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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft allgemein Brennstoffzellen zur Erzeugung elektrischer Energie, in denen im Betrieb als Reaktionsprodukt Prozesswasser entsteht. Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung Maßnahmen zum Vermeiden von Funktionsstörungen bei niedrigen Betriebstemperaturen, um einen zuverlässigen Hochlauf der Brennstoffzelle zu gewährleisten.
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Technischer Hintergrund
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In Brennstoffzellensystemen, wie z. B. in Wasserstoff-Brennstoffzellensystemen, werden aus der Reaktion eines gasförmigen Brennstoffes, wie z. B. Wasserstoff, mit einem weiteren Reaktionsgas, wie z. B. Sauerstoff, insbesondere als Bestandteil von Frischluft, oder einem sonstigen gasförmigen sauerstoffliefernden Stoff elektrische Energie erzeugt. Ein solches Brennstoffzellensystem weist dazu einen Brennstoffzellenstack mit einer Vielzahl von Brennstoffzellen auf. Diese haben jeweils eine Membran, die auf einer Anodenseite mit dem gasförmigen Brennstoff (Wasserstoff) und auf einer Kathodenseite mit dem weiteren Reaktionsgas (Frischluft) versorgt wird. Bei der Reaktion erfolgt eine Ladungstrennung über der Membran, die als elektrischer Energie abgegriffen werden kann. Als Reaktionsprodukt von Brennstoffzellensystemen entsteht häufig Prozesswasser.
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Brennstoffzellensysteme sollen in vielfältigen Einsatzgebieten einsetzbar sein. Insbesondere bestehen Aussichten, Brennstoffzellensysteme in automotiven Einsatzgebieten anzuwenden. Solche Einsatzgebiete stellen besondere Anforderungen an den Temperaturbereich, in denen die Brennstoffzellensysteme zuverlässig betrieben werden können.
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Bei einem Betrieb des Brennstoffzellenstacks bei tiefen Temperaturen unter 0°C muss gewährleistet bleiben, dass Prozesswasser nicht gefriert und so die Gaszufuhr und -abfuhr nicht behindert. Wenn bei einem sofortigen Abschalten des Brennstoffzellensystems noch nicht abgeführtes Prozesswasser in dem Brennstoffzellenstack verbleibt, kommt es während der Stillstandsphase beim Absinken der Temperatur unter den Gefrierpunkt zur Bildung von Wassereis, das den Start des Brennstoffzellenstacks und die Zufuhr und Abfuhr von Reaktanten beeinträchtigt und zu einer Unterversorgung der Brennstoffzellen führen kann, was diese elektrochemisch schädigt.
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Herkömmlich ist dazu vorgesehen, nach dem Betrieb des Brennstoffzellenstacks die Anode mit gasförmigem Brennstoff und die Kathode mit dem weiteren Reaktionsgas (Frischluft) zu durchströmen, um das restliche Prozesswasser beiderseits der Membranen der Brennstoffzellen abzuführen. Um den Gefrierstart sicher zu ermöglichen, wird die Trocknungsdauer des Brennstoffzellenstacks für einen Worst Case ausgelegt, so dass zum einen ein unnötig hoher Energieaufwand für das Frischluftgebläse und zum anderen ein unnötig hoher Brennstoffverbrauch entsteht.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems zur Verfügung zu stellen, bei dem für den Trocknungsvorgang eine im Vergleich zum Stand der Technik verringerte Brennstoffmenge benötigt wird und der Energieverbrauch verringert wird.
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Offenbarung der Erfindung
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Diese Aufgabe wird durch das Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellenstacks mit mindestens einer Brennstoffzelle eines Brennstoffzellensystems bei einem Abschaltvorgang gemäß Anspruch 1 sowie eine entsprechende Vorrichtung und ein Brennstoffzellensystem gemäß den nebengeordneten Ansprüchen gelöst.
