DE102018216264A1

DE102018216264A1 - Brennstoffzellensystem und Verfahren zum Betreiben des Brennstoffzellensystems

Info

Publication number: DE102018216264A1
Application number: DE102018216264.6A
Authority: DE
Inventors: Markus RUF; Hannah Staub
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2018-09-25
Filing date: 2018-09-25
Publication date: 2020-03-26

Abstract

Brennstoffzellensystem (100) mit einer eine Spannung erzeugenden Brennstoffzelle (102), die eine mit einem Anodenkreislauf (104) strömungsverbundene Anode, eine mit einer Kathodenversorgung (106) strömungsverbundene Kathode und eine die Kathode von der Anode trennende ionenleitfähige Membran umfasst, mit einem mit dem Anodenkreislauf (104) zumindest zeitweise mittels eines Ventils (108) strömungsverbundenen Inertgasspeicher (110), in welchem ein Inertgas oder ein Gemisch umfassend ein Inertgas speicherbar oder gespeichert ist, und mit einem Steuergerät (112), das ausgelegt ist, in einem Zeitpunkt eines erwarteten Erreichens oder Überschreitens oder bei einem tatsächlichen Erreichen oder Überschreiten einer Grenzspannung durch die von der Brennstoffzelle (102) erzeugten Spannung den Inertgasspeicher (110) durch eine zumindest teilgeöffnete Stellung des Ventils (108) derart mit dem Anodenkreislauf (104) zu verbinden, dass ein Partialdruck eines Brennstoffes im Anodenkreislauf (104) gesenkt wird durch Zuführen zumindest eines Teils des im Inertgasspeicher (110) gespeicherten Inertgases, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (112) ausgelegt ist, eine Gaskonzentration im Anodenkreislauf (104) zu erfassen und auf einen vorgegebenen Brennstoffpartialdruck im Anodenkreislauf (104) zu regeln. Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Brennstoffzellensystems (100).

