DE102017219139A1

DE102017219139A1 - Verfahren zum Druckentlasten eines Brennstoffzellensystems sowie Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102017219139A1
Application number: DE102017219139.2A
Authority: DE
Inventors: Adrian Friedrich; Andreas Pelger; Benjamin Riedl; Stefan Schott; Klaus SZOUCSEK; Daniel Witzel
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2017-10-25
Filing date: 2017-10-25
Publication date: 2019-04-25

Abstract

Die hier offenbarte Technologie betrifft ein Verfahren zum Druckentlasten eines Brennstoffzellensystems von einem Kraftfahrzeug. Das Verfahren umfasst die Schritte: i) Unterbrechen der Brennstoffversorgung zwischen allen Brennstoffspeichern H2 und einem Brennstoffzellenstapel 300 des Brennstoffzellensystems; und ii)) Bereitstellen von elektrischer Energie durch den Brennstoffzellenstapel 300, nachdem die Brennstoffversorgung unterbrochen wurde.

Description

Die hier offenbarte Technologie betrifft ein Verfahren zum Druckentlasten eines Brennstoffzellensystems. Ferner betrifft die hier offenbarte Technologie ein Kraftfahrzeug mit einem solchen Brennstoffzellensystem. Für Servicefunktionen (Austausch von Komponenten, Reparatur, Wartung) oder bestimmte Transportbedingungen sollten die Druckbehältersysteme und Brennstoffzellensysteme drucklos sein. Oft kann es ausreichend sein, lediglich den Bereich nach dem Hauptabsperrventil des Druckbehälters zu entlasten, beispielsweise indem der Druck in der Vorlaufleitung vom Anodensubsystem gesenkt wird. Auch hierfür wird gemäß dem vorbekannten Stand der Technik das Anodensubsystem über einen Service-Port entlastet. Hierzu wird vom Bediener eine Entlastungseinrichtung an den fahrzeugseitigen Service-Port angeschlossen. Die Entlastungseinrichtung ist in der Regel mit einem Abblasekamin verbunden. Der Service-Port verursacht zusätzliche Herstellkosten und verschlechtert Gewicht und Bauraumbedarf des Gesamtsystems. Ferner muss der Service-Port von außen zugänglich vorgesehen sein. Da das Anbringen händisch erfolgt, benötigt das Anbringen der Entlastungseinrichtung zusätzliche Arbeitszeit und stellt eine potentielle Fehlerquelle dar.
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, den Vorgang der Druckentlastung einfacher, zeitsparender und/oder kostengünstiger zu gestalten; und/oder ein Brennstoffzellensystem vorzuschlagen, welches sicher druckentlastbar ist und geringere Herstellkosten, geringeres Gewicht und/oder einen geringeren Bauraumbedarf aufweist. Weitere bevorzugte Aufgaben können sich aus den vorteilhaften Effekten der hier offenbarten Technologie ergeben. Die Aufgabe(n) wird/werden gelöst durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche. Die abhängigen Ansprüche stellen bevorzugte Ausgestaltungen dar.
Die hier offenbarte Technologie betrifft ein Kraftfahrzeug mit mindestens einem Brennstoffzellensystem. Das Brennstoffzellensystem umfasst mindestens eine Brennstoffzelle. Das Brennstoffzellensystem ist beispielsweise für mobile Anwendungen wie Kraftfahrzeuge (z.B. Personenkraftwagen, Krafträder, Nutzfahrzeuge) gedacht, insbesondere zur Bereitstellung der Energie für mindestens eine Antriebsmaschine zur Fortbewegung des Kraftfahrzeugs. Die Brennstoffzelle umfasst eine Anode und eine Kathode, die durch einen ionenselektiven bzw. 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 bspw. Luft, Sauerstoff und Peroxide. Der ionenselektive Separator kann bspw. als Protonenaustauschmembran (proton exchange membrane, PEM) ausgebildet sein. Bevorzugt kommt eine kationenselektive Polymerelektrolytmembran zum Einsatz. Materialien für eine solche Membran sind beispielsweise: Nafion®, Flemion® und Aciplex®.
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 bzw. Stack zusammengefasst.
Das Brennstoffzellensystem umfasst ein Anodensubsystem, das von den brennstoffführenden Bauelementen des Brennstoffzellensystems ausgebildet wird. Ein Anodensubsystem kann mindestens einen Brennstoffspeicher, mindestens ein Tankabsperrventil, mindestens einen Druckminderer, mindestens einen zum Anodeneinlass des Brennstoffzellenstapels führenden Anodenzuströmungspfad, einen Anodenraum im Brennstoffzellenstapel, mindestens einen vom Anodenauslass des Brennstoffzellenstapels wegführenden Rezirkulationsströmungspfad, mindestens einen Wasserabscheider, mindestens ein Anodenspülventil, mindestens einen aktiven oder passiven Brennstoff-Rezirkulationsförderer 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.
Das Brennstoffzellensystem umfasst ein Kathodensubsystem. Das Kathodensubsystem wird aus den oxidationsmittelführenden Bauelementen gebildet. Ein Kathodensubsystem kann mindestens einen Oxidationsmittelförderer, mindestens einen zum Kathodeneinlass führenden Kathoden-Zuströmungspfad, mindestens eine vom Kathodenauslass wegführende Kathodenabgaspfad, 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.
Der Druckspeicher kann ein Druckbehälter sein, insbesondere einem composite overwrapped pressure vessel (=COPV). Der Druckbehälter kann beispielsweise ein kryogener Druckbehälter (= CcH2 oder COP) oder ein Hochdruckgasbehälter (= CGH2) sein. Hochdruckgasbehälter und kryogene Druckbehälter sind zweckmäßig ausgebildet, Brennstoff dauerhaft bei einem nominalen Betriebsdruck (auch nominal working pressure oder NWP genannt) von ca. 350 barü (= Überdruck gegenüber dem Atmosphärendruck), ferner bevorzugt von ca. 700 barü oder mehr zu speichern.
