DE102022204876A1 - Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems, Steuergerät - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems, umfassend mindestens eine Brennstoffzelle (1) mit einer Anode (2) und einer Kathode (3) und einer zwischenliegenden Membran (4), wobei im Normalbetrieb des Brennstoffzellensystems der Kathode (3) über einen Zuluftpfad (5) Luft zugeführt wird und aus der Kathode (3) austretende Abluft über einen Abluftpfad (6) abgeführt wird und wobei im Abstellfall ein im Zuluftpfad (5) angeordnetes erstes Ventil (7) und ein im Abluftpfad (6) angeordnetes zweites Ventil (8) geschlossen werden. Erfindungsgemäß wird im Startfall das Brennstoffzellensystem in mehreren Phasen (I, II, III) gestartet, wobei- in einer ersten Phase (I) die beiden Ventile (7, 8) geschlossen gehalten werden und ein in einem die Brennstoffzelle (1) umgehenden Bypasspfad (9) angeordnetes Bypassventil (10) geöffnet wird, so dass Luft aus dem Zuluftpfad (5) über den Bypasspfad (9) in den Abluftpfad (6) eingeleitet wird,- in einer zweiten Phase (II) die beiden Ventile (7, 8) zumindest teilweise geöffnet werden und das Bypassventil (10) weiterhin zumindest teilweise offen gehalten wird, so dass die Kathode (3) und der Bypasspfad (9) gleichzeitig von Luft durchströmt werden, und- in einer dritten Phase (III) das Bypassventil (10) geschlossen wird.Die Erfindung betrifft ferner ein Steuergerät zur Ausführung von Schritten des Verfahrens.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems. Bevorzugter Anwendungsbereich sind mobile Brennstoffzellensysteme bzw. Brennstoffzellenfahrzeuge. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Steuergerät zur Ausführung von Schritten des erfindungsgemäßen Verfahrens.
• Stand der Technik
• Wasserstoffbasierte Brennstoffzellen gelten als Mobilitätskonzept der Zukunft, da sie lediglich Wasser als Abgas emittieren und schnelle Betankungszeiten ermöglichen. Neben Wasserstoff wird ein Oxidationsmittel benötigt, beispielsweise Sauerstoff. Als Sauerstofflieferant dient in der Regel Luft, die der Umgebung entnommen wird. Wasserstoff und Sauerstoff werden in den Brennstoffzellen in einer elektrochemischen Reaktion in elektrische Energie, Wärme und Wasser gewandelt.
• Brennstoffzellen weisen eine mit Wasserstoff zu versorgende Anode und eine mit Sauerstoff bzw. mit Luft zu versorgende Kathode auf. Dazwischen ist eine Membran angeordnet. In der Praxis werden zur Steigerung der elektrischen Leistung eine Vielzahl von Brennstoffzellen zu einem Brennstoffzellenstapel, dem sogenannten Stack, verbunden. Die Versorgung des Brennstoffzellenstapels mit Wasserstoff erfolgt über ein Anoden-Subsystem bzw. Wasserstoffsystem. Die Versorgung mit Luft über ein Kathoden-Subsystem bzw. Luftsystem. Darüber hinaus kann das Brennstoffzellensystem weitere Subsysteme umfassen, insbesondere ein Kühlsystem zum Abführen der im Betrieb erzeugten Wärme.
• Um beim Starten eines Brennstoffzellensystems eine Beschädigung der Brennstoffzellen zu vermeiden, wird dieses in der Regel in einem Zustand abgestellt, bei dem in der Anode eine Wasserstoffkonzentration von annähernd 100 % und in der Kathode eine Sauerstoffkonzentration von annähernd 0 % bei einer gleichzeitig hohen Stickstoffkonzentration herrschen. Um diesen Zustand zu erhalten, sind kathodenseitig häufig Ventile vorgesehen, die ein Nachströmen von Luft bzw. Sauerstoff nach dem Abstellen verhindern sollen. Durch Gasdiffusion über die Membran kommt es dennoch zu einem Übertritt von Wasserstoff auf die Kathodenseite und von Stickstoff auf die Anodenseite, so dass bei einem erneuten Starten des Brennstoffzellensystems sowohl anoden- als auch kathodenseitig jeweils ein wasserstoff- und stickstoffhaltiges Gasgemisch vorherrschen.