Description

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem mit einer eine Spannung erzeugenden Brennstoffzelle, die eine mit einem Anodenkreislauf strömungsverbundene Anode, eine mit einer Kathodenversorgung strömungsverbundene Kathode und eine die Kathode von der Anode trennende ionenleitfähige Membran umfasst. Mit dem Anodenkreislauf ist zumindest zeitweise mittels eines Ventils ein Inertgasspeicher strömungsverbunden, in welchem ein Inertgas oder ein Gemisch umfassend ein Inertgas speicherbar oder gespeichert ist. Zudem ist ein Steuergerät vorhanden, das ausgelegt ist, in einem Zeitpunkt eines erwarteten Erreichens oder Überschreitens oder bei einem tatsächlichen Erreichen oder Überschreiten einer Grenzspannung durch die von der Brennstoffzelle erzeugten Spannung den Inertgasspeicher durch eine zumindest teilgeöffnete Stellung des Ventils derart mit dem Anodenkreislauf zu verbinden, dass ein Partialdruck eines Brennstoffes im Anodenkreislauf gesenkt wird durch Zuführen zumindest eines Teils des im Inertgasspeicher gespeicherten Inertgases. Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Brennstoffzellensystems.
Brennstoffzellen dienen dazu, in einer chemischen Reaktion zwischen einem Brennstoff, in der Regel Wasserstoff, und einem sauerstoffhaltigen Oxidationsmittel, in der Regel Luft, elektrische Energie bereitzustellen. Sofern der Leistungsbedarf dabei die durch die Brennstoffzelle bereitgestellte Leistung übersteigt, besteht die Möglichkeit, mehrere Brennstoffzellen in Serie zu einem Brennstoffzellenstapel zusammenfassen, wobei sich allerdings der Bedarf an den bei der chemischen Reaktion beteiligten Reaktanten erhöht und kathodenseitig die Notwendigkeit besteht, die Luft in einem Verdichter zu komprimieren.
Wird der Kathode der Brennstoffzelle Sauerstoff enthaltende Luft zugeführt, so diffundieren Inertgase, insbesondere Stickstoff, aus der Luft von der Kathode durch die Membran zur Anode. Beim Einsatz eines Anodenkreislaufes, bei dem nicht abreagierter Brennstoff der Anode erneut zugeführt wird, d.h. rezirkuliert wird, sammeln sich im Anodenkreislauf die Inertgase, insbesondere Stickstoff aber auch Argon an, so dass die Brennstoffzelle aufgrund der Senkung des Partialdrucks des Brennstoffes in ihrer Leistung limitiert wird. Um diese Leistungsabsenkung zu verhindern, schlägt die DE 10 2010 030 152 A1 vor, dass der Partialdruck des Brennstoffes an der Anode soweit erhöht wird, dass eine Versorgung der Anode mit Brennstoff sichergestellt ist. Um eine Schädigung der Membran zu vermeiden, wird zugleich der kathodenseitige Druck erhöht.
Die anodenseitige Beimengung eines Inertgases zum Brennstoff kann aber auch dazu genutzt werden, um eine Spannung der Brennstoffzelle gezielt zu senken, wie dies beispielsweise in der US 9,431,669 B2 für das Abschalten eines Brennstoffzellensystems beschrieben ist. Dabei wird eine Stickstoff aus enthaltende Leitung beim Abstellen des Brennstoffzellensystems sowohl aus der Anode als auch aus der Kathode befüllt, so lange, bis beidseits der Membran die gleichen Druckverhältnisse vorliegen, wobei aufgrund des Inertgases eine Degradation der Membran unterbunden ist.
In der CN 106 058 284 A ist ein Brennstoffzellensystem gezeigt, das einen Inertgasspeicher umfasst, in welchem Stickstoff gespeichert ist. Dieser Stickstoff kann wahlweise der Kathodenversorgung oder dem Anodenkreislauf zugeführt werden, um dort den Partialdruck des Brennstoffes auf null zu senken. Das Brennstoffzellensystem weist neben einer Anodenrezirkulation zudem eine Inertgasrezirkulation auf, die das durch einen zweiten Brennstoffzellenstapel geführte Inertgas zurück zum Anodenkreislauf oder zur Kathodenversorgung eines ersten Brennstoffzellenstapels transportieren kann.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Brennstoffzellensystem zu schaffen, das verbessert an unterschiedliche Betriebsbedingungen angepasst werden kann. Zudem ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein entsprechendes Verfahren zum Betreiben eines solchen Brennstoffzellensystems anzugeben.
