DE102020203624A1 - Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems, Brennstoffzellensystem - Google Patents

Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems, Brennstoffzellensystem Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems (1) mit mindestens einer Brennstoffzelle, die über einen Anodenpfad (2) mit Wasserstoff und über einen Kathodenpfad (3) mit Sauerstoff versorgt wird. Erfindungsgemäß wird bzw. werden im Betrieb des Brennstoffzellensystems (1) anfallendes Abwasser und/oder anfallende Abluft mit Hilfe mindestens einer Mess- und/oder Filtereinrichtung (4, 5, 6, 7) einer Analyse unterzogen und von dem Ergebnis der Analyse wird auf den Zustand des Brennstoffzellensystems (1) geschlossen.Die Erfindung betrifft ferner ein Brennstoffzellensystem (1) zur Durchführung des Verfahrens.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Bei dem Verfahren wird mindestens eine Brennstoffzelle des Brennstoffzellensystems über einen Anodenpfad mit Wasserstoff und über einen Kathodenpfad mit Sauerstoff versorgt. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Brennstoffzellensystem, das nach dem erfindungsgemäßen Verfahren betrieben werden kann bzw. zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet ist.
  • Stand der Technik
  • Wasserstoffbasierte Brennstoffzellensysteme gelten als Mobilitätskonzept der Zukunft, da sie im Wesentlichen nur Wasser emittieren und schnelle Betankungszeiten ermöglichen. Der Wasserstoff wird in einem Tank bevorratet, der an Bord eines Fahrzeugs mitgeführt wird. Der ferner benötigte Sauerstoff wird der Umgebungsluft entnommen. Wasserstoff und Sauerstoff reagieren in einer Brennstoffzelle zu Wasser bzw. Wasserdampf. Gleichzeitig wird durch elektrochemische Wandlung eine elektrische Leistung erzeugt.
  • Da im Betrieb eines Brennstoffzellensystems Wasser bzw. Abwasser als Produkt anfällt, kann dieses nutzbringend für verschiedene Zwecke verwendet werden, beispielsweise zur Befeuchtung und/oder Kühlung. Soll das Wasser einer Nutzung zugeführt werden, muss es gesammelt und an Bord des Fahrzeugs gespeichert werden. Alternativ oder ergänzend kann Wasser, insbesondere in Form von Wasserdampf, über einen Auslass abgeführt und an die Umgebung abgegeben werden. Gleiches geschieht in der Regel mit der im Betrieb des Brennstoffzellensystems anfallenden Abluft.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Alterungszustand eines Brennstoffzellensystems im laufenden Betrieb zu detektieren sowie Sicherheitsrisiken im Betrieb eines Brennstoffzellensystems zu minimieren. Insbesondere sollen schädigende Betriebszustände und/oder Umweltbedingungen rechtzeitig erkannt und behoben werden können. Handelt es sich um ein Brennstoffzellensystem eines Fahrzeugs, kann auf diese Weise ein Liegenbleiben des Fahrzeugs verhindert werden.
  • Zur Lösung der Aufgabe werden das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie das Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Anspruchs 10 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den jeweiligen Unteransprüchen zu entnehmen.
  • Die Erfindung ist nicht auf mobile Brennstoffzellensysteme beschränkt, sondern auch auf stationäre Brennstoffzellensysteme anwendbar.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Bei dem vorgeschlagenen Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems wird mindestens eine Brennstoffzelle des Systems über einen Anodenpfad mit Wasserstoff und über einen Kathodenpfad mit Sauerstoff versorgt. Erfindungsgemäß wird bzw. werden im Betrieb des Brennstoffzellensystems anfallendes Abwasser und/oder anfallende Abluft mit Hilfe mindestens einer Mess- und/oder Filtereinrichtung einer Analyse unterzogen und von dem Ergebnis der Analyse wird auf den Zustand des Brennstoffzellensystems geschlossen.
  • Auf der Grundlage der vorgeschlagenen Abwasser- bzw. Abluftanalyse kann somit eine „State-of-Health“ Aussage in Bezug auf das Brennstoffzellensystem getroffen werden, die schädigende Betriebszustände und/oder Umweltbedingungen frühzeitig erkennen lässt. Sofern es sich um ein Brennstoffzellensystems eines Fahrzeugs handelt, kann eine Werkstatt angefahren werden. Andernfalls, das heißt bei einer stationären Anwendung des Brennstoffzellensystems, kann ein Servicetechniker gerufen werden. Ein Ausfall des Brennstoffzellensystem bzw. ein Liegenbleiben des Fahrzeugs kann auf diese Weise verhindert werden.
