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Die vorliegende Erfindung beschreibt ein Verfahren zum Starten eines Bren nstoffzel lensystems.
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Stand der Technik
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Wasserstoffbasierte Brennstoffzellensysteme gelten als Mobilitätskonzept der Zukunft, da sie nur Wasser als Abgas emittieren und schnelle Betankungszeiten ermöglichen. Brennstoffzellensysteme brauchen hierbei Luft und Wasserstoff für die chemische Reaktion innerhalb der Zellen. Zur Bereitstellung der geforderten Energiemenge sind die innerhalb eines Brennstoffzellensystems angeordneten Brennstoffzellen zu sog. Brennstoffzellen-Stacks miteinander verschaltet. Die Abwärme der Zellen wird hierbei mittels eines Kühlkreises abgeführt und an die Umgebung abgegeben. Der zum Betrieb von Brennstoffzellensystemen notwendige Wasserstoff wird den Systemen in der Regel aus Hochdrucktanks zur Verfügung gestellt.
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Bei einem Start eines Brennstoffzellensystems wird der Luftverdichter typischerweise gestartet, um für ausreichende Verdünnung des während der Anodenspülung ausgespülten Wasserstoffes zu sorgen. Nach ausreichender Anodenspülung werden die Kathodenabsperrventile (erstes Ventil im Luftpfad und zweites Ventil im Abluftpfad) geöffnet, Luft gelangt in die Kathode, und die Brennstoffzellen liefern elektrische Leistung.
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Offenbarung der Erfindung
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Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Verfahrensanspruchs. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen.
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Das erfindungsgemäße Verfahren dient dazu eine Betriebsstrategie zur schnellen Befüllung der Kathode mit Luft im (Gefrier-) Start durch kurzzeitige Drosselung des Luftmassenstroms bereitzustellen. Das erfindungsgemäße Verfahren bietet die Vorteile, dass ein gleichmäßiger und schneller Anstieg der Zellspannungen vor dem (Gefrier-)Start des Brennstoffzellensystems sichergestellt ist. Durch den schnellen und gleichmäßigen Anstieg der Zellspannungen wird ein Einfrieren, insbesondere der Randzellen verhindert oder verzögert und ein robusterer und schnellerer Start sichergestellt.
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Durch den gleichmäßigeren und schnellen Anstieg der Zellspannungen beim Start des Brennstoffzellensystems wird die Verweilzeit der Randzellen, die üblicherweise früher mit Luft versorgt werden, bei der maximal auftretenden, für die Lebensdauer schädigenden Zellspannung OCV (open cell voltage) reduziert und damit die gesamte Lebensdauer des Brennstoffzellenstacks erhöht.
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Gemäß dem Stand der Technik erfolgt die erste Befüllung der Kathode mit niedrigem Druck, wobei der Druckregler in der Abgasleitung geöffnet ist, so dass in der Abgasleitung annährend Umgebungsdruck herrscht. Eine Befüllung der Kathode bis alle Zellen ausreichend mit Luft bzw. Sauerstoff versorgt sind, dauert unter diesen Randbedingungen typischerweise eine gewisse Zeit. Daher ist der Spannungsanstieg innerhalt des Brennstoffzellenstacks ungleichmäßig. Die Randzellen sind die ersten, die eine gute Sauerstoffversorgung erhalten, ihre Spannungen steigen dementsprechend früher. Diese Zellen sind auch die ersten, deren Spannung abfällt, mutmaßlich wegen Vereisung der Kathoden- oder Anodenkanäle. Das liegt an der Tatsache, dass in ihnen die Brennstoffzellenreaktion früh einsetzt, ohne dass der Strom in voller Höhe anliegt. Dadurch wird lokal Wasser ohne ausreichende Wärme produziert, was die Vereisung begünstigt bzw. verursacht. Ferner verweilen diese Zellen aus dem o.g. Grund für längere Zeit über Lebensdauer in OCV, was zu erhöhter Degradation führt. Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann dieser Effekt vermieden werden, so dass die Brennstoffzelle eine geringere Degradation erfährt.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zum Starten eines Brennstoffzellensystems, wobei das Brennstoffzellensystems einen Brennstoffzellenstack, einen Luftpfad, eine Abgasleitung und einen Brennstoffleitung mit Rezirkulationskreis aufweist, wobei vor dem Start ein erstes Ventil in der Luftleitung und ein zweites Ventil in der Abgasleitung geschlossen sind und das Bypassventil geöffnet ist, umfassend die folgenden Schritte:
- a. Starten eines Luftverdichters im Luftpfad;
- b. Drosseln eines Druckreglers in der Abgasleitung, so dass stromaufwärts des Druckreglers ein Druck, größer 1,5 bar entsteht;
- c. Öffnen des ersten Ventils (61) oder des zweiten Ventils (62), nachdem die Anode (103) mit Wasserstoff gespült wurde;
- d. Reduzieren der Luftströmung durch das Bypassventils (65);
- e. Öffnen des ersten Ventils (61) oder des zweiten Ventils (62), so dass das erste Venitl (61) und das zweite Ventil (62) geöffnet sind;
- f. Schließen des Bypassventils (65);
- g. Entdrosseln des Druckreglers, so dass der Druck in der Abgasleitung (12) annäherungsweise dem Solldruck für den Start entspricht.