Die das Brennstoffzellensystem betreffende Aufgabe wird durch ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Die das Verfahren betreffende Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Betreiben des Brennstoffzellensystems mit den Merkmalen des Anspruchs 6 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Das Brennstoffzellensystem zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass das Steuergerät ausgelegt ist, eine Gaskonzentration im Anodenkreislauf zu erfassen und auf einen vorgegebenen Brennstoffpartialdruck im Anodenkreislauf zu regeln. Damit lässt sich also ein erniedrigter Partialdruck des Brennstoffstoffs derart einstellen, dass Degradationseffekt bei der Brennstoffzelle vermieden oder gemindert werden.
Das Steuergerät ist vorzugsweise außerdem dazu ausgelegt, im Falle des Erreichens eines Konzentrationsgrenzwerts des Inertgases oder des Brennstoffes das zum Inertgasspeicher führende Ventil zu schließen. Das zum Inertgasspeicher führende Ventil wird mit anderen Worten also dann geschlossen, wenn sich die Drücke im Inertgasspeicher und im Anodenkreislauf einerseits angeglichen haben und andererseits ein so hoher Anteil des Inertgases im Anodenkreislauf und im Inertgasspeicher vorliegt, dass beim Schließen des Ventils der Speicher nahezu vollständig mit dem Inertgas oder dem Gemisch umfassend das Inertgas und den Brennstoff befüllt ist, bevor das zum Inertgasspeicher führende Ventil wieder geschlossen wird. Damit ist der Vorteil verbunden, dass in einem späteren Zeitpunkt, wenn wieder eine Spannungsreduktion der Brennstoffzelle gewünscht oder erforderlich ist, das Inertgas erneut zur Verfügung steht und mit dem Anodenkreislauf strömungsverbunden werden kann, um die Spannung der Brennstoffzelle zu senken.
Um den Anodenkreislauf vom Inertgas befreien zu können, hat es sich als sinnvoll erwiesen, wenn im Anodenkreislauf ein Purge-Ventil vorhanden ist, und wenn das Steuergerät ausgelegt ist, das Purge-Ventil, insbesondere nur dann, zumindest teilweise zu öffnen, wenn das zum Inertgasspeicher führende Ventil geschlossen ist. Damit ist also gewährleistet, dass im Inertgasspeicher das Inertgas oder das Gemisch umfassend einen Inertgas gespeichert bleibt, auch wenn ein Purge, also ein Entweichenlassen des im Anodenkreislauf vorhandenen Gasgemisches, erfolgt.
Eine kompakte Ausgestaltung des Brennstoffzellensystems lässt sich dadurch erreichen, dass der Inertgasspeicher mit einer Anodenrezirkulationsleitung des Anodenkreislaufs verbunden ist, derart, dass das Inertgas stromab eines Rezirkulationsgebläses in den Anodenkreislauf einbringbar ist.
Es besteht allerdings auch die Möglichkeit, dass der Inertgasspeicher mit der Anodenrezirkulationsleitung des Anodenkreislaufs stromauf eines Rezirkulationsgebläses verbunden ist, so dass das Rezirkulationsgebläse genutzt werden kann, um das Inertgas zuverlässig der Brennstoffzelle zuzuführen.
Wird der Inertgasspeicher zudem stromab des Purge-Ventils in den Anodenkreislauf eingebracht, so können dort etwaig vorhandene Undichtigkeiten nicht dazu führen, dass das Inertgas an die Umgebung entweicht. Allerdings besteht selbstverständlich auch die Möglichkeit, dass das Inertgas stromauf des Rezirkulationsgebläses und zugleich stromauf des Purge-Ventils in den Anodenkreislauf einbringbar ist.
Somit ergeben sich also die unterschiedlichsten Gestaltungsmöglichkeiten für die Positionierung des Inertgasspeichers auf der Anodenseite. Die Positionierung kann anhand des für das Brennstoffzellensystem vorgesehenen Bauraums ausgewählt werden.
Das Verfahren zum Betreiben eines solchen Brennstoffzellensystems zeichnet sich insbesondere durch die folgenden Schritte aus:

- Erstellen einer Prognose einer Spannung oder Messen einer von der Brennstoffzelle erzeugten Spannung,
- Senken eines Partialdruckes eines Brennstoffs im Anodenkreislauf durch Zuführen zumindest eines Teils eines in einem Inertgasspeicher gespeicherten Inertgases oder eines Gemisches umfassend ein Inertgas durch zumindest teilweises Öffnen eines zum Inertgasspeicher führenden Ventils in einem Zeitpunkt eines erwarteten Erreichens oder Überschreitens oder bei einem tatsächlichen Erreichen oder Überschreiten einer Grenzspannung durch die von der Brennstoffzelle erzeugten Spannung,
- Erfassen einer Gaskonzentration im Anodenkreislauf, und
- Regeln des Partialdrucks des Brennstoffs auf einen vorgegebenen Brennstoffpartialdruck im Anodenkreislauf.

Damit lässt sich das Brennstoffzellensystem also auch in einem Niederlastbetriebspunkt betreiben, wodurch durch das Öffnen des Inertgasspeichers, insbesondere eines Stickstoffspeichers der Wasserstoffpartialdruck im Anodenkreislauf gesenkt und damit die Spannung der Brennstoffzelle reduziert und auf einen vorgegebenen Wert geregelt wird. Insbesondere hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn eine Regelung auf eine Ziel-WasserstoffKonzentration im Anodenkreislauf erfolgt, wobei das Steuergerät ausgestaltet ist, die Zudosierung von frischen Brennstoff, den Verbrauch von Wasserstoff und die Diffusion von Inertgasen, insbesondere von Stickstoff von der Kathodenseite zu berücksichtigen. Dabei hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn das Rezirkulationsgebläse des Anodenkreislaufs verstärkt betrieben wird.
Damit unterscheidet sich also das vorliegende Verfahren von aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren, dadurch, dass es gerade nicht zum Abschalten des Brennstoffzellensystems, sondern zum Betreiben des Brennstoffzellensystems unter niedriger Last vorgesehen ist.
Das Verfahren kann den folgenden zusätzlichen Schritt umfassen: Schließen des zum Inertgasspeicher führenden Ventils im Falle des Erreichens oder Überschreitens eines Konzentrationsgrenzwerts des Inertgases oder des Brennstoffes. Dies führt zu einer Wiederbefüllung des Inertgasspeichers, so dass das darin befindliche Inertgas für eine spätere Spannungsreduktion erneut zur Verfügung steht.
Um den Anodenkreislauf von Inertgasen gänzlich befreien zu können, hat es sich als sinnvoll erwiesen, wenn ein Purge-Ventil zumindest teilgeöffnet wird, sobald das zum Inertgasspeicher führende Ventil geschlossen wurde.
Um sicher zu gehen, dass der Inertgasspeicher hinreichend mit dem Inertgas, oder einem Gemisch aus dem Inertgas mit dem Brennstoff befüllt ist, hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn das Ventil in einem Zeitpunkt geschlossen wird, in welchem ein im Anodenkreislauf vorliegender Druck im Wesentlichen einem im Inertgasspeicher vorliegenden Druck entspricht.
Um eine Regelung auf eine Ziel-Brennstoff-Konzentration, insbesondere bei vorgegebenen Brennstoffpartialdruck, zu erreichen, ist es sinnvoll, wenn der Öffnungsgrad des zum Inertgasspeicher führenden Ventils abhängig ist von einem über die Anodenzufuhrleitung zugeführten frischen Brennstoff, einem Verbrauch des Brennstoffes in der Brennstoffzelle und einer Diffusion des Inertgases von der Kathode in den Anodenkreislauf.
Um Beschädigungen am System vorzubeugen und um sicher zu gehen, dass das Ventil, welches zum Inertgasspeicher führt erst dann geschlossen wird, wenn der Inertgasspeicher wieder mit dem Inertgas oder dem Gemisch aus Brennstoff und Inertgas befüllt ist, ist es von Vorteil, wenn ein Absolutdruck und der Partialdruck des Brennstoffes innerhalb des Inertgasspeichers gemessen oder ermittelt wird, und wenn das Ventil erst bei Erreichen eines vorgegebenen oder vorgebbaren Druckwerts geschlossen wird.
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, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Es sind somit auch Ausführungen als von der Erfindung umfasst und offenbart anzusehen, die in den Figuren nicht explizit gezeigt oder erläutert sind, jedoch durch separierte Merkmalskombinationen aus den erläuterten Ausführungsformen hervorgehen und erzeugbar sind.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:

1 schematisch ein erstes Brennstoffzellensystem, dessen Anodenkreislauf mit einem Inertgasspeicher verbindbar ist,
2 ein zweites Brennstoffzellensystem, dessen Inertgasspeicher mit dem Anodenkreislauf verbindbar ist,
3 schematisch ein drittes Brennstoffzellensystem, dessen Inertgasspeicher mit dem Anodenkreislauf verbindbar ist, und
4 eine zeitabhängige Darstellung einer Stickstoff-Konzentration (c(N₂); Diagramm oben) und eine zeitabhängige Darstellung der von der Brennstoffzelle erzeugten Spannung (U_FC ; Diagramm unten).