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Weitere Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Gemäß einem ersten Aspekt ist ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellenstacks mit mindestens einer Brennstoffzelle eines Brennstoffzellensystems bei einem Abschaltvorgang vorgesehen, wobei der Brennstoffzelle zu deren Betrieb ein gasförmiger Brennstoff und ein sauerstofflieferndes weiteres Reaktionsgas zuführbar ist, mit folgenden Schritten:
- - Betreiben des Brennstoffzellenstacks während einer zeitlichen Trocknungsphase, die sich an eine Anforderung des Deaktivierens des Brennstoffzellensystems anschließt, durch anodenseitiges Zuführen eines Massenstroms an Brennstoff und kathodenseitiges Zuführen eines Massenstroms an weiterem Reaktionsgas; und
- - Beenden der Trocknungsphase durch Beenden einer Zufuhr von Brennstoff und weiterem Reaktiongas jeweils zu einem variablen Zeitpunkt, der von einer zu Beginn der Trocknungsphase vorliegenden Restfeuchtigkeit im Brennstoffzellenstack abhängt.
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Eine Idee des obigen Verfahrens besteht darin, eine Trocknungsphase nach einer Anforderung nach einem Beenden des aktiven Betriebs, d. h. nach Beenden einer Phase des Erzeugens von nutzbarer elektrischer Energie, variabel so einzustellen, dass eine Trocknung des Brennstoffzellenstacks gewährleistet ist, jedoch kein Brennstoff oder elektrische Energie zum Betreiben eines Frischluftgebläses aufgewendet wird, sobald die Trocknung abgeschlossen ist. Bei der Trocknungsphase wird der Brennstoffzellenstack seitens der Anode mit gasförmigem Brennstoff und seitens der Kathode mit dem weiteren Reaktionsgas durchströmt, um das restliche Prozesswasser beiderseits (anodenseitig und kathodenseitig) der Membranen der Brennstoffzellen abzuführen.
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Insbesondere kann zu Beginn der Trocknungsphase die Restfeuchtigkeit im Brennstoffzellenstack bestimmt werden und der variable Zeitpunkt mithilfe eines geeigneten physikalischen oder datenbasierten Anoden-Trocknungsmodells eine Trocknungsdauer als Zeitdauer einer Zufuhr von Brennstoff und mithilfe eines geeigneten physikalischen oder datenbasierten Kathoden-Trocknungsmodells eine Trocknungsdauer als Zeitdauer einer Zufuhr von weiterem Reaktiongas bestimmt werden, die jeweils eine Zeitdauer bis zu dem entsprechenden variablen Zeitpunkt angeben.
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Somit kann durch Anpassung der Trocknungsdauern der Anode und der Kathode an den jeweils aktuellen Zustand des Brennstoffzellenstacks, d. h. an die im Brennstoffzellenstack befindliche Restfeuchtigkeit (das ist die verbleibende Menge an Prozesswasser), der Einsatz an Brennstoff in der Trocknungsphase minimiert und der Energiebedarf für die Zuführung des weiteren Reaktionsgases minimiert werden. So können ein Einfrieren des Brennstoffzellenstacks bei einem nächsten Start und die Verluste durch Vorsehen der kürzestmöglichen Trocknungsdauer sicher vermieden werden.
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Es kann vorgesehen sein, dass die Trocknungsdauer der Zufuhr von Brennstoff auf Anodenseite mithilfe eines physikalischen oder datenbasierten Anoden-Trocknungsmodells abhängig von Betriebsgrößen, insbesondere einem Druck des Brennstoffes im Brennstoffzellenstack, einer Temperatur des Brennstoffes und/oder einem Massenstrom des Brennstoffes durch den Brennstoffzellenstack, bestimmt wird, und/oder die Trocknungsdauer der Zufuhr von weiterem Reaktionsgas mithilfe eines physikalischen oder datenbasierten Kathoden-Trocknungsmodells abhängig von Betriebsgrößen, insbesondere einem Druck des weiteren Reaktionsgases im Brennstoffzellenstack, einem Massenstrom des weiteren Reaktionsgases durch den Brennstoffzellenstack, einer Temperatur des weiteren Reaktionsgases und einer Feuchtigkeit des weiteren Reaktionsgases bestimmt wird.
