DE102018218088A1

DE102018218088A1 - Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems und Brennstoffzellensystem zur Durchführung des Verfahrens

Info

Publication number: DE102018218088A1
Application number: DE102018218088.1A
Authority: DE
Inventors: Christian Lucas
Original assignee: Audi AG; Volkswagen AG
Current assignee: Audi AG; Volkswagen AG
Priority date: 2018-10-23
Filing date: 2018-10-23
Publication date: 2020-04-23

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems (1) mit einer Brennstoffzelle (2), die eine in einen Anodenkreislauf (3) eingebundene Anode, eine Kathode sowie eine die Anode von der Kathode trennende ionenleitfähige Membran umfasst, wobei der Anodenkreislauf (3) eine stromab mit der Brennstoffzelle (2) verbundene Anodenrezirkulationsleitung (14) aufweist, um an der Anode unverbrauchter Brennstoff stromauf der Brennstoffzelle (2) erneut zuzuführen, und wobei in die Anodenrezirkulationsleitung (14) ein Wasserabscheider (4) eingebunden ist, gekennzeichnet durch die Schritte:- Erstellen einer Prognose einer Spannung oder Messen einer von der Brennstoffzelle (2) erzeugten Spannung, und- Reduzieren einer Wassermenge zumindest in einem Bereich des Anodenkreislaufs (3), wenn die prognostizierte Spannung oder die gemessene Spannung der Brennstoffzelle (2) eine Grenzspannung oder ein Grenzspannungsgefälle erreicht oder unterschreitet aufgrund eines erwarteten oder tatsächlichen Rückflusses zumindest eines Teils des im Wasserabscheider (4) enthaltenen Flüssigwassers in den Anodenkreislauf (3). Die Erfindung betrifft außerdem ein Brennstoffzellensystem (1) zur Durchführung des Verfahrens.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems mit einer Brennstoffzelle, die eine in einen Anodenkreislauf eingebundene Anode, eine Kathode sowie eine die Anode von der Kathode trennende ionenleitfähige Membran umfasst, wobei der Anodenkreislauf eine stromab mit der Brennstoffzelle verbundene Anodenrezirkulationsleitung aufweist, um an der Anode unverbrauchter Brennstoff stromauf der Brennstoffzelle erneut zuzuführen, und wobei in die Anodenrezirkulationsleitung ein Wasserabscheider eingebunden ist. Außerdem betrifft die Erfindung ein Brennstoffzellensystem zur Durchführung des Verfahrens.
In einem Anodenkreislauf des Brennstoffzellesystems wird ein Wasserabscheider benötigt, der das anodenseitig anfallende flüssige Wasser aus dem System entfernt. Das System wird dabei über ein Abscheiderventil z.B in die Abgasanlage der Kathode geleitet, wobei sich in einem Reservoir des Wasserabscheiders eine bestimmte Wassermenge ansammelt, da das Wasser nicht kontinuierlich abgelassen werden kann. Die sich ansammelnde Menge hängt stark vom Regelungs- und Systemkonzept ab wobei in manchen Fällen das Wasser dazu verwendet wird, um eine Barriere zwischen dem Anodenkreislauf und dem Ausgang des Abscheiderventils herzustellen, um zu verhindern, dass Brennstoff über das Ventil im geöffneten Zustand entweichen kann. In einem solchen Fall muss ein ausreichend hoher Wasserspiegel sichergestellt werden.
Bei unebenem Untergrund oder bei starken Längs- und/oder Querbeschleunigungskräften die auf das Brennstoffzellensystem, insbesondere auf das das Brennstoffzellensystem verwendende Brennstoffzellenfahrzeug einwirken, besteht die Gefahr, dass angesammeltes Wasser dem Reservoir des Wasserabscheiders aufgeschaukelt wird und hochspritzt, und dass das durch den Wasserabscheider strömende Anodenabgas dieses hochgespritzte Wasser mitnimmt und zur Brennstoffzelle bzw. zum Brennstoffzellenstapel fördert. Eingetragenes Wasser kann zu einer lokalen Unterversorgung der Brennstoffzelle und somit zu deren Schädigung oder zur Schädigung von ganzen Teilen des Brennstoffzellenstapels führen.
In der KR 2010 0 058 867 A ist ein Verfahren zur kontrollierten Flüssigkeitsabgabe aus einer Wasserfalle beschrieben. Auch in der JP 2008 112 647 A wird ein Verfahren beschrieben, um ein Fluten der Brennstoffzelle durch Flüssigkeit aufgrund von großen Neigungen oder Beschleunigungskräften zu detektieren und zu beseitigen.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems sowie ein Brennstoffzellensystem zur Durchführung dieses Verfahrens anzugeben, die den vorstehend genannten Nachteilen Rechnung tragen.
Der das Verfahren betreffende Teil der Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und der das Brennstoffzellensystem betreffende Teil der Aufgabe wird mit einem Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Das Verfahren umfasst insbesondere die folgenden Schritte:

- Erstellen einer Prognose einer Spannung oder Messen einer von der Brennstoffzelle erzeugten Spannung, und
- Reduzieren einer Wassermenge zumindest in einem Bereich des Anodenkreislaufs, wenn die prognostizierte Spannung oder die gemessene Spannung der Brennstoffzelle eine Grenzspannung oder ein Grenzspannungsgefälle erreicht oder unterschreitet aufgrund eines erwarteten oder tatsächlichen Rückflusses zumindest eines Teils des im Wasserabscheider enthaltenen Flüssigwassers in den Anodenkreislauf.

Durch die Erstellung der Spannungsprognose oder mittels der permanenten Messung der Spannung der Brennstoffzelle des Systems oder aller Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels mittels eines CVM-Systems (CVM engl. für „cell voltage monitoring“) kann überprüft werden, ob flüssiges Wasser in die Brennstoffzelle oder in den Brennstoffzellenstapel eingetragen wird oder wurde. Ein solcher Flüssigkeitseintrag führt zu einem Spannungseinbruch der Brennstoffzelle oder zu einem Spannungseinbruch der ersten paar Zellen eines Brennstoffzellenstapels nahe des Stapeleintritts. Tropfen werden dabei in die Zellen gesaugt und es kommt zu einer Unterversorgung mit den Reaktanten, insbesondere dem Brennstoff. Weiter vom Stapeleintritt entfernt liegende Zellen zeigen dabei keinen Spannungseinbruch. Somit ist es also bekannt anhand der Spannungserfassung oder auch anhand einer Prognose der Spannung zu erkennen, oder ggfs. wann zu erwarten ist, dass Flüssigwasser aus dem Wasserabscheider in den Anodenkreislauf und damit in die Brennstoffzelle oder den Brennstoffzellenstapel gelangt.
In diesem Zusammenhang hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn der Füllstand der Flüssigkeit in einem Reservoir des Wasserabscheiders gemessen oder ermittelt wird, und wenn die Prognose der von der Brennstoffzelle erzeugten Spannung in Abhängigkeit des Füllstandes erstellt wird. Beispielsweise ist bei einem höheren Füllstand die Wahrscheinlichkeit größer, dass ein Spannungseinbruch, mithin ein Erreichen oder Unterschreiten der Grenzspannung, vorliegen kann. Eine niedrigerer Füllstand führt zu einer geringeren Wahrscheinlichkeit eines solchen Spannungseinbruchs.
Tritt ein Spannungseinbruch in der Brennstoffzelle oder bei den ersten Zellen eines Brennstoffzellenstapels auf, so liegt eine überwiegende Wahrscheinlichkeit vor, das Wasser am Stapeleintritt vorhanden ist. Dabei lässt sich aber noch kein Rückschluss darauf ziehen, ob dieses Wasser kathodenseitig oder anodenseitig vorliegt. Durch die Kombination mit und der Ermittlung von weitern anderen Rahmenbedingungen kann die Position (Kathode oder Anode) des Flüssigwassers näher eingegrenzt werden.
In diesem Zusammenhang hat es sich daher als sinnvoll erwiesen, wenn Längsbeschleunigungen und/oder Querbeschleunigungen und/oder eine Lage des Brennstoffzellensystems mittels mindestens eines Sensors erfasst werden, und wenn die Prognose der von der Brennstoffzelle erzeugten Spannung in Abhängigkeit von durch den mindestens einen Sensor erfasster Werte erstellt wird. Somit kann also einerseits ein Spannungseinbruch detektiert werden, und andererseits ermittelt werden, ob aufgrund der vom Sensor erfassten Werte die Wahrscheinlichkeit hoch ist, das Wasser an die Anode der Brennstoffzelle bzw. des Brennstoffzellenstapels gelangt ist.
Eine solche Wahrscheinlichkeitsrechnung lässt sich auch prädiktiv realisieren, beispielsweise dadurch, dass die Prognose der von der Brennstoffzelle erzeugten Spannung in Abhängigkeit einer mittels eines Navigationssystems gewählten Fahrtroute erstellt wird. Beispielsweise ist die Wahrscheinlichkeit höher, dass ein Wasseraustritt aus dem Wasserabscheider auftritt, wenn Bergfahrten bevorstehen, gegenüber denjenigen Fällen, in denen eine ebene Fahrbahn vorliegt. Gleiches gilt bei einer kurvenreichen Strecke, bei der sehr große Querbeschleunigungskräfte vorhanden sind, die die Wahrscheinlichkeit eines Wasseraustritt aus dem Wasserabscheider erhöhen. Auch starke Beschleunigungen, beispielsweise bei Fahrstrecken entlang von Autobahnen, können zu einer Steigerung der Wahrscheinlichkeit eines Wasseraustritts beitragen.
