DE102021213328A1 - Brennstoffzellensystem und Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems - Google Patents

Brennstoffzellensystem und Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems Download PDF

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Abstract

Ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems umfasst ein Zuführen eines Oxidationsgasstroms an einen Kathodeneinlass einer Kathode einer Brennstoffzelle des Brennstoffzellensystems, ein Zuführen eines Kathodenabgasstroms von einem Kathodenauslass der Kathode an einen Abgaseinlass des Befeuchters, ein Abführen des Kathodenabgasstroms aus dem Befeuchter über einen Abgasauslass des Befeuchters, ein Befeuchten des Oxidationsgasstroms in dem Befeuchter mittels des aus dem Kathodenabgasstrom extrahierten Wassers, ein Emitteln von zumindest einem der folgenden Indikatoren für einen Feuchtegehalt des Kathodenabgases: ein Druckverlust zwischen dem Kathodeneinlass und dem Kathodenauslass, ein Druckverlust zwischen dem Abgaseinlass und dem Abgasauslass des Befeuchters, eine erste Temperatudifferenz des Kathodenabgasstroms zwischen dem Abgaseinlass und dem Abgasauslass des Befeuchters, eine zweite Temperatudifferenz des Oxidationsgasstroms zwischen dem Oxidationsgaseinlass und dem Oxidationsgasauslass des Befeuchters, und ein Variieren einer Feuchtezufuhr an den Kathodeneinlass und/oder einer Feuchteabfuhr von der Kathode durch Einstellen zumindest eines Betriebsparameters des Brennstoffzellensystems basierend auf dem zumindest einen ermittelten Indikator.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem und ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems.
  • Stand der Technik
  • Brennstoffzellen kommen zunehmend als Energiewandler, unter anderem auch in Fahrzeugen, zum Einsatz, um in einem Brennstoff, wie z.B. Wasserstoff, gespeicherte chemische Energie zusammen mit Sauerstoff direkt in elektrische Energie umzuwandeln. Brennstoffzellen weisen typischerweise eine Anode, eine Kathode und eine zwischen Anode und Kathode angeordnete elektrolytische Membrane auf. An der Anode erfolgt eine Oxidation des Brennstoffs und an der Kathode eine Reduktion des Sauerstoffs.
  • Der Kathodenseite wird an einem Oxidationsgaseinlass ein sauerstoffhaltiger Oxidationsgasstrom, üblicherweise Umgebungsluft, zugeführt. Das Oxidationsgas wird dabei in der Regel verdichtet und mittels eines Befeuchters auf einen vorgegebenen Feuchtegehalt befeuchtet. Bei der Reduktion des Sauerstoffs auf der Kathodenseite entsteht Wasser, das zumindest teilweise mit den nicht an der Kathode reagierenden Bestandteilen des Oxidationsgasstrom als Kathodenabgassstrom an einem Oxidationsgasauslass abgeführt wird. Der Kathodenabgasstrom wird dem Befeuchter zugeführt, in welchem das im Kathodenabgas enthaltene Wasser/Wasserdampf teilweise zur Befeuchtung dem zur Kathode strömenden Oxidationsgas zugeführt wird.
  • Wenn die elektrolytische Membrane der Brennstoffzellen zu sehr austrocknet, verringert sich die Performance der Brennstoffzelle, da ein Transport von Protonen durch die Membrane erschwert wird. Ferner kann eine Austrocknung der Membrane auch zu deren Beschädigung führen. Wenn dagegen wenn zu viel Wasser in die Brennstoffzelle gefördert wird, besteht die Gefahr einer Flutung, was die Zufuhr von den Sauerstoff Atomen an den Reaktionsort erschwert und die Performance der Brennstoffzelle ebenfalls verringert. Abhängig vom Betriebszustand der Brennstoffzelle ist es daher wünschenswert, einen optimalen Wassermassenstrom den Oxidationsgaseinlass hinein bzw. einen optimalen Feuchtegehalt des Oxidationsgasstroms einzustellen.
  • In der US 8 993 186 B2 wird ein Verfahren offenbart, um einem Austrocknen eines Brennstoffzellensystems entgegenzuwirken, wobei eine erste Temperaturdifferenz zwischen dem in einen Kathodenseinlass einströmenden Oxidationsgas und dem aus einem Kathodenauslass der Brennstoffzelle ausströmenden Kathodenabgas erfasst und mit einem ersten Temperaturgrenzwert verglichen wird. Wenn die Temperaturdifferenz den ersten Temperaturgrenzwert überschreitet, wird ein Austrocknungszustand des Brennstoffzellensystems detektiert und entsprechende Gegenmaßnahmen werden eingeleitet, wie z.B. eine Begrenzung eines von der Brennstoffzelle erzeugten elektrischen Stroms. Weiterhin wird eine zweite Temperaturdifferenz eines Kühlmittels, das die Brennstoffzelle kühlt, zwischen einem Kühlmitteleinlass und einem Kühlmittelauslass ermittelt, und das Vorliegen eines Brennstoffzellen-Austrocknungszustands detektiert, wenn die ermittelte zweite Temperaturdifferenz einen zweiten Temperaturgrenzwert überschreitet.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Erfindungsgemäß ist ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Anspruchs 10 vorgesehen.
  • Nach einem ersten Aspekt der Erfindung umfasst ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems ein Zuführen eines Oxidationsgasstroms an einen Kathodeneinlass einer Kathode einer Brennstoffzelle des Brennstoffzellensystems, ein Zuführen eines Kathodenabgasstroms von einem Kathodenauslass der Kathode an einen Abgaseinlass des Befeuchters, ein Abführen des Kathodenabgasstroms aus dem Befeuchter über einen Abgasauslass des Befeuchters, ein Befeuchten des Oxidationsgasstroms in dem Befeuchter mit aus dem Kathodenabgasstrom extrahiertem Wasser und ein Emitteln von zumindest einem der folgenden Indikatoren für einen Feuchtegehalt des Kathodenabgases: ein Druckverlust zwischen dem Kathodeneinlass und dem Kathodenauslass, ein Druckverlust zwischen dem Abgaseinlass und dem Abgasauslass des Befeuchters, eine erste Temperatudifferenz des Kathodenabgasstroms zwischen dem Abgaseinlass und dem Abgasauslass des Befeuchters, eine zweite Temperatudifferenz des Oxidationsgasstroms zwischen dem Oxidationsgaseinlass und dem Oxidationsgasauslass des Befeuchters. Das Verfahren umfasst ferner ein Variieren einer Feuchtezufuhr an den Kathodeneinlass und/oder einer Feuchteabfuhr von der Kathode durch Einstellen zumindest eines Betriebsparameters des Brennstoffzellensystems basierend auf dem zumindest einen ermittelten Indikator.
