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Die Erfindung betrifft Brennstoffzellensysteme in denen abgelassenes Anodengas auf die Kathode geführt werden kann sowie Kraftfahrzeuge mit derartigen Brennstoffzellensystemen.
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Aus dem Stand der Technik ist bekannt, dass Brennstoffzellen im Betrieb stetig mit Anodengas versorgt werden müssen, das reaktive Komponenten zur Stromerzeugung an der Anode enthält, wie z.B. Wasserstoff. Um die Effizienz zu erhöhen, wird das Anodengas nach Durchgang durch die Anode meist rezirkuliert, d.h. Anodengas wird von der Anode wieder in eine Zuleitung zur Anode eingebracht.
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Ebenfalls bekannt ist, dass beim Betrieb von Brennstoffzellen Komponenten des Kathodengases z.B. durch Diffusion zur Anode gelangen können. So kann z.B. bei mit Wasserstoff und Luft betriebenen Polymerelektrolytbrennstoffzellen Luftstickstoff von der Kathode durch den Elektrolyten zur Anode diffundieren. Bei einer Rezirkulation des Anodengases reichern sich derartige Komponenten im Anodengas an und können zu einer Leistungsminderung der Brennstoffzelle führen. In gleicher Weise können auch Restprodukte der an der Anode stattfindenden Reaktionen, wie z.B. Wasser, im rezirkulierten Anodengas verbleiben und sich über die Zeit anreichern.
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Diesem Effekt wird durch regelmäßiges Ablassen bzw. Purgen des rezirkulierten Anodengases entgegengewirkt, dass dann mit frischem Anodengas ersetzt wird, um den Anteil von reaktiven Komponenten im Anodengas zu erhöhen.
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Hierbei besteht aber das Problem, dass auch mehrfach rezirkuliertes Anodengas noch einen beträchtlichen Anteil an reaktiven Komponenten, wie z.B. Wasserstoff enthalten kann. Ein Ablassen von rezirkuliertem Anodengas in die Umwelt ist deshalb ohne weitere Verdünnung des Gases nicht möglich. So darf ein in die Umwelt abgelassenes Gasgemisch z.B. nur maximal 4 % Wasserstoff enthalten. Für eine wasserstoffbetriebene Brennstoffzelle ist dieser niedrige Wert nicht durch reine Rezirkulation zu erreichen, da zuvor die Leistung der Brennstoffzelle einbricht.
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Aus diesem Grund ist es üblich, das abgelassene Anodengas in den Abgasstrom des Kathodengases einzubringen und dadurch zu verdünnen. Bei der Verwendung von Luft als Kathodengas entspricht dies also einer Verdünnung des Anodengases mit Luft.
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Hierbei stellt sich aber das Problem, dass auch bei einer Zusammenführung von Kathoden- und Anodenabgasstrom nicht stets sichergestellt werden kann, dass eine ausreichende Verdünnung des Anodenabgases vorliegt. Für ein sicheres Ablassen des Anodengases müssen Kenntnisse über die Konzentrationen der sicherheitsrelevanten Komponenten in den Gasströmen sowie über die verschiedenen Volumenströme vorliegen. Entsprechende Messungen können aber insbesondere für die Gaskonzentrationen aufwändig sein. Zudem kann auch die Situation eintreten, dass Anodengas abgelassen werden müsste, da die Leistung der Brennstoffzelle abnimmt, ein Ablassen wegen zu geringer Gasströme aber aus Sicherheitsgründen nicht möglich ist.