In den 1 bis 3 ist schematisch ein Brennstoffzellensystem 100 gezeigt, welches einen Brennstoffzellenstapel 144 umfasst, der eine Mehrzahl von in Reihe geschalteten Brennstoffzellen 102 aufweist.
Jede der Brennstoffzellen 102 umfasst eine Anode und eine Kathode sowie eine die Anode von der Kathode trennende protonenleitfähige Membran. Die Membran ist aus einem lonomer, vorzugsweise einem sulfonierten Tetrafluorethylen-Polymer (PTFE) oder einem Polymer der perfluorierten Sulfonsäure (PFSA) gebildet. Alternativ kann die Membran als eine sulfonierte Hydrocarbon-Membran gebildet sein.
Den Anoden und/oder den Kathoden kann zusätzlich ein Katalysator beigemischt sein, wobei die Membranen vorzugsweise auf ihrer ersten Seite und/oder auf ihrer zweiten Seite mit einer Katalysatorschicht aus einem Edelmetall oder aus Gemischen umfassend Edelmetalle wie Platin, Palladium, Ruthenium oder dergleichen beschichtet sind, die als Reaktionsbeschleuniger bei der Reaktion der jeweiligen Brennstoffzelle 102 dienen.
Über Anodenräume innerhalb des Brennstoffzellenstapels 144 wird den Anoden Brennstoff (zum Beispiel Wasserstoff) zugeführt. In einer Polymerelektrolytmembranbrennstoffzelle (PEM-Brennstoffzelle) werden an der Anode Brennstoff oder Brennstoffmoleküle in Protonen und Elektronen aufgespaltet. Die Membran lässt die Protonen (zum Beispiel H⁺) hindurch, ist aber undurchlässig für die Elektronen (e^-). An der Anode erfolgt dabei die folgende Reaktion: 2H₂ → 4H⁺ + 4e^- (Oxidation/Elektronenabgabe). Während die Protonen durch die Membran zur Kathode hindurchtreten, werden die Elektronen über einen externen Stromkreis an die Kathode oder an einen Energiespeicher geleitet. Über Kathodenräume innerhalb des Brennstoffzellenstapels 144 kann den Kathoden Kathodengas (zum Beispiel Sauerstoff oder Sauerstoff enthaltende Luft) zugeführt werden, so dass kathodenseitig die folgende Reaktion stattfindet: O₂ + 4H⁺ + 4e^- → 2H₂O (Reduktion/E lektronenaufnahme).
Luft- oder kathodenseitig ist ein Verdichter 132 vorhanden, der vorliegend Umgebungsluft ansaugt und verdichtet. Aufgrund dieser Verdichtung erhöht sich die Temperatur des angesaugten Kathodengases, so dass es über eine Verdichterleitung zunächst an einen Ladeluftkühler 134 geleitet wird, um es wieder auf eine gewünschte Temperatur herunter zu kühlen. Ausgehend vom Ladeluftkühler 134 wird das angesaugte, komprimierte Kathodengas einem Befeuchter 140 zugeleitet. Im Befeuchter 140 wird das trockene Kathodengas mit der Feuchtigkeit des Kathodenabgases, welches über eine Kathodenabgasleitung 138 dem Befeuchter 140 zugeführt wird, vermischt und damit ebenfalls befeuchtet, bevor es über die Kathodenzufuhrleitung 136 den Kathodenräumen des Brennstoffzellenstapels 144 zugeführt wird. Außerdem ist der Befeuchter 140 mit einer Abgasleitung 142 verbunden, über welche das verbleibende Kathodenabgas aus dem Brennstoffzellensystem 100 ausgeleitet wird.