  • Nach einem zweiten Aspekt der Erfindung umfasst ein Brennstoffzellensystem, welches z.B. zur Verwendung in einem Fahrzeug vorgesehen sein kann, zumindest eine Brennstoffzelle zumindest eine Brennstoffzelle mit einer Anode, einer Kathode, einer zwischen der Anode und der Kathode angeordneten elektrolytischen Membran, einem Anodeneinlass zum Zuführen von Brennstoff an die Anode, einen Anodenauslass zum Abführen von Abgas von der Anode, einen Kathodeneinlass zum Zuführen von Oxidationsgas an die Kathode und einen Kathodenauslass zum Abführen von Kathodenabgas von der Kathode, einen Befeuchter mit einem Oxidationsgaseinlass, einem mit dem Kathodeneinlass verbundenen Oxidationsgasauslass, einem mit dem Kathodenauslass verbundenen Abgaseinlass und einem Abgasauslass, wobei der Befeuchter dazu eingerichtet ist, Wasser und Wasserdampf aus vom Kathodenauslass kommenden Kathodenabgas extrahieren und vom Oxidationsgaseinlass zum Oxidationsgasauslass strömendes Oxidationsgas mit dem abgschiedenen extrahierten Wasser zu befeuchten, ein Sensorssystem, welches dazu eingerichtet ist, einen Druck zwischen dem Oxidationsgasauslass und dem Kathodeneinlass sowie einen Druck zwischen dem Kathodenauslass und dem Abgaseinlass und/oder einen Druck zwischen dem Kathodenauslass und dem Abgaseinlass und stromabwärts des Abgasauslasses und/oder eine Temperatur zwischen dem Kathodenauslass und dem Abgaseinlass und stromabwärts des Abgasauslasses und/oder eine Temperatur zwischen dem Kathodeeinlass und dem Oxidationgasauslass des Befeuchters und stromaufwärts des Oxidationgaseinlass des Befeuchters zu erfassen, und einer Steuerungsvorrichtung, welche mit dem Sensorsystem signalleitend verbunden und dazu eingerichtet ist, Steuersignale zur Änderung zumindest eines Betriebsparameters des Brennstoffzellensystems auszugeben, um das Brennstoffzellensystem zur Ausführung eines Verfahrens nach dem ersten Aspekt der Erfindung zu veranlassen.
  • Eine der Erfindung zugrundeliegende Idee besteht darin, anhand eines an der Kathode auftretenden Druckverlusts einer vom Kathodeneinlass zum Kathodenauslass strömenden Gases und/oder anhand eines Druckverlusts, der beim Durchströmen eines Befeuchters in der Kathodenabgasströmung auftritt, und/oder anhand einer Temperaturänderung der Kathodenabgasströmung, die bei der Durchströmung des Befeuchters auftritt, und/oder anhand einer Temperaturänderung der Oxidationsgasströmung, die bei der Durchströmung des Befeuchters auftritt, einen Rückschluss auf die Feuchteverhältnisse an der Kathode zu ziehen, z.B. ob ein der Kathode über das Oxidationsgas zugeführter Wassermassenstrom außerhalb eines vorbestimmten Bereichs liegt. Die ermittelten Druckverluste und/oder Temperaturdifferenz sind Indikatoren für den Feuchtegehalt im Kathodenabgasstrom. Da ein Feuchteeintrag an die Kathode, der zusätzlich zu dem an der Kathode anfallenden Produktwasser erfolgt, im Wesentlichen ausschließlich über das Oxidationsgas stattfindet, kann über den Feuchtegehalt des Kathodenabgases auf den Feuchtegehalt des Oxidationsgases rückgeschlossen werden. Allgemein steigt der Druckverlust über die Kathode bzw. vom Abgaseinlass zum Abgasauslass des Befeuchters mit steigendem Feuchtegehalt im Gas an, da der Massenstrom bei einem gegebenen Massenstrom von trockenem Gas mit steigendem Feuchtegehalt zunimmt. In dem Befeuchter wird dem Kathodenabgas zwischen Abgaseinlass und dem Abgasauslass Wasser entzogen, z.B. an einer Membran, und dem Oxidationsgasstrom zugeführt, z.B. über Diffusion von Wasser durch die Membran. Hierbei kommt es zu einer Abkühlung des Kathodenabgasstroms. Es wurde festgestellt, dass in die sich einstellende Temperaturdifferenz mit steigendem Feuchtegehalt im Kathodenabgasstrom größer wird. Um einen Ist-Wert des jeweiligen Druckverlusts und/oder der Temperaturdifferenz innerhalb eines vorbestimmten Sollbereichs zu halten wird erfindungsgemäß der der Kathode über das Oxidationsgas zugeführte Wassermassenstrom und/oder der von der Kathode z.B. über das Kathodenabgas oder über andere Wege abgeführte Wassermassenstrom basierend auf den ermittelten Indikatoren variiert, indem zumindest ein Betriebsparameter des Brennstoffzellensystems geändert wird.
  • Ein Vorteil der Erfindung liegt darin, dass die Feuchte nicht direkt, z.B. über einen Feuchtesensor, sondern indirekt über eine Druck- und/oder Temperaturmessung erfasst wird. Dies erlaubt eine schnellere Anpassung der Betriebsparameter. Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass eine relativ präzise Regelung des Feuchtegehalts an der Kathode erleichtert wird.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den weiteren Unteransprüchen sowie aus der Be-schreibung unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnung.
  • Gemäß manchen Ausführungsformen kann vorgesehen sein, dass das Ermitteln des Druckverlustes zwischen dem Kathodeneinlass und dem Kathodenauslass ein Erfassen eines Drucks zwischen dem Befeuchter und dem Kathodeneinlass, ein Erfassen eines Drucks zwischen dem Kathodenauslass und dem Abgaseinlass des Befeuchters und ein Berechnen einer Druckdifferenz zwischen den erfassten Drücken umfasst, oder ein Erfassen einer Druckdifferenz zwischen dem Kathodeneinlass und dem Kathodenauslass. Demnach kann sowohl ein Differenzdrucksensor eingesetzt werden, um den Druckverlust als Druckdifferenz zwischen dem Kathodeneinlass und dem Kathodenauslass direkt zu messen oder die Drücke können mit verschiedenen Drucksensoren gemessen und die den Druckverlust repräsentierende Differenzt zwischen den Drücken anschließend gemessen werden, z.B. mittels der Steuerungsvorrichtung.
  • Gemäß manchen Ausführungsformen kann vorgesehen sein, dass das Ermitteln des Druckverlustes dem Abgaseinlass und dem Abgasauslass des Befeuchters ein Erfassen eines Drucks zwischen dem Kathodenauslass und dem Abgaseinlass des Befeuchters, ein Erfassen eines Drucks stromabwärts des Abgasauslasses des Befeuchters und ein Berechnen einer Druckdifferenz zwischen den erfassten Drücken umfasst, oder ein Erfassen einer Druckdifferenz zwischen dem Abgaseinlass und dem Abgasauslass des Befeuchters. Demnach kann sowohl ein Differenzdrucksensor eingesetzt werden, um den Druckverlust als Druckdifferenz zwischen dem Abgasauslass und dem Abgaseinlass direkt zu messen oder die Drücke können mit verschiedenen Drucksensoren gemessen und die den Druckverlust repräsentierende Differenzt zwischen den Drücken anschließend gemessen werden, z.B. mittels der Steuerungsvorrichtung.
  • Gemäß manchen Ausführungsformen kann vorgesehen sein, dass das Ermitteln der ersten Temperatudifferenz des Kathodenabgasstroms zwischen dem Abgaseinlass und dem Abgasauslass des Befeuchters ein Erfassen einer Temperatur zwischen dem Kathodenauslass und dem Abgaseinlass des Befeuchters, ein Erfassen eines Temperatur stromabwärts des Abgasauslasses des Befeuchters und ein Berechnen der Differenz zwischen den erfassten Temperaturen umfasst. Die Temperaturen können jeweils mittels eines Temperatursensors erfasst und die Differenz mittels der Steuerungsvorrichtung berechnet werden. Ein Vorteil der Messung der Temperaturen besteht darin, dass diese sich mit äußerst kostengünstigen Sensoren präzise und schnell messen lässt, was eine Regelung des Feuchteeintrags derart, dass die gemessene Ist-Temperaturdifferenz in einem vorbestimmten Temperatursollbereich gehalten wird, einfach realisierbar ist.