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In der Ausführungsform der Erfindung, in der im Schritt c das zweite Ventil geöffnet wird, während das erste Ventil geschlossen bleibt, erfolgt die Erstbefüllung der Kathode mit Sauerstoff von hinten nach vorne. Eine eventuelle Eisproduktion findet nicht im Eintrittsbereich der Kathode statt, sondern im Austrittsbereich. Dies ist von Vorteil, da sich diese Eisbrocken leichter durch die im Normalbetrieb vorgegebenen Strömungsrichtung entfernen lassen.
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In den abhängigen Ansprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens angegeben.
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Es ist von Vorteil, wenn nach dem Befüllen der Kathode mit sauerstoffhaltiger Luft der Druckregler entdrosselt wird, so dass der Druck in der Abgasleitung ungefähr dem Umgebungsdruck entspricht. Durch die Annährung an den Umgebungsdruck muss der Verdichter in der Luftleitung eine geringe Energieleistung aufwenden, wenn er den Stack mit Luft versorgen will
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Ein weiterer Vorteil ergibt sich, wenn im Verfahrensschritt b.) ein Druck von 2 bar eingestellt wird, da dieser Wert in Messungen zu besonders guten Ergebnissen bei der Vermeidung der Degradation von Zellen geführt hat.
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Wenn die Verfahrensschritte c.) und d.) nahezu gleichzeitig und schnell durchgeführt werden, ist dies von Vorteil, da Beschädigungen an den Ventilen, aufgrund eines unerwünschten zu hohen Druckes, vermieden werden können.
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Es ist von Vorteil, wenn die die Drosselung bzw. Entdrosselung des Druckreglers geregelt durch Messung des Kathodenaustrittsdruckes erfolgt. Hierbei wird sowohl der Druck hinter dem Luftverdichter und der Druck zwischen dem Stack und dem zweiten Ventil gemessen.
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Ein besonderer Vorteil ergibt sich, wenn die Drosselung bzw. Entdrosselung des Druckreglers vorgesteuert durch Anfahren einer bzw. zweier vorher festgelegten Positionen erfolgt, da der vorgesteuerte Betrieb auch bei einem eingefrorenen Drucksensor gut funktioniert.
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Ein kurzzeitig erhöhter Massenstrom des Luftverdichters während der Kathodenbefüllung führt in vorteilhafter Weise zu einer verkürzten Startzeit. Eine Erhöhung des Druckes im Rezirkulationskreis während des Spülens der Anode ist von Vorteil, insbesondere, wenn die Purgeleitung stromaufwärts des Druckregelventils in den Abgaspfad mündet.
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Das erfindungsgemäße Verfahren kann insbesondere in brennstoffzellenbetriebenen Kraftfahrzeugen eingesetzt werden. Ebenso ist jedoch auch ein Einsatz in anderen brennstoffzellenbetriebenen Fortbewegungsmitteln, wie Kränen, Schiffen, Schienenfahrzeugen, Flugobjekten oder auch in stationären brennstoffzellenbetriebenen Objekten denkbar.
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Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems und
- 2 ein Flussablaufdiagramm der einzelnen Schritte eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
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In der 1 ist eine schematische Topologie eines Brennstoffzellensystems 1 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt mit mindestens einem Brennstoffzellenstack 101. Das mindestens eine Brennstoffzellensystem 1 weist einen Luftpfad 10, eine Abgasleitung 12 und eine Brennstoffleitung 20 auf. Der mindestens eine Brennstoffzellenstack 101 kann für mobile Anwendungen mit hohem Leistungsbedarf, bspw. in LKW's, oder für stationäre Anwendungen, bspw. in Generatoren, eingesetzt werden.