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Die Trocknungsmodelle modellieren die Fähigkeit zur Aufnahme von Wasser in die entsprechenden Gasströme. Die Zeitdauern ergeben sich dann als diejenigen Dauern, in der das anodenseitig bzw. kathodenseitig vorliegende restliche Prozesswasser vollständig verdampft und durch den jeweiligen Gasmassenstrom ausgetragen ist.
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Weiterhin kann die Restfeuchtigkeit bestimmt werden, indem diese mithilfe eines vorgegebenen physikalischen oder datenbasierten Feuchtigkeitsmodells abhängig von gemessenen oder modellierten Betriebsgrößen, insbesondere einem Stackstrom, einem Massenstrom des zugeführten Brennstoffs, einem Brennstoffdruck, einer Temperatur des Brennstoffzellenstacks, einem Massenstrom der zugeführten weiteren Reaktionsgases, einer Temperatur des zugeführten weiteren Reaktionsgases und einer Feuchtigkeit des zugeführten weiteren Reaktionsgases, zu einem oder mehreren Zeitpunkten innerhalb eines vorgegebenen Zeitraums vor dem Abschaltzeitpunkt, insbesondere deren Verlaufsgrößen innerhalb des vorgegebenen Zeitraums, ermittelt wird.
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Alternativ kann auch eine gemeinsame Trocknungsdauer für die Zufuhr von Brennstoff und weiterem Reaktionsgas mit einem entsprechenden Trocknungsmodell bestimmt werden, das eine oder mehrere der obigen Betriebsgrößen berücksichtigt.
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Insgesamt wird sowohl der Verbrauch an Brennstoffgas als auch an elektrischer Leistung zum Betreiben der Zuführung des weiteren Reaktionsgases in der Trocknungsphase minimiert, so dass der Wirkungsgrad des Gesamtsystems steigt.
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Es kann vorgesehen sein, dass die Restfeuchtigkeit durch eine frequenzsensitive Impedanzmessung während der Trocknungsphase bestimmt wird, indem bei einer oder mehreren Frequenzen gemessene Impedanzen einer Feuchtigkeitsangabe als Restfeuchtigkeit mithilfe einer Zuordnungsfunktion, insbesondere einer Lookup-Tabelle, zugeordnet werden.
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Die Restfeuchtigkeit nach dem aktiven Betrieb kann somit durch eine Messung, insbesondere durch eine hochfrequente Ansteuerung des Stackstroms, und Messen der Stackspannung und einer Auswertung einer daraus ermittelten Impedanz im Frequenzbereich ermittelt werden. Die Auswertung kann modellbasiert oder mithilfe der zuvor bereitgestellten Zuordnungsfunktion, wie z. B. einer Lookup-Tabelle, erfolgen.
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Abhängig von der im Stack gespeicherten Restfeuchtigkeit wird die Trocknungsdauer auf Anoden- und Kathodenseite angepasst, so dass in Folge ein sicherer Gefrierstart möglich ist. Insbesondere können abhängig von der modellierten Menge an Restfeuchtigkeit nun die Zeitdauern des Spülens der Anode mit Brennstoff und des Spülens der Kathode mit dem weiteren Reaktionsgas mithilfe der Trocknungsmodelle bestimmt werden.
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Um die Trocknung zu beschleunigen, kann während der Trocknungsphase der Brennstoffzellenstack geheizt werden, insbesondere durch eine zusätzliche Heizung, und auf einem Temperaturwert, wie z. B. 60 °C, gehalten werden, so dass die Restfeuchtigkeit einfacher aus dem Brennstoffzellenstack verdampfen kann. Alternativ kann zur Trocknung der Brennstoffzellenstack nicht aktiv geheizt werden, sondern durch Bypassen des Kühlers kann eine Auskühlung des Stacks verlangsamt werden. Dadurch bleibt der Brennstoffzellenstack während des Trocknens nahe der Betriebstemperatur von ca. 80°C
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Wird die Restfeuchtigkeit im Brennstoffzellenstack mithilfe des frequenzbasierten Ansatzes zur Messung der Impedanz bestimmt, kann eine kontinuierliche Information über die aktuelle Stackfeuchte bereitgestellt werden, so dass die Trocknungsdauer auch kontinuierlich abhängig von dem gemessenen Verlauf der Impedanz angepasst werden kann.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann während der Trocknungsphase die aktuelle Restfeuchtigkeit kontinuierlich durch eine frequenzsensitive Impedanzmessung bestimmt werden, indem bei einer oder mehreren Frequenzen gemessene Impedanzen einer Feuchtigkeitsangabe mithilfe einer Zuordnungsfunktion, insbesondere einer Lookup-Tabelle, zugeordnet werden, wobei bei Unterschreiten eines vorgegebenen Feuchtigkeitsschwellenwerts durch die Restfeuchtigkeit die Trocknungsphase zu dem variablen Zeitpunkt beendet wird.
