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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abblasen von Gasen aus einem Anodenkreislauf eines Brennstoffzellensystems. Die Erfindung betrifft außerdem die Verwendung eines derartigen Verfahrens.
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Das Abblasen von Gasen aus einem Anodenkreislauf eines Brennstoffzellensystems ist soweit aus dem Stand der Technik bekannt. Es wird auch mit dem englischen Begriff Purge bezeichnet und häufig eingedeutscht als Purgen. Der Vorgang ist der, dass auf der Anodenseite eines Brennstoffzellensystems ein Kreislauf um einen Anodenraum der eigentlichen Brennstoffzelle, welche beispielsweise als PEM-Brennstoffzelle ausgebildet sein kann, verwendet wird. Die Brennstoffzelle wird in diesem Fall mit einem Überschuss an Wasserstoff als Brennstoff angeströmt. Nicht verbrauchter Wasserstoff gelangt zusammen mit inerten Gasen, welche in dem Wasserstoff vorhanden waren, oder welche durch die Membranen von der Kathodenseite auf die Anodenseite diffundiert sind und zusammen mit einem Teil des auf der Anodenseite entstehenden Produktwassers wieder aus dem Anodenraum. Über eine Rezirkulationsleitung und ein Rezirkulationsgebläse oder eine Gasstrahlpumpe wird dieses Restgas, typischerweise nach dem Passieren eines Wasserabscheiders, zurückgeführt und gelangt zusammen mit frischem Brennstoff erneut in den Anodenraum.
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Mit der Zeit reichert sich in diesem sogenannten Anodenkreislauf inertes Gas, wie beispielsweise Stickstoff, an. Da das Volumen des Anodenkreislaufs konstant ist, sinkt dadurch die Wasserstoffkonzentration, sodass sich die Leistungsfähigkeit der Brennstoffzelle verschlechtert. Um dieser Verschlechterung der Leistungsfähigkeit entgegenzuwirken, ist es allgemein bekannt und üblich, über ein Abblasventil, welches auch als Purge-Ventil bezeichnet wird, beispielsweise von Zeit zu Zeit oder auch in Abhängigkeit der Wasserstoff- oder Stickstoffkonzentration in dem Anodenkreislauf Gas aus dem Anodenkreislauf abzublasen. Dadurch werden die inerten Gase abgeblasen, und unweigerlich immer auch ein Teil des in dem Anodenkreislauf befindlichen Wasserstoffs. Typischerweise werden die Gase in die Abluft aus der Kathodenseite der Brennstoffzelle abgeblasen, sodass der jeweils mit abgeblasene Wasserstoff ausreichend verdünnt wird, um keine zündfähigen oder gar explosiven Gemische in der Umgebung des Brennstoffzellensystems auszubilden.
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Dieses Abblasen von Gasen zur Beseitigung von Stickstoff und sonstigen Verunreinigungen aus dem Anodenkreislauf führt immer zu unerwünschten Wasserstoffemissionen und dementsprechend einem unerwünscht hohen Wasserstoffverbrauch. Mit zunehmendem Alter des Brennstoffzellensystems und der Brennstoffzelle ist es in der Praxis so, dass zusätzlich Wasserstoff und Anodenabgas über interne und externe Leckagen verlorengeht, was die unerwünschten Effekte bezüglich des Wasserstoffverbrauchs und der unerwünschten Wasserstoffemissionen noch weiter verstärkt.
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Zum weiteren Stand der Technik kann außerdem auf die
DE 11 2006 001 673 T5 hingewiesen werden. Diese beschäftigt sich im Wesentlichen mit dem Feststellen einer Wasserstoffleckage in einem Brennstoffzellensystem und beschreibt dafür verschiedene zeit- und druckgesteuerte Methoden, um die Größe einer Leckage zu erfassen oder zumindest abzuschätzen. Mit einer ähnlichen Thematik beschäftigt sich auch die
DE 10 2017 204 110 A1 . Auch aus weiteren Schriften aus diesem Umfeld ist es prinzipiell bekannt, eine Wasserstoffleckage beispielsweise anhand eines Druckverlaufs oder einer Bilanzierung des zudosierten und des verbrauchten und damit in elektrische Energie umgesetzten Wasserstoffs entsprechend zu ermitteln. Neben dieser relativ genauen Methode ist es außerdem bekannt, Wasserstoffleckagen lediglich zu schätzen, beispielsweise anhand von einfach zu messenden Größen des Brennstoffzellensystems, gegebenenfalls in Verbindung mit Parametern, wie dem Alter des Systems, der aktuellen Temperatur und dergleichen.