Das hier offenbarte System umfasst zweckmäßig ferner mindestens ein Steuergerät. Das Steuergerät ist u.a. eingerichtet, die hier offenbarten Verfahren bzw. Verfahrensschritte durchzuführen. Hierzu kann das Steuergerät basierend auf bereitgestellten Signalen die Aktuatoren des Systems zumindest teilweise und bevorzugt vollständig regeln (engl. closed loop control) oder steuern (engl. open loop control). Das Steuergerät kann zumindest das Brennstoffzellensystem beeinflussen. Alternativ oder zusätzlich kann das Steuergerät auch in einem anderen Steuergerät mit integriert sein, z.B. in einem übergeordneten Steuergerät. Das Steuergerät kann mit weiteren Steuergeräten des Kraftfahrzeuges interagieren.
Ein durch ein Brennstoffzellensystem betriebenes Kraftfahrzeug umfasst in der Regel mindestens eine elektrische Energiespeichereinrichtung und mindestens eine elektrische Antriebsmaschine. Die elektrische Energiespeichereinrichtung ist eine Einrichtung zur Speicherung von elektrischer Energie, um den mindestens einen elektrischen Antriebsmotor anzutreiben. Die Energiespeichereinrichtung umfasst mindestens einer elektrochemischen Energiespeicherzelle. Beispielsweise kann die Energiespeichereinrichtung ein Hochvoltspeicher sein. Zweckmäßig kann die Energiespeichereinrichtung als Batterie, insbesondere als Hochvolt-Batterie ausgebildet sein. Alternativ oder zusätzlich können auch Superkondensatoren (engl. Supercapacitors, kurz Supercaps oder SC) als Energiespeichereinrichtung dienen. Solche Energiespeichereinrichtungen sind i.d.R. in ein Bordnetz eingebunden, welches bei einer höheren Spannungslage betrieben wird wie das Brennstoffzellensystem, z.B. mindestens 200 Volt, mindestens 400 Volt oder mindestens 600 Volt. In einer Ausgestaltung kann die Energiespeichereinrichtung ein Gehäuse umfassen, welches aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung hergestellt sein kann. Die mindestens eine elektrische Antriebsmaschine kann ein Elektromotor sein, der unmittelbar zum Vortrieb des Kraftfahrzeuges beiträgt. Bevorzugt ist die Antriebsmaschine ein Motor-Generator, der durch Rekuperation elektrische Energie zur Energiespeichereinrichtung rückspeisen kann. Ebenso kann das hier offenbarte Kraftfahrzeug mehrere solcher Antriebsmaschinen umfassen.
Die hier offenbarte Technologie betrifft ferner ein Verfahren zum Druckentlasten eines Brennstoffzellensystems von einem Kraftfahrzeug, insbesondere des hier offenbarten Kraftfahrzeugs. Das Verfahren umfasst die Schritte:

- Unterbrechen der Brennstoffversorgung zwischen allen Brennstoffspeichern und dem Brennstoffzellenstapel des Brennstoffzellensystems; und
- Bereitstellen von elektrischer Energie durch den Brennstoffzellenstapel an das Kraftfahrzeug durch die elektrochemische Reaktion im Brennstoffzellenstapel, nachdem die Brennstoffversorgung unterbrochen wurde.

Bevorzugt unterbricht mindestens ein Tankabsperrventil den AnodenZuströmungspfad zwischen den Druckbehältern und der Anode des Brennstoffzellenstapels. Solche Tankabsperrventile sind in der Regel stromlos geschlossene Ventile, die direkt am Druckbehälter montiert sind.
Das Bereitstellen von elektrischer Energie durch das Brennstoffzellensystem an das Kraftfahrzeug erfolgt in der Regel dadurch, dass das Brennstoffzellensystem (z.B. über entsprechende Stromabnehmer und gegebenenfalls etwaigen Spannungswandlern) die durch die elektrochemischen Reaktionen im Brennstoffzellenstapel erlangte elektrische Energie in das Bordnetz des Kraftfahrzeugs einspeist. Die eingespeiste Energie wird durch die elektrischen Verbraucher (i.d.R. elektrische Antriebsmaschine und etwaige Nebenverbraucher) des Bordnetzes in andere Energieformen umgewandelt oder in der elektrischen Energiespeichereinrichtung gespeichert.
Die hier offenbarte Technologie kann den Schritt umfassen, wonach überprüft wird, ob das Kraftfahrzeug, insbesondere dessen Bordnetz, die derzeit vom Brennstoffzellensystem bereitstellbare Leistung bzw. momentane Energie aufnehmen kann. Dies ist der Fall, falls die vom Brennstoffzellensystem dem Kraftfahrzeug bereitstellbare Leistung (= die durch elektrochemische Reaktionen im Brennstoffzellenstapel umwandelbare Energie) größer ist als ein Leistungsaufnahmegrenzwert des Kraftfahrzeugs. Hierzu kann beispielsweise vorgesehen sein, dass der Ladezustand und/oder die Ladefähigkeit (= aufnehmbare elektrische Leistung) von der mindestens einen elektrischen Energiespeichereinrichtung direkt oder indirekt erfasst wird. Ferner kann vorgesehen sein, dass der momentane Verbrauch (= bezogene Leistung, Bedarf an elektrischer Leistung) der Nebenverbraucher erfasst wird. In einer Ausgestaltung kann ferner vorgesehen sein, dass etwaige inaktive elektrische Verbraucher aktiviert werden und/oder von aktiven elektrischen Verbrauchern der momentane Verbrauch gesteigert wird, falls das Kraftfahrzeug nicht die bereitstellbare elektrische Leistung aufnehmen kann. In einer Ausgestaltung kann ferner vorgesehen sein, dass die mindestens eine Antriebsmaschine derart angesteuert wird, dass diese Wärmeverluste erzeugt, nicht jedoch die Räder des Kraftfahrzeuges antreibt. Aus dem Energieverbrauch der elektrischen Verbraucher des Kraftfahrzeugs und dem Ladezustand der elektrischen Energiespeichereinrichtung ergibt sich der Leistungsaufnahmegrenzwert des Kraftfahrzeugs, der zeitlich variiert.