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Die der Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe wird deshalb darin gesehen, ein Brennstoffzellensystem anzugeben, das es erlaubt, Anodengas stets und in sicherer Weise aus dem Anodengaskreislauf zu entfernen.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und durch ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Patentanspruchs 6. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
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Ein Brennstoffzellensystem kann eine Brennstoffzelle mit einer Anode und einer Kathode aufweisen, die geeignet ist, unter Zuführung von Anodengas zur Anode und von Kathodengas, insbesondere Luft, zur Kathode unter Verbrauch eines umsetzbaren Anteils des Anodengases, insbesondere von Wasserstoff, und eines umsetzbaren Anteils des Kathodengases, insbesondere von Sauerstoff, eine elektrische Spannung zu erzeugen. Das Brennstoffzellensystem kann des Weiteren eine Anodenzuleitung zum Zuführen von Anodengas aus einer Anodengasquelle auf die Anode, eine Rezirkulationsleitung zum Führen von Anodengas von der Anode in die Anodenzuleitung, eine Kathodenzuleitung zum Zuführen von Kathodengas aus einer Kathodengasquelle auf die Kathode, und eine Anodenableitung mit einem Ablassventil aufweisen, die geeignet ist, bei offenem Ablassventil das Anodengases in die Kathodenzuleitung abzulassen, um es auf die Kathode zu führen, wobei das Anodengas bei geschlossenem Ablassventil in die Rezirkulationsleitung strömt. Das Brennstoffzellensystem weist zudem eine Steuervorrichtung auf, die geeignet ist, das Öffnen und Schließen des Ablassventils zu steuern.
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Das Brennstoffzellensystem weist also eine im Prinzip aus dem Stand der Technik bekannte Brennstoffzelle auf, wie etwa eine Polymerelektrolytbrennstoffzelle, eine Direktmethanolbrennstoffzelle, eine alkalische Brennstoffzelle oder eine Festoxidbrennstoffzelle. Der Ausdruck „Brennstoffzelle“ soll hierbei sowohl eine einzelne aus Anode, Elektrolyt und Kathode bestehende Zelle als auch einen Stapel/Stack mehrerer derartiger Zellen beschreiben.
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Sowohl Anode als auch Kathode der Brennstoffzelle werden von entsprechenden Anoden- bzw. Kathodenzuleitungen mit den für die Reaktion in der Brennstoffzelle notwendigen Gasen versorgt. Bei den reaktiven Bestandteilen des Anodengases handelt es ich vorzugsweise um Wasserstoff, während als Kathodengas Luft verwendet wird, worin der darin enthaltene Sauerstoff reagiert. Wasserstoff kann hierbei z.B. aus einem Tank oder einem Reformationsprozess gewonnen werden, während die Kathode mit (gegebenenfalls komprimierter) Umgebungsluft versorgt werden kann. Sowohl die Anodenzuleitung als auch die Kathodenzuleitung weisen die üblichen Einheiten zur Förderung des Gases zur Anode und Kathode auf, wie z.B. Pumpen, Kompressoren, Ventile und dergleichen, die einem Fachmann bekannt sind und die deshalb hier nicht weiter beschrieben werden müssen.
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Das Anodengas ist hierbei nur begrenzt verfügbar und sollte damit möglichst vollständig umgesetzt werden. Darum wird das Anodengas nach teilweiser Reaktion an der Anode mittels einer Pumpenvorrichtung von der Anode über eine Rezirkulationsleitung zurück in die Zuleitung für frisches Anodengas geführt. Dieses rezirkulierte Gas weist neben den für die Reaktion in der Brennstoffzelle notwendigen Molekülen Verunreinigungen wie etwa Wasser und Sticksoff auf. Durch beständige Rezirkulation wird also der umsetzbare Anteil des Anodengases beständig reduziert.
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Um diesem Effekt entgegenzuwirken, weist das Brennstoffzellensystem eine z.B. mit der Rezirkulationsleitung verbundene Anodenableitung mit einem Ablassventil auf, das von einer Steuervorrichtung gesteuert wird. Bei geschlossenem Ablassventil strömt das von der Anode kommende Anodengas entlang der Rezirkulationsleitung. Wird das Ablassventil geöffnet, wird dieses Anodenabgas aus dem Anodenzuleitungssystem entfernt und durch frisches Anodengas aus der Anodengasquelle ersetzt.