• Vor dem eigentlichen Starten des Brennstoffzellensystems wird daher häufig zunächst das anodenseitig vorhandene Gasgemisch ausgeleitet und frischer Wasserstoff nachdosiert, um die Wasserstoffkonzentration auf der Anodenseite wieder zu erhöhen. Dieser Vorgang wird auch „Purgen“ genannt. Beim Purgen muss jedoch sichergestellt sein, dass die Wasserstoffkonzentration des ausgeleiteten Gasgemischs eine kritische Grenze nicht überschreitet. Das Gasgemisch wird daher üblicherweise vor dem Ausleiten mit Kathodenabluft vermischt bzw. verdünnt.
• Zur Bereitstellung der zum Verdünnen erforderlichen Luftmenge kann im Luftsystem des Brennstoffzellensystems ein Bypasspfad geöffnet werden, über den Luft am Brennstoffzellenstapel vorbei aus einem Zuluftpfad direkt in einen Abluftpfad eingeleitet werden kann. Beim eigentlichen Starten wird dann der Bypasspfad mit Hilfe eines Bypassventils wieder geschlossen, so dass dem Brennstoffzellenstapel die benötigte Luft bzw. der benötigte Sauerstoff zugeführt wird. Das zum Startzeitpunkt kathodenseitig vorherrschende wasserstoff- und stickstoffhaltige Gasgemisch wird dabei ausgetragen, so dass es zu einer kurzzeitigen, aber erheblichen Erhöhung der Wasserstoffkonzentration in der Kathodenabluft kommen kann. Dies gilt es aus Gründen der Betriebssicherheit zu vermeiden.
• Mit dieser Aufgabe ist die vorliegende Erfindung befasst. Zur Lösung der Aufgabe wird das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen. Ferner wird ein Steuergerät zur Ausführung von Verfahrensschritten angegeben.
• Offenbarung der Erfindung
• Vorgeschlagen wird ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems, das mindestens eine Brennstoffzelle mit einer Anode und einer Kathode und einer zwischenliegenden Membran umfasst. Im Normalbetrieb des Brennstoffzellensystems wird der Kathode über einen Zuluftpfad Luft zugeführt und aus der Kathode austretende Abluft wird über einen Abluftpfad abgeführt. Im Abstellfall werden ein im Zuluftpfad angeordnetes erstes Ventil und ein im Abluftpfad angeordnetes zweites Ventil geschlossen. Erfindungsgemäß wird im Startfall das Brennstoffzellensystem in mehreren Phasen gestartet, wobei
• - in einer ersten Phase die beiden Ventile geschlossen gehalten werden und ein in einem die Brennstoffzelle umgehenden Bypasspfad angeordnetes Bypassventil geöffnet wird, so dass Luft aus dem Zuluftpfad über den Bypasspfad in den Abluftpfad eingeleitet wird,
• - in einer zweiten Phase die beiden Ventile zumindest teilweise geöffnet werden und das Bypassventil weiterhin zumindest teilweise offen gehalten wird, so dass die Kathode und der Bypasspfad gleichzeitig von Luft durchströmt werden, und
• - in einer dritten Phase das Bypassventil geschlossen wird.
• Bei geöffnetem Bypassventil gelangt Luft aus dem Zuluftpfad über den Bypasspfad in den Abluftpfad. Diese Luft kann in der der ersten Phase des Startvorgangs zum Verdünnen eines wasserstoff- und stickstoffhaltigen Gasgemischs verwendet werden, das - vorzugsweise zeitgleich - mittels Purgen aus der Anode abgeführt wird. Auf diese Weise wird eine zu hohe Wasserstoffkonzentration des mittels Purgen aus der Anode abgeführten Gasgemischs verhindert. Da im Startfall in der Kathode ebenfalls ein wasserstoff- und stickstoffhaltiges Gasgemisch vorherrschen kann, werden in der zweiten Phase des Startvorgangs die beiden Ventile so weit geöffnet und das Bypassventil zumindest so weit offen gehalten, dass ein die Kathode durchströmender erster Teilstrom der Luft das wasserstoff- und stickstoffhaltige Gasgemisch austrägt und ein über den Bypasspfad in den Abluftpfad eingeleiteter zweiter Teilstrom das Gasgemisch verdünnt. In der dritten Phase kann dann - nach erfolgter Verdünnung - dass Bypassventil vollständig geschlossen werden.
• Die in der ersten und zweiten Phase beim Starten erzielte Verdünnung der sowohl anodenseitig als auch kathodenseitig vorherrschenden wasserstoff- und stickstoffhaltigen Gasgemische reduziert die maximal auftretende Wasserstoffkonzentration in der Abluft. Eine unter Umständen kritische Konzentrationserhöhung kann auf diese Weise vermieden werden. Im Ergebnis kann somit die Betriebssicherheit des Brennstoffzellensystems erhöht werden.