In diesem Zusammenhang hat es sich auch als vorteilhaft erwiesen, wenn die Prognose der von der Brennstoffzelle erzeugten Spannung in Abhängigkeit von entlang eines Streckenabschnitts der Fahrtroute ermittelten Verkehrsdaten erstellt wird. Solche Streckenabschnitte können beispielsweise stauträchtige oder baustellenträchtige Fahrtrouten sein, wobei zu erwarten ist, dass hier ein größeres Schwappen der Flüssigkeit im Wasserabscheider auftritt, was die Wahrscheinlichkeit für den Austritt der Flüssigkeit aus dem Wasserabscheider und einen Eintritt dieser Flüssigkeit in die Brennstoffzelle erhöht.
In diesem Zusammenhang hat es sich auch als vorteilhaft erwiesen, wenn eine Fahrbahn optisch erfasst wird, und wenn die Prognose der von der Brennstoffzelle erzeugten Spannung in Abhängigkeit einer Fahrbahnbeschaffenheit, insbesondere kurzfristig, erstellt wird. Damit können beispielsweise Fälle von Schlaglöchern oder unebenen Straßenabschnitten sehr kurzfristig erfasst werden, wobei der Füllstand innerhalb des Wasserreservoirs auf ein geeignetes Maß eingestellt werden kann, um ein Austritt der Flüssigkeit aus dem Wasserabscheider zu verhindern.
Alternativ oder ergänzend ist es auch möglich, die Prognose der von der Brennstoffzelle erzeugten Spannung in Abhängigkeit eines historischen Betriebs des Brennstoffzellensystems vorzunehmen. Beispielweise kann hierfür eine Prozessoreinheit vorgesehen sein, die über einen Datenspeicher verfügt, in welchem Daten zum Betrieb des Brennstoffzellensystems hinterlegt sind. Diese Daten können uhrzeit- und/oder datumsbezogen sein, so dass das Brennstoffzellensystem beispielsweise frühzeitig darüber informiert ist, dass ein Fahrer bereits eine bekannte Fahrtroute wählen wird, bei der ein Austritt der Flüssigkeit und damit eine Senkung oder ein Spannungseinbruch der Brennstoffzellen zu erwarten ist. Hier kann also präventiv der Füllstand innerhalb des Wasserabscheiders herabgesetzt oder auch andere geeignete Maßnahmen ergriffen werden.
In diesem Zusammenhang ist die Möglichkeit eröffnet, dass das Reduzieren der Wassermenge zumindest in dem Bereich des Anodenkreislaufs mittels Maßnahmen erfolgt, die ausgewählt sind aus einer Gruppe, umfassend:

- Vollständiges oder teilweises Entleeren eines Reservoirs des Wasserabscheiders auf einen vorgegebenen oder vorgebbaren Füllstand mittels Öffnen eines Abscheiderventils. Hierbei kann also eine geeignete Anpassung einer Wasserablassstrategie erfolgen, wobei vorzugsweise das Abscheiderventil bei einer hohen Wahrscheinlichkeit eines Spannungseinbruchs häufiger geöffnet wird.
- Leistungsreduzierung oder Abschaltung des Brennstoffzellensystems, wobei hierbei insbesondere die Wassermenge am Stapelaustritt oder am Austritt der Brennstoffzelle reduziert wird. In diesem Fall wird die Fahrleistung vermehrt bzw. vollständig über eine Hochvoltbatterie bereitgestellt.
- Erhöhung einer Temperatur oder einer Temperaturdifferenz eines durch die Brennstoffzelle geförderten Kühlmittels, was eine Wassermenge am Stapelaustritt oder am Austritt der Brennstoffzelle reduziert.
- Erhöhung einer Drehzahl eines in den Anodenkreislauf eingebundenen Rezirkulationsgebläses, um die Stöchiometrie anodenseitig zu erhöhen. Hierdurch wird das flüssige Wasser besser durch die Brennstoffzelle bzw. den Brennstoffzellenstapel gedrückt, wobei vermehrt Wasserstoff zugeführt ist. Das Risiko der lokalen Unterversorgung sinkt dabei.
- Öffnen eines in den Anodenkreislauf eingebundenen Purgeventils unter verstärkter Zufuhr eines frischen Anodengases, was zu einer Erhöhung der Wasserstoffkonzentration im Anodenkreislauf führt und zugleich die Stöchiometrie anodenseitig erhöht.