Besonders bevorzugt umfasst das hier offenbarte Verfahren den Schritt, wonach ein Druckwert erfasst wird, der direkt oder indirekt indikativ ist für den Druck im Anodensubsystem, wobei der Druckwert verglichen wird mit einem Referenzdruckwert des Anodensubsystems, der direkt oder indirekt indikativ ist für den stabilen Betrieb des Brennstoffzellensystems. In einer Ausgestaltung kann der durch einen Drucksensor gemessene Druck selbst der Druckwert sein. Hierzu kann der Druck im Anodensubsystem (z.B. im Mitteldruckbereich oder im Niederdruckbereich) gemessen werden. Gleichsam ist vorstellbar, dass der Druck bzw. Druckwert auch indirekt anhand von anderen Größen approximiert werden kann.
Je nach Ausgestaltung des Brennstoffzellensystems und der Druckwerterfassung kann der Referenzdruckwert variieren. Beispielsweise kommt es darauf an, ob der Druckwert einen Druck vor oder hinter einem Druckminderer repräsentiert. Der Referenzdruckwert repräsentiert in der Regel einen Mindestdruck im Eingangsbereich der Anode des Brennstoffzellenstapels. Je nach Ausgestaltung des Brennstoffzellensystems können unterschiedliche Mindestdrücke im Eingangsbereich der Anode vom Brennstoffzellenstapel erforderlich sein, damit das Brennstoffzellensystem stabil betrieben werden kann. Ein stabiler Betrieb des Brennstoffzellensystems liegt vor, wenn das Brennstoffzellensystem innerhalb zulässiger Betriebsparameter vom Brennstoffzellensystem kontinuierlich und verlässlich die gewünschte elektrische Energie mit der gewünschten elektrischen Spannung dem Kraftfahrzeug bereitstellen kann. Ist beispielsweise der Druck im Eingangsbereich der Anode zu gering, so kann nicht ausreichend Brennstoff für die elektrochemische Reaktion im Brennstoffzellenstapel bereitgestellt werden. Es kann dann zu Aussetzern in der Energiebereitstellung kommen und die Energieverbraucher des Bordnetzes können nicht störungsfrei betrieben werden, sofern die elektrische Energiespeichereinrichtung nicht unterstützend eingreift.
Gemäß der hier offenbarten Technologie wird die Betriebsstrategie des Kraftfahrzeugs geändert, falls der Druckwert kleiner ist als der Referenzdruckwert, und/oder falls die vom Brennstoffzellensystem dem Kraftfahrzeug bereitstellbare elektrische Leistung größer ist als der Leistungsaufnahmegrenzwert. Liegt ein instabiler Betriebszustand des Brennstoffzellensystems vor, so wird die Betriebsstrategie angepasst.
Das Kraftfahrzeug kann eingerichtet sein, die elektrische Energie für die mindestens eine elektrische Antriebsmaschine vom Brennstoffzellensystem, von der elektrischen Speichereinrichtung oder von beiden Komponenten gleichzeitig zu beziehen. Gemäß der hier offenbarten Technologie kann vorgesehen sein, dass die mindestens eine elektrische Energiespeichereinrichtung der mindestens einen elektrischen Antriebsmaschine elektrische Energie bzw. elektrische Leistung bereitstellt, falls der Druckwert kleiner ist als der Referenzdruckwert und/oder falls die vom Brennstoffzellensystem dem Kraftfahrzeug bereitstellbare elektrische Leistung größer ist als der Leistungsaufnahmegrenzwert. Im instabilen Betriebszustand des Brennstoffzellensystems wird also eine Betriebsstrategie vermieden, bei der die elektrische Energie für die mindestens eine elektrische Antriebsmaschine ausschließlich vom Brennstoffzellensystem bereitgestellt wird. Somit können wirksam Aussetzer am elektrischen Antrieb vermieden werden.
Gemäß der hier offenbarten Technologie kann vorgesehen sein, dass die Steuerung vom Anodenspüllventil des Brennstoffzellensystems geändert wird, falls der Druckwert kleiner ist als der Referenzdruckwert, und/oder falls die vom Brennstoffzellensystem dem Kraftfahrzeug bereitstellbare elektrische Leistung größer ist als der Leistungsaufnahmegrenzwert.
Insbesondere kann vorgesehen sein,

- dass in einem ersten Modus das Anodenspülventil betätigt wird in Abhängigkeit von einem Spülwert, der indikativ ist für einen Stickstoffpartialdruck im Anodensubsystem und/oder für eine Flüssigwassermenge im Anodensubsystem; wobei der erste Modus gewählt wird, falls der Druckwert größer ist als der Referenzdruckwert, und/oder falls die vom Brennstoffzellensystem dem Kraftfahrzeug bereitstellbare elektrische Leistung kleiner ist als der Leistungsaufnahmegrenzwert; und
- dass in einem zweiten Modus das Anodenspülventil derart betätigt wird, dass sich der Druck im Anodensubsystem schneller reduziert als im ersten Modus, wobei gleichzeitig eine maximal zulässige Brennstoffkonzentration im Abgas nicht überschritten wird; wobei der zweite Modus gewählt wird, falls der Druckwert kleiner ist als der Referenzdruckwert, und/oder falls die vom Brennstoffzellensystem dem Kraftfahrzeug bereitstellbare elektrische Leistung größer ist als der Leistungsaufnahmegrenzwert

Besonders bevorzugt wird das hier offenbarte Verfahren durchgeführt zur Druckentlastung vom Anodensubsystem vor einem Service-Einsatz bzw. während eines Service-Einsatzes, insbesondere während einer Phase der Nichtbenutzung des Kraftfahrzeugs durch den Fahrzeugführer, und besonders bevorzugt (unmittelbar) bevor Komponenten des Brennstoffzellensystems (und insbesondere brennstoffführende Komponenten des Anodensubsystems) von außen, d. h. der Fahrzeugumgebung her, geöffnet und/oder demontiert werden. Eine Phase der Benutzung des Kraftfahrzeugs ist eine Phase, in der ein Benutzer des Kraftfahrzeugs das Kraftfahrzeug (aktiv) nutzt. Mithin beispielsweise also der Fahrbetrieb des Kraftfahrzeugs durch den Benutzer oder (teil)autonom. Eine Phase der Nichtbenutzung des Kraftfahrzeugs ist indes eine bzgl. der Fortbewegung des Kraftfahrzeugs inaktive Phase. Mit anderen Worten ist die Phase der Nichtbenutzung beispielsweise ein (längeres) Zeitintervall, während dessen das Kraftfahrzeug vom Benutzer aktiv keine (Fahr)Anweisung erhält, die das Betreiben der Brennstoffzelle bzw. des Kraftfahrzeuges erfordert. Dies ist beispielsweise der Fall, wenn ein Kraftfahrzeug geparkt ist. Das hier offenbarte Verfahren wird insbesondere eingesetzt während der Instandhaltung und Wartung des Kraftfahrzeugs.