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Die Anodenableitung ist mit der Kathodenzuleitung verbunden, um das Anodenabgas auf die Kathode zu führen. An der Kathode kommt es zu einer kontrollierten Reaktion zwischen den umsetzbaren Anteilen im Anodenabgas und den umsetzbaren Anteilen im frisch zugeführten Kathodengas, also z.B. zwischen im Anodenabgas noch vorhandenem Wasserstoff und Luftsauerstoff. Diese Reaktion geschieht rasch, aber kontrolliert, d.h. nicht explosiv, und verringert die Konzentration der reaktiven Komponenten des abgelassenen Anodengases erheblich oder gar vollständig. Reaktionsprodukte sowie eventuell nicht reagierte Bestandteile des abgelassenen Anodengases können dann zusammen mit dem Kathodengas von der Kathode weggeführt werden und z.B. in die Umwelt ausgestoßen werden.
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Durch die Reaktion an der Kathode wird hierbei sichergestellt, dass die Konzentration der sicherheitsrelevanten, reaktiven Komponenten des abgelassenen Anodengases stark reduziert wird, vorzugsweise auf null. Dies ist aufgrund des Einbringens in das frisch zugeführte Kathodengas auch nicht abhängig von der tatsächlich im abgelassenen Anodengas vorhandenen Menge an reaktiven Komponenten, da im frisch zugeführten Kathodengas ausreichend Reaktionspartner vorhanden sind. Eine Messung der Konzentrationen des Anodengasgemisches kann damit unterbleiben. Zudem kann das Anodengas stets abgelassen werden, auch wenn der Kathodengasstrom ohne die Reaktion an der Kathode zu gering wäre, um die reaktiven Komponenten des Anodengases ausreichend zu verdünnen. Ein Ablassen des Anodengases kann also jederzeit und ohne besondere Rücksichtnahme auf andere Betriebsparameter des Brennstoffzellensystems erfolgen, wodurch sich der Aufbau und Betrieb des Systems vereinfacht.
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Ein willkommener Nebeneffekt des Ablassens des Anodengases auf die Kathode kann zudem sein, dass im abgelassenen Anodengas befindliches Wasser die Kathode befeuchtet und damit die Funktionsfähigkeit der Brennstoffzelle verbessert. Dieser Effekt wird auch von bei der Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff an der Kathode entstehendem Wasser erzielt. Die Führung des abgelassenen Anodengases in die Kathodenzuleitung vereinfacht das Brennstoffzellensystem also auch dahingehend, dass auf gesonderte Maßnahme zur Kathodenbefeuchtung verzichtet werden kann bzw. dass derartige Maßnahmen weniger ausfallsicher gestaltet werden müssen.
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Die Steuervorrichtung kann geeignet sein, die von der Brennstoffzelle erzeugte Spannung zu messen und aus einem Spannungsabfall nach Öffnen des Ablassventils eine Konzentration des umsetzbaren Anteils im abgelassenen Anodengas zu bestimmen.
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Bei der Steuervorrichtung kann es sich insbesondere um eine Zentralsteuerung des Brennstoffzellensystems handeln, die die erzeugte Spannung für einen effizienten und geregelten Betrieb der Brennstoffzelle ohnehin misst. Diese Messung kann dann zur Bestimmung der Gaskonzentration der reaktiven Komponenten im abgelassenen Anodengas, insbesondere von Wasserstoff verwendet werden.