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Weiterhin kann während der Trocknungsphase eine Feuchtigkeit in einer Brennstoffabführung gemessen werden, wobei bei Unterschreiten eines vorgegebenen Feuchtigkeitsschwellenwerts durch die in der Brennstoffabführung gemessene Feuchtigkeit die Zufuhr von Brennstoff beendet wird.
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Auch kann alternativ oder zusätzlich während der Trocknungsphase eine Feuchtigkeit in einer Reaktionsgasabführung gemessen werden, wobei bei Unterschreiten eines vorgegebenen Feuchtigkeitsschwellenwerts durch die in der Reaktionsgasabführung gemessene Feuchtigkeit die Zuführung von Reaktionsgas beendet wird.
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Figurenliste
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Ausführungsformen werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems;
- 2 ein Flussdiagramm zur Veranschaulichung eines Verfahrens zum Betreiben des Brennstoffzellensystems der 1; und
- 3 ein Flussdiagramm zur Veranschaulichung eines weiteren Verfahrens zum Betreiben des Brennstoffzellensystems der 1.
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Beschreibung von Ausführungsformen
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1 zeigt schematisch ein Brennstoffzellensystem 1 mit einem Brennstoffzellenstack 2 am Beispiel eines Wasserstoff-Brennstoffzellensystems. Die Erfindung bezieht sich jedoch analog auf alle Brennstoffzellensysteme, deren Reaktionsprodukte Prozesswasser aufweisen. Bei dem beispielhaften Wasserstoff-Brennstoffzellensystem können als Brennstoff Wasserstoffgas und als weiteres Reaktiongas sauerstoffhaltige Frischluft zugeführt werden.
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Der Brennstoffzellenstack 2 kann mehrere aufeinander gestapelte Brennstoffzellen 21 aufweisen. Die Brennstoffzellen 21 können jeweils eine Polymerelektrolytmembran umfassen, die von den Zuführungsschichten umgeben ist, die porös sind oder eine faserartige Struktur aufweisen können, um die zugeführten Prozessgase möglichst gleichmäßig und flächig auf die Oberfläche der Membran zu verteilen.
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Der Brennstoffzellenstack 2 weist eine Reaktionsgaszuführung 3, eine Reaktionsgasabführung 4, eine Brennstoffzuführung 5 und eine Brennstoffabführung 6 auf. Die Reaktionsgaszuführung 3 versorgt die Membranen der Brennstoffzellen 21 des Brennstoffzellenstacks 2 kathodenseitig mit Reaktionsgas, insbesondere Frischluft. Brennstoffzuführung 5 versorgt die Membranen der Brennstoffzellen 21 des Brennstoffzellenstacks 2 anodenseitig mit Wasserstoff als Brennstoff. Über die Reaktionsgasabführung 4 und die Brennstoffabführung 6 werden verbleibendes Restgas und Reaktionsprodukte, wie zum Beispiel Wasser, Wasserdampf und Feuchtigkeit, abgeführt.
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Frischluft als Reaktionsgas wird über eine Filtereinrichtung 31 aus der Umgebung angesaugt und mithilfe eines Fördermittels 32, wie beispielsweise eines Gebläses oder einer Pumpe, über die Reaktionszuführung 3 dem Brennstoffzellenstack 2 zugeführt. Brennstoff wird aus einem Brennstofftank 51 über ein steuerbares Zuführungsventil 52 zugeführt. Es ist eine Rezirkulation 53 vorgesehen, in der mithilfe eines weiteren Fördermittels 54, insbesondere einer Pumpe, verbleibendes Reaktionsgas von der Brennstoffabführung 6 der Brennstoffzuführung 5 zugeführt werden kann. Zur Steuerung des Gasmassenstroms aus der Brennstoffabführung 6 kann ein Purge-Ventil 55 vorgesehen sein.