Mittels eines CVM-Systems ist die Möglichkeit eröffnet, dass das Brennstoffzellensystem eine zu einem Brennstoffzellenstapel zusammengefasste Mehrzahl von Brennstoffzellen umfasst, wobei eine Einzelzellspannung jeder der im Brennstoffzellenstapel vorhandenen Brennstoffzellen erfasst oder prognostiziert wird, und wobei anhand eines Spannungseinbruchs in Verbindung mit mindestens einem weiteren fahrzeug- oder fahrerbezogenen Kriterium festgestellt wird, dass Flüssigkeit im Anodenkreislauf vorliegt. Hierdurch ist gewährleistet, dass festgestellt werden kann, an welcher Stelle innerhalb eines Brennstoffzellenstapels ein Spannungseinbruch aufgrund des Vorhandenseins von Flüssigwassers erfolgt oder unter Umständen bereits zu Zellschädigungen geführt hat.
Das Brennstoffzellensystem zur Durchführung des Verfahrens zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass es ein Steuergerät umfasst, welches ausgebildet ist, eine Spannung zu erfassen, welche von einer Brennstoffzelle erzeugt wird, die eine in einen Anodenkreislauf eingebundenen Anode, eine Kathode sowie eine die Kathode von der Anode trennende ionenleitfähige Membran umfasst. Zudem ist eine stromab mit der Brennstoffzelle verbundene und in den Anodenkreislauf eingebundene Anodenrezirkulationsleitung vorhanden, um an der Anode unverbrauchter Brennstoff stromauf der Brennstoffzelle erneut zuzuführen, wobei ein in die Anodenrezirkulationsleitung stromab der Brennstoffzelle eingebundener Wasserabscheider vorhanden ist, in welchem eine vordefinierte Menge an Flüssigwasser speicherbar oder gespeichert ist. Das Steuergerät ist ausgebildet, Maßnahmen zur Reduzierung einer Wassermenge zumindest in einem Bereich des Anodenkreislaufs zu ergreifen in einem Zeitpunkt eines erwarteten Erreichens oder Unterschreitens oder bei einem tatsächlichen Erreichen oder Unterschreiten einer Grenzspannung oder eines Spannungsgefälles der von der Brennstoffzelle erzeugten Spannung aufgrund eines Rückflusses zumindest eines Teils des im Wasserabscheider enthaltenen Flüssigwassers in den Anodenkreislauf.
Die für das Verfahren beschriebenen Vorteile und bevorzugten Ausführungsformen gelten auch für das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem.
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 Ausführungen 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 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems, und
2 eine schematische Schnittansicht eines Wasserabscheiders.

