidationsmittelförderers unabhängig. Es kann also auch ohne einen aktiven Betrieb des Oxidationsmittelförderers eine Spülung, insbesondere Luftspülung, des Brennstoffzellenstapels durchgeführt werden. Dies macht den Betrieb des Brennstoffzellensystems besonders aufwandsarm. Der Betrieb des Oxidationsmittelspeichers ist jedoch sowohl dann möglich, wenn der Oxidationsmittelförderer betrieben wird und somit aktiv ist, als auch unabhängig von dem Betreiben des Oxidationsmittelförderers.
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Vorzugweise wird der Verdichter, welcher dem Befüllen des Oxidationsmittelspeichers mit dem Oxidationsmittel dient, elektrisch angetrieben. Dann lässt sich der Oxidationsmittelspeicher jederzeit wie gewünscht befüllen, sofern die hierfür erforderliche elektrische Energie zur Verfügung steht. Insbesondere kann der Verdichter für eine Versorgung mit einer Spannung von 12 Volt ausgelegt sein und eine besonders geringe Leistung von beispielsweise 50 Watt bis 100 Watt aufweisen. Ein derartiger Verdichter lässt sich besonders sparsam betreiben.
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Einem sparsamen Betrieb des Verdichters ist es des Weiteren zuträglich, wenn der Verdichter den Oxidationsmittelspeicher innerhalb einer Zeitspanne befüllt, welche länger ist als die Zeitspanne, innerhalb welcher das Oxidationsmittel aus dem Oxidationsmittelspeicher in den Brennstoffzellenstapel eingebracht wird. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass die zum Befüllen des Oxidationsmittelspeichers erforderliche Zeitspanne 10 Sekunden bis 30 Sekunden beträgt. Demgegenüber kann das Leeren des Oxidationsmittelspeichers (und dementsprechend das Einbringen des in dem Oxidationsmittelspeicher gespeicherten Oxidationsmittels in den Brennstoffzellenstapel) innerhalb weniger Sekunden, beispielsweise innerhalb von etwa 2 Sekunden bis etwa 4 Sekunden, insbesondere innerhalb von etwa 3 Sekunden erfolgen. Die Zeitspanne zum Befüllen des Oxidationsmittelspeichers kann also insbesondere um ein mehrfaches länger sein als die Zeitspanne zum Leeren des Oxidationsmittelspeichers.
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Vorzugsweise wird das Oxidationsmittel in dem Oxidationsmittelspeicher mit einem Druck gespeichert, welcher im Wesentlichen einem zulässigen Betriebsdruck des Brennstoffzellenstapels entspricht. Dadurch kann einerseits sichergestellt werden, dass das Oxidationsmittel aus dem Oxidationsmittelspeicher dem Brennstoffzellenstapel besonders rasch zur Verfügung steht. Andererseits kann so ein besonders prozesssicherer Betrieb des Brennstoffzellenstapels sichergestellt werden. In dem Oxidationsmittelspeicher kann dementsprechend das Oxidationsmittel mit einem Druck von etwa 2, 5 bar bis etwa 3 bar gespeichert sein.
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Vorzugsweise wird bei einem Leeren des Oxidationsmittelspeichers ein Volumen des Oxidationsmittels in einen Kathodenraum des Brennstoffzellenstapels eingebracht, welches im Wesentlichen dem Volumen des Kathodenraums entspricht. Auf diese Weise wird erreicht, dass durch das Einbringen des Oxidationsmittels aus dem Oxidationsmittelspeicher in den Kathodenraum sämtliche Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels auch tatsächlich mit dem Oxidationsmittel beaufschlagt werden. Dies ist insbesondere im Hinblick auf die Verbesserung des Ansprechverhaltens des Brennstoffzellenstapels, die Regeneration der Brennstoffzellen durch Ausblasen von Produktwasser und im Hinblick auf die temporäre Leistungserhöhung von Vorteil. Dementsprechend kann in dem Oxidationsmittelspeicher ein Volumen des Oxidationsmittels von etwa 3 Litern bis 5 Litern gespeichert werden.