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Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin, ein verbessertes Verfahren zum Abblasen von Gas aus einem Anodenkreislauf eines Brennstoffzellensystems anzugeben, welches insbesondere die oben geschilderten Nachteile von zunehmenden Wasserstoffemissionen mit zunehmendem Alter des Brennstoffzellensystems verringert.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen im Anspruch 1, und hier insbesondere im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1, gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen. Im Anspruch 7 ist außerdem eine besonders bevorzugte Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens angegeben.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zum Abblasen von Gas aus einem Anodenkreislauf eines Brennstoffzellensystems beschäftigt sich also mit dem auch als Purge bezeichneten Vorgang, bei dem vor allem inerte Gase, wie insbesondere Stickstoff, aus dem Anodenkreislauf abgeblasen werden sollen. Unweigerlich geht dabei immer auch eine gewisse Menge an Wasserstoff mit verloren, sodass die Gase typischerweise, nicht jedoch zwingend, in das Abgas der Kathodenseite abgeblasen werden, um durch die Abluft der Kathodenseite den Wasserstoff soweit zu verdünnen, dass keine zündfähigen oder explosiven Gemische entstehen.
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Erfindungsgemäß ist es nun so, dass eine Leckagerate der Anodenseite erfasst oder abgeschätzt wird. Diese Leckagerate der Anodenseite lässt sich über verschiedene Arten erfassen, beispielsweise die im eingangs genannten weiteren Stand der Technik beschriebenen Arten. Eine so erfasste oder zumindest abgeschätzte Leckagerate der Anodenseite führt zu einer Abgabe von Wasserstoff und inerten Gasen in die Umgebung, beispielsweise durch Leckagen im Anodenkreislauf. Der Erfinder hat nun erkannt, dass hierdurch eine Art „ungewollter“ Purge stattfindet. Das erfindungsgemäße Verfahren sieht es daher vor, dass die Abblasrate gegenüber einer vorgegebenen Abblasrate jeweils um die Leckagerate der Anodenseite verringert wird. Die Leckage, welche auf der Anodenseite des Brennstoffzellensystems auftritt, wird also wie ein gewollter Purge von Gasen betrachtet und reduziert dementsprechend die Abblasrate bzw. Purgerate um den entsprechenden Betrag. Dies hat den entscheidenden Vorteil, dass der Wasserstoffverbrauch und die Wasserstoffemissionen sich in der Summe auch mit zunehmender Leckagerate über die Lebensdauer des Brennstoffzellensystems nicht erhöhen. Vielmehr wird durch die Anrechnung der Leckagerate auf die jeweilige Purgerate erreicht, dass die Summe konstant bleibt, ohne dass die Performance des Brennstoffzellensystems darunter leidet.
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Wie bereits erwähnt lässt sich die Leckagerate über an sich bekannte Verfahren, beispielsweise über einen Druckverlauf, ermitteln. Ergänzend oder alternativ kann eine Bilanzierung des zugegebenen und verbrauchten Wasserstoffs zur Ermittlung der Leckagerate herangezogen werden. Die Leckagerate der Anodenseite kann auch über andere Mechanismen unmittelbar erfasster Werte abgeschätzt werden. All dies kann eingesetzt werden, um die Leckagerate entsprechend zu erfassen oder abzuschätzen und die aktuelle Abblasrate damit zu korrigieren beziehungsweise zu verringern.
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Ein Abblasventil kann dann bezüglich seines Öffnungsquerschnitts und/oder der Zeit, während welcher es geöffnet ist, anhand der verringerten Abblasrate angesteuert werden. Insbesondere kann das Abblasventil gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung gepulst zwischen einer Offenstellung und einer Geschlossenstellung betrieben und pulsweitenmoduliert angesteuert werden, um so mit möglichst einfachen und kostengünstigen Bauteilen eine Variation der Abblasrate zuzulassen und diese entsprechend so anzusteuern, dass die Leckagerate als Teil der Gesamtabblasrate mit berücksichtigt und die Abblasrate über das Abblasventil entsprechend verringert wird.