  • Gemäß manchen Ausführungsformen kann vorgesehen sein, dass das Ermitteln der zweiten Temperatudifferenz des Oxidationsgasstroms zwischen dem Oxidationsgaseinlass und dem Oxidationsgasauslass des Befeuchters ein Erfassen einer Temperatur zwischen dem Oxidationsgasauslass des Befeuchters und dem Kathodeneinlass, ein Erfassen eines Temperatur stromaufwärts des Oxidationsgaseinlass des Befeuchters und ein Berechnen der Differenz zwischen den erfassten Temperaturen umfasst.
  • Gemäß manchen Ausführungsformen kann vorgesehen sein, dass der zumindest eine Betriebsparameter des Brennstoffzellensystems derart variiert wird, dass die ermittelte erste und/oder zweite Temperaturdifferenz in einem Bereich zwischen 5°C und 15°C, insbesondere zwischen 8 °C und 12°C gehalten wird.
  • Gemäß manchen Ausführungsformen kann vorgesehen sein, dass das Variieren einer Feuchtezufuhr an den Kathodeneinlass ein Zuführen des Oxidationsgasstroms an den Kathodeneinlass zumindest teilweise über eine erste Bypassleitung, welche den Befeuchter umgeht, umfasst. Hierbei wird der Oxidationsgasstrom somit zumindest teilweise am Befeuchter vorbei geführt und damit nicht zusätzlich befeuchtet. Somit wird der Kathode ein relativ trockener Oxidationsgasstrom zugeführt, welcher zusätzliches Wasser an der Kathode aufnehmen und abtransportieren kann. Der Anteil des durch die Bypassleitung geleiteten und der Anteil des durch den Befeuchter geleiteten Oxidationsgasstroms am gesamten Oxidationsgasstrom stellt somit einen Betriebsparameter des Brennstoffzellensystems dar, durch dessen Änderung vorteilhaft eine äußerst wirkungsvolle Variierung der Feuchtezufuhr an den Kathodeneinlass erzielt werden kann.
  • Die optionale erste Bypassleitung verbindet eine stromaufwärts des Oxidationsgaseinlasses des Befeuchters gelegene Stelle eines Strömungspfads des Oxidationsgasstroms mit einer zwischen dem Oxidationsgasauslass des Befeuchters und dem Kathodeneinlass gelegenen Stelle des Strömungspfads unter Umgehung des Befeuchters.
  • Gemäß manchen Ausführungsformen kann vorgesehen sein, dass zum zumindest teilweisen Zuführen des Oxidationsgasstroms an den Kathodeneinlass über die erste Bypassleitung ein Einstellen eines Öffnungsgrads eines ersten Bypassventils basierend auf dem zumindest einen ermittelten Indikator erfolgt. Das in der ersten Bypassleitung angeordnete optionale erste Bypassventil kann beispielsweise mit der Steuerungsvorrichtung verbunden und durch die Steuerungsvorrichtung betätigbar sein. Das heißt, ein durch einen Strömungsquerschnitt definierter Öffnungsgrad des Bypassventils kann somit durch ein von der Steuerungsvorrichtung ausgegebenes Betätigungs- oder Steuersignal eingestellt werden, z.B. zwischen einem geschlossenen Zustand, in dem der Strömungsquerschnitt vollständig blockiert ist, und einem geöffneten Zustand, in dem der Strömungsquerschnitt vollständig geöffnet ist. Optional kann der Strömungsquerschnitt stufenlos oder in diskreten Stufen zwischen dem geschlossenen und dem geöffneten Zustand variiert werden. Die Steuerungsvorrichtung gibt das Steuersignal basierend auf dem ermittelten Indikator für den Feuchtegehalt im Kathodenabgasstrom aus. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass der Öffnungsgrad bzw. der Strömungsquerschnitt des Bypassventils vergrößert wird, wenn die jeweilige ermittelte Druckdifferenz und/oder die Temperatdifferenz steigt, um jeweils einen größeren Anteil Oxidationsgasstroms am Befeuchter vorbei zu leiten, so dass der Feuchteeintrag in die Kathode, wie oben beschrieben, verringert wird.
  • Gemäß manchen Ausführungsformen kann vorgesehen sein, dass das Variieren einer Feuchtezufuhr an den Kathodeneinlass ein Abführen des Kathodenabgasstroms vom Kathodenauslass zumindest teilweise über eine zweite Bypassleitung umfasst, welche den Befeuchter umgeht. Demnach wird der Kathodenabgasstrom zumindest teilweise am Befeuchter vorbei geführt, so dass das sich im Kathodenabgasstrom befindliche Wasser nicht für die Befeuchtung des Oxidationsgases zur Verfügung steht. Folglich wird der Feuchteeintrag in das Oxidationsgas im Befeuchter reduziert, was die Feuchezufuhr an den Kathodeneinlass wirkungsvoll verringert. Der Anteil des durch die zweite Bypassleitung geleiteten und der Anteil des durch den Befeuchter geleiteten Kathodenabgasstroms am gesamten Kathodenabgasstrom stellt somit einen Betriebsparameter des Brennstoffzellensystems dar, durch dessen Änderung vorteilhaft eine äußerst wirkungsvolle Variierung der Feuchtezufuhr an den Kathodeneinlass erzielt werden kann.
  • Die optionale zweite Bypassleitung verbindet eine zwischen dem Abgaseienlass des Befeuchters und dem Kathodenauslass gelegenen Stelle eines Strömungspfads des Kathodenabgasstroms mit einer stromabwärts des Abgasauslasses des Befeuchters gelegenen Stelle des Strömungspfads des Kathodenabgasstroms unter Umgehung des Befeuchters.
  • Gemäß manchen Ausführungsformen kann vorgesehen sein, dass zum zumindest teilweisen Abführen des Kathodenabgasstroms vom Kathodenauslass über die zweite Bypassleitung ein Einstellen eines Öffnungsgrads eines zweiten Bypassventils basierend auf dem zumindest einen ermittelten Indikator erfolgt. Das in der zweiten Bypassleitung angeordnete optionale zweite Bypassventil kann beispielsweise mit der Steuerungsvorrichtung verbunden und durch die Steuerungsvorrichtung betätigbar sein. Das heißt, ein durch einen Strömungsquerschnitt definierter Öffnungsgrad des Bypassventils kann somit durch ein von der Steuerungsvorrichtung ausgegebenes Betätigungs- oder Steuersignal eingestellt werden, z.B. zwischen einem geschlossenen Zustand, in dem der Strömungsquerschnitt vollständig blockiert ist, und einem geöffneten Zustand, in dem der Strömungsquerschnitt vollständig geöffnet ist. Optional kann der Strömungsquerschnitt stufenlos oder in diskreten Stufen zwischen dem geschlossenen und dem geöffneten Zustand variiert werden. Die Steuerungsvorrichtung gibt das Steuersignal basierend auf dem ermittelten Indikator für den Feuchtegehalt im Kathodenabgasstrom aus. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass der Öffnungsgrad bzw. der Strömungsquerschnitt des Bypassventils vergrößert wird, wenn die jeweilige ermittelte Druckdifferenz und/oder die Temperatdifferenz steigt, um jeweils einen größeren Anteil des Kathodenabgasstroms am Befeuchter vorbei zu leiten, so dass der Feuchteeintrag in die Kathode, wie oben beschrieben, verringert wird.