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Das Oxidationsmittel kann in die Kathodenzuleitung eingebracht werden, und zwar bevorzugt stromabwärts eines in der Kathodenzuleitung angeordneten Drei-Wege-Ventils. Aus der Kathodenzuleitung kann das Oxidationsmittel über einen Kathodeneinlass in den Brennstoffzellenstapel gelangen. Bei einem derartigen, separaten und dem Brennstoffzellenstapel vorgeschalteten Oxidationsmittelspeicher ist vorteilhaft, dass auch ein bestehendes Brennstoffzellensystem leicht nachgerüstet werden kann. Des Weiteren lässt sich so der Oxidationsmittelspeicher unabhängig von dem Brennstoffzellenstapel unterbringen. Durch das Drei-Wege-Ventil kann sichergestellt werden, dass beim Öffnen des Oxidationsmittelspeichers das gespeicherte Oxidationsmittel in den Kathodenraum des Brennstoffzellenstapels gelangt und nicht in eine an das Drei-Wege-Ventil angeschlossene Bypassleitung.
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Zusätzlich oder alternativ kann das Oxidationsmittel stromabwärts eines Kathodeneinlasses, an welchem eine Kathodenzuleitung an den Brennstoffzellenstapel angeschlossen ist, in den Brennstoffzellenstapel eingebracht werden. Bei dieser Ausgestaltung ist der Oxidationsmittelspeicher somit in den Brennstoffzellenstapel integriert. Dadurch ergibt sich eine besonders kompakte Anordnung, und es kann auf zusätzliche Leitungen verzichtet werden. Auch bei dieser Ausgestaltung ist bevorzugt in der Kathodenzuleitung ein Drei-Wege-Ventil angeordnet. Dadurch kann sichergestellt werden, dass das Oxidationsmittel aus dem Oxidationsmittelspeicher tatsächlich in den Kathodenraum des Brennstoffzellenstapels gelangt.
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Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem, welches insbesondere in einem Kraftfahrzeug zum Einsatz kommen kann, umfasst wenigstens einen Oxidationsmittelspeicher. Mittels des Oxidationsmittelspeichers ist ein Oxidationsmittel in einen Brennstoffzellenstapel des Brennstoffzellensystems einbringbar. Das Brennstoffzellensystem weist eine Überwachungseinrichtung auf, welche dazu ausgebildet ist, wenigstens einen den Brennstoffzellenstapel betreffenden Parameter zu überwachen. Die Überwachungseinrichtung ist darüber hinaus dazu ausgebildet, in Abhängigkeit von dem Parameter das Einbringen des Oxidationsmittels aus dem wenigstens einen Oxidationsmittelspeicher in den Brennstoffzellenstapel zu bewirken. Mittels eines solchen Brennstoffzellensystems lässt sich das Oxidationsmittel verbessert situationsabhängig und bedarfsgerecht in den Brennstoffzellenstapel einbringen.
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Die für das Verfahren beschriebenen Vorteile und bevorzugten Ausführungsformen gelten auch für das Brennstoffzellensystem und umgekehrt.
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Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, den Figuren und der Figurenbeschreibung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar.
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Die Erfindung wird nun anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
- 1 schematisch Komponenten eines Brennstoffzellensystems, bei welchem ein Druckspeicher an eine Kathodenzuleitung angeschlossen ist;
- 2 schematisch eine Variante des Brennstoffzellensystems, bei welchem der Druckspeicher in einen Brennstoffzellenstapel des Brennstoffzellensystems integriert ist.