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Das erfindungsgemäße Verfahren lässt sich prinzipiell bei jeder Art von Brennstoffzellensystem, insbesondere bei Brennstoffzellensystemen mit PEM-Brennstoffzellen, einsetzen. Einen besonderen Vorteil bietet eine Verwendung des Verfahrens in einem Brennstoffzellensystem, über welches elektrische Leistung in einem Fahrzeug bereitgestellt wird, vorzugsweise elektrische Antriebsleistung. Insbesondere bei Fahrzeugsystemen ist eine Steigerung des Verbrauchs mit zunehmendem Alter des elektrischen Energieerzeugers höchst unerwünscht und aufgrund der hohen Zahl an Fahrzeugen mit gravierenden energetischen Nachteilen sowie einer hohen Kundenunzufriedenheit verbunden. Das erfindungsgemäße Verfahren lässt sich also insbesondere bei derartigen Brennstoffzellensystemen besonders vorteilhaft einsetzen.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie seiner Verwendung ergeben sich auch aus dem Ausführungsbeispiel, welches nachfolgend anhand der Figuren näher beschrieben ist.
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Dabei zeigen:
- 1 ein schematisch angedeutetes Brennstoffzellensystem in einem angedeuteten Fahrzeug;
- 2 einen Ausschnitt aus dem Brennstoffzellensystem gemäß 1 in einer alternativen Ausführungsform; und
- 3 eine weitere alternative Ausführungsform des Anodenkreislaufs.
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In der Darstellung der 1 ist ein Brennstoffzellensystem 1 angedeutet, welches in einem schematisch dargestellten Fahrzeug 2 angeordnet sein soll. Es dient in dem Fahrzeug 2 zur Bereitstellung von elektrischer Energie, insbesondere elektrischer Antriebsleistung für das Fahrzeug 1. Den Kern des Brennstoffzellensystems 2 bildet dabei eine Brennstoffzelle 3, welche als Stapel von Einzelzellen, als sogenannter Brennstoffzellenstapel oder Brennstoffzellenstack, ausgeführt ist. Rein schematisch ist hier ein gemeinsamer Anodenraum 4 der Brennstoffzelle 3 angedeutet. Er wird aus einem Druckgasspeicher 5 über ein Druckregel- und Dosierventil 6 mit Wasserstoff versorgt. Inerte Gase und Restwasserstoff gelangen über eine Rezirkulationsleitung 7 und eine Rezirkulationsfördereinrichtung 8, welche hier rein beispielhaft als Gebläse 8 ausgebildet ist, zurück zu dem Anodenraum 4. Dieser Aufbau wird auch als Anodenkreislauf 13 bezeichnet. In der Rezirkulationsleitung 7 sitzt dabei typischerweise ein Wasserabscheider 9, um auf der Anodenseite des Brennstoffzellensystems 1 anfallendes Produktwasser abzuscheiden. Über ein Ventil 14 kann dieses Wasser von Zeit zu Zeit, beispielsweise in Abhängigkeit eines Füllstands des Wasserabscheiders 9, abgelassen werden. Es gelangt dann über eine Abblasleitung 15 in eine Abluftleitung 10, welche kathodenseitig aus dem Brennstoffzellensystem 1 führt. Über das Ventil 14 kann außerdem Gas aus dem Anodenkreislauf 13 mit abgelassen werden. Das Ventil 14 wird deshalb auch als kombiniertes Drain- und Purge-Ventil bezeichnet. Eine Aufteilung der beiden Funktionen auf verschiedene Ventile wäre dabei jedoch ebenso denkbar und ist in 3 angedeutet.
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Einem Kathodenraum 11 der Brennstoffzelle 3 wird Luft als Sauerstofflieferant über eine Luftfördereinrichtung 12 zugeführt. Nicht verbrauchte Abluft gelangt über die bereits erwähnte Abluftleitung 10 zurück in die Umgebung. Zu dieser Abluft wird das abgelassene Wasser über die Abblasleitung 15 zugegeben. Auch die aus dem Anodenkreislauf 13 abgeblasenen Gase, welche Inertgase und Wasserstoff enthalten, gelangen in die Abluftleitung 10, sodass der Wasserstoff verdünnt durch die Abluft in die Umgebung gelangt. Hierdurch werden zündfähige oder gar explosive Gemische aus Sauerstoff und Wasserstoff typischerweise verhindert.
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In der Darstellung der 2 ist der Anodenkreislauf 13 nochmals dargestellt. Er hat hier einen etwas anderen Aufbau und unterscheidet sich von dem Anodenkreislauf 13 der 1 dadurch, dass die Rezirkulationsfördereinrichtung 8 hier als Gasstrahlpumpe 8b ausgebildet ist. Das Abblasen von Gas im Falle des kombinierten Drain- und Purge-Ventils als Ventil 14 erfolgt nun typischerweise so, dass nachdem das Wasser aus dem Wasserabscheider 9 vollständig abgelaufen ist, das Ventil 14 noch für eine gewisse Zeit offenbleibt, um Gas aus dem Anodenkreislauf 13 abzublasen.