  • Gemäß manchen Ausführungsformen kann vorgesehen sein, dass das Variieren der Feuchtezufuhr an den Kathodeneinlass und/oder der Feuchteabfuhr von der Kathode das Einstellen ein Variieren des Oxidationsgasmassenstroms, insbesondere durch Änderung einer Drehzahl eines Verdichters, welcher das Oxidationsgas fördert, oder durch Änderung einer Öffnungsstellung eines Druckregelventils, welches mit dem Kathodenauslass verbunden ist, als Änderung des Betriebsparameters umfasst. Auf diese Weise wird der Gasmassenstrom an der Kathode verringert oder vergrößert, um den Feuchteeingrag zu verändern.
  • Gemäß manchen Ausführungsformen kann vorgesehen sein, dass das Variieren der Feuchtezufuhr an den Kathodeneinlass und/oder der Feuchteabfuhr von der Kathode ein Variieren einer Temperatur der Kathode als Änderung des Betriebsparameters umfasst, um eine Verdunstungsleistung an der Kathode zu variieren, insbesondere durch Änderung eines die Brennstoffzelle kühlenden Kühlmittelmassenstroms. Durch die Änderung der Temperatur kann die Verdunstungsleistung effektiv geändert werden und somit mehr oder weniger gasförmiges Wasser über den Kathodenabgasstrom abtransportiert werden.
  • Gemäß manchen Ausführungsformen kann vorgesehen sein, dass das Variieren der Feuchteabfuhr von der Kathode ein Abführen von flüssigem Wasser von der Kathode über ein Drain-Ventil umfasst. Hierbei wird, basierend auf dem zumindest einen ermittelten Indikator ein Drain-Ventil, das fluidisch leitend mit einem Strömungspfad zwischen dem Kathodeneinlass und dem Kathodenauslass verbunden ist, geöffnet, um flüssiges Wasser von der Kathode abzuleiten, wenn die jeweilige erfasste Druck- oder Temperaturdifferenz außerhalb des jeweiligen Sollbereichs liegt.
  • Im Folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnungen erläutert. Von den Figuren zeigen:
    • 1 eine schematische Ansicht eines hyraulischen Schaltbildes eines Brennstoffzellensystems gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung; und
    • 2 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
  • In den Figuren bezeichnen dieselben Bezugszeichen gleiche oder funktionsgleiche Komponenten, soweit nichts Gegenteiliges angegeben ist.
  • 1 zeigt schematisch ein hydraulisches Schaltbild eines beispielhaften Brennstoffzellensystems 200, wie es z.B. in einem Fahrzeug, insbesondere einem Straßenfahrzeug wie einem PKW, einem LKW, einem Bus oder dergleichen, eingesetzt werden kann.
  • Wie in 1 beispielhaft gezeigt, umfasst das Brennstoffzellensystem 200 zumindest eine Brennstoffzelle 210, einen Befeuchter 230, ein Sensorsystem 260 und eine Steuerungsvorrichtung 270. Optional können ferner, wie in 1 beispielhaft gezeigt, eine erste Bypassleitung 241 mit einem darin angeordneten ersten Bypassventil 243 und/oder eine zweite Bypassleitung 242 mit einem darin angeordneten zweiten Bypassventil 244 vorgesehen sein. Zum Transport eines Gasmassenstroms kann das Brennstoffezellensystem außerdem einen Vedichert 222 aufweisen. Als weitere optionale Komponenten können eine oder mehrere der in 1 gezeigten, folgenden Komponenten vorgesehen sein: ein Filter 220, ein Zwischenkühler 224, ein Drain-Venitl 225, ein Druckregelventil 226, ein Schalldämpfer 228.
  • In 1 ist schmeatisch eine Brennstoffzelle 210 mit einer Anode 210A, einer Kathode 210B und einer zwischen Anode 210A und Kathode 210B angeordneten elektrolytischen Membran 210C dargestellt. Die Brennstoffzelle umfasst ferner einen Anodeneinlass 211 zum Zuführen eines gasförmigen Brennstoffs, wie z.B. Wasserstoff, an die Anode 210A, einen Anodenauslass 212 zum Abführen von Abgas von der Anode 210B, einen Kathodeneinlass 213 zum Zuführen von Oxidationsgas an die Kathode 210B und einen Kathodenauslass 214 zum Abführen von Kathodenabgas von der Kathode 210B. In 1 ist rein beispielhaft lediglich eine Brennstoffzelle 210 dargestellt. Selbstverständlich kann vorgesehen sein, dass eine Vielzahl solcher Brennstoffzellen 210 elektrisch in Reihe zu einem Stack zusammengeschlatet sind. In diesem Fall ist vorzugsweise für alle Brennstoffzellen 210 des Stacks ein gemeinsamer Brennstoffeinlass 211, ein gemeinsamer Brennstoffauslass 212, ein gemeinsamer Kathodeneinlass 213 und ein gemeinsamer Kathodenauslass 214 vorgesehen.
  • Der Befeuchter 230 ist in 1 lediglich schematisch als Block dargestellt und umfass einen Oxidationsgaseinlass 231, einen Oxidationsgasauslass 232, einen Abgaseinlass 233 und einen Abgasauslass 234. Wie in 1 gezeigt, ist der Oxidationsgasauslass 232 fluidisch leitend mit dem Kathodeneinlass 213 verbunden, und der Abgaseinlass 233 ist mit dem Kathodenauslass 214 verbunden. Der Oxidationsgaseinlass 231 ist fluidisch leitend mit einem Druckausgang des Vedichters 222 verbunden, wobei zwischen dem Verdichter 222 und dem Oxidationsgaseinlass 231 der optionale Zwischenkühler 224 angeordnet sein kann, wie in 1 beispielhaft gezeigt. Der Abgasauslass 234 ist mit der Umgebung verbunden, z.B. über das optionale Druckregelventil 226 und den optioalen Schalldämpfer 228, welcher vorzugsweise einen Auslass in die Umgebung bildet.
  • Der Verdichter 222 fördert somit ein Oxidationsgas, wie z.B. Umgebungsluft, zu dem Oxidationgsgaseinlass 231 des Befeuchters 230, wobei die verdichtete Umgsbungsluft gegebenenfalls durch den Zwischenkühler 224 gekühlt wird, bevor sie den Befeuchter 230 erreicht. Vom Oxidationgsagsauslass 232 des Befeuchters 230 wird das Oxidationsgas dem Kathodeneinlass 213 zugeführt, wo eine Reduktion des im Oxidationsgas enthaltenen Sauerstoffs unter Bildung von Wasser erfolgt. Die an der Kathode entstehenden Reaktionsprodukte werden als Kathodenabgas durch den Kathodenauslass 214 abgeführt und dem Abgaseinlass 233 des Befeuchters 230 zugeführt. Der Befeuchter 230 ist dazu ausgebildet, Wasser aus vom Kathodenauslass 214 kommenden Kathodenabgas zu extrahieren bzw. dem Kathodenabgas Wasser zu entziehen, z.B. an einer Membran (nicht gezeigt), und vom Oxidationsgaseinlass 231 zum Oxidationsgasauslass 232 strömendes Oxidationsgas mit dem extrahierten oder entzogenen Wasser zu befeuchten, z.B. indem das Oxidationsgas über die Membran des Befeuchters 230 geleitet wird.
  • Mittels des Druckregelventils 226 und/oder die Drehzahl des Verdichters 222 kann der Massenstrom an Gas durch die Kathode 210B variiert werden.