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Von einem Brennstoffzellensystem 1, wie es beispielsweise in einem Kraftfahrzeug zum Einsatz kommen kann, ist in 1 schematisch ein Brennstoffzellenstapel 2 gezeigt. Einem Kathodenraum 3 des Brennstoffzellenstapels 2 wird im Betrieb des Brennstoffzellenstapels 2 ein Oxidationsmittel wie beispielsweise Luft zugeführt. Hierfür ist in einer Kathodenzuleitung 4 ein beispielsweise als Kompressor 5 ausgebildeter Oxidationsmittelförderer angeordnet. Die von dem Kompressor 5 zu komprimierende Zuluft ist in 1 durch einen Pfeil 6 veranschaulicht. Zum Antreiben des Kompressors 5 ist vorliegend ein Motor 7 vorgesehen, welcher insbesondere als Elektromotor ausgebildet ist. Des Weiteren kann der Kompressor 5 über eine (nicht gezeigte) Welle mit einer (ebenfalls nicht gezeigten) Turbine verbunden sein, welche in einer Abgasleitung 8 angeordnet ist. Einem Anodenraum 9 des Brennstoffzellenstapels 2 wird in vorliegend nicht näher gezeigter Art und Weise ein Reduktionsmittel etwa in Form von Wasserstoff zugeführt, sodass in dem Brennstoffzellenstapel 2 beispielhaft eine elektrochemische Brennstoffzellenreaktion von Wasserstoff und Sauerstoff stattfinden kann.
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Vorliegend umfasst das Brennstoffzellensystem 1 einen Oxidationsmittelspeicher 10 welcher als Druckspeicher ausgebildet ist. In dem Oxidationsmittelspeicher 10 kann insbesondere ein definiertes Volumen Luft mit einem spezifizierten Druck gespeichert werden. Diese unter Druck stehende Luft kann bei Bedarf als das Oxidationsmittel in den Brennstoffzellenstapel 2 eingebracht werden.
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Hierfür ist bei der Variante des Brennstoffzellensystems 1 gemäß 1 der Oxidationsmittelspeicher 10 über eine Leitung 11 mit der Kathodenzuleitung 4 verbunden. In der Leitung 11 ist bevorzugt ein Rückschlagventil 12 angeordnet. Durch das in dem Oxidationsmittelspeicher 10 gespeicherte Volumen steht ohne Dynamikverluste sofort eine begrenzte Menge an Oxidationsmittel, insbesondere eine begrenzte Menge an Luft, zur Verfügung, welche den spezifizierten Druck aufweist. Beispielsweise kann die Luft in dem Oxidationsmittelspeicher 10 unter einem Druck gespeichert sein, welcher dem maximal zulässigen Betriebsdruck des Brennstoffzellenstapels 2 entspricht. In Form des Oxidationsmittelspeichers 10 oder Druckspeichers ist somit ein Tank für Kathodenluft, also für dem Kathodenraum 3 des Brennstoffzellenstapels 2 zuführbare Luft realisiert.
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Um festzustellen, wann beziehungsweise unter welchen Voraussetzungen der Oxidationsmittelspeicher 10 das in diesem gespeichert Oxidationsmittel, also etwa die Luft, in den Brennstoffzellenstapel 2 einbringen soll, weist das Brennstoffzellensystem 1 vorliegend eine Überwachungseinrichtung 13 auf. Mittels der Überwachungseinrichtung 13 kann bewirkt werden, dass das Oxidationsmittel beziehungsweise die Druckluft aus dem Oxidationsmittelspeicher 10 in den Brennstoffzellenstapel 2 eingebracht wird. Die Überwachungseinrichtung 13 überwacht hierfür den Brennstoffzellenstapel 2 betreffende Parameter.
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Beispielsweise kann die Überwachungseinrichtung 13 feststellen, dass ein rasches Ansprechen des Brennstoffzellenstapels 2 erforderlich ist, etwa weil sehr rasch eine vergleichsweise hohe von dem Brennstoffzellenstapel 2 abzugebende Leistung angefordert wird. In dieser Situation verbessert der Oxidationsmittelspeicher 10 oder Druckspeicher also die Dynamik und das Ansprechverhalten des Brennstoffzellestapels 2. Es braucht nämlich nicht alleine der Kompressor 5 dafür zu sorgen, dass rasch viel Oxidationsmittel beziehungsweise Luft in den Kathodenraum 3 des Brennstoffzellenstapels 2 gelangt. Vielmehr kann der Oxidationsmittelspeicher 10 ohne Dynamikverlust sofort die in diesem gespeicherte Menge an Oxidationsmittel in den Brennstoffzellenstapel 2 einbringen.