Zusätzlich zur eventuell auftretenden Kreuzströmung von Brennstoff und Oxidationsmittel (Cross-over) über die Membran-Elektroden-Anordnung (MEA) wird gemäß dem hier offenbarten Verfahren Brennstoff in das Kathodensubsystem des Brennstoffzellensystems direkt oder indirekt eingebracht, ohne dass das Brennstoffzellensystem gleichzeitig dem Kraftfahrzeug elektrische Leistung bereitstellt, insbesondere falls der Druckwert kleiner ist als Referenzdruckwert und/oder falls die vom Brennstoffzellensystem dem Kraftfahrzeug bereitstellbare elektrische Leistung größer ist als der Leistungsaufnahmegrenzwert. Besonders bevorzugt verbindet hierzu eine Anodenspülleitung das Anodensubsystem mit dem Kathodensubsystem. Die Anodenspülleitung beginnt in der Regel am Anodenspülventil, auch Purge-Ventil genannt, und kann an unterschiedlichen Stellen des Kathodensubsystems münden.
Besonders bevorzugt umfasst die hier offenbarte Technologie den Schritt, wonach die Brennstoffkonzentration im Abgas reduziert wird. Hierzu sind unterschiedliche Maßnahmen vorstellbar, die alternativ oder zusätzlich umsetzbar sind. Bevorzugt wird die Brennstoffkonzentration reduziert, indem der Brennstoff in der Kathode des Brennstoffzellenstapels katalytisch umgesetzt wird und/oder indem der Luftmassenstrom im Abgaspfad erhöht wird.
In einer Ausgestaltung wird hierzu der Brennstoff stromauf vom Brennstoffzellenstapel eingebracht. Hierzu kann beispielsweise die Anodenspülleitung stromauf vom Brennstoffzellenstapel münden, bevorzugt zwischen Stapel-Absperrventil und Brennstoffzellenstapel. Die Begriffe „stromauf“ und „stromab“ beziehen sich bei der hier offenbarten Technologie immer auf die Strömungsrichtung des Oxidationsmittels durch das Kathodensubsystem während des energiebereitstellenden Betriebs des Brennstoffzellensystems. Wird nun Brennstoff aus dem Anodensubsystem in das Kathodensubsystem überführt, so strömt dieser zunächst durch die Kathode, bevor über den Kathodenabgaspfad ausgetragen wird. An der Kathode reagiert der Brennstoff, so dass die Brennstoff-Konzentration im Abgas verringert wird. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn das Kraftfahrzeug in einer Werkstatt gewartet wird.
Alternativ kann vorgesehen sein, dass der Brennstoff stromab vom Brennstoffzellenstapel in die Kathodenabgasleitung (auch allgemein als Abgasleitung bzw. Abgaspfad bezeichnet) eingebracht wird. Gemäß der hier offenbarten Technologie kann besonders vorteilhaft das Kathodensubsystem derart ausgebildet und angesteuert sein, dass der in den Abgaspfad eingeströmte Brennstoff in bzw. durch die Kathode strömt. Hierzu kann vorgesehen sein, dass der Brennstoff in die Kathode angesaugt wird, insbesondere durch den Oxidationsmittelförderer, der über den Kathoden-Zuströmpfad mit der Kathode des Brennstoffzellenstapels verbunden ist. Alternativ oder zusätzlich kann das kathodenseitige Stapel-Absperrventil zumindest teilweise geschlossen werden, welches stromab vom Brennstoffzellenstapel angeordnet ist. In diesem Fall mündet die Anodenspülleitung zweckmäßig zwischen dem Stapel-Absperrventil und dem Brennstoffzellenstapel. Wird nun das Anodenspülventil zum Druckabbau im Anodensubsystem geöffnet, so bewirkt die Druckdifferenz zwischen Anodensubsystem und Kathodensubsystem, dass der Brennstoff durch die Kathode des Brennstoffzellenstapels strömt.
Falls der Druckwert kleiner ist als der Referenzdruckwert und/oder falls die vom Brennstoffzellensystem dem Kraftfahrzeug bereitstellbare elektrische Leistung größer ist als der Leistungsaufnahmegrenzwert, kann in einer Ausgestaltung die Menge an Oxidationsmittel (insbesondere im Abgas) variiert werden in Abhängigkeit von einem Konzentrationswert, der direkt oder indirekt indikativ ist für die Brennstoffkonzentration im Kathodenabgas. In einer Ausgestaltung wird die Konzentration an Brennstoff über einen Brennstoffsensor im Abgaspfad bestimmt. Die Konzentration an Brennstoff stellt dann den Konzentrationswert dar. In einer weiteren Ausgestaltung kann der Konzentrationswert beispielsweise aus anderen Größen, (z.B. Druck im Anodensubsystem, Konzentrationen in der Rezirkulationsleitung, Öffnungszeiten des Anodenspülventils, etc.) approximiert werden.