• In der dritten Phase des Startvorgangs wird vorzugsweise nicht nur das Bypassventil geschlossen, sondern zeitgleich die beiden Ventile, über welche die Kathode mit Luft versorgt wird, vollständig geöffnet, sofern dies nicht bereits geschehen ist. Denn - je nach Auslegung der beiden Ventile - können diese in der zweiten Phase nicht nur eine konstante Ventilstellung, sondern auch eine sich kontinuierlich verändernde Ventilstellung einnehmen. Auf diese Weise kann mit Hilfe der beiden Ventile der Luftstrom in Richtung der Kathode nicht nur unterbrochen, sondern zugleich geregelt werden.
• In Weiterbildung der Erfindung wird daher vorgeschlagen, dass in der zweiten Phase des Startvorgangs die beiden Ventile kontinuierlich geöffnet werden und/oder das Bypassventil kontinuierlich geschlossen wird. Die zweite Phase dient dann als Übergangsphase, die von der ersten Phase in die dritte Phase überleitet. Vorzugsweise dauert die zweite Phase zwischen 200 und 5000 ms.
• Vorteilhafterweise werden die beiden Ventile und das Bypassventil elektrisch angesteuert. Die elektrische Ansteuerung erleichtert das Überführen der Ventile in die jeweils geforderte Ventilstellung. Die Ansteuerung erfolgt vorzugsweise mit Hilfe eines Steuergeräts des Brennstoffzellensystems. Mit Hilfe des Steuergeräts können dann die Öffnungsquerschnitte der Ventile in der zweiten Phase des Startvorgangs genau aufeinander abgestimmt werden.
• Ferner wird vorgeschlagen, dass die Luft im Zuluftpfad mit Hilfe einer in den Zuluftpfad integrierten Luftförder- und Luftverdichtungseinheit gefördert und verdichtet wird. Mit Hilfe der Luftförder- und Luftverdichtungseinheit kann betriebspunktabhängig der jeweils geforderte Luftmassenstrom und/oder das jeweils geforderte Druckniveau eingestellt werden. Die Luftförder- und Luftverdichtungseinheit kann elektrisch und/oder mittels einer Turbine angetrieben werden. Vorzugsweise sind sowohl ein elektrischer Antrieb als auch eine Turbine vorgesehen. Über den elektrischen Antrieb kann die Luftförder- und Luftverdichtungseinheit gezielt angesteuert werden. Mit Hilfe der Turbine kann ein Teil der zum Fördern und Verdichten eingesetzten Energie zurückgewonnen werden, wenn der Turbine die aus der Brennstoffzelle austretende Abluft zugeführt wird.
• Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird im Startfall in der zweiten Phase die Fördermenge der Luftförder- und Luftverdichtungseinheit erhöht. Durch diese Maßnahme ist sichergestellt, dass die Kathode mit ausreichend Luft versorgt wird, da mit der Fördermenge der Gesamtluftmassenstrom angehoben wird. Der über den Bypasspfad abgezweigte Teilmassenstrom wird dadurch kompensiert.
• Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass die Luft im Zuluftpfad mit Hilfe einer Kühleinrichtung und/oder einer Befeuchtungseinrichtung konditioniert wird. Da sich die Luft beim Verdichten stark erwärmt, kann mit Hilfe einer Kühleinrichtung die Luft gekühlt werden. Durch eine Befeuchtung der Luft kann ein Austrocknen der Membran der Brennstoffzelle verhindert werden. In der Folge kann durch eine gezielte Konditionierung der Luft vor ihrem Eintritt in die Brennstoffzelle die Effizienz und/oder die Lebensdauer der Brennstoffzelle gesteigert werden.
• Darüber hinaus wird ein Steuergerät für ein Brennstoffzellensystem vorgeschlagen. Das Steuergerät ist dazu eingerichtet, Schritte eines erfindungsgemäßen Verfahrens auszuführen. Beispielsweise können mit Hilfe des Steuergeräts die beiden Ventile, über die der Kathode Luft zugeführt werden, und das Bypassventil angesteuert werden. Alternativ oder ergänzend kann mit Hilfe des Steuergeräts die in den Zuluftpfad integrierte Luftförder- und Luftverdichtungseinheit gesteuert werden.