  • Bevorzugt wird bzw. werden mit Hilfe der mindestens einen Mess- und/oder Filtereinrichtung die Zusammensetzung des Abwassers und/oder der Abluft analysiert. Das heißt, dass der Gehalt von Fremdstoffen im Abwasser und/oder in der Abluft untersucht wird und/oder die Konzentration mindestens eines Inhaltsstoffs bestimmt wird. Hieraus lassen sich in einfacher Weise konkrete Aussagen über den Gesundheitszustand des Brennstoffzellensystems ableiten. Zudem kann eine einfache Mess- und/oder Filtereinrichtung verwendet werden, so dass das Verfahren einfach und kostengünstig umsetzbar ist.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird mit Hilfe der mindestens einen Mess- und/oder Filtereinrichtung der Fluorgehalt des Abwassers bestimmt. Über den Fluorgehalt des Abwassers kann eine Degradation einer Membran der mindestens einen Brennstoffzelle detektiert werden. Die Mess- und/oder Filtereinrichtung ist in diesem Fall dazu ausgelegt, den Fluorgehalt im Abwasser zu bestimmen.
  • Alternativ oder ergänzend wird vorgeschlagen, dass mit Hilfe der mindestens einen Mess- und/oder Filtereinrichtung der pH-Wert des Abwassers bestimmt wird und der pH-Wert zur Detektion einer Degradation der Membran der mindestens einen Brennstoffzelle verwendet wird. Wird der pH-Wert ergänzend gemessen, kann dieser Messwert zur Plausibilisierung genutzt werden. Der pH-Wert kann aber auch zur alleinigen Detektion einer Membrandegradation eingesetzt werden.
  • Ferner bevorzugt wird mit Hilfe der mindestens einen Mess- und/oder Filtereinrichtung der CO2-Gehalt der Abluft bestimmt und zur Detektion einer Kohlenstoffdegradation einer Katalysatorschicht der mindestens einen Brennstoffzelle verwendet. In der Regel ist die Membran einer Brennstoffzelle beidseitig mit einer Katalysatorschicht versehen, so dass über die Degradation der Katalysatorschicht auf die Degradation der Membran geschlossen werden kann.
  • Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass mit Hilfe der mindestens einen Mess- und/oder Filtereinrichtung im Abwasser und/oder in der Abluft enthaltene Partikel gesammelt und quantifiziert werden. Die Mess- und/oder Filtereinrichtung umfasst hierzu mindestens einen Filter, insbesondere Partikelfilter. Mit Hilfe des Filters können die Partikel aus dem Abwasser und/oder der Abluft abgeschieden werden, so dass sie anschließend quantifizierbar sind. Bei den Partikeln kann es sich beispielsweise um Bipolarplattenbeschichtungsreste handeln, die mit dem Abwasser ausgespült bzw. mit der Abluft ausgetragen werden. Sofern unterschiedliche Partikel abgeschieden werden, können diese mit Hilfe der Mess- und/oder Filtereinrichtung auch identifiziert werden.
  • Darüber hinaus kann mit Hilfe der mindestens einen Mess- und/oder Filtereinrichtung, vorzugsweise mit Hilfe eines Refraktometers der mindestens einen Mess- und/oder Filtereinrichtung, eine Kühlwasserleckage detektiert werden. Bei dem Refraktometer kann es sich beispielsweise um ein übliches Frostschutzmittel-Refraktometer handeln. Wird eine Kühlwasserleckage mit Hilfe der Mess- und/oder Filtereinrichtung detektiert, kann umgehend das Leck gesucht und behoben werden.
  • Vorteilhafterweise wird die vorgeschlagene Analyse des Abwassers und/oder der Abluft an Bord eines das Brennstoffzellensystem aufweisenden Fahrzeugs durchgeführt. Das heißt, dass es sich um eine mobile Anwendung des Brennstoffzellensystems handelt. Die Mess- und/oder Filtereinrichtung ist vorzugsweise dazu ausgelegt, die Analyse „in situ“ durchzuführen. Das heißt, dass die Analyse an Bord des Fahrzeugs durchgeführt wird und das Ergebnis der Analyse unmittelbar zur Verfügung steht, so dass eine aktuelle „State-of-Health“ Aussage getroffen werden kann.
  • Bevorzugt wird das Ergebnis der Analyse über ein Display angezeigt. Bei einer mobilen Anwendung kann somit der Fahrer eines Fahrzeugs über den Gesundheitszustand des Brennstoffzellensystems informiert werden. Sollte das Ergebnis der Analyse schädigende Betriebszustände und/oder Umweltbedingungen erkennen lassen, kann umgehend eine Werkstatt angefahren werden. Bei einer stationären Anwendung kann der Servicetechniker gerufen werden. Die Anzeige des Ergebnisses der Analyse kann auch von einem akustischen Signal begleitet werden. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn von dem Brennstoffzellensystem eine Gefahr ausgeht. Auf diese Weise können Sicherheitsrisiken minimiert werden.