Ist indes der Druckwert größer als der Referenzdruckwert und ist überdies das Kraftfahrzeug in der Lage, die vom Brennstoffzellensystem bereitgestellte Leistung aufzunehmen, so wird der Oxidationsmittelförderer derart gesteuert bzw. geregelt, dass sich in der Kathode ein für die elektrochemische Reaktion im Brennstoffzellenstapel zur Bereitstellung von elektrischer Energie gewünschtes stöchiometrisches Verhältnis von Oxidationsmittel einstellt. Insbesondere wird dann also die Menge an Oxidationsmittel variiert in Abhängigkeit von der Menge an Oxidationsmittel, die für die elektrochemische Reaktion im Brennstoffzellenstapel zur Bereitstellung von elektrischer Energie erforderlich ist.
Mit anderen Worten betrifft die hier offenbarte Technologie ein Verfahren zum Druckentlasten des Brennstoffzellensystems. Wenn nur der Druck in den Leitungen nach dem Haupabsperrventil (auch mehrere Ventile bei Mehrtanksystemen) entlastet werden soll, kann dies bevorzugt über eine Funktion der Brennstoffumsetzungseinrichtung (Brennstoffzelle oder Verbrennermotor) geschehen. Hierfür kann der Brennstoff in der Einrichtung erst mal umgesetzt werden (d.h. Brennstoffzelle oder Motor werden betrieben). Wenn in der Vorlaufleitung ein Druck erreicht wird, ab dem die Brennstoffzelle oder der Motor nicht mehr betrieben werden können (d.h. Druck kleiner Referenzdruckwert), wird in eine zweite Funktion umgeschaltet. Hierbei wird in der Brennstoffzelle der Wasserstoff über die Purgeleitung abgelassen oder auf der Anodenseite (Einlassseite) umgesetzt, ohne jedoch Energie für den elektrischen Antrieb bereitzustellen. Vielmehr wird lediglich im Bordnetz elektrische Energie durch andere Nebenverbraucher verbraucht oder die elektrische Energie wird im Hochvoltspeicher gespeichert, falls der Ladezustand (SoC) des Energiespeichers dies zulässt. Um ein unerwünschtes Brennstoff-Gemisch zu vermeiden, falls Brennstoff über die Purgleitung abgeführt wird, kann der Kompressor derart angesteuert werden, dass sich der Brennstoff im Abgas verdünnt, bevorzugt auf eine Konzentration unterhalb einer gewünschten maximalen Brennstoffkonzentration. Damit ist es möglich, den Brennstoff so weit zu verdünnen, dass dieses Gemisch ohne Bedenken in die Umgebung abgelassen werden kann. Bevorzugt sind die Luft-Ansaugstelle und die Abgas-Abblasestelle („Auspuff“) räumlich voneinander getrennt ausgebildet. Vorteilhaft wird somit die Wahrscheinlichkeit gesenkt, dass mit Brennstoff angereicherte Luft vom Kompressor (=Oxidationsmittelförderer) angesaugt wird. Ferner kann die hier offenbarte Technologie eingerichtet sein, die Menge an ausgetragenen Brennstoff zeitlich zu begrenzen. Dies verbessert das Druckentlasten vom Brennstoffzellensystem in geschlossenen und schlecht durchlüfteten Räumen, wie beispielsweise Einzelgaragen. Bei einem mit Wasserstoff betriebenen Verbrennungsmotor ist eine ähnliche Funktion denkbar. Mit der hier offenbarten Technologie lässt sich eine schnelle, einfache und/oder prozesssichere Druckentlastung des Anodensubsystems bzw. dessen brennstoffführenden Leitung realisieren. Vorteilhaft muss lediglich eine Servicefunktion von den Servicekräften aktiviert werden, um die Druckentlastung der Leitungen zu starten.
Die hier offenbarte Technologie wird nun anhand der Figuren erläutert. Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems;
2 schematisch eine weitere Darstellung eines Brennstoffzellensystems; und
3 schematisch eine weitere Darstellung eines Bren nstoffzellensystems;
4 eine schematische Darstellung der Druckverläufe bei der hier offenbarten Technologie; und
5 ein schematisches Ablaufdiagramm.

Die 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems. Das Kathodensubsystem umfasst einen Oxidationsmittelförderer 410, der Oxidationsmittel O2 (hier Luft) ansaugt und verdichtet. Die verdichtete Luft wird hier durch einen Ladeluftkühler 420 gekühlt. Der Kathoden-Zuströmpfad 415 verbindet hier den Oxidationsmittelförderer 410 mit dem kathodenseitigen Einlass des Brennstoffzellenstapels 300. Eine kathodenseitige Bypassleitung 452 umfasst ein Bypassventil 460. Die Bypassleitung 452 zweigt stromauf vom Brennstoffzellenstapel 300 vom Kathoden-Zuströmpfad 415 ab und mündet in der Abgasleitung 416. Die kathodenseitigen Stapel-Absperrventile 430, 440 sind hier benachbart zur Kathode K angeordnet. Das Anodensubsystem umfasst einen Brennstoffspeicher H2, der hier als Druckbehälter ausgebildet sein kann. Stromab vom Druckbehälter H2 ist das Tankabsperrventil 211 ausgebildet. Der Druckminderer 220 reduziert hier den Druck vom Druckbehälter H2 auf einen Mitteldruck. In diesem Mitteldruckbereich kann beispielsweise ein Sensor angeordnet sein, der den Druckwert erfasst (hier nicht gezeigt). Stromab vom Druckminderer 220 im Anoden-Zuströmpfad 215 ist hier der Ejektor 234 angeordnet. Der Ejektor 234 ist eingerichtet, Brennstoff aus dem Rezirkulationspfad 216 anzusaugen. Der Rezirkulationspfad 216 beginnt am Auslass des Brennstoffzellenstapels 300 und mündet hier im Ejektor 234. Im Rezirkulationspfad 216 können ferner u.a. ein Wasserabscheider 232, ein Anodenspülventil 238 und eine Rezirkulationspumpe 236 vorgesehen sein. Die Anodenspülleitung 239 verbindet hier das Anodenspülventil 238 mit der Kathodenabgasleitung 416.