Die Anodenräume sind vorliegend stapeleintrittsseitig über eine Anodenzufuhrleitung 120, 122 mit einem das Anodengas, mithin den Brennstoff, bereitstellenden Brennstoffspeicher 130 verbunden. Das Brennstoffzellensystem 100 weist einen Anodenkreislauf 104 auf, wobei über eine Anodenrezirkulationsleitung 116 stapelaustrittsseitig an den Anoden nicht abreagierter Brennstoff, mithin das Anodenabgas, den Anodenräumen erneut zugeführt werden kann. Hierzu ist die Anodenrezirkulationsleitung 116 mit der Anodenzufuhrleitung 120 verbunden, so dass ein Teil 122 der Anodenzufuhrleitung 120 zusammen mit der Anodenrezirkulationsleitung 116 den Anodenkreislauf 104 bildet. Der Anodenrezirkulationsleitung 116 ist vorliegend ein Rezirkulationsgebläse 118 zugeordnet bzw. fluidmechanisch in die Anodenrezirkulationsleitung 116 eingekoppelt. Zudem ist im Verbindungspunkt der Anodenzufuhrleitung 120 und der Anodenrezirkulationsleitung 116 eine Strahlpumpe oder ein Ejektor 124 vorhanden, der die Zirkulation des Gemisches aus Anodenabgases und frischem Anodengas oder Brennstoff begünstigt. Zur Regelung der Zufuhr von frischem Brennstoff ist der Anodenzufuhrleitung 120 - dem Ejektor 124 vorgelagert - ein Brennstoffstellglied 126 zugeordnet bzw. in der Anodenzufuhrleitung 120 angeordnet. Dieses Brennstoffstellglied 126 ist vorzugsweise als ein Druckregelventil gebildet. Stromaufwärts des Druckregelventils ist ein Wärmetauscher 128 in Form eines Rekuperators zur Konditionierung des Brennstoffes angeordnet.
Zudem ist ein Steuergerät 112 vorhanden, das mit unterschiedlichen Komponenten des Brennstoffzellensystems 100 in Kommunikationsverbindung steht, wie die gestrichelten Linien andeuten. Das Steuergerät 112 ist vorliegend ausgelegt, die von der Brennstoffzelle 102 oder dem Brennstoffzellenstapel 144 erzeugte Spannung zu erfassen.
Zudem ist ein Inertgasspeicher 110 vorhanden, der mittels eines Ventils 108 strömungsmechanisch mit der Anodenrezirkulationsleitung 116 verbunden werden kann, um ein Inertgas dem Anodenkreislauf 104 zuzuführen. Hierzu ist das Steuergerät 112 zusätzlich mit dem Ventil 108 verbunden, um dessen Öffnung oder auch dessen Öffnungsgrads einzustellen oder zu steuern. Zudem ist mit der Anodenrezirkulationsleitung 116 ein Purge-Ventil 114 verbunden, um das im Anodenkreislauf 104 befindliche Gasgemisch an die Umgebung oder an einen Verdünner abzugeben.
Das Steuergerät 112 ist ausgelegt, in einem Zeitpunkt eines erwarteten Erreichens oder Überschreitens oder bei einem tatsächlichen Erreichen oder Überschreiten einer Grenzspannung durch die von der Brennstoffzelle 102 erzeugten Spannung den Inertgasspeicher 110 durch eine zumindest teilgeöffnete, insbesondere vollständig geöffnete, Stellung des Ventils 108 derart mit dem Anodenkreislauf 104 zu verbinden, dass ein Partialdruck des Brennstoffes im Anodenkreislauf 104 gesenkt wird durch Zuführen zumindest eines Teils des im Inertgasspeicher 110 gespeicherten Inertgases.
Außerdem ist das Steuergerät 112 - ggfs. unter Zuhilfenahme eines geeigneten Sensors - ausgelegt, eine Gaskonzentration im Anodenkreislauf 104 zu erfassen und eine Zufuhr von frischem Brennstoff über das Brennstoffstellglied 126, eine Zufuhr von Inertgas über das Ventil 108 unter Berücksichtigung einer Diffusion des kathodenseitig in den Anodenkreislauf 104 diffundierenden Inertgases auf eine Zielkonzentration des Brennstoffs, mithin auf einen vorgegebenen Brennstoffpartialdruck, zu regeln.