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Als weiteren Parameter kann die Überwachungseinrichtung 13 überwachen, ob eine Regeneration der Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels 2 erforderlich ist. Hierfür kann die von den Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels 2 jeweils bereitgestellte Spannung überwacht werden. Sinkt diese Spannung oder liefert wenigstens eine der Brennstoffzellen gar keine Spannung mehr, so kann dies durch eine, insbesondere regionale, Ansammlung von Produktwasser in dem Brennstoffzellenstapel 2 bedingt sein. In einem solchen Fall sorgt der Oxidationsmittelspeicher 10 beziehungsweise Druckspeicher für eine Regeneration der Brennstoffzellen durch Ausblasen von Produktwasser aus den Brennstoffzellen. Negative Effekte aufgrund einer Umpolung der von Produktwasser gefluteten Brennstoffzellen lassen sich so vermeiden.
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Des Weiteren überwacht die Überwachungseinrichtung 13 bevorzugt als den wenigstens einen Parameter, eine wie große von dem Brennstoffzellenstapel 2 abzugebende Leistung angefordert wird. Wenn also der Brennstoffzellenstapel 2 kurzfristig eine besonders hohe Leistung bereitstellen soll, so kann dies durch Einbringen des in dem Oxidationsmittelspeicher 10 gespeicherten Oxidationsmittels in den Kathodenraum 3 des Brennstoffzellenstapels 2 bewirkt werden. Der Druckspeicher beziehungsweise Oxidationsmittelspeicher 10 dient in diesem Fall einer temporären Leistungserhöhung des Brennstoffzellenstapels 2 durch einen zusätzlichen Boost, insbesondere Luft-Boost.
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Des Weiteren kann als Parameter von der Überwachungseinrichtung 13 überwacht werden, welche Konzentration an Wasserstoff in der Abgasleitung 8 des Brennstoffzellenstapels 2 vorhanden ist. Hierfür kann die Überwachungseinrichtung 13 mit einem in der Abgasleitung 8 angeordneten Wasserstoffsensor 14 gekoppelt sein, welcher lediglich schematisch in 1 gezeigt ist. Wird also beispielsweise festgestellt, dass die Konzentration an Wasserstoff in dem Abgas des Brennstoffzellenstapels 2 einen Schwellenwert überschreitet, so kann durch das Einbringen von Luft in den Brennstoffzellenstapel 2 eine Verdünnung des Wasserstoffs in der Abgasleitung 8 und somit in dem Abgas erreicht werden. Des Weiteren wird so auch ein besonders schnelles Ausblasen von Wasserstoff in die Umgebung erreicht.
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Aus 1 ist ersichtlich, dass in der Kathodenzuleitung 4 eine Drei-Wege-Ventil 15 angeordnet sein kann. Von dem Drei-Wege-Ventil 15 zweigt eine Bypassleitung 16 ab, welche unter Umgehung des Kathodenraums 3 mit der Abgasleitung 8 gekoppelt ist. Durch entsprechendes Schalten des Drei-Wege-Ventils 15 kann sichergestellt werden, dass beim Beaufschlagen des Brennstoffzellenstapels 2 mit der in dem Oxidationsmittelspeicher 10 gespeicherten Luft diese tatsächlich in den Kathodenraum 3 gelangt und nicht über die Bypassleitung 16 direkt in die Abgasleitung 8. Der im Brennstoffzellenstapel 2 vorliegende Zieldruck kann also durch entsprechendes Schalten des Drei-Wege-Ventils 15 und mittels eines Gegendruckventils 17 eingestellt werden, welches stromabwärts des Kathodenraums 3 in der Abgasleitung 8 angeordnet ist.