• Die Erfindung und ihre Vorteile werden nachfolgend anhand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen:
• 1 eine schematische Darstellung einer Brennstoffzelle mit einem Luftsystem zur Luftversorgung,
• 2 eine schematische Darstellung der Ventilstellungen über die drei Phasen beim Starten gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens und
• 3 eine schematische Darstellung der Ventilstellungen über die drei Phasen beim Starten gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
• Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
• 1 zeigt beispielhaft einen Ausschnitt eines Brennstoffzellensystems, das eine Brennstoffzelle 1 mit einer Anode 2 und einer Kathode 3 umfasst. Zwischen der Anode 2 und der Kathode 3 ist eine Membran 4 angeordnet. In der Regel wird eine Vielzahl solcher Brennstoffzellen 1 zu einem Brennstoffzellenstapel zusammengefasst, um die elektrische Leistung zu steigern. Der Einfachheit halber ist in der 1 nur eine einzige Brennstoffzelle 1 dargestellt.
• Die Kathode 3 wird im Betrieb des Brennstoffzellensystems über einen Zuluftpfad 5 mit Luft versorgt, die zuvor mit Hilfe einer in den Zuluftpfad 5 integrierten Luftförder- und Luftverdichtungseinheit 11 verdichtet worden ist. Die aus der Brennstoffzelle 1 austretende Abluft wird über einen Abluftpfad 6 abgeführt. Der Luftstrom zur Kathode 3 kann über ein erstes Ventil 7 auf der Zuluftseite und ein zweites Ventil 8 auf der Abluftseite unterbrochen oder reguliert werden. Zusätzlich ist ein Bypasspfad 9 zur Umgehung der Brennstoffzelle 1 vorgesehen. Der Luftstrom über den Bypasspfad 9 kann mit Hilfe eines Bypassventils 10 unterbrochen oder reguliert werden. Die Ventile 7, 8, das Bypassventil 10 sowie die Luftförder- und Luftverdichtungseinheit 11 werden jeweils elektrisch angesteuert.
• Im Normalbetrieb des in der 1 dargestellten Brennstoffzellensystems sind die Ventile 7, 8 geöffnet und das Bypassventil 10 ist geschlossen, so dass der gesamte Luftmassenstrom der Kathode 3 der Brennstoffzelle 1 zugeführt wird. Die Luft wird für die elektrochemische Reaktion in der Brennstoffzelle 1 benötigt. Der ferner benötigte Wasserstoff wird der Anode 2 der Brennstoffzelle 1 über einen Anodenkreis (nicht dargestellt) zugeführt.
• Beim Abstellen des Brennstoffzellensystems wird das System in einen Zustand gebracht, in dem anodenseitig eine hohe Wasserstoffkonzentration und kathodenseitig eine hohe Stickstoffkonzentration vorliegen, vorzugsweise jeweils annähernd 100 %. Das heißt, dass kathodenseitig die Sauerstoffkonzentration annähernd bei 0 % liegt. Durch Schließen der beiden Ventile 7, 8 wird verhindert, dass während der Abstellzeit Luft und damit Sauerstoff nachströmt.
• Durch Diffusion der Gase über die Membran 4 kommt es jedoch während der Abstellzeit zu einem Übertritt von Wasserstoff von der Anodenseite auf die Kathodenseite und zu einem Übertritt von Stickstoff von der Kathodenseite auf die Anodenseite. Sowohl anoden- als auch kathodenseitig herrschen damit wasserstoff- und stickstoffhaltige Gasgemische vor.
• Beim erneuten Starten des Brennstoffzellensystems wird das anodenseitig vorherrschende wasserstoff- und stickstoffhaltige Gasgemisch mittels Purgen ausgetragen und zum Verdünnen mit Abluft in den Abluftpfad 6 eingeleitet. Währenddessen wird das Luftsystem im Bypassbetrieb betrieben, um die zum Verdünnen erforderliche Luft aus dem Zuluftpfad 5 über den Bypasspfad 9 in den Abluftpfad 6 einzuleiten. Die Ventile 7, 8 bleiben während dieser ersten Phase des Startvorgangs geschlossen. In einer zweiten Phase des Startvorgangs werden dann die Ventile 7, 8 zumindest teilweise geöffnet, während das Bypassventil 10 zumindest teilweise geöffnet bleibt. Ein erster Teilstrom der Luft wird dann der Kathode 3 zum Austragen des dort vorhandenen wasserstoff- und stickstoffhaltigen Gasgemischs zugeführt, ein zweiter Teilstrom wird über den Bypasspfad 9 in den Abluftpfad 6 eingeleitet, so dass mit dieser Luft das aus der Kathode 3 ausgetragene Gasgemisch verdünnt werden kann. Zu keinem Zeitpunkt des Startvorgangs wird demnach eine maximal zulässige Wasserstoffkonzentration im Abluftpfad 6 überschritten. In einer sich hieran anschließenden dritten Phase des Startvorgangs kann dann das Bypassventil 10 geschlossen werden, so dass in den Normalbetrieb übergegangen werden kann. Je nach Luft- bzw. Sauerstoffbedarf der Kathode 3 sind die Ventile 7, 8 vollständig oder teilweise geöffnet.