Nachstehend wird das Funktionsprinzip der hier offenbarten Technologie näher beschrieben. Dabei wird in diesem Beispiel davon ausgegangen, dass als Druckwert der von einem Sensor erfasste Druck selbst verwendet wird. Wie bereits erläutert, könnte der Druckwert auch indirekt aus einer anderen Größe abgeleitet werden. Ferner wird vereinfachend davon ausgegangen, dass das Kraftfahrzeug die vom Brennstoffzellensystem bereitstellbare elektrische Leistung aufnehmen kann.
Ist der Druck im Anodensubsystem größer als der Referenzdruck, so kann das Brennstoffzellensystem stabil betrieben werden. Insbesondere kann das Brennstoffzellensystem kontinuierlich ohne nennenswerte Aussetzer dem Bordnetz elektrische Leistung bzw. Energie bei der gewünschten Spannung bereitstellen. Um dem Bordnetz die elektrische Leistung bereitzustellen, findeen im Brennstoffzellenstapel die elektrochemischen Reaktionen statt. Wenn der Druck höher ist als der Referenzdruck, wird am Eingang der Anode Brennstoff mit ausreichenden Druck bereitgestellt, so dass auch innerhalb der aktiven Flächen der Anode ausreichend Brennstoff vorhanden ist. Nach der elektrochemischen Reaktion verlässt das erzeugte Anodenabgas die Anode A des Brennstoffzellenstapels 300 durch den Auslass des Brennstoffzellenstapels 300 und strömt in den Rezirkulationspfad 216. Im Wasserabscheider 232 wird Produktwasser abgeschieden. Hat sich zu viel Produktwasser und/oder Stickstoff im Rezirkulationspfad angesammelt, so wird das Anodenspülventil 238 kurz geöffnet, um über die Anodenspülleitung 239 das Produktwasser und den Stickstoff abzuführen. Diese Spülung erfolgt mit sehr kurzen Spülzeiten, da ebenfalls im Anodenabgas enthaltener Brennstoff ausgetragen wird, der dann nicht zu Energiegewinnung genutzt werden kann.
Direkt nach dem Schließen des Tankabsperrventils 211 kann über den Drucksensor beispielsweise ein Druck erfasst werden, der i.d.R. durch den Druckminderer 220 vorgegeben ist, beispielsweise der Druck P_{A,BZ 0} im Zeitpunkt to (vgl. 4). In der Praxis kann dieser Druck im Mitteldruckbereich beispielsweise zwischen 10 bar und 20 bar betragen.
Die Menge an Oxidationsmittel O2, die der Kathode K des Brennstoffzellenstapels 300 bereitgestellt wird, ergibt sich aus der bereitzustellenden elektrischen Leistung und/oder aus der Menge an verfügbaren Brennstoff an der Anode A des Brennstoffzellenstapels 300. Bevorzugt wird zum schnellen Druckentlasten möglichst viel elektrische Leistung vom Brennstoffzellensystem bereitgestellt. Die Menge an bereitzustellender Leistung kann jedoch durch den Ladezustand des elektrischen Energiespeichers und/oder durch den Verbrauch der elektrischen Verbraucher (Aufnahmefähigkeit vom Kraftfahrzeug/Bordnetz) limitiert sein, was hier jedoch vereinfachend ausgeschlossen ist.
Wird bei unterbrochener Brennstoffzufuhr das Brennstoffzellensystem weiter betrieben, so sinkt durch die elektrochemischen Reaktionen und den Anodenspülvorgängen der Druck im Anodensubsystem langsam ab bis schließlich zum Zeitpunkt ti sich der Referenzdruck P_{A,BZ min} (hier im Mitteldruckbereich) einstellt (vgl. 4). Ist der Druck P_A kleiner als der Referenzdruck P_{A,BZ min} so reicht die Menge an Brennstoff an den aktiven Flächen der Anode A des Brennstoffzellenstapels 300 nicht mehr aus, um die elektrochemischen Reaktionen stabil aufrecht zu halten. Es kann zu Unterversorgung kommen. Daher wird in diesem Fall der Betriebsmodus geändert. Hierzu kann beispielsweise vorgesehen sein, dass die elektrische Antriebsmaschine ausschließlich aus der elektrischen Energiespeichereinrichtung versorgt wird. Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass nun das Brennstoffzellensystem anders betrieben wird. Insbesondere kann nun im Vordergrund stehen, über lange Öffnungszeiten des Anodenspülventils den Druck im Anodensubsystem schnell abzubauen, wobei das hier offenbarte Verfahren gleichzeitig den Schritt umfassen kann, wonach die Konzentration an Brennstoff im Abgas stärker reduziert wird als beim Betrieb des Brennstoffzellensystems bei einem Druck größer als der Referenzdruck. Vorteilhaft können somit unerwünschte Brennstoffkonzentrationen auch dann verhindert werden, wenn über das Anodenspülventil vergleichsweise große Mengen an Brennstoff in das Kathodensubsystem eingebracht werden.