In 1 ist ein über eine Kommunikationsverbindung 10 mit einem Fahrzeugsteuergerät 9 verbundenes Steuergerät 25 eines Brennstoffzellensystems 1 gezeigt. Das Brennstoffzellensystem 1 umfasst einen Brennstoffzellenstapel 11, der eine Mehrzahl von in Reihe geschalteten Brennstoffzellen 2 aufweist. Die Reihenschaltung der Brennstoffzellen 2 ist der Figur nur schematisch angedeutet. Das Brennstoffzellensystem 1 und das Fahrzeugsteuergerät 9 sind Teile eines nicht näher dargestellten Brennstoffzellenfahrzeugs.
Jede der Brennstoffzellen 2 umfasst eine Anode und eine Kathode sowie eine die Anode von der Kathode trennende ionenleitfähige, insbesondere 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 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 2 dienen.
Über Anodenräume innerhalb des Brennstoffzellenstapels 11 wird den Anoder Brennstoff (z.B. Wasserstoff) zugeführt. In einer Polymerelektrolytmembranbrennstoffzelle (PEM-Brennstoffzelle) werden an der Anode Brennstoff oder Brennstoffmoleküle in Protonen und Elektronen aufgespaltet. Die Membran lässt die Protonen (z.B. 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 11 kann den Kathoden Kathodengas (z.B. Sauerstoff oder Sauerstoff enthaltende Luft) zugeführt werden, so dass kathodenseitig die folgende Reaktion stattfindet: O₂ + 4H⁺ + 4e- → 2H₂O (Reduktion/Elektronenaufnahme).
Die Anodenräume sind vorliegend über eine Anodenzufuhrleitung 12 mit einem den Brennstoff bereitstellenden Brennstoffspeicher 13 verbunden. Über eine Anodenrezirkulationsleitung 14 kann an den Anoden nicht abreagierter Brennstoff den Anodenräumen erneut zugeführt werden. Hierbei wird der Anodenrezirkulationsleitung 14 beispielsweise ein Rezirkulationsgebläse 6 zugeordnet bzw. fluidmechanisch in die Anodenrezirkulationsleitung 14 eingekoppelt. Zur Regelung der Zufuhr des Brennstoffes ist der Anodenzufuhrleitung 12 ein Brennstoffstellglied 15 zugeordnet bzw. in der Anodenzufuhrleitung 12 angeordnet. Dieses Brennstoffstellglied 15 ist vorzugsweise als ein Druckregelventil gebildet. Stromaufwärts des Druckregelventils ist ein Wärmetauscher 16 in Form eines Rekuperators zur (Vor-)Erwärmung oder Konditionierung des Brennstoffes angeordnet.
Luft- oder kathodenseitig ist ein Verdichter 17 vorhanden, der vorliegend Umgebungsluft ansaugt und verdichtet. Aufgrund dieser Verdichtung erhöht sich die Temperatur des angesaugten Kathodengases, so dass es über eine Verdichterleitung 18 zunächst an einen Ladeluftkühler 19 geleitet wird, um es wieder auf eine gewünschte Temperatur herunter zu kühlen. Ausgehend vom Ladeluftkühler 19 wird das angesaugte, komprimierte Kathodengas einem Befeuchter 20 zugeleitet. Im Befeuchter 20 wird das trockene Kathodengases mit der Feuchtigkeit des Kathodenabgases, welches über eine Kathodenabgasleitung 21 dem Befeuchter 20 zugeführt wird, vermischt und damit ebenfalls befeuchtet, bevor es über die Kathodenzufuhrleitung 8 den Kathodenräumen des Brennstoffzellenstapels 11 zugeführt wird. Außerdem ist der Befeuchter 20 mit einer Abgasleitung 22 verbunden, über welche das verbleibende Kathodenabgas aus dem Brennstoffzellensystem 1 ausgeleitet wird.