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Der Brennstoffzellenstack 2 weist Elektroden 7 auf, über die im Betrieb des Brennstoffzellensystems 1 ein aufgrund der Ladungstrennung innerhalb der Brennstoffzellen bewirkter Stackstrom abgegriffen werden kann. Mithilfe eines DCDC-Wandlers 8 kann ein hochfrequenter Stackstrom eingeprägt werden und die resultierende Stackspannung gemessen werden.
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Mithilfe einer Steuereinheit 10 wird der herkömmliche Betrieb des Brennstoffzellensystems 1 in an sich bekannter Weise gesteuert. Das Brennstoffzellensystem weist dazu eine Reihe von Sensoren (Massenstromsensoren, Temperatursensoren, Drucksensoren und dergleichen) auf, um beispielsweise eine oder mehrere der folgenden Betriebsgrößen zu messen bzw. zu erfassen: den zugeführten Massenstrom von Brennstoff, den Druck des gasförmigen Brennstoffs im Anodenbereich des Brennstoffzellenstacks, die Temperatur des gasförmigen Brennstoffs im Anodenbereich, den zugeführten Massenstrom des weiteren Reaktionsgases, eine Temperatur des zugeführten weiteren Reaktionsgases, eine Feuchtigkeit des zugeführten weiteren Reaktionsgases, einen Druck des weiteren Reaktionsgases im Brennstoffzellenstack und dergleichen. Abhängig von den Betriebsgrößen können die Leistung des Fördermittel 32, die Einstellung des Zuführungsventils 52 und der entnommene Betriebsstrom bzw. die entnommene Betriebsleistung von der Steuereinheit 10 in an sich bekannter Weise gesteuert werden.
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Ein Problem bei dem Betrieb einer Brennstoffzelle 21 besteht darin, dass bei einem Gefrierstart bei Temperaturen unter 0 °C das in dem Brennstoffzellenstack aus dem zurückliegenden Betriebszyklus noch vorhandene Prozesswasser aufgrund der thermischen Masse der Membran und der Zuführungsschichten gefriert. Wegen der in den Zuführungsschichten ausgebildeten feinen Gaskanäle können bereits geringe Mengen an gefrierendem Prozesswasser die Gaskanäle blockieren und somit den Gastransport und die Abführung von weiterem Prozesswasser behindern. Die für ein schnelles Aufheizen erforderlichen relativ hohen Zellenströme und der Betrieb mit einem reduzierten Wirkungsgrad bei Brennstoffüberschuss, d. h. einem Kathoden-Lambdawert von unter 1 bezogen auf ein stöchiometrisches Gleichgewicht zwischen dem weiteren Reaktionsgas und dem Stackstrom, kann bei einer Unterversorgung einzelner Brennstoffzellen 21 dazu führen, dass die betreffende Zellenspannung einbricht. Dies schädigt die Brennstoffzellen 21 und reduziert die Lebensdauer des gesamten Brennstoffzellenstacks 2.
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2 zeigt schematisch ein Flussdiagramm zur Veranschaulichung eines Verfahrens zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems 1 in einer Trocknungsphase.
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In Schritt S1 wird zunächst überprüft, ob der aktive Betrieb des Brennstoffzellensystems beendet werden soll und ob aufgrund von Umgebungsbedingungen ein Risiko besteht, dass der Brennstoffzellenstack im Stillstand unter 0°C abkühlt. Der aktive Betrieb entspricht einem Betrieb, an dem elektrische Energie dem Brennstoffzellenstack 2 entnommen werden soll. Wird signalisiert, dass der aktive Betrieb beendet wird (Alternative: Ja), so wird das Verfahren mit Schritt S2 fortgesetzt, anderenfalls (Alternative: Nein) wird zu Schritt S1 zurückgesprungen.