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Durch das Einleiten des abgelassenen Anodengases in die Kathodengaszuleitung kommt es wie oben beschrieben zu einer Reaktion zwischen Anodengas und Kathodengas. Dadurch wird die Konzentration der umsetzbaren Anteile des Kathodengases an der Kathode temporär reduziert, wodurch die von der Brennstoffzelle erzeugte Spannung ebenfalls temporär absinkt (insbesondere bei nahezu stöchiometerischem Betrieb), bevor durch Nachfuhr von frischem Kathodengas der Normalbetrieb der Brennstoffzelle wieder hergestellt wird. Zudem findet durch die kurzzeitige Anwesenheit von Anodengas auf der Kathode die eigentliche Halbzellspannungsreaktion der Anode im vorderen Teil der Kathode statt. Bei dieser Reaktion werden Elektronen frei, was im Regelbetrieb nur an der Anode geschieht, von wo sie über den äußeren Stromkreis zur Kathode fließen. Diese Elektronen senken das Halbzellpotenzial der Kathode ebenfalls temporär. Aus der Größe des gemessenen Spannungsabfalls lässt sich damit auf die Menge des reaktiven Gasbestandteils im Anodengas rückschließen, da dieser die Verringerung an reaktiven Kathodengasbestandteilen und die Freisetzung von Elektronen verursacht.
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Auf diese Weise kann also ohne weitere Messgeräte der Anteil der umsetzbaren Komponenten im abgelassenen Anodengas bestimmt werden, was ebenfalls zu einem einfachen Aufbau des Brennstoffzellensystems beiträgt.
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Die Steuervorrichtung kann hierbei geeignet sein, eine Zeitdauer des Öffnens des Ablassventils und einen während der Zeitdauer durch das Ablassventil fließenden Volumenstrom zu erfassen und die Konzentration des umsetzbaren Anteils im abgelassenen Anodengas unter Verwendung der Zeitdauer und des Volumenstroms zu bestimmen. Bei Kenntnis der Öffnungsdauer des Ventils sowie des Volumenstroms (der z.B. aus der bekannten Geometrie des Ventils und den Druckverhältnissen bestimmt werden kann), lässt sich die Gesamtmenge an Gas berechnen, während sich aus dem Spannungsabfall die Menge des reaktiven Anteils des Gases bestimmen lässt. Daraus kann dann die Konzentration bestimmt werden.
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Die Steuervorrichtung kann geeignet sein, das Ablassventil basierend auf der Annahme zu öffnen, dass die Konzentration des umsetzbaren Anteils im abgelassenen Anodengas einen vorgegebenen Wert unterschreitet, und die angenommene Konzentration mit der bestimmten Konzentration zu vergleichen. So kann die Konzentration der reaktiven Bestandteile im Anodengas z.B. anhand von Erfahrungswerten, anhand einer Kalibration oder anhand von Simulationen geschätzt werden und das Anodengas dann abgelassen werden, wenn die geschätzte Konzentration zu gering wird. Alternativ kann die Konzentration auch aus einer zeitlichen Entwicklung der Brennstoffzellenspannung abgeschätzt werden, da eine Zunahme der Verunreinigungen im Anodengas zu einem Absinken er Spannung führen wird.
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Der Vergleich der angenommenen Konzentration mit der tatsächlich bestimmten Konzentration kann daher zum einen dazu benutzt werden, die verwendeten Erfahrungswerte oder Simulationen zu verbessern. Zum anderen kann ein Abgleich aber auch zu Diagnosezwecken vorgenommen werden, um eine Fehlfunktion des Brennstoffzellensystems festzustellen. Nimmt z.B. die Brennstoffzellenspannung in einem Maße ab, dass die Steuervorrichtung mit einer zu geringen Konzentration der reaktiven Komponenten des Anodengases rechnet, und diese angenommene geringe Konzentration stimmt nicht mit der gemessenen überein, so kann dies ein Hinweis auf eine Fehlfunktion sein. Auf diese Weise kann die Überwachung des Brennstoffzellensystems verbessert werden.