Vorliegend ist in die Anodenrezirkulationsleitung 14 ein Wasserabscheider 4 eingebunden, in welchem anodenseitig anfallendes Wasser im Anodenkreislauf 3 gesammelt wird. In 2 ist der Wasserabscheider 4 skizziert, wobei dieser einen mit der Anode der Brennstoffzelle 2 verbundenen Einlass 26 aufweist, in den das Anodenabgas in den Wasserabscheider 4 geleitet ist. Vertikal nach oben versetzt zum Einlass 26 ist ein Auslass 27 vorhanden, über den das Anodenabgas aus dem Wasserabscheider 4 wieder austritt und somit rezirkuliert wird, insbesondere also der Brennstoffzelle 2 bzw. dem Brennstoffzellenstapels 11 stromauf erneut zugeführt wird. Flüssigkeit wird innerhalb des Wasserabscheiders 4 abgeschieden, wozu geeignete Lochbleche, Membranen oder dergleichen Verwendung finden können. Schematisch dargestellt ist ein Füllstand 8 der Flüssigkeit, wobei dieser Füllstand 8 dazu genutzt werden kann, um den Anodenkreislauf 3 abzudichten, wobei eine druch den Füllstand 8 realisierte Wasservorlage gewährleistet, dass kein Brennstoff aus dem Anodenkreislauf 3 beispielsweise über das Abscheiderventil 5 austritt. Durch geeignetes Öffnen oder Schließen des Abscheiderventils 5 lässt sich der Füllstand 8 einstellen, wozu geeignete Füllstandsensoren vorhanden sein können.
Zurückkommend zu 1 ist dort ein (Brennstoffzellen-) Steuergerät 25 gezeigt, das in einer Kommunikationsverbindung 10 mit einer oder mit mehreren oder mit allen Brennstoffzellen 2 des Brennstoffzellenstapels 11 steht, und daher in einer bevorzugten Ausführungsform, die Einzelzellenspannungen jeder Brennstoffzelle 2 erfassen kann. Dies bildet damit also ein CVM-System (CVM engl. für „cell voltage monitoring“). Über eine weitere Kommunikationsverbindung 10 steht das Steuergerät 25 vorzugsweise in bidirektionaler Kommunikation mit dem Fahrzeugsteuergerät 9. Dieses ist verbunden mit einem Sensor 23, der beispielsweise Längsbeschleunigungen und/oder Querbeschleunigungen und/oder eine Lage des Brennstoffzellensystems 1 oder des Brennstoffzellenfahrzeugs erfasst.
Es können Situationen auftreten, bei denen der Füllstand 8 des Wasserabscheiders 4 einen Wert erreicht, der in Verbindung mit anderen Einflüssen, wie Beschleunigungen, Lage oder dergleichen dazu führt, dass die Flüssigkeit über den Auslass 27 des Wasserabscheiders 4 in den Anodenkreislauf 3 gelangt und anschließend dem Brennstoffzellenstapel 11 zugeführt wird.
In einem solchen Fall erfasst das Steuergerät 25 einen Spannungseinbruch, insbesondere bei den stapeleintrittsseitigen Brennstoffzellen 2, wobei die stapelaustrittsseitigen Brennstoffzellen 2 häufig keinem solchen Spannungseinbruch unterliegen. Aufgrund des nur begrenzt über den Brennstoffzellenstapel 11 auftretenden Spannungseinbruchs liegt die Vermutung nahe, dass am Stapeleintritt Wasser vorliegt, wobei zunächst nicht klar ist, ob das Wasser kathodenseitig oder anodenseitig zum Unterschreiten des Spannungsgrenzwerts führte. Mithilfe von weiteren fahrzeug- oder fahrerbezogenen Kriterien kann ein anodenseitiger Wassereintrag in den Stapel dann validiert werden.
Das Steuergerät 25 ist in einer solchen Situation des Wassereintrags dazu ausgelegt, Maßnahmen zur Reduzierung einer Wassermenge zumindest in einem Bereich des Anodenkreislaufs 3 zu ergreifen, wenn die bei einer oder bei mehreren Brennstoffzellen 2 gemessene Spannung eine Grenzspannung erreicht oder unterschreitet aufgrund eines Rückflusses zumindest eines Teils des im Wasserabscheider 4 enthaltenen Flüssigwassers in den Anodenkreislauf 3.
Das Steuergerät 25 ist ausgebildet, eine oder mehrere der folgenden Maßnahmen zu veranlassen:

- Vollständiges oder teilweises Entleeren des Reservoirs 7 des Wasserabscheiders 4 auf einen vorgegebenen oder vorgebbaren Füllstand 8 mittels Öffnen des Abscheiderventils 5,
- Leistungsreduzierung oder Abschalten des Brennstoffzellensystems 1,
- Erhöhung einer Temperatur oder einer Temperaturdifferenz eines durch die Brennstoffzelle 2 oder dem Brennstoffzellenstapel 11 geförderten Kühlmittels,
- Erhöhung der Drehzahl des in den Anodenkreislauf 3 eingebundenen Rezirkulationsgebläses 6, oder
- Öffnen eines in den Anodenkreislauf 3 eingebundenen Purgeventils 24 unter vorzugsweise verstärkter Zufuhr von frischem Anodengas oder Brennstoff.

Es sei darauf hingewiesen, dass die Maßnahmen nicht nur in Fällen eines tatsächlichen Erreichens oder Unterschreitens der Grenzsperrung oder bei einem tatsächlichen Erreichen eines Grenzspannungsgefälle ergriffen werden, sondern auch ein prädiktiver Betrieb durch ein Prognostizieren der von der Brennstoffzelle 2 oder dem Brennstoffzellenstapel 11 erzeugten Spannung möglich ist.
In diesem Zusammenhang ist es möglich, dass der Füllstand 8 der Flüssigkeit in dem Reservoir 7 des Wasserabscheiders 6 gemessen oder ermittelt wird, und dass die Prognose der von der Brennstoffzelle 2 oder dem Brennstoffzellenstapel 11 erzeugten Spannung in Abhängigkeit des Füllstandes 8 erstellt wird.
Zudem ist es möglich, dass mittels des Sensors 23 Längsbeschleunigungen und/oder Querbeschleunigungen und/oder eine Lage des Brennstoffzellensystems 1 erfasst wird, und dass die Prognose der von der Brennstoffzelle 2 oder dem Brennstoffzellenstapel 11 erzeugten Spannung in Abhängigkeit von durch den mindestens einen Sensor 23 erfasster Werte erstellt wird.
Ein Spannungseinbruch lässt sich zudem dadurch präventiv verhindern, dass die Prognose der von der Brennstoffzelle 2 oder dem Brennstoffzellenstapel 11 erzeugten Spannung in Abhängigkeit einer mittels eines Navigationssystems gewählten Fahrtroute erstellt wird.
Zudem ist die Möglichkeit eröffnet, dass die Prognose der von der Brennstoffzelle 2 oder dem Brennstoffzellenstapel 11 erzeugte Spannung in Abhängigkeit von entlang eines Streckenabschnitts der Fahrtroute ermittelten Verkehrsdaten erstellt wird.
Zudem kann eine Kamera vorhanden sein, die ausgelegt ist, um eine Fahrbahn optisch zu erfassen, wobei die Prognose der von der Brennstoffzelle 2 oder dem Brennstoffzellenstapel 11 erzeugten Spannung in Abhängigkeit einer Fahrbahnbeschaffenheit, möglichst kurzfristig, erstellt wird.
Alternativ oder zusätzlich kann eine Prognose der von der Brennstoffzelle 2 oder dem Brennstoffzellenstapel 11 erzeugten Spannung auch in Abhängigkeit eines historischen Betriebs des Brennstoffzellensystems 1 erfolgen.
Abschließend ist also mit der Erfindung die Möglichkeit einer wechselseitigen Validierung eröffnet, um festzustellen, dass anodenseitig, insbesondere am Stapeleintritt des Brennstoffzellenstapels 11, ein Flüssigkeitseintrag stattgefunden hat oder gegebenenfalls bevorsteht. In Reaktion dazu können geeignete, vorstehend beschriebene Maßnahmen ergriffen werden, um den Flüssigkeitseintrag zu beseitigen oder um einen solchen präventiv zu verhindern.
Bezugszeichenliste

1: Brennstoffzellensystem
2: Brennstoffzelle
3: Anodenkreislauf
4: Wasserabscheider
5: Abscheiderventil
6: Rezirkulationsgebläse
7: Reservoir
8: Füllstand
9: Steuergerät
10: Kommunikationsverbindung
11: Brennstoffzellenstapel
12: Anodenzufuhrleitung
13: Brennstoffspeicher
14: Anodenrezirkulationsleitung
15: Brennstoffstellglied
16: Wärmetauscher
17: Verdichter
18: Verdichterleitung
19: Ladeluftkühler
20: Befeuchter
21: Kathodenabgasleitung
22: Abgasleitung
23: Sensor
24: Purgeventil
25: Steuergerät
26: Einlass
27: Auslass

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

KR 20100058867 A [0004]
JP 2008112647 A [0004]