• Die Ventile 7, 8 und das Bypassventil 10 können ihre jeweilige Ventilstellung während der einzelnen Phasen beim Starten des Brennstoffzellensystems konstant einnehmen oder verändern.
• In der 2 ist beispielhaft der erste Fall dargestellt. Über die einzelnen Phasen I, II und III nehmen die Ventile 7, 8 und das Bypassventil 10 jeweils eine konstante Ventilstellung ein. In der Phase I sind die Ventile 7, 8 vollständig geschlossen und das Bypassventil 10 vollständig geöffnet. In der Phase III verhält es sich genau umgekehrt. In der dazwischenliegenden Phase II nehmen die Ventile 7, 8 und das Bypassventil 10 jeweils eine Zwischenstellung ein, in welcher sie teilweise geöffnet sind.
• In der 3 ist beispielhaft der andere Fall dargestellt. Im Unterschied zur 2 werden die Ventile 7, 8 während der zweiten Phase II kontinuierlich geöffnet und das Bypassventil 10 wird kontinuierlich geschlossen. Der Übergang von der Phase I in die Phase III erfolgt somit fließend.

Claims (8)

1. Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems, umfassend mindestens eine Brennstoffzelle (1) mit einer Anode (2) und einer Kathode (3) und einer zwischenliegenden Membran (4), wobei im Normalbetrieb des Brennstoffzellensystems der Kathode (3) über einen Zuluftpfad (5) Luft zugeführt wird und aus der Kathode (3) austretende Abluft über einen Abluftpfad (6) abgeführt wird und wobei im Abstellfall ein im Zuluftpfad (5) angeordnetes erstes Ventil (7) und ein im Abluftpfad (6) angeordnetes zweites Ventil (8) geschlossen werden, dadurch gekennzeichnet, dass im Startfall das Brennstoffzellensystem in mehreren Phasen (I, II, III) gestartet wird, wobei - in einer ersten Phase (I) die beiden Ventile (7, 8) geschlossen gehalten werden und ein in einem die Brennstoffzelle (1) umgehenden Bypasspfad (9) angeordnetes Bypassventil (10) geöffnet wird, so dass Luft aus dem Zuluftpfad (5) über den Bypasspfad (9) in den Abluftpfad (6) eingeleitet wird, - in einer zweiten Phase (II) die beiden Ventile (7, 8) zumindest teilweise geöffnet werden und das Bypassventil (10) weiterhin zumindest teilweise offen gehalten wird, so dass die Kathode (3) und der Bypasspfad (9) gleichzeitig von Luft durchströmt werden, und - in einer dritten Phase (III) das Bypassventil (10) geschlossen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der zweiten Phase (II) die beiden Ventile (7, 8) kontinuierlich geöffnet werden und/oder das Bypassventil (10) kontinuierlich geschlossen wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Phase (II) zwischen 200 und 5000 ms dauert.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Ventile (7, 8) und das Bypassventil (10) elektrisch angesteuert werden, vorzugsweise mit Hilfe eines Steuergeräts des Brennstoffzellensystems.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Luft im Zuluftpfad (5) mit Hilfe einer in den Zuluftpfad (5) integrierten Luftförder- und Luftverdichtungseinheit (11) gefördert und verdichtet wird, wobei vorzugsweise die Luftförder- und Luftverdichtungseinheit (11) elektrisch und/oder mittels einer Turbine angetrieben wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass im Startfall in der zweiten Phase (II) die Fördermenge der Luftförder- und Luftverdichtungseinheit (11) erhöht wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Luft im Zuluftpfad (5) mit Hilfe einer Kühleinrichtung und/oder einer Befeuchtungseinrichtung konditioniert wird.
8. Steuergerät für ein Brennstoffzellensystem, das dazu eingerichtet ist, Schritte eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche auszuführen.

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