DE102021203844A1 - Verfahren zum Spülen eines Reaktantenraums - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Spülen eines Reaktantenraums (A, K), insbesondere eines Anodenraums (A) und/oder eines Kathodenraums (K), eines Brennstoffzellensystems (100), aufweisend:
- Bestimmten eines kritischen Wertes (Pcritical) für einen Betriebsparameter (P) des Brennstoffzellensystems (100), der für eine Flutung des Reaktantenraums (A, K) bezeichnend ist,
- Überwachen des Betriebsparameters (P) auf Erreichen des kritischen Wertes (Pcritical),
- Setzen eines Schwellenwertes (Nmax) für einen, insbesondere zeitabhängigen, Counter (N),
- Überwachen des Counters (N) auf Überschreiten des Schwellenwertes (Nmax),
- Durchführen eines Spülvorganges (DRAIN) des Reaktantenraums (A, K), wenn der Betriebsparameter (P) den kritischen Wert (Pcritical) erreicht hat, und wenn der Counter (N) den Schwellenwert (Nmax) überschritten hat.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Spülen eines Reaktantenraums, insbesondere eines Anodenraums und/oder eines Kathodenraums, eines Brennstoffzellensystems nach dem unabhängigen Verfahrensanspruch. Das Verfahren kann ebenfalls als ein Drain-Verfahren bezeichnet werden.
  • Stand der Technik
  • Brennstoffzellen gelten als ein vielversprechender Ansatz für nachhaltige Energieversorgung in mobilen Anwendungen, bspw. bei Fahrzeugen, aber auch in stationären Anwendungen, bspw. bei Generatoren. Die Brennstoffzellensysteme umfassen zumeist mehrere Brennstoffzellen, die zu einem Stack zusammengefügt werden. Zudem umfassen die Brennstoffzellensysteme zumindest vier Subsysteme, darunter: ein Kathodensystem, um einen Kathodenraum des Brennstoffzellensystems mit einem sauerstoffhaltigen Gasgemisch zu versorgen, ein Anodensystem, um einen Anodenraum des Brennstoffzellensystems mit einem brennstoffhaltigen Gasgemisch zu versorgen, ein Kühlsystem, um das Brennstoffzellensystem zu temperieren, und ein elektrisches System, um die erzeugte elektrische Leistung vom Brennstoffzellensystem abzuführen. In den Brennstoffzellen reagieren Brennstoff und Sauerstoff und erzeugen elektrischen Strom, Wärme und Wasser. Das Wasser entsteht grundsätzlich auf der Kathodenseite des Systems, kann aber auch in den Anodenraum, bspw. aufgrund von Druckunterschieden, hineindiffundieren. Das Wasser muss zuverlässig aus den Reaktantenräumen abtransportiert werden, um ein Überfluten der Räume zu vermeiden. Die Überflutung der Räume kann zu einer lokalen Starvation (zu geringe Konzentration der Reaktanten), zu einem Verlust des Wirkungsgrads oder sogar zu einer Degradation des Systems führen. Die Überflutung kann bspw. auftreten, wenn die Menge des produzierten Wassers nicht vollständig abtransportiert werden kann und die Wasserspeicherkapazität der Brennstoffzellen (z. B. im Geflecht eines Flowfields) ausgeschöpft ist.
  • Die Ausschleusung von flüssigem Wasser aus den Brennstoffzellen hängt hauptsächlich von den Strömungsverhältnissen im jeweiligen Reaktantenraum ab. Bei hohen elektrischen Lasten ist die Strömung ausreichend hoch, sodass das Wasser durch die Strömung abtransportiert werden kann. Unterschreitet der tatsächliche Fluss einen bestimmten kritischen Volumenstrom, kommt es zu einer unzureichenden Ausschleusung von flüssigem Wasser. Das Wasserspeichervolumen der Brennstoffzellen wird gefüllt und die Gefahr einer Überflutung steigt. Das Risiko einer Überflutung der Brennstoffzellen steigt außerdem bei niedrigen Temperaturen, die den Sättigungsdampfdruck und damit die Gesamtmenge an flüssigem Wasser, die in der Dampfphase abgeführt werden kann, senken.