  • Wie in 1 weiterhin gezeigt, verbindet die optionale erste Bypassleitung 241 eine stromaufwärts des Oxidationsgaseinlasses 231 des Befeuchters 230, z.B. zwischen dem Zwischenkühler 224 und dem Oxidationsgaseinlass 231 gelegene Stelle eines Strömungspfads des Oxidationsgasstroms mit einer zwischen dem Oxidationsgasauslass 232 des Befeuchters 230 und dem Kathodeneinlass gelegenen Stelle des Strömungspfads unter Umgehung des Befeuchters 230. Das in der ersten Bypassleitung 241 angeordnete ein erstes Bypassventil 243 ist betätigbar, um einen Durchfluss von Oxidationsgas durch die erste Bypassleitung 241 zu variieren, indem ein Öffnungsgrad des Bypassventils 243 variiert wird. Das Bypassventil 243 kann z.B. als Magnetventil mit variablem Strömungsquerschnitt ausgeführt sein. Durch das erste Bypassventil 243 kann ein Anteil des Oxidationsgasstroms, der durch den Befeuchter 230 geleitet wird, und ein Anteil des Oxidationsgasstroms, der durch die erste Bypassleitung 241 geleitet wird, frei aufgeteilt werden.
  • Die alternativ oder zusätzlich zur ersten Bypassleitung 241 vorgesehene zweite Bypassleitung 242 verbindet eine zwischen dem Abgaseienlass 233 des Befeuchters 230 und dem Kathodenauslass 214 gelegenen Stelle eines Strömungspfads des Kathodenabgasstroms mit einer stromabwärts des Abgasauslasses 234 des Befeuchters 230, z.B. zwischen dem Abgasauslass 234 und dem Druckregelventil 226 gelegene Stelle des Strömungspfads des Kathodenabgasstroms unter Umgehung des Befeuchters 230, wie dies in 1 schematisch gezeigt ist. Das in der zweiten Bypassleitung 242 angeordnete zweite Bypassventil 244 ist betätigbar, um einen Durchfluss von Kathodenabgas durch die zweite Bypassleitung 242 zu variieren, indem ein Öffnungsgrad des Bypassventils 244 variiert wird. Das Bypassventil 244 kann z.B. als Magnetventil mit variablem Strömungsquerschnitt ausgeführt sein. Durch das zweite Bypassventil 244 kann ein Anteil des Kathodenabgasstroms, der durch den Befeuchter 230 geleitet wird, und ein Anteil des Kathodenabgasstroms, der durch die zweite Bypassleitung 242 geleitet wird, frei aufgeteilt werden.
  • Das in 1 beispielhaft gezeigte Sensorsystem 260 umfasst einen ersten und einen zweiten Drucksensor 261, 262 sowie einen ersten und einen zweiten Temperaturesensor 264, 265. Der erste Drucksensor 261 ist dazu angeordnet und eingerichtet, einen Druck zwischen dem Oxidationsgasauslass 232 und dem Kathodeneinlass 213, insbesondere unmittelbar am Kathodeneinlass 213 zu erfassen. Der zweite Drucksensor 262 ist dazu angeordnet und eingerichtet, einen Druck zwischen dem Kathodenauslass 214 und dem Abgaseinlass 233, insbesondere unmittelbar am Kathodenauslass 214 zu erfassen. Alternativ oder zustäzlich zu den Drucksensoren 261, 262 kann auch ein Differenzdrucksensor 263 vorgesehen sein, welcher eine Druckdifferenz zwischen dem Kathodeneinlass 213 und dem Kathodenauslass 214 direkt erfasst, wie dies in 1 schematisch gezeigt ist. Der erste Temperatursensor 264 kann z.B. zwischen dem Kathodenauslass 214 und dem Abgaseinlass 233 angeordnet sein, wie in 1 beispielhaft gezeigt, und ist dazu eingerichtet, eine Temperatur des Kathodenabgases vor dessen Zufuhr in den Befeuchter 230 zu erfassen. Der zweite Temperatursensor 265 kann z.B. zwischen dem Abgasauslass 234 und dem optionalen Druckregelventil 226, wie in 1 beispielhaft gezeigt, oder allgemein stromabwärts des Befeuchters 230 im Kathodenabgaspfad, und ist dazu eingerichtet, eine Temperatur des Kathodenabgases stromabwärts des Befeuchters 230 zu erfassen. Die Temperaturesensoren 264, 265 können alternativ oder zusätzlich zu den Drucksensoren 261-263 vorgesehen sein. Ebenso ist denkbar, dass die Temeperatursensoren 264, 265 durch Drucksensoren oder einen Differenzdrucksensor, der zum Erfassen einer Druckdifferenz zwischen dem Abgaseinlass 233 und dem Abgasauslass 234 eingerichtet ist, ersetzt werden oder diese Sensoren zusätzlich zu den Temperatursensoren 264, 265 vorgesehen sind. Weiterhin ist auch denkbar, dass der Sensor 261 dazu eingerichtet ist, eine Temperatur zwischen dem einer Temperatur zwischen dem Oxidationsgasauslass 232 des Befeuchters 230 und dem Kathodeneinlass 213 zu erfassen, wobei in diesem Fall zusätzlich ein stromaufwärts des Oxidationsgaseinlass 231 des Befeuchters 230 weiterer Temperatursensor (nicht gezeigt) vorgesehen wäre.
  • Das Sensorsystem 260 ist somit allgemein dazu eingerichtet, einen Druck zwischen dem Oxidationsgasauslass 232 und dem Kathodeneinlass 232 sowie einen Druck zwischen dem Kathodenauslass 232 und dem Abgaseinlass 233 und/oder einen Druck zwischen dem Kathodenauslass 232 und dem Abgaseinlass 233 und einen Druck stromabwärts des Abgasauslasses 234 und/oder eine Temperatur zwischen dem Kathodenauslass 232 und dem Abgaseinlass 233 und stromabwärts des Abgasauslasses 234 und/oder eine Temperatur zwischen dem Kathodeeinlass 213 und dem Oxidationgasauslass 232 des Befeuchters 230 und stromaufwärts des Oxidationgaseinlass 231 des Befeuchters 230 zu erfassen.
  • Die Steuerungsvorrichtung 270 ist in 1 lediglich symbolisch als Block dargestellt und ist als eine elektronische Steuerungsvorrichtung realisiert. Beispielsweise kann die Steuerungsvorrichtung 270 eine Prozessoreinheit, z.B. in Form einer CPU oder dergleichen, und einen Datenspeicher, insbesondere einen nicht-flüchtigen Datenspeicher z.B. in Form einer Festplatte, eines SD-Speichers, eines Flash-Speichers oder dergleichen, aufweisen. Der Datenspeicher ist durch die Prozessoreinheit lesbar und kann durch die Prozessoreinheit ausführbare Software speichern, um die Steuerungsvorrichtung 270 zur Ausgabe von Steuer- oder Betätigungssignalen basierend auf Eingangssignalen zu veranlassen.
  • Wie in 1 symbolisch durch den Doppelpfeil 271 dargestellt, ist die Steuerungsvorrichtung 270 zur Ausgabe und zum Empfang von elektrischen und/oder elektromagnetischen Signalen eingerichtet und signalleitend mit dem Sensorsystem 260 verbunden, z.B. drahtgebunden über ein Bussystem (nicht gezeigt) oder drahtlos, z.B. über WiFi, Blutooth oder dergleichen. Ebenso ist Steuerungsvorrichtung 270 signalleitend mit dem(n) gegebenenfalls vorgesehenen Bypassventil(en) 243, 244 und/oder dem Verdichter 222 und/oder dem Druckregelventil 226 signalleitend verbunden.