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In Schritt S2 wird zunächst die im Brennstoffzellenstack 2 verbleibende Prozesswassermenge als Restfeuchtigkeit ermittelt.
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Die Ermittlung kann basierend auf einem Feuchtigkeitsmodell erfolgen, das abhängig von einer oder mehreren gemessenen oder modellierten Betriebsgrößen, wie z. B. einem Stackstrom, einem Massenstrom des zugeführten Brennstoffs (Wasserstoff), einem Brennstoffdruck, einer Stacktemperatur, einem Massenstrom des zugeführten weiteren Reaktionsgases (Frischluft), einer Temperatur des zugeführten weiteren Reaktionsgases (Frischluft) und einer Feuchtigkeit des zugeführten weiteren Reaktionsgases (Frischluft), zu einem oder mehreren Zeitpunkten unmittelbar vor einem Abschaltzeitpunkt als der Zeitpunkt des Beendens des aktiven Betriebs des Brennstoffzellensystems 1 insbesondere deren Verlaufsgrößen über einen vorbestimmten Zeitraum vor dem Abschaltzeitpunkt die im Brennstoffzellenstack 2 befindliche Feuchtigkeit, insbesondere die darin befindliche Menge an Prozesswasser, ermittelt.
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Alternativ kann die Menge der Restfeuchtigkeit im Brennstoffzellenstack 2 zum Abschaltzeitpunkt, d. h. zu Beginn der Abschaltphase, mithilfe eines Messverfahrens ermittelt werden, beispielsweise indem der Brennstoffzellenstack mit hochfrequent variierendem Stackstrom bei Messung der resultierenden Stackspannung angesteuert wird und eine resultierende Impedanz im Frequenzbereich ausgewertet wird. Diese mehreren Impedanzen bei verschiedenen Frequenzen sind repräsentativ für die im Brennstoffzellenstack 2 befindliche Feuchtigkeit und können, nach anfänglicher Kalibration durch Erstellen einer Zuordnungsfunktion bzw. einer Lookup-Tabelle, durch Auswerten der Zuordnungsfunktion eine Angabe über den im Brennstoffzellenstack 2 befindlichen Rest an Prozesswasser (Restfeuchtigkeit) geben.
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Ist die Restfeuchtigkeit ermittelt, können in Schritt S3 nun Trocknungsdauern auf Anoden- und Kathodenseite bestimmt werden. Die Trocknungsdauer auf Anodenseite bestimmt die Zeitdauer, während der die Anodenseite mit Brennstoff gespült wird. Die Zeitdauer des Durchströmens der Kathodenseite bestimmt die Zeitdauer, während der die Kathodenseite mit dem weiteren Reaktionsgas (Frischluft) gespült wird.
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Die Trocknungsdauer auf Anodenseite kann mithilfe eines Anoden-Trocknungsmodells abhängig von einem Druck des Brennstoffes im Brennstoffzellenstack 2, der Temperatur des Brennstoffes und dem Massenstrom des Brennstoffes durch den Brennstoffzellenstack 2 bestimmt werden. Das Anoden-Trocknungsmodell kann physikalisch oder datenbasiert vorgegeben sein und bildet den Druck, die Temperatur und den Massenstrom des Brennstoffes auf die Trocknungsdauer, die zum Spülen der Anodenseite benötigt wird, ab.
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Die Trocknungsdauer auf Kathodenseite kann mithilfe eines Kathoden-Trocknungsmodells abhängig von einem Druck des weiteren Reaktionsgases im Brennstoffzellenstack 2, dem Massenstrom des weiteren Reaktionsgases durch den Brennstoffzellenstack 2, der Temperatur des weiteren Reaktionsgases und die Feuchtigkeit des weiteren Reaktionsgases bestimmt werden. Das Kathoden-Trocknungsmodell kann physikalisch oder datenbasiert vorgegeben sein und bildet den Druck, den Massenstrom, die Temperatur und die Feuchtigkeit des weiteren Reaktionsgases auf die Trocknungsdauer, die zum Spülen der Kathodenseite benötigt wird, ab.