  • Das darüber hinaus vorgeschlagene Brennstoffzellensystem zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens umfasst:
    • - mindestens eine Brennstoffzelle, die über einen Anodenpfad mit Wasserstoff und über einen Kathodenpfad mit Sauerstoff versorgbar ist,
    • - einen Abwasserpfad zum Abführen von Abwasser und/oder
    • - einen Abluftpfad zum Abführen von Abluft.
  • Erfindungsgemäß ist in den Anodenpfad, in den Abwasserpfad und/oder in den Abluftpfad mindestens eine Mess- und/oder Filtereinrichtung integriert. Sofern ein Abwasserpfad und ein Abluftpfad vorgesehen sind, können diese zumindest abschnittsweise zusammengeführt werden. Zum Abscheiden von Wasser kann in dem Abwasser- bzw. Abluftpfad eine Wasserabscheideeinrichtung integriert werden. Das abgeschiedene Wasser kann dann gesammelt und in einem Wasserbehälter des Abwasserpfads gespeichert werden. Um das Wasser bzw. Abwasser zu analysieren, kann die mindestens eine Mess- und/oder Filtereinrichtung in den Abwasserpfad und/oder in den Wasserbehälter integriert sein. Zur Analyse der Abluft ist die mindestens eine Mess- und/oder Filtereinrichtung bevorzugt in den Abluftpfad integriert. Werden Abwasser und Abluft zumindest abschnittsweise über denselben Pfad abgeführt, kann die mindestens eine Mess- und/oder Filtereinrichtung auch in einem Abschnitt des gemeinsamen Pfads angeordnet sein.
  • Bevorzugt umfasst die Mess- und/oder Filtereinrichtung mindestens einen Sensor, insbesondere einen pH-Sensor und/oder CO2-Sensor, ein Refraktometer und/oder einen Filter. Mit Hilfe mindestens einer solchen Mess- und/oder Filtereinrichtung kann das zuvor beschriebene erfindungsgemäße Verfahren in einfacher Weise durchgeführt werden.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnung/Figur näher erläutert. Die Zeichnung/Figur zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems, das zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet ist.
  • Ausführliche Beschreibung der Zeichnung
  • Der schematischen Darstellung ist ein Brennstoffzellensystem 1 zu entnehmen, das nach dem erfindungsgemäßen Verfahren betrieben werden kann. Das Brennstoffzellensystem 1 umfasst mindestens eine Brennstoffzelle, vorzugsweise mehrere Brennstoffzellen in gestapelter Anordnung. Die mindestens eine Brennstoffe wird über einen Anodenpfad 2 mit Wasserstoff und über einen Kathodenpfad 3 mit Sauerstoff bzw. mit Luft versorgt. Wasserstoff und Sauerstoff reagieren in der mindestens einen Brennstoffzelle, wobei Wasser bzw. Wasserdampf anfällt. Gleichzeitig wird durch elektrochemische Wandlung eine elektrische Leistung erzeugt.
  • Das anfallende Wasser bzw. der anfallende Wasserdampf wird über einen Abwasserpfad 8 bzw. einen Abluftpfad 9 abgeführt. Vorliegend sind Abwasserpfad 8 und Abluftpfad 9 zusammengelegt und enden in einem Auslass 10, über den das Wasser bzw. der Wasserdampf an die Umgebung abgegeben werden kann. Abwasserpfad 8 und Abluftpfad 9 können aber auch getrennt verlaufen, insbesondere kann an den Abwasserpfad 8 ein Wasserbehälter (nicht dargestellt) angeschlossen sein, in dem Abwasser zur weiteren Nutzung gesammelt und gespeichert werden kann.
  • In dem Abwasserpfad 8 bzw. in dem Abluftpfad 9 sind vorliegend beispielhaft mehrere Mess- und Filtereinrichtungen 4, 5, 6, 7 integriert, mit deren Hilfe das Abwasser und/oder die Abluft einer Analyse unterzogen werden kann. Im Rahmen der Analyse wird insbesondere die Zusammensetzung des Abwassers bzw. der Abluft bestimmt.