  • Die Steuerungsvorrichtung 70 ist dazu eingerichtet, Steuersignale zur Änderung zumindest eines Betriebsparameters des Brennstoffzellensystems 200 auszugeben, um das Brennstoffzellensystem 200 zur Ausführung eines Verfahrens M zu veranlassen.
  • 2 zeigt schematisch den Ablauf eines Verfahrens M zum Betreiben des Brennstoffzellensystems 200, welches nachfolgend beispielhaft anhand des Brennstoffzellensystems 200 aus 1 erläutert wird.
  • In einem Schritt M1 erfolgt ein Zuführen des Oxidationsgasstroms an den Kathodeneinlass 213 der Kathode 210B. Hierzu kann die Steuerungsvorrichtung 270 z.B. ein Steuersignal an den Verdichter 222 ausgeben, um diesen zum Fördern des Oxidationsgasstroms zu veranlassen.
    In Schritt M2 wird der Kathodenabgasstroms von dem Kathodenauslass 214 der Kathode 210B und dem Abgaseinlass 233 des Befeuchters 230 zugeführt.
  • In Schritt M3 wird dem Kathodenabgasstrom in dem Befeuchter 230 entzogen, z.B. an einer Membran. In Schritt M4 wird der Kathodenabgasstrom aus dem Befeuchter 230 über den Abgasauslass 234 abgeführt und, falls vorhanden, durch das Druckregelventil 226 und den stromabwärts gelegenen Schalldämpfer 228 in die Umgebung entlassen.
  • In Schritt M5 erfolgt ein Befeuchten des Oxidationsgasstroms in dem Befeuchter 230 mittels des dem Kathodenabgasstrom entzogenen Wassers, z.B. in der oben beschriebenen Weise an der Membran des Befeuchters.
  • In Schritt M6 erfolgt ein Emitteln von zumindest einem der folgenden Indikatoren für einen Feuchtegehalt des Kathodenabgases: ein Druckverlust zwischen dem Kathodeneinlass 213 und dem Kathodenauslass 214, ein Druckverlust zwischen dem Abgaseinlass 233 und dem Abgasauslass 234 des Befeuchters 230, eine erste Temperatudifferenz des Kathodenabgasstroms zwischen dem Abgaseinlass 233 und dem Abgasauslass 234 des Befeuchters 230, eine zweite Temperatudifferenz des Oxidationsgasstroms zwischen dem Oxidationsgaseinlass 231 und dem Oxidationsgasauslass 232 des Befeuchters 230.
  • Der Druckverlust zwischen dem Kathodeneinlass 213 und dem Kathodenauslass 214 als Indikator kann in Schritt M6 z.B. ermittelt werden, indem der Drucks zwischen dem Befeuchter 230 und dem Kathodeneinlass 213 mittels des ersten Drucksensors 261 erfasst wird, der Drucks zwischen dem Kathodenauslass 214 und dem Abgaseinlass 233 des Befeuchters mittels des zweiten Drucksensors 262 erfasst wird und einer Druckdifferenz zwischen den erfassten Drücken mittels der Steuerungsvorrichtung 270 berechnet wird. Alternativ kann eine Druckdifferenz zwischen dem Kathodeneinlass 213 und dem Kathodenauslass 214 direkt mit dem Differenzdrucksensor 263 erfasst und als Eingangssignal an die Steuerungsvorrichtung 270 übermittelt werden.
  • Das Ermitteln des Druckverlustes zwischen dem Abgaseinlass 233 und dem Abgasauslass 234 des Befeuchters 230 als Indikator in Schritt M6 kann z.B. ein Erfassen eines Drucks zwischen dem Kathodenauslass 214 und dem Abgaseinlass 233 des Befeuchters 230 mittels eines Drucksensors (nicht gezeigt), ein Erfassen eines Drucks stromabwärts des Abgasauslasses 234 des Befeuchters 230 mittels eines weiteren Drucksensors (nicht gezeigt) des Sensorsystems 260 und ein Berechnen einer Druckdifferenz zwischen den erfassten Drücken mittels der Steuerungsvorrichtung 270 umfassen. Alternativ ist auch denkbar, die Druckdifferenz zwischen dem Abgaseinlass 233 und dem Abgasauslass 234 des Befeuchters 230 direkt mittels eines Differenzdrucksensors zu erfassen.
  • Wenn in Schritt M6 die erste Temperatudifferenz des Kathodenabgasstroms zwischen dem Abgaseinlass 233 und dem Abgasauslass 234 des Befeuchters 230 ermittelt wird, kann dies dadurch erfolgen, dass die Temperatur zwischen dem Kathodenauslass 214 und dem Abgaseinlass 233 des Befeuchters 230 mittels des ersten Temperatursensors 264 erfasst wird, die Temperatur stromabwärts des Abgasauslasses 234 des Befeuchters 230 mittels des zweiten Temperatursensors 265 erfasst wird, und ein Berechnen der Differenz zwischen den erfassten Temperaturen mittels der Steuerungsvorrichtung 270 erfolgt. In ähnlicher Weise kann das ermitteln der zweiten Temperatudifferenz des Oxidationsgasstroms zwischen dem Oxidationsgaseinlass 231 und dem Oxidationsgasauslass 232 des Befeuchters 230 ein Erfassen einer Temperatur zwischen dem Oxidationsgasauslass 232 des Befeuchters 230 und dem Kathodeneinlass 213, ein Erfassen eines Temperatur stromaufwärts des Oxidationsgaseinlass 231 des Befeuchters 230 und ein Berechnen der Differenz zwischen den erfassten Temperaturen mittels der Steuerungsvorrichtung 270 umfassen.
  • In Schritt M7 erfolgt ein Variieren einer Feuchtezufuhr an den Kathodeneinlass 213 und/oder einer Feuchteabfuhr von der Kathode 210B durch Einstellen zumindest eines Betriebsparameters des Brennstoffzellensystems 200 basierend auf dem zumindest einen ermittelten Indikator. Das heißt, in Schritt M7 gibt die Steuerungsvorrichtung 270 Steuersignale an die Komponenten des Brennstoffzellensystems 200 aus, z.B. an eines oder beide Bypassventilde 243, 244, an den Verdichter 222, an das Druckregelventil 226, an das Drain-Ventil 225 und/oder an eine Kühlmittelfördereinrichtung (nicht gezeigt), mittels derer ein Kühlmittel gefördert wird, das die Brennstoffzelle 210 kühlt. Die Steuersignale werden basierend auf dem zumindest einen ermittelten Indikator ermittelt und bewirken eine Einstellung der Betriebsparameter des Brennstoffzellensystems derart, dass ein Ist-Wert des oder der ermittelten Indikatoren für den Feuchtegehalt mit Kathodenabgasstrom innerhalb eines Soll-Bereichs gehalten oder in den Soll-Bereich zurück geführt werden.
  • Beispielsweise kann in Schritt M7 der zumindest eine Betriebsparameter des Brennstoffzellensystems 200 derart variiert werden, dass die ermittelten Druckdifferenzen jeweiligen in einem vorbestimmten Intervall gehalten werden. Gegebenenfalls kann der zumindest eine Betriebsparameter des Brennstoffzellensystems 200 auch derart variiert werden, dass die ermittelte erste oder zweite Temperaturdifferenz in einem vorbestimmten Bereich, z.B. in einem Bereich zwischen 5°C und 15°C, insbesondere zwischen 8 °C und 12°C gehalten wird.