Claims

Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems (1) mit einer Brennstoffzelle (2), die eine in einen Anodenkreislauf (3) eingebundene Anode, eine Kathode sowie eine die Anode von der Kathode trennende ionenleitfähige Membran umfasst, wobei der Anodenkreislauf (3) eine stromab mit der Brennstoffzelle (2) verbundene Anodenrezirkulationsleitung (14) aufweist, um an der Anode unverbrauchter Brennstoff stromauf der Brennstoffzelle (2) erneut zuzuführen, und wobei in die Anodenrezirkulationsleitung (14) ein Wasserabscheider (4) eingebunden ist, gekennzeichnet durch die Schritte: - Erstellen einer Prognose einer Spannung oder Messen einer von der Brennstoffzelle (2) erzeugten Spannung, und - Reduzieren einer Wassermenge zumindest in einem Bereich des Anodenkreislaufs (3), wenn die prognostizierte Spannung oder die gemessene Spannung der Brennstoffzelle (2) eine Grenzspannung oder ein Grenzspannungsgefälle erreicht oder unterschreitet aufgrund eines erwarteten oder tatsächlichen Rückflusses zumindest eines Teils des im Wasserabscheider (4) enthaltenen Flüssigwassers in den Anodenkreislauf (3).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Füllstand (8) der Flüssigkeit in einem Reservoir (7) des Wasserabscheiders (6) gemessen oder ermittelt wird, und dass die Prognose der von der Brennstoffzelle (2) erzeugten Spannung in Abhängigkeit des Füllstandes (8) erstellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass Längsbeschleunigungen und/oder Querbeschleunigungen und/oder eine Lage des Brennstoffzellensystems (1) mittels mindestens eines Sensors (23) erfasst wird, und dass die Prognose der von der Brennstoffzelle (2) erzeugten Spannung in Abhängigkeit von durch den mindestens einen Sensor (23) erfasster Werte erstellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Prognose der von der Brennstoffzelle (2) erzeugten Spannung in Abhängigkeit einer mittels eines Navigationssystems (9) gewählten Fahrtroute erstellt wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Prognose der von der Brennstoffzelle (2) erzeugten Spannung in Abhängigkeit von entlang eines Streckenabschnitts der Fahrtroute ermittelten Verkehrsdaten erstellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Fahrbahn optisch erfasst wird, und dass die Prognose der von der Brennstoffzelle (2) erzeugten Spannung in Abhängigkeit einer Fahrbahnbeschaffenheit erstellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Prognose der von der Brennstoffzelle (2) erzeugten Spannung in Abhängigkeit eines historischen Betriebs des Brennstoffzellensystems (1) erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Reduzieren der Wassermenge zumindest in dem Bereich des Anodenkreislaufs (3) mittels Maßnahmen erfolgt, die ausgewählt sind aus einer Gruppe, umfassend: - Vollständiges oder teilweise Entleeren eines Reservoirs (7) des Wasserabscheiders (4) auf einen vorgegebenen oder vorgebbaren Füllstand (8) mittels Öffnen eines Abscheiderventils (5), - Leistungsreduzierung oder Abschalten des Brennstoffzellensystems (1), - Erhöhung einer Temperatur oder einer Temperaturdifferenz eines durch die Brennstoffzelle (2) geförderten Kühlmittels, - Erhöhung einer Drehzahl eines in den Anodenkreislauf (3) eingebundenen Rezirkulationsgebläses (6), und - Öffnen eines in den Anodenkreislauf (3) eingebundenen Purgeventils (24) unter verstärkter Zufuhr eines frischen Anodengases.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Brennstoffzellensystem (1) eine zu einem Brennstoffzellenstapel (11) zusammengefasste Mehrzahl von Brennstoffzellen (2) umfasst, dass eine Einzelzellspannung jeder der im Brennstoffzellenstapel (11) vorhandenen Brennstoffzellen (2) erfasst oder prognostiziert wird, und dass anhand eines Spannungseinbruchs in Verbindung mit mindestens einem weiteren fahrzeug- oder fahrerbezogenen Kriterium festgestellt wird, dass Flüssigkeit im Anodenkreislauf (3) vorliegt.
Brennstoffzellensystem (1) zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9, mit einem Steuergerät (25), das ausgebildet ist, eine Spannung zu erfassen, welche von einer Brennstoffzelle (2) erzeugt wird, die eine in einen Anodenkreislauf (3) eingebundene Anode, eine Kathode sowie eine die Kathode von der Anode trennende ionenleitfähige Membran umfasst, mit einer stromab mit der Brennstoffzelle (2) verbundenen und in den Anodenkreislauf (3) eingebundenen Anodenrezirkulationsleitung (14), um an der Anode unverbrauchter Brennstoff stromauf der Brennstoffzelle (2) erneut zuzuführen, und mit einem in die Anodenrezirkulationsleitung (14) stromab der Brennstoffzelle (2) eingebundenen Wasserabscheider (4), in welchem eine vordefinierte Menge an Flüssigwasser speicherbar oder gespeichert ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (25) ausgebildet ist, Maßnahmen zur Reduzierung einer Wassermenge zumindest in einem Bereich des Anodenkreislaufs (3) zu ergreifen in einem Zeitpunkt eines erwarteten Erreichens oder Unterschreitens oder bei einem tatsächlichen Erreichen oder Unterschreiten einer Grenzspannung oder eines Grenzspannungsgefälles der von der Brennstoffzelle (2) erzeugten Spannung aufgrund eines Rückflusses zumindest eines Teils des im Wasserabscheider (4) enthaltenen Flüssigwassers in den Anodenkreislauf (3).