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Der Oxidationsmittelspeicher 10 kann bevorzugt unabhängig genutzt werden, ob der Brennstoffzellenstapel 2 über den Kompressor 5 mit Zuluft beaufschlagt wird. Damit das Befüllen des Oxidationsmittelspeichers 10 mit dem Oxidationsmittel von dem Restsystem, insbesondere von dem Kompressor 5, unabhängig ist, ist bevorzugt ein Verdichter 18 vorgesehen, welcher dem Befüllen des Oxidationsmittelspeichers 10 mit Luft beziehungsweise dem Oxidationsmittel dient und vorliegend als elektrischer Verdichter ausgebildet ist.
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Für den Verdichter 18 ist jedoch eine relativ geringe Leistung und auch eine geringe Anforderung an die Dynamik ausreichend. Insbesondere kann der Verdichter 18 an ein 12-Volt-Bordnetz angeschlossen sein. Beispielsweise kann der Verdichter 18 zudem bei einer Leistungsaufnahme von etwa 50 Watt bis etwa 100 Watt ein Befüllen des Oxidationsmittelspeichers 10 innerhalb einer Zeitspanne von etwa 10 Sekunden bis etwa 30 Sekunden bewirken. Demgegenüber erfolgt das Leeren des Oxidationsmittelspeichers 10 und dementsprechend das Einbringen des gespeicherten Oxidationsmittels in den Brennstoffzellenstapels 2 innerhalb einer sehr kurzen Zeitspanne, etwa innerhalb einer Zeitspanne von beispielsweise 3 Sekunden.
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Die in 2 gezeigte Variante des Brennstoffzellensystems 1 entspricht sehr weit gehend die in 1 gezeigten Variante des Brennstoffzellensystems 1. Jedoch ist bei der in 2 gezeigten Variante kein separater, dem Brennstoffzellenstapel 2 vorgeschalteter Druckspeicher beziehungsweise Oxidationsmittelspeicher 10 vorgesehen. Vielmehr ist der Druckspeicher beziehungsweise Oxidationsmittelspeicher 10 in ein Gehäuse 19 des Brennstoffzellenstapels 2 integriert. So ergibt sich eine besonders kompakte Anordnung, und der Brennstoffzellenstapel 2 mit dem Oxidationsmittelspeicher 10 ist besonders gut unterzubringen, insbesondere in dem Kraftfahrzeug. Bei der in 2 gezeigten Variante wird somit das in dem Oxidationsmittelspeicher 10 gespeicherte Oxidationsmittel stromabwärts eines Kathodeneinlasses 20 in den Kathodenraum 3 des Brennstoffzellenstapels 2 eingebracht. An dem Kathodeneinlass 20 ist die Kathodenzuleitung 4 an den Brennstoffzellenstapel 2 angeschlossen.
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Die vorhergehende Beschreibung der vorliegenden Erfindung dient nur zu illustrativen Zwecken und nicht zum Zwecke der Beschränkung der Erfindung. Im Rahmen der Erfindung sind verschiedene Änderungen und Modifikationen möglich, ohne den Umfang der Erfindung sowie ihrer Äquivalente zu verlassen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Brennstoffzellensystem
- 2
- Brennstoffzellenstapel
- 3
- Kathodenraum
- 4
- Kathodenzuleitung
- 5
- Kompressor
- 6
- Pfeil
- 7
- Motor
- 8
- Abgasleitung
- 9
- Anodenraum
- 10
- Oxidationsmittelspeicher
- 11
- Leitung
- 12
- Rückschlagventil
- 13
- Überwachungseinrichtung
- 14
- Wasserstoffsensor
- 15
- Drei-Wege-Ventil
- 16
- Bypassleitung
- 17
- Gegendruckventil
- 18
- Verdichter
- 19
- Gehäuse
- 20
- Kathodeneinlass