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Die Steuervorrichtung kann des Weiteren geeignet sein, ein Zeitintervall bis zum nächsten Öffnen des Ablassventils zu verändern, wenn die angenommene Konzentration von der bestimmten Konzentration abweicht. So kann ein Abweichen von angenommener und bestimmter Konzentration darauf hinweisen, dass ein Ablassen des Anodengases zu früh (bestimmte Konzentration höher als die angenommene) oder zu spät (bestimmte Konzentration kleiner als die angenommene) erfolgt ist. Im ersten Fall wurde also zu viel Brennstoff abgelassen, während die Brennstoffzelle im zweiten Fall mit zu wenig Brennstoff betrieben wurde, was in beiden Fällen zu Effizienzeinbußen führt. Diese Einbußen können durch eine entsprechende Anpassung der Ablassintervalle vermindert oder vollständig verhindert werden.
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Ein Kraftfahrzeug kann ein Brennstoffzellensystem wie es oben beschrieben wurde aufweisen. Ein derartiges Kraftfahrzeug gewährleistet einen sicheren Betrieb bei hoher Effizienz, weil stets sichergestellt ist, dass Abgase keine Konzentrationen an reaktiven Anodengaskomponenten aufweisen, die geltende Grenzwerte überschreiten, während die Konzentration dieser Komponenten an der Anode durch rechtzeitiges Ablassen von rezirkuliertem Anodengas hoch gehalten werden können. Neben einem Kraftfahrzeug kann das Brennstoffzellensystem mit ähnlichen Vorteilen auch in beliebigen anderen Fahrzeugen, wie Flugzeugen, Schiffen oder U-Booten, oder auch in stationären Stromerzeugungsanlagen verwendet werden.
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Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die Figuren. Dabei zeigt:
- 1 eine schematischen Darstellung eines Brennstoffzellensystems;
- 2 schematische Signalverläufe der Brennstoffzellenspannung und des Anodenablassstroms; und
- 3 eine schematische Darstellung eines Kraftfahrzeugs mit einem Brennstoffzellensystem.
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Die 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems 100. Die Anordnung sämtlicher Komponenten des Brennstoffzellensystems 100 ist hier rein symbolisch und soll insbesondere die räumliche Lage der einzelnen Komponenten nicht einschränken, außer dies ist explizit erwähnt.
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Das Brennstoffzellensystem 100 der 1 weist eine Brennstoffzelle 110 auf. Die Brennstoffzelle 110 weist einen typischen, dem Fachmann bekannten Aufbau aus einer Anode 112, einer Kathode 114 und einem dazwischenliegenden Elektrolyten 116 auf. Durch Zuführung von Anodengas auf die Anode 112 und Kathodengas auf die Kathode 114 kann die Brennstoffzelle 110 eine Spannung U erzeugen. Der Begriff „Brennstoffzelle“ soll hier neben der in der 1 aus Gründen der Übersichtlichkeit gezeigten Einzelzelle auch einen Stapel/Stack von Einzelzellen umfassen. Da der Aufbau und die Funktion derartiger Brennstoffzellen 110 einem Fachmann bekannt ist, kann auf eine detaillierte Beschreibung an dieser Stelle verzichtet werden.
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Das Brennstoffzellensystem 100 weist des Weiteren eine Anodengasquelle 120 auf, aus der Anodengas über eine Anodenzuleitung 122 auf die Anode 112 geführt werden kann. Als Anodengasquelle 120 kann z.B. ein Tank oder ein Reformationsprozess dienen. Die Anodenzuleitung 122 kann hierbei auch aus einem Leitungssystem bestehen, das verschiedene Pumpen, Kompressoren oder Ventile aufweisen kann, die zur Regelung des Zustroms von Anodengas aus der Anodengasquelle 120 geeignet sind. Bei dem Anodengas handelt es sich vorzugsweise um Wasserstoff oder ein Gemisch, das Wasserstoff als reaktiven, d.h. umsetzbaren Anteil enthält.