Anhand der 1 wird nun ein Ausführungsbeispiel erläutert, bei dem die Konzentration an Brennstoff im Abgas stärker reduziert werden kann. In der 1 mündet die Anodenspülleitung 239 in einem Mischbereich 470 der Abgaspfad 416. Ist nun der Druck kleiner als der Referenzdruck, so wird gemäß der hier offenbarten Technologie die Menge an Oxidationsmittel O2 nicht basierend auf einen für die elektrochemische Reaktion gewünschten stöchiometrischen Verhältnis variiert, sondern basierend auf einer gewünschten Brennstoffkonzentration im Abgas. Hierzu kann beispielsweise ein Brennstoffsensor im Abgaspfad 416 die Brennstoffkonzentration erfassen. Alternativ kann ein Kennfeld hinterlegt sein, in dem u.a. für verschiedene Drücke im Anodensubsystem, verschiedenen Brennstoffkonzentrationen und/oder verschiedene Öffnungszeiten vom Anodenspülventil 238 Förderraten an Oxidationsmittel hinterlegt sein können. Somit wird also der Oxidationsmittelförderer 410 in Abhängigkeit vom Druck im Anodensubsystem anders angesteuert. Bei einem Druck kleiner als der Referenzdruck wird insbesondere das Abgas durch das Oxidationsmittel so weit verdünnt, dass die Brennstoffkonzentration im Abgas geringer ist als ein Grenzwert für die Brennstoffkonzentration. Besonders vorteilhaft kann ein Bypass 452 vorgesehen sein, der in oder stromauf vom Mischbereich 470 mündet. Somit können vergleichsweise hohe Förderraten an Oxidationsmittel O2 bereitgestellt werden, ohne dass der Brennstoffzellenstapel zu stark austrocknet. Besonders bevorzugt ist der Mischbereich 470 in einem Geräuschdämpfer integriert.
Ist nun der Druck geringer als der Referenzdruck, so wird der Brennstoff durch die Anodenspülleitung 239 in den Abgaspfad 416 eingebracht, wodurch der Druck im Anodensubsystem weiter absinkt, bis das Anodensubsystem schließlich druckentlastet ist (hier auf Umgebungsdruck P_{A U} , vgl. 4).
Die 2 zeigt schematisch ein weiteres Brennstoffzellensystem, welches ähnlich aufgebaut ist wie Brennstoffzellensystem der 1. nachstehend werden daher lediglich die Unterschiede erläutert. Die Anodenspülleitung 239 mündet hier in den Kathoden-Zuströmpfad 415 zwischen dem Stapel-Absperrventil 430 und den Brennstoffzellenstapel 300. Ist nun der Druck geringer als der Referenzdruck, so wird das Anodenspülventil 238 geöffnet und der Brennstoff gelangt in die Kathode K. In der Kathode K findet die katalytische Reaktion statt wodurch sich der Brennstoffanteil im Abgas reduziert. Gleichzeitig kann der Oxidationsmittelförderer 410 auch in dieser Ausgestaltung so viel Luft bereitstellen, wie zur Verdünnung des Brennstoffs im Abgas erforderlich ist.
Die 3 zeigt schematisch ein weiteres Brennstoffzellensystem, welches ähnlich aufgebaut ist wie Brennstoffzellensystem der 1. nachstehend werden daher lediglich die Unterschiede erläutert. Bei der hier gezeigten Ausgestaltung mündet die Anodenspülleitung 239 zwischen dem kathodenseitigen Stapel-Absperrventil 440 und dem Brennstoffzellenstapel 300 in den Abgaspfad 416. Wird nun das Stapel-Absperrventil 440 geschlossen, so strömt der Brennstoff von der Anodenspülleitung 239 in die Kathode K des Brennstoffzellenstapels 301 wo die katalytische Reaktion stattfindet. Alternativ oder zusätzlich kann der Oxidationsmittelförderer 410 derart betrieben werden, dass er Brennstoff in die Kathode K einsaugt, bevorzugt durch Änderung vom Drehsinn vom Verdichterrad des Oxidationsmittelförderers 410.
In den vorangegangenen Beispielen ist vereinfachend angenommen worden, dass das Bordnetz die vom Brennstoffzellensystem bereitgestellte Energie bzw. Leistung aufnehmen kann. Falls dies nicht der Fall ist, kann unabhängig vom Druckwert der Brennstoff in das Kathodensubsystem nach einem der hier offenbarten Verfahrensschritte eingebracht und die Brennstoffkonzentration im Abgas gesenkt werden.
Die 5 zeigt ein schematisches Ablaufdiagramm. Das Verfahren beginnt mit Schritt S100. Im Schritt S200 wird geprüft, ob die vom Brennstoffzellensystem bereitgestellte bzw. bereitstellbare Leistung P_BZ kleiner ist als der Leistungsaufnahmegrenzwert P_KFZ . Ist dies der Fall, so wird im Schritt S300 geprüft, ob der Druckwert p_A größer ist als der Referenzdruckwert p_A,BZmin . Ist dies der Fall, so wird im Schritt S400 das Brennstoffzellensystem, so betrieben, dass das Brennstoffzellensystem elektrische Leistung für das Kraftfahrzeug bereitstellt, die durch die Nebenverbraucher verbraucht wird und/oder in der elektrischen Energiespeichereinrichtung gespeichert wird. Das Anodenspülventil spült lediglich so viel Anodenabgas aus, bis der Stickstoffgehalt und/oder Wassergehalt im Anodensubsystem auf einen Wert unterhalb eines jeweiligen Grenzwertes absinkt/absinken. Ist im Schritt S200 die Leistung vom Brennstoffzellensystem größer als der Leistungsaufnahmegrenzwert PKFZ oder ist der Druckwert p_A kleiner ist als der Referenzdruckwert p_A,BZmin , dann wird im Schritt S500 Brennstoff in das Kathodenabgas abgelassen. Der Massenstrom an Brennstoff ist mindestens um den Faktor 2 größer als im Schritt S400 und kann beispielsweise durch die Brennstoffkonzentration im Abgas limitiert werden. Ferner kann hier vorgesehen sein, dass der Oxidationsmittelförderer betrieben wird, um die Brennstoffkonzentration zu verringern.
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.