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Der Luftpfad 10 dient als Zuluftleitung, um einer Kathode 105 des Brennstoffzellenstacks 101 über einen Einlass 16 Luft aus der Umgebung zuzuführen. In dem Luftpfad 10 sind Komponenten angeordnet sein, welche für den Betrieb des Brennstoffzellenstacks 101 benötigt werden. Im Luftpfad 10 ist ein Luftverdichter 11 und/oder Kompressor 11 angeordnet sein, welcher die Luft entsprechend der jeweiligen Betriebsbedingungen des Brennstoffzellenstacks 101 verdichtet bzw. ansaugt. Stromabwärts vom Luftverdichter 11 und/oder Kompressor 11 kann sich ein Wärmetauscher 15 befinden, welcher die Luft im Luftpfad 10 erwärmt.
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Innerhalb des Luftpfades 10 können noch weitere Komponenten wie beispielsweise ein Filter 7 und/oder ein Befeuchter und/oder Ventile vorgesehen sein. Über den Luftpfad 10 wird dem Brennstoffzellenstack 101 sauerstoffhaltige Luft bereitgestellt.
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Des Weiteren weist das Brennstoffzellensystem 1 eine Abgasleitung 12 auf, in welcher Wasser, sowie weitere Bestandteile der Luft aus dem Luftpfad 10, nach dem Durchgang durch den Brennstoffzellenstack 101 über einen Auslass 18 in die Umgebung transportiert werden. Das Abgas der Abgasleitung 12 kann auch Wasserstoff (H2) enthalten, weil Teile des Wasserstoffes durch die Membran des Brennstoffzellenstacks 101 diffundieren können oder über eine Purgeleitung 40 in die Abgasleitung 12 transportiert werden.
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Der Luftpfad 10 ist über eine Bypassleitung 66 mit der Abgasleitung 12 verbunden. Innerhalb der Bypassleitung 66 ist ein Bypassventil 65 angeordnet, um die Luft aus dem Luftpfad 10 am Brennstoffzellenstack 101 vorbei zur Abgasleitung 12 zu leiten.
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Zwischen dem Einlass der Bypassleitung 66 und der Kathode 105 des Brennstoffzellenstacks 101 ist im Luftpfad 10 ein erstes Ventil 61 und zwischen dem Auslass der Bypassleitung 66 und der Kathode 105 des Brennstoffzellenstacks 101 ist in der Abgasleitung 12 ein zweites Ventil 62 angeordnet. Durch das Schließen des ersten Ventils 61 und des zweiten Ventils 62 kann die Kathode 105 auf einem festen Druckniveau gehalten werden bzw. vor einer ungewollten Druckabsenkung während des vollständigen Abschaltens oder temporären Abschaltens (z.B. bei einem Start-Stopp-Vorgang) geschützt werden.
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Das Brennstoffzellensystem 1 kann des Weiteren einen Kühlkreislauf aufweisen, welcher zur Kühlung des Brennstoffzellenstacks 101 ausgebildet ist. Der Kühlkreislauf ist in der 1 nicht eingezeichnet, da er nicht Bestandteil der Erfindung ist.
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Im Eingang der Brennstoffleitung 20 befinden sich ein Hochdrucktank 21 und ein Absperrventil 22. Es können weitere Komponenten in der Brennstoffleitung 20 angeordnet sein, um eine Anodenseite 103 des Brennstoffzellenstack 101 nach Bedarf mit Brennstoff zu versorgen.
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Um den Brennstoffzellenstack 101 immer ausreichend mit Brennstoff zu versorgen, besteht die Notwendigkeit einer überstöchiometrischen Dosierung von Brennstoff über die Brennstoffleitung 20. Der überschüssige Brennstoff, sowie gewisse Mengen von Wasser und Stickstoff, die durch die Zellmembranen auf die Anodenseite diffundieren, werden in einen Rezirkulationskreis 50 zurückgeführt und mit dem zudosierten Brennstoff aus der Brennstoffleitung 20 vermischt.
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Zum Antrieb der Strömung im Rezirkulationskreis 50 können verschiedene Komponenten, wie beispielsweise eine mit dem zudosierten Brennstoff betriebene Strahlpumpe 51 oder ein Gebläse 52 verbaut sein. Auch eine Kombination von Strahlpumpe 51 und Gebläse 52 sind möglich.
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In der Abgasleitung 12 ist ein Druckregelventil 63 angeordnet, welches die Strömung in der Abgasleitung drosseln kann, so dass sich stromaufwärts des Druckregelventils unterschiedliche Drücke einstellen lassen.