  • Wie bereits angesprochen, kann der Feuchtigkeitsgehalt an der Kathode 210B, welcher insbesondere für eine Befeuchtung der Membran 210C sorgt, variiert oder angepasst werden, in dem eine Feuchtezufuhr an den Kathodeneinlass 213, also ein Wassermassenstrom in die Kathode 210B hinein, variiert wird. In Schritt M7 kann dies z.B. dadurch erfolgen, dass der Oxidationsgasstrom dem Kathodeneinlass 213 zumindest teilweise über die erste Bypassleitung 241 zugeführt wird. Hierzu kann die Steuerungsvorrichtung 270 z.B. basierend auf dem zumindest einen ermittelten Indikator ein Steuersignal an das erste Bypassventil 243 ausgeben, um einen Öffnungsgrad des ersten Bypassventils 243 einzustellen. Dadurch kann ein Anteil des Oxidationsgasstroms, der im Befeuchter 230 befeuchtet wird, verringert werden, um den Feuchteeintrag in die Brennstoffzelle 210 zu verringern, oder vergrößert werden, um den Feuchteeintrag in die Brennstoffzelle 210 zu vergrößern.
  • Alternativ oder zusätzlich kann in Schritt M7 der Kathodenabgasstroms vom Kathodenauslass 214 zumindest teilweise über die zweite Bypassleitung 242 am Befeuchter 230 vorbeigeführt werden. Hierzu kann die Steuerungsvorrichtung 270 z.B. basierend auf dem zumindest einen ermittelten Indikator ein Steuersignal an das zweite Bypassventil 244 ausgeben, um einen Öffnungsgrad des zweiten Bypassventils 244 einzustellen. Dem durch die Bypassleitung 242 strömende Anteil des Kathodenabgasstroms kann im Befeuchter 230 kein Wasser entzogen werden. Somit wird die Wassermenge, die für die Befeuchtung des Oxidationsgasstroms zur Verfügung steht verringert. Foglich kann ein Anteil des Kathodenabgasstroms, dem im Befeuchter 230 Wasser entzogen wird, durch Öffnen des zweiten Bypassventils 244 verringert werden, um den Feuchteeintrag in die Brennstoffzelle 210 zu verringern, oder durch Schließen des zweiten Bypassventils 244 vergrößert werden, um den Feuchteeintrag in die Brennstoffzelle 210 zu vergrößern.
  • Das Einstellen des zumindest einen Betriebsparameters in Schritt M7 kann somit ein Einstellen des Öffnungsgrades eines oder beider Bypassventile 243, 244 umfassen.
  • Das Variieren der Feuchtezufuhr an den Kathodeneinlass 213 und/oder der Feuchteabfuhr von der Kathode 210B in Schritt M7 kann ferner das Einstellen einer oder mehrerer der folgenden Betriebsparameter des Brennstoffzellensystems 200 umfassen:
    • - Variieren des Oxidationsgasmassenstroms. Hierzu kann die Steuerungsvorrichtung 270 beispielsweise ein Steuersignal an den Verdichter 222 ausgeben, um dessen Drehzahl zu variieren, und/oder ein Steuersignal an das Druckregelventil 226 ausgeben, um dessen Öffnungsgrad zu variieren.
    • - Variieren einer Temperatur der Kathode 210B, um eine Verdunstungsleistung an der Kathode 210B zu variieren. Beispielsweise kann die Steuerungsvorrichtung 270 ein Steuersignal an die Kühlmittelfördereinrichtung (nicht gezeigt), mittels derer Kühlmittel gefördert wird, das die Brennstoffzelle 210 kühlt, ausgeben. Dadurch wird der Massenstrom des die Brennstoffzelle 210 kühlenden Kühlmittels variiert, was zu einer Änderung der Temperatur der Kathode 210B führt.
    • - Abführen von flüssigem Wasser von der Kathode 210B über das Drain-Ventil 225. Die Steuerungsvorrichtung 270 kann beispielsweise ein Steuersignal an das Drain-Ventil 225 ausgeben, um das Drain-Ventil 225 für einen vom ermittelten Indikator abhängigen Zeitraum zu öffnen, so dass flüssiges Wasser von der Kathode abgeleitet wird. Das Drain-Ventil 225 kann z.B. als schaltbares Magnet-Ventil ausgeführt sein und ist fluidisch leitend mit der Kathode verbunden.
  • Obwohl die vorliegende Erfindung vorstehend anhand von Ausführungsbeispielen exemplarisch erläutert wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Weise modifizierbar. Insbesondere sind auch Kombinationen der voranstehenden Ausführungsbeispiele denkbar.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • US 8993186 B2 [0005]

Claims (11)

  1. Verfahren (M) zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems (200), umfassend: Zuführen (M1) eines Oxidationsgasstroms an einen Kathodeneinlass (213) einer Kathode (210B) einer Brennstoffzelle (210) des Brennstoffzellensystems (200); Zuführen (M2) eines Kathodenabgasstroms von einem Kathodenauslass (214) der Kathode (210B) an einen Abgaseinlass (233) des Befeuchters (230); Abführen (M4) des Kathodenabgasstroms aus dem Befeuchter (230) über einen Abgasauslass (234) des Befeuchters (230); Befeuchten (M5) des Oxidationsgasstroms in dem Befeuchter (230) mit aus dem Kathodenabgasstrom extrahiertem Wasser; Ermitteln (M6) von zumindest einem der folgenden Indikatoren für einen Feuchtegehalt des Kathodenabgases: ein Druckverlust zwischen dem Kathodeneinlass (213) und dem Kathodenauslass (214), ein Druckverlust zwischen dem Abgaseinlass (233) und dem Abgasauslass (234) des Befeuchters (230), eine erste Temperatudifferenz des Kathodenabgasstroms zwischen dem Abgaseinlass (233) und dem Abgasauslass (234) des Befeuchters (230), eine zweite Temperatudifferenz des Oxidationsgasstroms zwischen dem Oxidationsgaseinlass (231) und dem Oxidationsgasauslass (232) des Befeuchters (230); und Variieren (M7) einer Feuchtezufuhr an den Kathodeneinlass (213) und/oder einer Feuchteabfuhr von der Kathode (210B) durch Einstellen zumindest eines Betriebsparameters des Brennstoffzellensystems (200) basierend auf dem zumindest einen ermittelten Indikator.
  2. Verfahren (M) nach Anspruch 1, wobei das Ermitteln (M6) des Druckverlustes zwischen dem Kathodeneinlass (213) und dem Kathodenauslass (214) ein Erfassen eines Drucks zwischen dem Befeuchter (230) und dem Kathodeneinlass (213), ein Erfassen eines Drucks zwischen dem Kathodenauslass (214) und dem Abgaseinlass (233) des Befeuchters und ein Berechnen einer Druckdifferenz zwischen den erfassten Drücken umfasst, oder ein Erfassen einer Druckdifferenz zwischen dem Kathodeneinlass (213) und dem Kathodenauslass (214).
  3. Verfahren (M) nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Ermitteln (M6) des Druckverlustes zwischen dem Abgaseinlass (233) und dem Abgasauslass (234) des Befeuchters (230) ein Erfassen eines Drucks zwischen dem Kathodenauslass (214) und dem Abgaseinlass (233) des Befeuchters (230), ein Erfassen eines Drucks stromabwärts des Abgasauslasses (234) des Befeuchters (230) und ein Berechnen einer Druckdifferenz zwischen den erfassten Drücken umfasst, oder ein Erfassen einer Druckdifferenz zwischen dem Abgaseinlass (233) und dem Abgasauslass (234) des Befeuchters (230).