  • Der Anodenraum und der Kathodenraum werden zumeist mit stöchiometrischem Faktor, sog. Stöchiometrien > 1, betrieben. Je höher die Stöchiometrie λ >> 1 ist, desto besser kann das Wasser durch die Strömung abtransportiert werden. Allerdings verursachen hohe Stöchiometrien erhebliche parasitäre elektrische Verluste im Brennstoffzellensystem, da sie durch Pumpen (z. B. Anodenumwälzpumpe) und Kompressoren (z. B. Turbokompressor im Luftsystem) erreicht werden. Auch verursachen hohe Stoiken einen ineffizienten Brennstoffverbrauch. Je höher die Stöchiometrie, desto höher der Leistungsbedarf, die Verluste und der Aufwand in den Anlagenkomponenten.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung sieht ein Verfahren zum Spülen eines Reaktantenraums, insbesondere eines Anodenraums und/oder eines Kathodenraums, eines Brennstoffzellensystems mit den Merkmalen des unabhängigen Verfahrensanspruches vor. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem unterschiedlichen Ausführungsformen der Erfindung beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem anderen Ausführungsformen und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Ausführungsformen stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.
  • Die vorliegende Erfindung sieht ein Verfahren zum Spülen eines Reaktantenraums, insbesondere eines Anodenraums und/oder eines Kathodenraums, eines Brennstoffzellensystems vor, aufweisend:
    • - Bestimmen eines kritischen Wertes für einen Betriebsparameter des Brennstoffzellensystems, der für eine Flutung des Reaktantenraums bezeichnend bzw. spezifisch ist,
    wie z. B. für einen elektrischen Strom und/oder für einen Volumenstrom eines Gasgemisches,
    • - Überwachen des Betriebsparameters auf Erreichen des kritischen Wertes, wobei insbesondere im Falle von elektrischem Strom und/oder einem Volumenstrom eines Gasgemisches der Betriebsparameter auf ein Unterschreiten des kritischen Wertes überwacht werden kann, wobei außerdem mindestens ein weiterer Betriebsparameter denkbar ist, der bei einer Flutung der Brennstoffzelle einen bestimmten maximalen kritischen Wert überschreiten kann, wie z. B. der Druckabfall über den Reaktantenraum des Brennstoffzellensystems,
    • - Setzen eines Schwellenwertes für einen, insbesondere zeitabhängigen, Counter bzw. Zähler,
    wie z. B. für eine Zeit und/oder für einen Integralwert) für den Strom, der durch das Brennstoffzellensystem über eine Zeit erzeugt wird,
    • - Überwachen des Counters auf Überschreiten des Schwellenwertes,
    • - Durchführen eines Spülvorganges des Reaktantenraums, wenn der Betriebsparameter den kritischen Wert erreicht hat, und wenn der Counter den Schwellenwert überschritten hat,
    wobei vorzugsweise der Counter auf Null zurückgesetzt werden kann, wenn ein Spülvorgang des Reaktantenraums durchgeführt wurde, und/oder wenn ein Purgevorgang des Reaktantenraums des Brennstoffzellensystems durchgeführt wurde,
    und/oder wenn der Betriebsparameter den kritischen Wert verlässt und/oder einen sicheren Wert erreicht, bzw. wenn sich das System wieder im Normalbetrieb, bspw. vollen Leistungsbetrieb, befindet.
  • Die Schritte des Verfahrens können vorteilhafterweise wiederholt durchgeführt werden. Bei jedem Durchgang kann der Counter auf einen bestimmten Schrittwert hochgesetzt werden.
  • Während eines Durchgangs des Verfahrens können die Verfahrensschritte zumindest z. T. gleichzeitig und/oder nacheinander durchgeführt werden.
  • Die Erfindung geht dabei von dem Gedanken aus, dass, wenn der Betriebsparameter den kritischen Wert erreicht, die Menge des produzierten Wassers nicht vollständig abtransportiert werden kann, sodass die Wasserspeicherkapazität der Brennstoffzellen, z. B. im Geflecht eines Flowfields, wie z. B. einer Gasdiffusionslage, nach und nach ausgeschöpft werden kann. Dabei kann man von einem reduzierten Leistungsbetrieb des Brennstoffzellensystems sprechen, welcher bspw. bei einem Starten des Systems, bei einem Stop-and-Go-Verhalten o.ä. erforderlich sein kann.
  • Der Betriebsparameter wird im Rahmen der Erfindung derart bestimmt, dass er für eine reduzierte elektrische Leistung des Systems und somit für eine Flutung des Reaktantenraums spezifisch sein kann. Der Betriebsparameter kann insbesondere eine Systemgröße darstellen, von der die elektrische Leistung des Systems abhängt.
  • Am Beispiel des elektrischen Stroms als ein möglicher Betriebsparameter im Rahmen der Erfindung, kann ein niedriger Strom für eine reduzierte elektrische Leistung des Systems und somit für eine Flutung des Reaktantenraums spezifisch sein. In diesem Falle kann der kritische Wert als ein Mindestwert für den elektrischen Strom bestimmt werden. Der kritische Wert kann bspw. aus Erfahrungswerten abgeleitet werden.