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Sind die Trocknungszeitdauern für die Anode und Kathode bestimmt, so wird in Schritt S4 für die entsprechenden Zeitdauern Brennstoffgas durch die Anodenseite und Frischluft durch die Kathodenseite geleitet.
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Anschließend wird das Verfahren beendet und das Brennstoffzellensystem 1 ist deaktiviert.
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Vorzugsweise kann die Temperatur des Brennstoffzellenstacks 2 während der Trocknungsphase möglichst hoch gehalten werden, wie beispielsweise auf einer Temperatur zwischen 50°C und 80°C, so dass sichergestellt wird, dass die Feuchtigkeit im Brennstoffzellenstack 2 verdampft und der Massenstrom des Brennstoffes durch die Anode und der Massenstrom des weiteren Reaktionsgases durch die Kathode die Feuchtigkeit austragen kann. Dies wird dadurch erreicht, dass ein Kühlsystem des Brennstoffzellenstacks gebypasst wird und so während der Trocknungsphase die Betriebstemperatur des Brennstoffzellenstacks von ca. 60°C bis 80°C länger beibehalten wird.
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In einer alternativen Ausführungsform, die anhand des Flussdiagramms der 3 näher erläutert wird, kann die Dauer der Trocknungsphase gemäß einer Zweipunktregelung bestimmt sein.
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In Schritt S11 wird zunächst überprüft, ob der aktive Betrieb des Brennstoffzellensystems beendet werden soll und ob aufgrund von Umgebungsbedingungen ein Risiko besteht, dass der Brennstoffzellenstack im Stillstand unter 0°C abkühlt. Der aktive Betrieb entspricht einem Betrieb, an dem elektrische Energie dem Brennstoffzellenstack 2 entnommen werden soll. Wird signalisiert, dass der aktive Betrieb beendet wird (Alternative: Ja), so wird das Verfahren mit Schritt S12 fortgesetzt, anderenfalls (Alternative: Nein) wird zu Schritt S11 zurückgesprungen.
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In Schritt S12 wird zunächst der Trocknungsbetrieb auf Anodenseite und auf Kathodenseite als Trocknungsphase gestartet.
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In Schritt S13 kann kontinuierlich eine aktuelle Feuchtigkeitsangabe des Brennstoffzellenstacks 2 bestimmt werden. Die Feuchtigkeitsangabe kann mithilfe einer Impedanzmessung des Brennstoffzellenstacks 2 als Restfeuchtigkeit im Brennstoffzellenstack 2 bestimmt werden. Dazu werden mithilfe der Zuordnungsfunktion eine oder mehrere gemessene frequenzabhängige Impedanzen ausgewertet, um eine aktuelle Menge von im Brennstoffzellenstack 2 verbleibender Restfeuchtigkeit zu bestimmen.
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Alternativ können in Schritt S13 mithilfe des Feuchtigkeitssensors Feuchtigkeiten an der Brennstoffabführung 4 und/oder an der Reaktionsgasabführung 6 als Feuchtigkeitsangaben jeweils die Feuchtigkeitsangabe für die Kathode und die Anode gemessen werden, um die durch die entsprechenden Massenströme aufgenommene Feuchtigkeit in Form eines Feuchtigkeitsgehalts zu erfassen. Die Feuchtigkeitsangabe entspricht dabei dem jeweiligen Feuchtigkeitsgehalt in dem entsprechenden Massenstrom.
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In Schritt S14 wird überprüft, ob die aktuelle Menge an Restfeuchtigkeit in dem Brennstoffzellenstack 2 oder der Feuchtigkeitsgehalt in einem oder beiden Massenströmen einen vorgegebenen Feuchtigkeitsschwellenwert unterschreitet. Ist dies der Fall (Alternative: Ja), so wird das Verfahren mit Schritt S15 fortgesetzt. Anderenfalls (Alternative: Nein) wird zu Schritt S12 zurückgesprungen.
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In Schritt S15 wird der Trocknungsbetrieb beendet, indem das Fördermittel 32 deaktiviert wird und das Zuführungsventil 52 geschlossen wird.