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Ebenso wird das Kathodengas aus einer Kathodengasquelle 140, wie z.B. der Umgebungsluft oder einem Tank, über eine Kathodenzuleitung 142 auf die Kathode 114 geführt. Auch die Kathodenzuleitung 142 kann hierbei aus einem Leitungssystem bestehen, das verschiedene Pumpen, Kompressoren, oder Ventile zur Regelung des Kathodengasstroms aufweisen kann. Bei dem Kathodengas handelt es sich vorzugsweise um Luft, die Sauerstoff als reaktiven Anteil enthält. Nach Verlassen der Kathode 114 kann das Kathodengas über eine Kathodenableitung 144 wieder der Umgebung zugeführt werden.
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Die Mengen an Anodengas und Kathodengas, die der Brennstoffzelle 110 zugeführt werden, können durch eine Steuereinheit 160 gesteuert bzw. geregelt werden, wie durch die Pfeile A und B angedeutet. Hierdurch kann die Menge von Reaktanten, d.h. von in der Brennstoffzelle umgesetzten Stoffen, die die Anode 112 und/oder die Kathode 114 erreichen, zeitlich variiert und eingestellt werden.
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Durch Reaktionen des Anodengases an der Anode 112 sowie durch Diffusion von Kathodengasbestandteilen von der Kathode zur Anode weist das Anodengas nach Verlassen der Anode 112 Verunreinigungen auf, d.h. andere Moleküle als die für den Betrieb der Brennstoffzelle 110 notwendigen. Dabei kann es sich insbesondere für den Betrieb mit Wasserstoff und Luft um Wasser und Stickstoff handeln, die sich im Anodengas anreichern.
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Da jedoch auch nach Durchlauf durch die Anode 112 noch ein beträchtlicher Anteil von umsetzbaren Komponenten im Anodengas vorhanden ist, wird das Anodengas nach Verlassen der Anode 112 mittels einer Rezirkulationsleitung 130, wieder in die Zuleitung 122 zurückgeführt und damit erneut auf die Anode 112 gebracht. Auch die Rezirkulationsleitung 130 kann hierbei aus einem Leitungssystem bestehen, das verschiedene Pumpen, Kompressoren, oder Ventile zur Regelung des Rezirkulationsstroms aufweisen kann. Die Steuerung des Rezirkulationsstroms kann ebenfalls von der Steuervorrichtung 160 ausgeübt werden. Durch die Rückführung des Anodengases von der Anode 112 in die Anodenzuleitung 122 reichern sich die Verunreinigungen im Anodengas an, wodurch ohne erneute Zugabe von frischem, d.h. nicht verunreinigtem Anodengas aus der Anodengasquelle 120 die Leistungsfähigkeit der Brennstoffzelle 110 herabgesetzt wird.
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Um dies zu vermeiden weist das Brennstoffzellensystem 100 eine Anodenableitung 150 mit einem Ablassventil 155 auf, das von der Steuervorrichtung 160 kontrolliert wird, bei der es sich um einen Computer, eine CPU, einen Prozessor, ein von diesen ausgeführtes Programm oder dergleichen handeln kann. Die Steuerung kann aber auch in einem von einem Benutzer manuell betätigbaren Notablassschalter bestehen. Das Ablassventil 155 bzw. die Anodenableitung 150 sind derart angeordnet, dass bei geschlossenem Ablassventil 155 das Gas von der Anode in die Rezirkulationsleitung 130 strömt.
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Die Anodenableitung 150 führt von der Anode 112 auf die Kathodenzuleitung 142. Damit wird bei geöffnetem Ablassventil 155 Anodengas in die Kathodenzuleitung 142 und von dort auf die Kathode 114 gebracht. An der Kathode 114 reagieren die umsetzbaren Anteile des Anodengases nahezu vollständig mit dem Kathodengas. Dies geschieht in rascher, aber kontrollierter und insbesondere nicht explosiver Weise, z.B. vermittelt durch an der Kathode vorhandene Katalysatoren oder die an der Kathode anliegende Spannung. Im Anschluss werden die Überreste der Reaktion von Anodengas und Kathodengas an der Kathode 114 über die Kathodenableitung 144 von der Kathode 114 weggeführt und z.B. in die Umgebung abgegeben.