  • Am Beispiel des Volumenstroms eines Gasgemisches, mit dem ein Reaktant zum Brennstoffzellenstapel geleitet wird, kann als ein möglicher Betriebsparameter ein niedriger Volumenstrom ebenfalls für eine reduzierte elektrische Leistung des Systems und somit für eine Flutung des Reaktantenraums spezifisch sein. In diesem Falle kann der kritische Wert auch als ein Mindestwert für den Volumenstrom bestimmt werden. Der kritische Wert kann auch hier bspw. aus Erfahrungswerten abgeleitet werden.
  • Ein weiterer denkbarer Betriebsparameter ist das Verhältnis von Trägheits- zu Zähigkeitskräften im Volumenstrom des Gasgemisches, mit dem ein Reaktant zum Brennstoffzellenstapel geleitet wird, bzw. die Reynolds-Zahl. Die Reynolds-Zahl kann auf Unterschreiten eines Mindestwertes als der kritische Wert überwacht werden.
  • Zugleich ist ein weiterer Betriebsparameter denkbar, bspw. der Druckabfall über den Reaktantenraum. Wenn am Ausgang aus dem Reaktantenraum vergleichsweise niedriger Druck herrscht, kann dies ein Zeichen für eine Überflutung sein, weil nicht genug Gasgemisch aus dem Reaktantenraum austreten kann. In diesem Falle kann der Druckabfall auf Überschreiten eines Maximalwertes als der kritische Wert überwacht werden.
  • Vorteilhafterweise kann nicht nur ein Betriebsparameter, sondern mehrere Betriebsparameter auf Erreichen des kritischen Wertes überwacht werden, um die Gefahr der Flutung zu plausibilisieren und die Effizienz des Verfahrens zu erhöhen.
  • Mithilfe der Erfindung können die Häufigkeit und die Dauer der Spülvorgänge an die tatsächlich herrschenden Verhältnisse im System mit einer hohen Genauigkeit angepasst werden. Somit kann das Spülen der Reaktantenräume effizient gestaltet werden. Die entsprechenden Aktoren, wie z. B. Kompressoren im Kathodensystem und/oder Pumpen im Anodensystem, werden nur noch gezielt hochgefahren, um das Spülen des Reaktantenraums durchzuführen. Somit können parasitäre elektrische Verluste im Brennstoffzellensystem erheblich reduziert werden. Auch der Brennstoff-Verbrauch kann dadurch effizient gestaltet werden. Außerdem kann dadurch das System über längere Zeit mit moderaten Stöchiometrien, wie z. B. A = 1,5, betrieben werden.
  • Ferner kann bei einem Verfahren vorgesehen sein, dass der Betriebsparameter, der auf Erreichen des kritischen Wertes überwacht wird, von mindestens einem der folgenden Parameter abhängig ist:
    • - elektrischer Strom, der durch das Brennstoffzellensystem erzeugt wird, und/oder
    • - Volumenstrom eines Gasgemisches, der durch den Reaktantenraum des Brennstoffzellensystems geleitet wird, und/oder
    • - Reynolds-Zahl, die für eine Strömung in dem Reaktantenraum des Brennstoffzellensystems spezifisch ist.
  • Der elektrische Strom und der Volumenstrom des Gasgemisches werden zumeist systeminhärent erfasst. Somit kann das Verfahren auf vorhandene Sensoren zurückgreifen, um eine vorteilhafte Ansteuerung der Spülvorgänge durchzuführen. Die Reynolds-Zahl kann direkt nicht gemessen werden. Hierzu kann bspw. die Strömungsgeschwindigkeit des Gasgemisches gemessen werden. Durch die Überwachung der Reynolds-Zahl können die tatsächlich herrschenden Verhältnisse im System mit einer hohen Genauigkeit bestimmt werden.
  • Weiterhin kann bei einem Verfahren vorgesehen sein, dass der Betriebsparameter, wie z. B. elektrischer Strom, Volumenstrom und/oder die Reynolds-Zahl, auf Unterschreiten des kritischen Wertes überwacht wird. Auf diese Weise kann steuerungstechnisch eine einfache Prognose einer drohenden Überflutung des Reaktantenraumens erfolgen.