  4. Verfahren (M) nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei das Ermitteln (M6) der ersten Temperatudifferenz des Kathodenabgasstroms zwischen dem Abgaseinlass (233) und dem Abgasauslass (234) des Befeuchters (230) ein Erfassen einer Temperatur zwischen dem Kathodenauslass (214) und dem Abgaseinlass (233) des Befeuchters (230), ein Erfassen eines Temperatur stromabwärts des Abgasauslasses (234) des Befeuchters (230) und ein Berechnen der Differenz zwischen den erfassten Temperaturen umfasst.
  5. Verfahren (M) nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei das Ermitteln (M6) der zweiten Temperatudifferenz des Oxidationsgasstroms zwischen dem Oxidationsgaseinlass (231) und dem Oxidationsgasauslass (232) des Befeuchters (230) ein Erfassen einer Temperatur zwischen dem Oxidationsgasauslass (232) des Befeuchters (230) und dem Kathodeneinlass (213), ein Erfassen eines Temperatur stromaufwärts des Oxidationsgaseinlass (231) des Befeuchters (230) und ein Berechnen der Differenz zwischen den erfassten Temperaturen umfasst.
  6. Verfahren (M) nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei der zumindest eine Betriebsparameter des Brennstoffzellensystems (200) derart variiert wird, dass die ermittelte erste und/oder zweite Temperaturdifferenz in einem Bereich zwischen 5°C und 15°C, insbesondere zwischen 8 °C und 12°C gehalten wird.
  7. Verfahren (M) nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei das Variieren (M7) einer Feuchtezufuhr an den Kathodeneinlass (213) ein Zuführen des Oxidationsgasstroms an den Kathodeneinlass (213) zumindest teilweise über eine erste Bypassleitung (241), welche den Befeuchter (230) umgeht, und/oder ein Abführen des Kathodenabgasstroms vom Kathodenauslass (214) zumindest teilweise über eine zweite Bypassleitung (242) umfasst, welche den Befeuchter (230) umgeht.
  8. Verfahren (M) nach Anspruch 7, wobei zum zumindest teilweisen Zuführen des Oxidationsgasstroms an den Kathodeneinlass (213) über die erste Bypassleitung (241) ein Einstellen eines Öffnungsgrads eines ersten Bypassventils (243) basierend auf dem zumindest einen ermittelten Indikator erfolgt, und/oder wobei zum zumindest teilweisen Abführen des Kathodenabgasstroms vom Kathodenauslass (214) über die zweite Bypassleitung (242) ein Einstellen eines Öffnungsgrads eines zweiten Bypassventils (244) basierend auf dem zumindest einen ermittelten Indikator erfolgt.
  9. Verfahren (M) nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei das Variieren (M7) der Feuchtezufuhr an den Kathodeneinlass (213) und/oder der Feuchteabfuhr von der Kathode (210B) das Einstellen einer oder mehrerer der folgenden Betriebsparameter des Brennstoffzellensystems (200) umfasst: Variieren des Oxidationsgasmassenstroms, insbesondere durch Änderung einer Drehzahl eines Verdichters (220), welcher das Oxidationsgas fördert, oder durch Änderung einer Öffnungsstellung eines Druckregelventils (226), welches mit dem Kathodenauslass (214) verbunden ist; Variieren einer Temperatur der Kathode (210B), um eine Verdunstungsleistung an der Kathode (210B) zu variieren, insbesondere durch Änderung eines die Brennstoffzelle (210) kühlenden Kühlmittelmassenstroms; Abführen von flüssigem Wasser von der Kathode (210B) über ein Drain-Ventil (225).
  10. Brennstoffzellensystem (200), aufweisend: zumindest eine Brennstoffzelle (210) mit einer Anode (210A), einer Kathode (210B), einer zwischen der Anode (210A) und der Kathode (210B) angeordneten elektrolytischen Membran (210C), einem Anodeneinlass (211) zum Zuführen von Brennstoff an die Anode (210A), einen Anodenauslass (212) zum Abführen von Abgas von der Anode (210B), einen Kathodeneinlass (213) zum Zuführen von Oxidationsgas an die Kathode (210B) und einen Kathodenauslass (214) zum Abführen von Kathodenabgas von der Kathode (210B); einen Befeuchter (230) mit einem Oxidationsgaseinlass (231), einem mit dem Kathodeneinlass (213) verbundenen Oxidationsgasauslass (232), einem mit dem Kathodenauslass (214) verbundenen Abgaseinlass (233) und einem Abgasauslass (234), wobei der Befeuchter (230) dazu eingerichtet ist, Wasser aus vom Kathodenauslass (214) kommenden Kathodenabgas zu extrahieren und vom Oxidationsgaseinlass (231) zum Oxidationsgasauslass (232) strömendes Oxidationsgas mit dem abgschiedenen Wasser zu befeuchten; ein Sensorssystem (260), welches dazu eingerichtet ist, einen Druck zwischen dem Oxidationsgasauslass (232) und dem Kathodeneinlass (232) sowie einen Druck zwischen dem Kathodenauslass (232) und dem Abgaseinlass (233) und/oder einen Druck zwischen dem Kathodenauslass (232) und dem Abgaseinlass (233) und stromabwärts des Abgasauslasses (234) und/oder eine Temperatur zwischen dem Kathodenauslass (232) und dem Abgaseinlass (233) und stromabwärts des Abgasauslasses (234) und/oder eine Temperatur zwischen dem Kathodeeinlass (213) und dem Oxidationgasauslass (232) des Befeuchters und stromaufwärts des Oxidationgaseinlass (231) des Befeuchters (230) zu erfassen; und eine Steuerungsvorrichtung (270), welche mit dem Sensorsystem (260) signalleitend verbunden und dazu eingerichtet ist, Steuersignale zur Änderung zumindest eines Betriebsparameters des Brennstoffzellensystems (200) auszugeben, um das Brennstoffzellensystem (200) zur Ausführung eines Verfahrens (M) nach einem der voranstehenden Ansprüche zu veranlassen.
  11. Brennstoffzellensystem (200) nach Anspruch 9, zusäztlich aufweisend: eine erste Bypassleitung (241), welche eine stromaufwärts des Oxidationsgaseinlasses (231) des Befeuchters (230) gelegene Stelle eines Strömungspfads des Oxidationsgasstroms mit einer zwischen dem Oxidationsgasauslass (232) des Befeuchters (230) und dem Kathodeneinlass gelegenen Stelle des Strömungspfads unter Umgehung des Befeuchters (230) verbindet, wobei in der ersten Bypassleitung (241) vorzugsweise ein erstes Bypassventil (243) angeordnet ist, welches mit der Steuerungsvorrichtung (270) verbunden und durch die Steuerungsvorrichtung (270) betätigbar ist; und/oder eine zweite Bypassleitung (242), welche eine zwischen dem Abgaseienlass (233) des Befeuchters (230) und dem Kathodenauslass (214) gelegenen Stelle eines Strömungspfads des Kathodenabgasstroms mit einer stromabwärts des Abgasauslasses (234) des Befeuchters (230) gelegenen Stelle des Strömungspfads des Kathodenabgasstroms unter Umgehung des Befeuchters (230) verbindet, wobei in der zweiten Bypassleitung (242) vorzugsweise ein zweites Bypassventil (244) angeordnet ist, welches mit der Steuerungsvorrichtung (270) verbunden und durch die Steuerungsvorrichtung (270) betätigbar ist.
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