Claims

Verfahren zum Druckentlasten eines Brennstoffzellensystems von einem Kraftfahrzeug, umfassend die Schritte: - Unterbrechen der Brennstoffversorgung zwischen allen Brennstoffspeichern (H2) und einem Brennstoffzellenstapel (300) des Brennstoffzellensystems; und - Bereitstellen von elektrischer Leistung durch den Brennstoffzellenstapel (300), nachdem die Brennstoffversorgung unterbrochen wurde.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Verfahren durchgeführt wird bevor Komponenten des Brennstoffzellensystems oder des Anodensubsystems geöffnet und/oder demontiert werden.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, ferner umfassend den Schritt, wonach ein Druckwert (p_A) erfasst wird, der indikativ ist für den Druck im Anodensubsystem; und wobei der Druckwert verglichen wird mit einem Referenzdruckwert (p_A,BZmin) des Anodensubsystems, der indikativ ist für einen stabilen Betrieb des Brennstoffzellensystems.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, ferner umfassend den Schritt, wonach überprüft wird, ob das Kraftfahrzeug die derzeit vom Brennstoffzellensystem bereitstellbare elektrische Leistung aufnehmen kann.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Betriebsstrategie des Kraftfahrzeugs geändert wird, i) falls der Druckwert (p_A) kleiner ist als der Referenzdruckwert (p_A,BZmin), und ii) falls die vom Brennstoffzellensystem dem Kraftfahrzeug bereitstellbare elektrische Leistung größer ist als ein Leistungsaufnahmegrenzwert des Kraftfahrzeugs.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, ferner umfassend den Schritt, wonach Brennstoff in das Kathodensubsystem des Brennstoffzellensystems eingebracht wird, ohne dass das Brennstoffzellensystem gleichzeitig dem Kraftfahrzeug elektrische Leistung bereitstellt, insbesondere i) falls der Druckwert (p_A) kleiner ist als der Referenzdruckwert (p_A,BZmin) und/oder ii) falls die vom Brennstoffzellensystem dem Kraftfahrzeug bereitstellbare elektrische Leistung größer ist als der Leistungsaufnahmegrenzwert.
Verfahren nach Anspruch 6, ferner umfassend den Schritt, wonach die Brennstoffkonzentration im Abgas reduziert wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, - wobei in einem ersten Modus ein Anodenspülventil betätigt wird in Abhängigkeit von einem Spülwert, der indikativ ist für einen Stickstoffpartialdruck im Anodensubsystem und/oder für eine Flüssigwassermenge im Anodensubsystem; wobei der erste Modus gewählt wird, falls der Druckwert größer ist als der Referenzdruckwert, und/oder falls die vom Brennstoffzellensystem dem Kraftfahrzeug bereitstellbare elektrische Leistung kleiner ist als der Leistungsaufnahmegrenzwert; und - dass in einem zweiten Modus das Anodenspülventil derart betätigt wird, dass sich der Druck im Anodensubsystem schneller reduziert als im ersten Modus, wobei gleichzeitig eine maximal zulässige Brennstoffkonzentration im Abgas nicht überschritten wird; wobei der zweite Modus gewählt wird, falls der Druckwert kleiner ist als der Referenzdruckwert, und/oder falls die vom Brennstoffzellensystem dem Kraftfahrzeug bereitstellbare elektrische Leistung größer ist als der Leistungsaufnahmegrenzwert
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, - wobei die Menge an Oxidationsmittel (O2) variiert wird in Abhängigkeit von einem Konzentrationswert, der indikativ ist für die Brennstoffkonzentration im Kathodenabgas, i) falls der Druckwert (p_A) kleiner ist als der Referenzdruckwert (p_A, _BZmin) und/oder ii) falls die vom Brennstoffzellensystem dem Kraftfahrzeug bereitstellbare elektrische Leistung größer ist als der Leistungsaufnahmegrenzwert; und/oder - wobei die Menge an Oxidationsmittel (O2) variiert wird in Abhängigkeit von der Menge an Oxidationsmittel, die für die elektrochemische Reaktion im Brennstoffzellenstapel zur Bereitstellung von elektrischer Leistung erforderlich ist, i) falls der Druckwert (p_A) größer ist als der Referenzdruckwert (p_A, _BZmin) und ii) falls das Kraftfahrzeug die vom Brennstoffzellensystem bereitstellbare elektrische Leistung aufnehmen kann.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, ferner umfassend den Schritt, wonach Brennstoff in die Kathode (K) des Brennstoffzellenstapels (300) eingebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 10, ferner umfassend den Schritt, wonach der Brennstoff stromauf vom Brennstoffzellenstapel (300) eingebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, ferner umfassend den Schritt, wonach der Brennstoff stromab vom Brennstoffzellenstapel (300) in eine Kathodenabgasleitung (416) eingebracht wird, und wobei das Kathodensubsystem derart ausgebildet und angesteuert wird, dass der Brennstoff in die Kathode (K) strömt.
Verfahren nach Anspruch 12, ferner umfassend den Schritt: - Ansaugen von Brennstoff in die Kathode (K), insbesondere durch einen Oxidationsmittelförderer (410); und/oder - Schließen von einem kathodenseitiges Stapel-Absperrventil (440), welches stromab vom Brennstoffzellenstapel (300) angeordnet ist, und wobei einer Anodenspülleitung (239) vom Anodensubsystem abzweigt und zwischen dem Stapel-Absperrventil (440) und dem Brennstoffzellenstapel (300) mündet.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Kraftfahrzeug mindestens eine elektrische Antriebsmaschine zum Antrieb des Kraftfahrzeugs und mindestens eine elektrische Energiespeichereinrichtung umfasst; und wobei die elektrische Energiespeichereinrichtung der elektrischen Antriebsmaschine elektrische Energie bereitstellt, falls der Druckwert (p_A) kleiner als der Referenzdruckwert (p_A,BZmin) ist.
Kraftfahrzeug mit einem Brennstoffzellensystem und mindestens einem Steuergerät, wobei das Kraftfahrzeug eingerichtet ist, die hier offenbarten Verfahren durchzuführen.