Dadurch lässt sich ein Niederlastbetrieb der Brennstoffzelle 102 bzw. des Brennstoffzellenstapels 144 realisieren. Ist anschließend wieder ein Betrieb mit gegenüber dem Niederlastbetrieb höherer Last von der Brennstoffzelle 102 zu leisten, so wird der Inertgasspeicher 110 dadurch wieder befüllt, dass aufgrund der vorhandenen Diffusion von Inertgasen der Brennstoffpartialdruck weiter gesenkt wird bis hin zu einer Zielkonzentration, wobei beim Erreichen dieser Zielkonzentration das Ventil 108 des Inertgasspeichers 110 soweit geöffnet wird, dass ein Druckausgleich zwischen dem Inertgasspeicher 110 und dem Anodenkreislauf 104 hergestellt ist. Sobald dieser Druckausgleich vorliegt, wird das Ventil 108 geschlossen, da dann sichergestellt ist, dass eine ausreichende Menge an Inertgas wieder im Inertgasspeicher 110 vorliegt, das für eine spätere Spannungsreduktion der Brennstoffzelle 102 genutzt werden kann. Erst im Anschluss an das Schließen des Ventils 108 wird das Purge-Ventil 114 geöffnet, um das im Anodenkreislauf 104 vorhandene Gasgemisch abzulassen, und um anschließend den Anodenkreislauf 104 wieder hinsichtlich des Brennstoffpartialdrucks anzuheben, der einen Betrieb der Brennstoffzelle 102 unter höherer Last ermöglicht.
Beim Brennstoffzellensystem 100 nach 1 ist der Inertgasspeicher 110 mit der Anodenrezirkulationsleitung 116 des Anodenkreislaufs 104 derart verbunden, dass das Inertgas stromab des Rezirkulationsgebläses 118 in den Anodenkreislauf 104 eingebracht wird.
Beim Brennstoffzellensystem 100 nach 2 ist der Inertgasspeicher mit der Anodenrezirkulationsleitung 116 des Anodenkreislaufs 104 derart verbunden, dass das Inertgas stromauf des Rezirkulationsgebläses, aber stromab des Purge-Ventils 114 in den Anodenkreislauf 104 eingebracht wird.
Beim Brennstoffzellensystem nach 3 ist der Inertgasspeicher 110 mit der Anodenrezirkulationsleitung 116 des Anodenkreislaufs 104 derart verbunden, dass das Inertgas stromauf eines Rezirkulationsgebläses 118 und stromauf des Purge-Ventils 114 in den Anodenkreislauf 104 eingebracht wird.
In 4 ist im oberen Diagramm die Konzentration des Inertgases Stickstoff (c(N₂)) in dem Anodenkreislauf 104 gegenüber der Zeit aufgetragen, wobei die vertikal gepunktete Linie den Zeitpunkt darstellt, in welchem das Ventil 108 zum Inertgasspeicher 110 bei Anforderung eines Potentialreduktion der Brennstoffzelle 102 geöffnet wird. Die vor dem Öffnen ansteigende Konzentration des Stickstoffs rührt aus einer Diffusion des Stickstoffs von der Kathodenseite in den Anodenkreislauf 104. Aus dem unteren Diagramm ist zu erkennen, dass im gleichen Zeitpunkt die Brennstoffzellenspannung (U_FC ) abgesenkt wird, wobei eine entsprechende Regelung der Zufuhr von frischen Brennstoff, und der Zufuhr des Inertgases über das Ventil 108 - ggfs. unter Zuhilfenahme einer Regelung der Drehzahl des Rezirkulationsgebläses 118 - auf ein niedrigeres Niveau erfolgt, so dass die Brennstoffzelle 102 degradationsarm in einem Niederlastbetrieb betrieben wird.
Um nun wieder ein höheres Spannungsniveau U_FC der Brennstoffzelle 102 herbeizuführen, wird die Inertgaskonzentration weiter angehoben bis zu einem Konzentrationsgrenzwert, so dass - bei Vorliegen eines Druckausgleichs zwischen dem Anodenkreislauf 104 und dem Inertgasspeicher 110 - das Ventil 108 wieder geschlossen und anschließend das Purge-Ventil 114 geöffnet wird, um die Wasserstoffkonzentration im Anodenkreislauf 104 wieder anzuheben und den Brennstoffzellenstapel 144 wieder unter einem höheren Lastbetrieb zu betreiben.
Durch die vorstehend beschriebene Konfiguration lässt sich eine schnellere Potentialreduktion der Brennstoffzelle 102 realisieren, wobei geringere Alterungseffekte - vor allem in einem Niederlastbetrieb mit hoher Spannung - vorliegen.
Bezugszeichenliste