  • Die dargestellten Mess- und/oder Filtereinrichtungen 4, 5, 6, 7 umfassen einen pH-Sensor 4, mit dessen Hilfe der pH-Wert des Abwassers bestimmbar ist. Über den pH-Wert kann die Degradation einer Membran der mindestens einen Brennstoffzelle erfasst werden. Des Weiteren ist ein CO2-Sensor 5 vorgesehen, mit dessen Hilfe die Degradation einer auf der Membran aufgebrachten Katalysatorschicht bestimmbar ist. Ebenfalls vorhanden ist ein Refraktometer 6, das der Detektion einer Kühlwasserleckage dient. Mit Hilfe eines ferner vorgesehenen Filters 7 können Partikel abgeschieden und quantifiziert werden. Eine hohe Anzahl an Partikeln lässt auf eine fortgeschrittene Degradation schließen.
  • Die dargestellten Mess- und/oder Filtereinrichtungen 4, 5, 6, 7 können auch jeweils allein oder in unterschiedlichen Kombinationen an einem Abwasser- und/oder Abluftpfad 8, 9 angeordnet werden. Die mit Hilfe dieser Mess- und/oder Filtereinrichtungen, 4, 5, 6, 7 durchgeführte Analyse gibt Aufschluss über den „State-of Health“ des Brennstoffzellensystems 1, so dass im Falle einer Beeinträchtigung rechtzeitig Gegenmaßnahmen ergriffen werden können. Bei einer mobilen Anwendung des dargestellten Brennstoffzellensystems 1 kann eine Werkstatt angefahren werden. Bei einer stationären Anwendung kann ein Servicetechniker gerufen werden.

Claims (11)

  1. Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems (1) mit mindestens einer Brennstoffzelle, die über einen Anodenpfad (2) mit Wasserstoff und über einen Kathodenpfad (3) mit Sauerstoff versorgt wird, dadurch gekennzeichnet, dass im Betrieb des Brennstoffzellensystems (1) anfallendes Abwasser und/oder anfallende Abluft mit Hilfe mindestens einer Mess- und/oder Filtereinrichtung (4, 5, 6, 7) einer Analyse unterzogen wird bzw. werden und von dem Ergebnis der Analyse auf den Zustand des Brennstoffzellensystems (1) geschlossen wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mit Hilfe der mindestens einen Mess- und/oder Filtereinrichtung (4, 5, 6, 7) die Zusammensetzung des Abwassers und/oder der Abluft analysiert wird bzw. werden.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mit Hilfe der mindestens einen Mess- und/oder Filtereinrichtung (4, 5, 6, 7) der Fluorgehalt des Abwassers bestimmt wird und der Fluorgehalt zur Detektion einer Degradation einer Membran der mindestens einen Brennstoffzelle verwendet wird.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mit Hilfe der mindestens einen Mess- und/oder Filtereinrichtung (4, 5, 6, 7) der pH-Wert des Abwassers bestimmt und der pH-Wert zur Detektion einer Degradation einer Membran der mindestens einen Brennstoffzelle verwendet wird.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mit Hilfe der mindestens einen Mess- und/oder Filtereinrichtung (4, 5, 6, 7) der CO2-Gehalt der Abluft bestimmt und zur Detektion einer Kohlenstoffdegradation einer Katalysatorschicht der mindestens einen Brennstoffzelle verwendet wird.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mit Hilfe der mindestens einen Mess- und/oder Filtereinrichtung (4, 5, 6, 7) im Abwasser und/oder in der Abluft enthaltene Partikel, beispielsweise Bipolarplattenbeschichtungsreste, gesammelt und quantifiziert werden.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mit Hilfe der mindestens einen Mess- und/oder Filtereinrichtung (4, 5, 6, 7), vorzugsweise mit Hilfe eines Refraktometers (6) der mindestens einen Mess- und/oder Filtereinrichtung, eine Kühlwasserleckage detektiert wird.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Analyse des Abwassers und/oder der Abluft an Bord eines das Brennstoffzellensystem (1) aufweisenden Fahrzeugs durchgeführt wird.
  9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ergebnis der Analyse über ein Display angezeigt wird.
  10. Brennstoffzellensystem (1) zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9, umfassend - mindestens eine Brennstoffzelle, die über einen Anodenpfad (2) mit Wasserstoff und über einen Kathodenpfad (3) mit Sauerstoff versorgbar ist, - einen Abwasserpfad (8) zum Abführen von Abwasser und/oder - einen Abluftpfad (9) zum Abführen von Abluft, dadurch gekennzeichnet, dass in den Anodenpfad (2), in den Abwasserpfad (8) und/oder in den Abluftpfad (9) mindestens eine Mess- und/oder Filtereinrichtung (4, 5, 6, 7) integriert ist.
  11. Brennstoffzellensystem (1) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Mess- und/oder Filtereinrichtung (4, 5, 6, 7) mindestens einen Sensor (4, 5), insbesondere einen pH-Sensor (4) und/oder CO2-Sensor (5), ein Refraktometer (6) und/oder einen Filter (7) umfasst.
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