  • Des Weiteren kann bei einem Verfahren vorgesehen sein, dass der Betriebsparameter, der auf Erreichen des kritischen Wertes überwacht wird, von mindestens einem folgenden Parameter abhängig ist:
    • - der Druckabfall, der über den Reaktantenraum des Brennstoffzellensystems erfolgt.
  • Der Druck kann ebenfalls systeminhärent erfasst werden. Ein zu großer Druckabfall kann ein Anzeichen einer Überflutung sein. Um eine Prognose einer drohenden Überflutung zu erstellen, kann der Betriebsparameter auf Überschreiten des kritischen Wertes überwacht werden.
  • Dankbar ist ferner, dass der Counter, der auf Überschreiten des Schwellenwertes überwacht wird, von mindestens einem der folgenden Parameter abhängig ist:
    • - Zeit, und/oder
    • - Integralwert) für den Strom, der durch das Brennstoffzellensystem über eine Zeit erzeugt wird.
  • Wenn die Zeit als der Counter gewählt wird, kann das Verfahren mit einem reduzierten Steuerungsbedarf durchgeführt werden. Wenn der Integralwert) für den Strom als der Counter gewählt wird, kann das Verfahren mit einer erhöhten Effizienz durchgeführt werden. Da die produzierte Wassermenge der kumulierten Strommenge entspricht, kann durch einen solchen Counter die Häufigkeit und Dauer der Spülvorgänge sehr genau eingestellt werden. Um das Verfahren noch weiter zu verfeinern, ist es denkbar, dass von der kumulierten Strommenge die tatsächlich durch die Strömung abgetragene Dampfmenge abgezogen werden kann. Diese kann durch den entsprechenden Sättigungsdampfdruck und den Luftmassenstrom berechnet werden. Die Differenz zwischen der produzierten Wassermenge bzw. der kumulierten Strommenge (durch das zeitliche Integral des Stroms ermittelt) und der abgetragenen Dampfmenge ergibt mit einer erhöhten Genauigkeit die in den Zellen tatsächlich gespeicherte Wassermenge. Nach Erreichen des Schwellenwertes, welcher z.B. der Speicherfähigkeit der porösen Schichten und hydrophilen Oberflächen der Zellen entspricht, kann der Drain-Vorgang gezielt ausgelöst werden.
  • Vorteilhafterweise kann mithilfe des Betriebsparameters eine Wassermenge im Reaktantenraum des Brennstoffzellensystems modelliert und/oder geschätzt werden.
  • Außerdem kann es vorteilhaft sein, wenn bei dem Bestimmen des kritischen Wertes des Betriebsparameters und/oder des Schwellenwertes des Counters eine tatsächlich anfallende Wassermenge im Reaktantenraum des Brennstoffzellensystems berücksichtigt, insbesondere direkt und/oder indirekt erfasst, wird.
  • Um unnötige Spülvorgänge bzw. Drainvorgänge zu vermeiden, kann das Verfahren mindestens einen der folgenden Schritte aufweisen:
    • - Setzen des Counters auf Null,
    wenn ein Spülvorgang des Reaktantenraums durchgeführt wurde, und/oder wenn ein Purgevorgang des Reaktantenraums des Brennstoffzellensystems durchgeführt wurde, und/oder wenn der Betriebsparameter den kritischen Wert verlässt und/oder einen sicheren Wert erreicht.
  • Vorteilhafterweise kann das Verfahren für einen Anodenraum und/oder einen Kathodenraum des Brennstoffzellensystems, insbesondere gleichzeitig, zumindest tlw. überlappend und/oder nacheinander, durchgeführt werden.
  • Um das Verfahren für einen Anodenraum und/oder einen Kathodenraum des Brennstoffzellensystems individuell durchzuführen, können unterschiedliche, insbesondere individuelle, Schwellenwerte für den Counter bestimmt werden.
  • In Systemen mit einem kombinierten Purge- und/oder Drainventil kann es vorteilhaft sein, wenn vor dem Überwachen des Counters auf Überschreiten des Schwellenwertes überprüft wird, ob ein Purgevorgang des Reaktantenraums des Brennstoffzellensystems durchgeführt wird. Durch den Purgevorgang kann der Abtransport des Wassers begünstigt werden. Auf diese Weise können unnötige Spülvorgänge bzw. Drain-Vorgänge vermieden werden.
  • Das Verfahren kann vorteilhafterweise durch ein Steuergerät des Brennstoffzellensystem durchgeführt werden. In einer Speichereinheit des Steuergeräts kann ein entsprechendes Computerprogramm in Form eines Codes hinterlegt werden, welcher bei Ausführen des Codes durch eine Recheneinheit des Steuergeräts ein Verfahren durchführt, welches wie oben beschrieben ablaufen kann. Das Steuergerät kann mit Sensoren des Systems in einer Kommunikationsverbindung stehen. Das Steuergerät kann die Aktoren im System ansteuern, um die Spülvorgänge entsprechend durchzuführen.