100: Brennstoffzellensystem
102: Brennstoffzelle
104: Anodenkreislauf
106: Kathodenversorgung
108: Ventil
110: Inertgasspeicher
112: Steuergerät
114: Purge-Ventil
116: Anodenrezirkulationsleitung
118: Rezirkulationsgebläse
120: Anodenzufuhrleitung
122: Anodenzufuhrleitungsteil (Anodenkreislauf)
124: Ejektor (Strahlpumpe)
126: Brennstoffstellglied
128: Wärmetauscher
130: Brennstoffspeicher
132: Verdichter
134: Ladeluftkühler
136: Kathodenzufuhrleitung
138: Kathodenabgasleitung
140: Befeuchter
142: Abgasleitung
144: Brennstoffzellenstapel

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102010030152 A1 [0003]
US 9431669 B2 [0004]
CN 106058284 A [0005]

Claims

Brennstoffzellensystem (100) mit einer eine Spannung erzeugenden Brennstoffzelle (102), die eine mit einem Anodenkreislauf (104) strömungsverbundene Anode, eine mit einer Kathodenversorgung (106) strömungsverbundene Kathode, und eine die Kathode von der Anode trennende ionenleitfähige Membran umfasst, mit einem mit dem Anodenkreislauf (104) zumindest zeitweise mittels eines Ventils (108) strömungsverbundenen Inertgasspeicher (110), in welchem ein Inertgas oder ein Gemisch umfassend ein Inertgas speicherbar oder gespeichert ist, und mit einem Steuergerät (112), das ausgelegt ist, in einem Zeitpunkt eines erwarteten Erreichens oder Überschreitens oder bei einem tatsächlichen Erreichen oder Überschreiten einer Grenzspannung durch die von der Brennstoffzelle (102) erzeugten Spannung den Inertgasspeicher (110) durch eine zumindest teilgeöffnete Stellung des Ventils (108) derart mit dem Anodenkreislauf (104) zu verbinden, dass ein Partialdruck eines Brennstoffes im Anodenkreislauf (104) gesenkt wird durch Zuführen zumindest eines Teils des im Inertgasspeicher (110) gespeicherten Inertgases, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (112) ausgelegt ist, eine Gaskonzentration im Anodenkreislauf (104) zu erfassen und im Falle des Erreichens eines Konzentrationsgrenzwerts des Inertgases oder des Brennstoffes das zum Inertgasspeicher (110) führende Ventil (108) zu schließen.
Brennstoffzellensystem (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Anodenkreislauf (104) ein Purge-Ventil (114) vorhanden ist, und dass das Steuergerät (112) ausgelegt ist, das Purge-Ventil (114 zumindest teilweise zu öffnen, wenn das zum Inertgasspeicher (110) führende Ventil (108) geschlossen ist.
Brennstoffzellensystem (100) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Inertgasspeicher (110) mit einer Anodenrezirkulationsleitung (116) des Anodenkreislaufs (104) verbunden ist, derart, dass das Inertgas stromab eines Rezirkulationsgebläses (118) in den Anodenkreislauf (104) einbringbar ist.
Brennstoffzellensystem (100) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Inertgasspeicher (110) mit einer Anodenrezirkulationsleitung (116) des Anodenkreislaufs (104) verbunden ist, derart, dass das Inertgas stromauf eines Rezirkulationsgebläses (118) aber stromab des Purge-Ventils (114) in den Anodenkreislauf (104) einbringbar ist.
Brennstoffzellensystem (100) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Inertgasspeicher (110) mit einer Anodenrezirkulationsleitung (116) des Anodenkreislaufs (104) verbunden ist, derart, dass das Inertgas stromauf eines Rezirkulationsgebläses (118) und stromauf des Purge-Ventils (114) in den Anodenkreislauf (104) einbringbar ist.
Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch die Schritte: - Erstellen einer Prognose einer Spannung oder Messen einer von der Brennstoffzelle (102) erzeugten Spannung, - Senken eines Partialdruckes eines Brennstoffs im Anodenkreislauf (104) durch Zuführen zumindest eines Teils eines in einem Inertgasspeicher (110) gespeicherten Inertgases oder eines Gemisches umfassend ein Inertgas durch zumindest teilweises Öffnen eines zum Inertgasspeicher (110) führenden Ventils (108) in einem Zeitpunkt eines erwarteten Erreichens oder Überschreitens oder bei einem tatsächlichen Erreichen oder Überschreiten einer Grenzspannung durch die von der Brennstoffzelle (102) erzeugten Spannung, - Erfassen einer Gaskonzentration im Anodenkreislauf (104), und - Regeln des Partialdrucks des Brennstoffs auf einen vorgegebenen Brennstoffpartialdruck im Anodenkreislauf (104).
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Purge-Ventil (114) zumindest teilgeöffnet wird, wenn das zum Inertgasspeicher (110) führende Ventil (108) geschlossen wurde.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil (108) in einem Zeitpunkt geschlossen wird, in welchem ein im Anodenkreislauf (104) vorliegender Druck im Wesentlichen einem im Inertgasspeicher (110) vorliegenden Druck entspricht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Öffnungsgrad des zum Inertgasspeicher (110) führenden Ventils (108) abhängig ist von einem über eine Anodenzufuhrleitung (120) zugeführten frischen Brennstoff, einem Verbrauch des Brennstoffes in der Brennstoffzelle (102) und einer Diffusion des Inertgases von der Kathode in den Anodenkreislauf (104).
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein Absolutdruck und der Partialdruck des Brennstoffes innerhalb des Inertgasspeichers (110) gemessen oder ermittelt wird, und dass das Ventil (108) erst bei Erreichen eines vorgegebenen oder vorgebbaren Druckwerts geschlossen wird.