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Auf diese Weise können reaktive Bestandteile des Anodengases einfach und in relevanten Mengen oder (nahezu) komplett neutralisiert werden. Dadurch entfallen Maßnahmen zur Überwachung der Konzentration dieser Bestandteile oder der Durchflussmengen der verschiedenen Gasströme, die in anders ausgestalteten Anodengasablassverfahren notwendig sind, um einen Ausstoß von Anodengas mit einer zu hohen Konzentration von reaktiven Komponenten zu vermeiden. Der Aufbau des Brennstoffzellensystems 100 kann sich hierdurch erheblich vereinfachen.
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Als weiterer positiver Effekt bei der Verwendung Wasserstoff und Sauerstoff als Anoden- und Kathodengas, insbesondere in einer Polymerelektrolytbrennstoffzelle, wird durch die Leitung des abgelassenen Anodengases auf die Kathode 114 eine Befeuchtung der Kathode 114 erreicht. Zum einen enthält das abgelassene Anodengas als Reaktionsprodukt Wasser. Zum anderen entsteht Wasser auch bei den Reaktionen an der Kathode 114. Durch das Führen des abgelassenen Anodengases auf die Kathode 114 können also weitere Maßnahmen zur Befeuchtung der Kathode 114 weggelassen werden. Auch hierdurch wird der Aufbau des Brennstoffzellensystems 100 vereinfacht.
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Durch das Einbringen von reaktiven Anodengasbestandteilen auf die Kathode 114 wird dort die Konzentration von reaktiven Kathodengasbestandteilen temporär gesenkt. Bei nahezu stöchiometrischem Betrieb kann wegen der fehlenden Reaktionspartner auf der Kathodenseite dadurch temporär die Spannung U der Brennstoffzelle 100 sinken. Zudem tritt ein Spannungsabfall auch stets wegen des an die Kathode 114 gelangenden Anodengases auf, da durch die Umsetzung des Anodengases Elektronen an der Kathode 114 freiwerden, die im Regelbetrieb an der Anode 112 freigeworden wären.
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Dies ist schematisch in der 2 dargestellt, in der zum Einen der Verlauf der Spannung U und zum anderen die Stärke des Gasstroms durch das Ablassventil 155 in beliebigen Einheiten über die Zeit gezeigt ist. Es sind dabei zwei Öffnungen des Ablassventils 155 gezeigt. Zunächst eine kurze Öffnung und hierauf eine längere Öffnung. Aufgrund der Länge der Anodenableitung 150 etwas zeitversetzt führen beide Öffnungen zu einem Absinken der Spannung U. Diese fällt für eine kurze Öffnung geringer aus als für eine lange Öffnung, ist also von der Menge der an die Kathode 114 gelangenden reaktiven Bestandteile im abgelassenen Anodengases abhängig. Der Spannungsabfall ist also auch ein Indikator für die Konzentration solcher reaktiven Bestandteile.
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Die Spannung U muss üblicher Weise für den Betrieb des Brennstoffzellensystems 100 überwacht werden, um die Leistungsabgabe der Brennstoffzelle 100 zu regeln, z.B. mittels der Steuervorrichtung 160. Die Steuervorrichtung 160 kann also den Spannungsabfall aufgrund des Ablassens des Anodengases messen. Daraus kann die Steuervorrichtung 160 dann die Konzentration der reaktiven Bestandteile des abgelassenen Anodengases berechnen, z.B. basierend auf einer entsprechenden Kalibrierung des Brennstoffzellensystems 100 oder basierend auf Messungen der Öffnungszeit des Ablassventils 155 und des Volumenstroms durch das Ablassventil 155. Durch die Einleitung des abgelassenen Anodengases in die Kathodenzuleitung 142 kann also ohne weitere Systemkomponenten eine ständige Überwachung der Gaszusammensetzung des abgelassenen Anodengases erreicht werden.