  • Figurenliste
  • Die Erfindung und deren Weiterbildungen sowie deren Vorteile werden nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen jeweils schematisch:
    • 1 ein beispielhaftes Brennstoffzellensystem,
    • 2 zwei Varianten eines Anodensystems mit einem kombinierten Purge- und/oder Drainventil und zwei separaten Ventilen für einen PurgeVorgang und für einen Drain-Vorgang,
    • 3 eine Prinzipskizze einer Brennstoffzelle,
    • 4 eine funktionale Darstellung einer Menge an einem abgetragenen Wasser aus einer Brennstoffzelle in Abhängigkeit von einem Volumenstrom eines Gasgemisches,
    • 5 einen möglichen Ablauf eines Verfahrens im Sinne der Erfindung, und
    • 6 einen weiteren möglichen Ablauf eines Verfahrens im Sinne der Erfindung.
  • In den unterschiedlichen Figuren sind gleiche Teile der Erfindung stets mit denselben Bezugszeichen versehen, weshalb diese i. d. R. nur einmal beschrieben werden.
  • Die 1 zeigt ein mögliches Brennstoffzellensystem 100 im Rahmen der Erfindung. Das Brennstoffzellensystem 100 umfasst zumeist mehrere Brennstoffzellen 102, die zu einem Stack 101 zusammengefügt werden. Zudem umfasst das Brennstoffzellensystem 100 zumindest vier Subsysteme 10, 20, 30, 40, darunter: ein Kathodensystem 10, um einen Kathodenraum K des Stacks 101 mit einem sauerstoffhaltigen Gasgemisch zu versorgen, ein Anodensystem 20, um einen Anodenraum A des Stacks 101 mit einem brennstoffhaltigen Gasgemisch zu versorgen, ein Kühlsystem 30, um den Stack 101 zu temperieren, und ein elektrisches System 40, um die erzeugte elektrische Leistung vom Stack 101 abzuführen.
  • Die 2 zeigt zwei Beispiele für ein Anodensystem 20, welches einen Brennstofftank T aufweist, aus welchem nach einer oder zwei Druckreduktionsstufen PR1, PR2 ein Brennstoff an einen Anodenraum A des Stacks 101 des Brennstoffzellensystems 100 bereitgestellt wird. Ein brennstoffhaltiges Gasgemisch wird mithilfe einer Rezirkulationspumpe ARB zurück in den Anodenraum A geschickt. Wie es die 2 zeigt, können im Anodensystem 20 ein kombiniertes Purge- und/oder Drainventil PDV oder zwei separate Ventile PV, DV für einen Purgevorgang und für einen Drain-Vorgang vorgesehen sein. In dem Drain-Zweig kann ein Behälter WB mit einem separaten Wasserabscheider WS (siehe bspw. die 1) oder mit einem integrierten Wasserabscheider WS vorgesehen sein (siehe bspw. die 2).
  • Eine beispielhafte Brennstoffzelle 102 ist in der 3 gezeigt. Im Stack 101 reagieren Brennstoff H2 und Sauerstoff O2 und erzeugen elektrischen Strom I, Wärme und Wasser H2O. Das Wasser H2O entsteht grundsätzlich im Kathodenraum K der Brennstoffzelle 102, kann aber auch in den Anodenraum A, bspw. aufgrund von Druckunterschieden zwischen dem Kathodenraum K und dem Anodenraum A, durch eine Membran M diffundieren. Das Wasser H2O muss zuverlässig aus den Reaktantenräumen A, K abtransportiert werden, um ein Überfluten der Reaktantenräume A, K zu vermeiden, die zu einer lokalen Starvation mit einer zu geringen Konzentration des Reaktanten H2, O2, zu einem Verlust des Wirkungsgrads des Brennstoffzellensystems 100 oder sogar zu einer Degradation des Stacks 101 führen kann. Die Überflutung kann bspw. auftreten, wenn die Menge des produzierten Wassers H2O nicht vollständig abtransportiert werden kann und zugleich die Wasserspeicherkapazität der Brennstoffzellen 102 ausgeschöpft ist.