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2 zeigt ein Flussablaufdiagramm der einzelnen Schritte eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Starten eines Brennstoffzellensystems 1.
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In einem Verfahrensschritt 100 wird das Brennstoffzellensystems 1 gestartet, wobei vor dem Start das erste Ventil 61 in der Luftleitung 10, das zweite Ventil 62 in der Abgasleitung 12 geschlossen und das Bypassventil 65 geöffnet sein müssen, damit das Verfahren ordnungsgemäß durchgeführt werden kann.
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In einem Verfahrensschritt 200 wir der Luftverdichter 11 im Luftpfad gestartet.
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In einem Verfahrensschritt 300 wir der Druckreglers 63 in der Abgasleitung gedrosselt, so dass stromaufwärts des Druckreglers 63 ein Druck größer 1,1 bar entsteht. In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Druckregler so eingestellt, dass ein Druck größer 2 bar entsteht.
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In einem Verfahrensschritt 400 wird die Anode 103 mit Wasserstoff gespült. Hierzu wird die Brennstoffleitung 20 und der Rezirkulationskreis 50 über den Hochdrucktank 21 und das Absperrventil 22 mit Wasserstoff befüllt. Um störende Restgase oder Wasser aus dem Rezirkulationskreis 50 zu entfernen, wird während des Spülens der Anode ein Purgeventil 41 in der Purgeleitung 40 für kurze Zeit geöffnet. Der Druck im Rezirkulationskreis 50 kann während des Spülens der Anode 103 kurzzeitig erhöht werden, um den Vorgang des Spülens zu verkürzen.
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In einem Verfahrensschritt 500 wird das erste Ventil 61 geöffnet, während das zweite Ventil 62 geschlossen bleibt. In einer alternativen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das zweite Ventil 62 geöffnet, während das erste Ventil 61 geschlossen bleibt.
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In einem Verfahrensschritt 600 wird das Bypassventil 65 soweit wie möglich geschlossen, dass der Massenstrom durch das Bypassventil 65 so gering wie möglich wird, aber gleichzeitig ein Pumpen des Luftverdichters 11 oder Kompressors 11 vermieden wird.
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Alternativ kann eine Zeitspanne abgewartet werden, so dass Sauerstoff in die Kathode eindringen kann. Diese Zeitspanne kann rein vorgesteuert sein, oder an Hand des Druckverlaufes im Luftsystem eingeregelt werden: nach Verfahrensschritt 500 bricht der Druck im Luftsystem wegen dem zusätzlichen Stackvolumen ein. Nachdem der Druck wieder eingeregelt worden ist, ist die Kathode mit sauerstoffhaltiger Luft befüllt worden.
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In einer alternativen Ausführungsform des Verfahrens werden die Verfahrensschritte 500 und 600 möglichst zeitgleich ausgeführt.
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In einem Verfahrensschritt 700 wird das ersten Ventil 61 oder das zweite Ventils 62 geöffnet, so dass das erste Ventil 61 und das zweite Ventil 62 geöffnet sind.
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In einem Verfahrensschritt 800 wird das Bypassventil 65 vollständig geschlossen.
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Alternativ kann eine Zeitspanne abgewartet werden, bis die Kathode mit sauerstoffhaltiger Luft völlig gespült worden ist. Diese Zeitspanne kann rein vorgesteuert sein, oder an Hand des Druckverlaufes im Luftsystem eingeregelt werden: Nach dem Öffnen des bisher geschlossenen Ventils bricht der Druck im Luftsystem wegen dem zusätzlichen Luftpfad erneuert ein. Nachdem der Druck wieder eingeregelt worden ist, ist die Kathode mit sauerstoffhaltiger Luft befüllt worden.
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In einem Verfahrensschritt 900 wird der Druckregler 63 entdrosselt, so dass sich in der Abgasleitung 12 ein Luftdruck einstellt, welcher annährend dem Solldruck für den Startvorgang entspricht.
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Die Drosselung bzw. Entdrosselung des Druckreglers 63 kann geregelt durch Messung oder Berechnung des Kathodenaustrittsdruckes in der Abgasleitung 12 zwischen der Kathode 105 und dem zweiten Ventil 62 erfolgen.
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Alternativ kann die Drosselung bzw. Entdrosselung des Druckreglers 63 vorgesteuert durch Anfahren einer bzw. zweier vorher festgelegten Positionen erfolgt.