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Aus dieser Überwachung lassen sich z.B. Monitoringparameter ableiten, die Auskunft über auftretende Fehler in der Funktion des Brennstoffzellensystems 100 geben können. So ist es wie oben erläutert notwendig, das Anodengas rechtzeitig abzulassen, bevor die Konzentration der reaktiven Bestandteile darin zu gering wird. Dieser Zeitpunkt kann z.B. basierend auf einer Kalibration des Brennstoffzellensystems 100 eingestellt worden sein. Insbesondere können feste Zeitintervalle zwischen aufeinanderfolgenden Öffnungen des Ablassventils 155 festgelegt werden, die gegebenenfalls auch von der durch die Brennstoffzelle 110 bereitgestellten Leistung abhängen können.
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Bei Öffnung des Ablassventils 155 zu diesen Zeitpunkten wird mit einer bestimmten, relativ niedrigen Konzentration der reaktiven Bestandteile im Anodengas gerechnet, d.h. die Steuervorrichtung 160 öffnet das Ablassventil 155 basierend auf einer Annahme über diese Konzentration. Der Vergleich dieser angenommenen Konzentration mit der tatsächlich gemessenen Konzentration kann dann zum einen dazu dienen, Fehler in der Funktion des Brennstoffzellensystems 100 zu finden, z.B. Fehler in der Spannungsmessung, der Gaszufuhr, oder dergleichen. Dies kann insbesondere dann geschehen, wenn die angenommenen Konzentrationswerte von den gemessenen Konzentrationswerten sehr stark abweichen.
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Zum anderen kann anhand von Abweichungen der Konzentrationswerte auch das der Öffnung des Ablassventils 155 zugrunde liegende Modell angepasst werden. So kann insbesondere die Zeit zur nächsten Öffnung des Ablassventils 155 verändert werden, z.B. dadurch dass für gemessene Konzentrationswerte, die über den angenommenen Konzentrationswerten liegen, die Zeit bis zur nächsten Öffnung verlängert wird, während sie für darunterliegende gemessene Konzentrationswerte verkürzt wird. Es kann aber auch ein mathematisches Modell, das von der Steuervorrichtung 160 verwendet wird, um die Gaskonzentrationen im Anodengas abzuschätzen, basierend auf den abweichenden Konzentrationswerten verbessert oder angelernt werden.
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Dadurch kann die tatsächlich während des Ablassens des Anodengases darin befindliche Konzentration von reaktiven Komponenten auf einen Wert gebracht werden, der ausreichend hoch ist, um stets einen leistungsstarken Betrieb der Brennstoffzelle 110 zu gewährleisten, und trotzdem übermäßigen Brennstoffverbrauch durch vorzeitiges Ablassen des Anodengases reduziert oder sogar minimiert. Der Betrieb des Brennstoffzellensystems 100 wird auf diese Weise also effizienter.
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Wie in der 3 gezeigt kann das oben beschriebene Brennstoffzellensystem 100 bevorzugt in Kraftfahrzeugen 200 eingesetzt werden. In diesem kann jederzeit übermäßig verunreinigtes Anodengas abgelassen werden, ohne das Sicherheitsrisiken für die Umwelt entstehen. Dadurch steigt die Effizienz des Brennstoffzellensystems 100. Der gleiche Effekt kann durch eine Optimierung der Ablasszeiten erreicht werden, wie sie oben beschrieben wurde. Durch den effizienteren Betrieb und die dadurch resultierende Einsparung an Brennstoff wird die Reichweite des Kraftfahrzeuges 200 für eine vorgegebene Menge an Anodengas vergrößert.