  • Der Abtransport von flüssigem Wasser H2O aus den Brennstoffzellen 102 hängt hauptsächlich von den Strömungsverhältnissen im jeweiligen Reaktantenraum A, K ab, wie es die 4 andeutet. Bei hohen elektrischen Lasten ist die Volumenströmung dV/dt ausreichend hoch, um das Wasser H2O abzutransportieren. Unterschreitet der tatsächliche Volumenstrom dV/dt einen kritischen Volumenstrom dVcritical/dt, kommt es zu einem unzureichenden Abtransport von flüssigem Wasser H2O (vgl. 4). Das Wasserspeichervolumen der Brennstoffzellen 102 wird gefüllt bis die Reaktantenräume A, K überflutet werden.
  • Der Anodenraum A und der Kathodenraum K werden zumeist mit stöchiometrischem Faktor, sog. Stöchiometrien > 1, betrieben. Je höher die Stöchiometrie λ >> 1 ist, desto besser kann das Wasser H2O durch die Strömung abtransportiert werden. Allerdings verursachen hohe Stöchiometrien erhebliche parasitäre elektrische Verluste im Brennstoffzellensystem, die durch Pumpen, wie die Rezirkulationspumpe ARB im Anodensystem 20 und ein Kompressor K im Kathodensystem K erreicht werden. Im Anodensystem 20 verursachen hohe Stöchiometrien außerdem einen ineffizienten Brennstoffverbrauch.
  • Die vorliegende Erfindung stellt ein verbessertes Verfahren zum Spülen eines Reaktantenraums A, K, wie z. B. eines Anodenraums A und/oder eines Kathodenraums K, eines Brennstoffzellensystems 100 bereit.
  • Das Verfahren kann mithilfe der 5 und 6 erklärt werden, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist:
    1. 1) Bestimmen eines kritischen Wertes Pcritical für einen Betriebsparameter P des Brennstoffzellensystems 100, der für eine Flutung des Reaktantenraums A, K bezeichnend ist.
  • Als Beispiel für einen Betriebsparameter P ist in der 5 ein elektrischer Strom I P gezeigt. Der kritische Wert Icritical kann dabei bspw. 50 A betragen.
    • 2) Überwachen des Betriebsparameters P auf Erreichen des kritischen Wertes Pcritical.
  • In dem Beispiel von elektrischem Strom I wird der Betriebsparameter P auf ein Unterschreiten des kritischen Wertes Pcritical überwacht.
    • 3) Setzen eines Schwellenwertes Nmax für einen, insbesondere zeitabhängigen, Counter N.
  • Als Beispiel für einen Counter N ist in der 5 die Zeit t gewählt. Der Schwellenwert tmax kann dabei bspw. 60 s betragen.
    • 4) Überwachen des Counters N auf Überschreiten des Schwellenwertes Nmax.
    • 5) Durchführen eines Spülvorganges DRAIN des Reaktantenraums A, K, wenn der Betriebsparameter P den kritischen Wert Pcritical erreicht hat, und wenn der Counter N den Schwellenwert Nmax überschritten hat.
  • Die Schritte 1) bis 5) des Verfahrens können vorteilhafterweise wiederholt durchgeführt werden. Bei jedem Durchgang kann der Counter N auf einen bestimmten Schrittwert N=N+AN (bspw. t=t+Δt) hochgesetzt werden.
  • Während eines Durchganges des Verfahrens können die Verfahrensschritte 1) bis 5) zumindest z. T. gleichzeitig und/oder nacheinander durchgeführt werden.
  • In einem weiteren Schritt kann das Verfahren vorsehen:
    • 6) Setzen des Counters t auf Null t=0 zurück,
    wenn in Schritt 5) ein Spülvorgang DRAIN des Reaktantenraums A, K durchgeführt wurde,
    und/oder wenn ein Purgevorgang PURGE des Reaktantenraums A, K des Brennstoffzellensystems 100 durchgeführt wurde, vgl. Schritt 2a) in der 6, und/oder wenn der Betriebsparameter P den kritischen Wert Pcritical verlässt und/oder einen sicheren Wert erreicht, wenn bspw. sich das System 100 wieder im Normalbetrieb bzw. im vollen Leistungsbetrieb befindet.
  • Wie es die 6 zudem zeigt, kann vor dem Überwachen des Counters N auf Überschreiten des Schwellenwertes Nmax in Schritt 3) in einem Zwischenschritt 2a) überprüft werden, ob ein Purgevorgang PURGE des Reaktantenraums A, K des Brennstoffzellensystems 100 durchgeführt wird. Dies kann insbesondere für Anodensysteme 20 von Vorteil sein, die zwei separate Ventile PV, DV für einen Purgevorgang und für einen Drain-Vorgang aufweisen.