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In 3 ist eine weitere alternative Ausführungsform des Anodenkreislaufs 13 dargestellt. Auch hier ist die Rezirkulationsfördereinrichtung 8 rein beispielhaft wieder als Gasstrahlpumpe 8b ausgeführt. Die Ausführungsvariante könnte genauso gut mit einem Gebläse 8a oder einer Kombination aus Gasstrahlpumpe 8b und Gebläse 8a als Rezirkulationsfördereinrichtung 8 realisiert sein. Der Unterschied besteht nun hierin, dass aus der Rezirkulationsleitung 7 zwei Abzweigungen vorhanden sind. Das Ventil 14 ist hier als reines Purge-Ventil 14b ausgebildet, der Wasserabscheider 9 ist mit dem Ventil 14 in Form eines reinen Drain-Ventils 14a, welches also nur zum Ablassen von Flüssigkeit ausgelegt ist, ausgebildet. Das Ablassen von Wasser kann dann über das Drain-Ventil 14a erfolgen, ohne Gas mit Abzublasen. Das Abblasen von Gas erfolgt über das Purge-Ventil 14b alleine, unabhängig vom Abblasen des Wassers.
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Die abgeblasenen Gase enthalten dabei inerte Gase wie beispielsweise Stickstoff, welcher von der Kathodenseite auf die Anodenseite der Brennstoffzelle 3 diffundiert ist und dadurch die Wasserstoffkonzentration in dem ansonsten geschlossenen Anodenkreislauf 13 entsprechend verringert. Das Abblasen oder Purgen dient also genau dazu, die Wasserstoffkonzentration im Anodenkreislauf 13 und damit die Performance der Brennstoffzelle 3 entsprechend hoch zu halten. Die Wasserstoffemissionen und der Wasserstoffverbrauch, welcher beim Abblasen von Gasen aus dem Anodenkreislauf 13 unweigerlich entsteht, muss dabei in Kauf genommen werden.
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Nun ist es in der Praxis so, dass mit zunehmendem Alter des Brennstoffzellensystems 1 sich zunehmend Leckagen einstellen. Insbesondere der leicht flüchtige Wasserstoff birgt ein relativ hohes Leckagerisiko. Mit zunehmendem Alter des Brennstoffzellensystems 1 wird dadurch die Wasserstoffemission und der Wasserstoffverbrauch prinzipbedingt höher. Dabei ist es so, dass anodenseitige Leckagen an Wasserstoff immer auch mit einem Abströmen von Stickstoff und anderen Gasen, welche in dem Anodenkreislauf 13 vorhanden sind, weil sie beispielsweise von der Anodenseite auf die Kathodenseite diffundieren oder im komprimierten Wasserstoff in dem Druckgasspeicher 5 vorhanden waren, einhergehen.
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Um diesem entgegenzuwirken ist es nun so, dass das Abblasventil 14 so angesteuert wird, dass es lediglich eine verringerte Abblasrate erzeugt, welche gegenüber einer vorgegebenen Abblasrate um den Betrag der auftretenden Leckagen entsprechend verringert ist. Dies trifft dabei sowohl für in der Brennstoffzelle 3 auftretende Leckagen von der Anodenseite 3 zur Kathodenseite 11 als auch für im Anodenkreislauf 13 und/oder der Brennstoffzelle 3 auftretende Leckagen nach extern zu. All diese können entsprechend berücksichtigt werden, um die realisierte Purgerate über das Ventil 14 entsprechend zu reduzieren. Letztlich wird also eine Leckagerate der Anodenseite erfasst oder abgeschätzt, wofür an sich bekannte Verfahren wie beispielsweise die Auswertung eines Druckverlaufs, eine Bilanzierung des zugegebenen und verbrauchten Wasserstoffs und/oder eine Schätzung der Leckagerate zum Einsatz kommen können. Diese Leckagerate wird nun auf die Abblasrate bzw. Purgerate angerechnet, da auch sie bereits zum Abbau von Verunreinigungen im Anodengas beiträgt. Die regulär vorgegebene Abblasrate wird also entsprechend der erfassten oder abgeschätzten Leckagerate reduziert. In Summe erhöhen sich deshalb der Wasserstoffverbrauch und die Wasserstoffemissionen über die Lebensdauer des Brennstoffzellensystems 1 nicht, auch wenn anodenseitig höhere Leckageraten bei einem zunehmend älteren System auftreten sollten.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 112006001673 T5 [0005]
- DE 102017204110 A1 [0005]