  • Der Betriebsparameter P kann so bestimmt werden, dass er für eine reduzierte elektrische Leistung des Systems 100 und somit für eine Flutung des Reaktantenraums A, K spezifisch sein kann. Der Betriebsparameter P kann insbesondere eine messbare und/oder erfassbare Größe im System 100 darstellen, die eine elektrische Leistung des Systems 100 beeinflusst.
  • Am Beispiel des elektrischen Stroms I als ein möglicher Betriebsparameter P, kann ein niedriger Strom I < Icritical für eine reduzierte elektrische Leistung des Systems 100 und somit für eine Flutung des Reaktantenraums A, K spezifisch sein. In diesem Falle kann der kritische Wert Pcritical als ein Mindestwert Icritical für den elektrischen Strom I bestimmt werden.
  • Am Beispiel eines Volumenstroms dV/dt eines Gasgemisches, mit dem ein Reaktant H2, O2 zum Brennstoffzellenstapel 101 geleitet wird, als ein möglicher Betriebsparameter P kann ein niedriger Volumenstrom dVcritical/dt (vgl. 4) für eine reduzierte elektrische Leistung des Systems 100 und somit für eine Flutung des Reaktantenraums A, K spezifisch sein. In diesem Falle kann der kritische Wert Pcritical auch als ein Mindestwert dVcritical/dt für den Volumenstrom dV/dt bestimmt werden.
  • Der kritische Wert Pcritical kann bspw. aus Erfahrungswerten abgeleitet oder theoretisch berechnet oder einfach geschätzt werden.
  • Ein weiterer denkbarer Betriebsparameter P ist das Verhältnis von Trägheits- zu Zähigkeitskräften im Volumenstrom dV/dt des Gasgemisches, mit dem ein Reaktant H2, O2 zum Brennstoffzellenstapel 101 geleitet wird, bzw. die Reynolds-Zahl Re. Die Reynolds-Zahl Re kann auf Unterschreiten eines Mindestwertes Recritical als der kritische Wert Pcritical überwacht werden.
  • Ein weiterer denkbarer Betriebsparameter P ist der Druckabfall Δp über den Reaktantenraum A, K. Wenn der Reaktantenraum A, K überflutet wird, kann nicht genug Gasgemisch aus dem Reaktantenraum A, K austreten. In diesem Falle kann der Druckabfall Δp auf Überschreiten eines Maximalwertes Δp critical als der kritische Wert Pcritical überwacht werden.
  • Vorteilhafterweise kann nicht nur ein Betriebsparameter P, sondern mehrere Betriebsparameter P auf Erreichen des kritischen Wertes Pcritical überwacht werden, um die Effizienz des Verfahrens zu erhöhen.
  • Um das Verfahren zu verfeinern, kann der Counter N als ein Integralwert dl(t) für den Strom I bestimmt werden, der durch das Brennstoffzellensystem 100 über eine Zeit t erzeugt wird. Da die produzierte Wassermenge der kumulierten Strommenge entspricht, kann durch einen solchen Counter N die Häufigkeit und Dauer der Spülvorgänge bzw. der Drainageevents mit einer hohen Genauigkeit eingestellt werden.
  • Um das Verfahren noch weiter zu verfeinern, kann von der kumulierten Strommenge die tatsächlich durch die Strömung abgetragene Dampfmenge abgezogen werden kann. Die tatsächlich abgetragene Dampfmenge kann durch den entsprechenden Sättigungsdampfdruck und den Luftmassenstrom berechnet werden. Die Differenz zwischen der kumulierten Strommenge (das zeitliche Integral des Stroms dl(t) und der abgetragenen Dampfmenge ergibt mit einer erhöhten Genauigkeit die in der Brennstoffzelle 102 tatsächlich gespeicherte Wassermenge.
  • Vorteilhafterweise kann das Verfahren für einen Anodenraum A und/oder einen Kathodenraum K des Brennstoffzellensystems 100, insbesondere gleichzeitig, zumindest tlw. überlappend und/oder nacheinander, durchgeführt werden. Denkbar ist zudem, dass zum Durchführen des Verfahrens für den Anodenraum A und/oder zum Durchführen des Verfahrens für den Kathodenraum K des Brennstoffzellensystems 100 unterschiedliche Schwellenwerte NmaxA, NmaxK für den Counter N bestimmt werden.
  • Die voranstehende Beschreibung der Figuren beschreibt die vorliegende Erfindung ausschließlich im Rahmen von Beispielen. Selbstverständlich können einzelne Merkmale der Ausführungsformen, sofern es technisch sinnvoll ist, frei miteinander kombiniert werden, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.

Claims (11)

  1. Verfahren zum Spülen eines Reaktantenraums (A, K), insbesondere eines Anodenraums (A) und/oder eines Kathodenraums (K), eines Brennstoffzellensystems (100), aufweisend: - Bestimmen eines kritischen Wertes (Pcritical) für einen Betriebsparameter (P) des Brennstoffzellensystems (100), der für eine Flutung des Reaktantenraums (A, K) bezeichnend ist, - Überwachen des Betriebsparameters (P) auf Erreichen des kritischen Wertes (Pcritical), - Setzen eines Schwellenwertes (Nmax) für einen, insbesondere zeitabhängigen, Counter (N), - Überwachen des Counters (N) auf Überschreiten des Schwellenwertes (Nmax), - Durchführen eines Spülvorganges (DRAIN) des Reaktantenraums (A, K), wenn der Betriebsparameter (P) den kritischen Wert (Pcritical) erreicht hat, und wenn der Counter (N) den Schwellenwert (Nmax) überschritten hat.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Betriebsparameter (P), der auf Erreichen des kritischen Wertes (Pcritical) überwacht wird, von mindestens einem der folgenden Parameter abhängig ist: - elektrischer Strom (I), der durch das Brennstoffzellensystem (100) erzeugt wird, und/oder - Volumenstrom (dv/dt) eines Gasgemisches, der durch den Reaktantenraum (A, K) des Brennstoffzellensystems (100) geleitet wird, und/oder - Reynolds-Zahl (Re), die für eine Strömung in dem Reaktantenraum (A, K) des Brennstoffzellensystems (100) spezifisch ist.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Betriebsparameter (P) auf Unterschreiten des kritischen Wertes (Pcritical) überwacht wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Betriebsparameter (P), der auf Erreichen des kritischen Wertes (Pcritical) überwacht wird, von mindestens einem folgenden Parameter abhängig ist: - der Druckabfall (Δp), der über den Reaktantenraum (A, K) des Brennstoffzellensystems (100) erfolgt.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Betriebsparameter (P) auf Überschreiten des kritischen Wertes (Pcritical) überwacht wird.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Counter (N), der auf Überschreiten des Schwellenwertes (Nmax) überwacht wird, von mindestens einem der folgenden Parameter abhängig ist: - Zeit (t), und/oder - Integralwert (dl(t)) für den Strom (I), der durch das Brennstoffzellensystem (100) über eine Zeit (t) erzeugt wird.
  7. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Spülvorgang des Reaktantenraums (A, K) durch Erhöhen eines Volumenstroms und/oder Massenstroms eines reaktantenhaltigen Gasgemisches durchgeführt wird.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mithilfe des Betriebsparameters (P) eine Wassermenge im Reaktantenraum (A, K) des Brennstoffzellensystems (100) modelliert und/oder geschätzt wird, und/oder dass bei dem Bestimmen des kritischen Wertes (Pcritical) des Betriebsparameters (P) und/oder des Schwellenwertes (Nmax) des Counters (N) eine tatsächlich anfallende Wassermenge im Reaktantenraum (A, K) des Brennstoffzellensystems (100) berücksichtigt, insbesondere direkt und/oder indirekt erfasst, wird.
  9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren mindestens einen der folgenden Schritte aufweist: - Setzen des Counters (N) auf Null, wenn ein Spülvorgang (DRAIN) des Reaktantenraums (A, K) durchgeführt wurde, und/oder wenn ein Purgevorgang (PURGE)des Reaktantenraums (A, K) des Brennstoffzellensystems (100) durchgeführt wurde, und/oder wenn der Betriebsparameter (P) den kritischen Wert (Pcritical) verlässt und/oder einen sicheren Wert erreicht.
  10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren für einen Anodenraum (A) und/oder einen Kathodenraum (K) des Brennstoffzellensystems (100), insbesondere gleichzeitig, zumindest tlw. überlappend und/oder nacheinander, durchgeführt wird, wobei vorzugsweise zum Durchführen des Verfahrens für den Anodenraum (A) und/oder zum Durchführen des Verfahrens für den Kathodenraum (K) des Brennstoffzellensystems (100) unterschiedliche Schwellenwerte (NmaxA, NmaxK) für den Counter (N) bestimmt werden.
  11. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Überwachen des Counters (N) auf Überschreiten des Schwellenwertes (Nmax) überprüft wird, ob ein Purgevorgang des Reaktantenraums (A, K) des Brennstoffzellensystems (100) durchgeführt wird.
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