DE102022212561A1 - Verfahren zum Inertisieren einer Kathode und einer Anode eines Brennstoffzellenstapels, Steuergerät - Google Patents

Verfahren zum Inertisieren einer Kathode und einer Anode eines Brennstoffzellenstapels, Steuergerät Download PDF

Info

Publication number
DE102022212561A1
DE102022212561A1 DE102022212561.4A DE102022212561A DE102022212561A1 DE 102022212561 A1 DE102022212561 A1 DE 102022212561A1 DE 102022212561 A DE102022212561 A DE 102022212561A DE 102022212561 A1 DE102022212561 A1 DE 102022212561A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
exhaust air
inerting
fuel cell
anode
hydrogen concentration
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
DE102022212561.4A
Other languages
English (en)
Inventor
Helerson Kemmer
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Priority to DE102022212561.4A priority Critical patent/DE102022212561A1/de
Priority to PCT/EP2023/082553 priority patent/WO2024110460A2/de
Publication of DE102022212561A1 publication Critical patent/DE102022212561A1/de
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04223—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids during start-up or shut-down; Depolarisation or activation, e.g. purging; Means for short-circuiting defective fuel cells
    • H01M8/04231—Purging of the reactants
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04223—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids during start-up or shut-down; Depolarisation or activation, e.g. purging; Means for short-circuiting defective fuel cells
    • H01M8/04225—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids during start-up or shut-down; Depolarisation or activation, e.g. purging; Means for short-circuiting defective fuel cells during start-up
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04223—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids during start-up or shut-down; Depolarisation or activation, e.g. purging; Means for short-circuiting defective fuel cells
    • H01M8/04228—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids during start-up or shut-down; Depolarisation or activation, e.g. purging; Means for short-circuiting defective fuel cells during shut-down
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/043—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems applied during specific periods
    • H01M8/04302—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems applied during specific periods applied during start-up
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/043—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems applied during specific periods
    • H01M8/04303—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems applied during specific periods applied during shut-down
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/0444—Concentration; Density
    • H01M8/04455—Concentration; Density of cathode reactants at the inlet or inside the fuel cell
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04746—Pressure; Flow
    • H01M8/04753—Pressure; Flow of fuel cell reactants
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/249—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells comprising two or more groupings of fuel cells, e.g. modular assemblies

Landscapes

  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Inertisieren einer Kathode (210) und einer Anode (220) eines Brennstoffzellenstapels (200) mit der Abluft eines weiteren Brennstoffzellenstapels (100), wobei die Abluft über einen Abluftpfad (212) in die Kathode (210), über einen die Kathode (210) mit der Anode (220) verbindenden Verbindungspfad (214) in die Anode (220) und die aus der Anode (220) austretende Abluft über einen weiteren Verbindungspfad (217) wieder in den Abluftpfad (212) geleitet wird, und wobei die Wasserstoffkonzentration der Abluft im Abluftpfad (212) gemessen und abhängig vom Verlauf der Wasserstoffkonzentration die Dauer des Inertisierungsvorgangs geregelt wird.Die Erfindung betrifft ferner ein Steuergerät zur Ausführung von Schritten des Verfahrens.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Inertisieren einer Kathode und einer Anode eines Brennstoffzellenstapels, wobei als Inertgas die Abluft eines weiteren Brennstoffzellenstapels verwendet wird. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Steuergerät zur Ausführung von Schritten des Verfahrens.
  • Bevorzugter Anwendungsbereich sind Brennstoffzellen-Fahrzeuge, vorzugsweise Brennstoffzellen-Fahrzeuge mit Start-Stopp-Betrieb.
  • Stand der Technik
  • Brennstoffzellen sind elektrochemische Energiewandler. Als Reaktionsgase können insbesondere Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O2) verwendet werden. Diese werden mit Hilfe einer Brennstoffzelle in elektrische Energie, Wasser (H2O) und Wärme gewandelt. Den Kern einer Brennstoffzelle bildet eine Membran-Elektroden-Anordnung (MEA), die eine Membran umfasst, die zur Ausbildung von Elektroden beidseits mit einem katalytischen Material beschichtet ist. Im Betrieb der Brennstoffzelle werden der einen Elektrode, der Anode, Wasserstoff und der anderen Elektrode, der Kathode, Sauerstoff zugeführt.
  • Zur Steigerung der elektrischen Leistung werden in der Praxis eine Vielzahl von Brennstoffzellen zu einem Brennstoffzellenstapel bzw. Stack verbunden. Darüber hinaus können mehrere Brennstoffzellenstapel bzw. Brennstoffzellensysteme zu einem Multi-Stack-System zusammengeschaltet werden.
  • Im Betrieb eines Brennstoffzellensystems stellen Start- und/oder Stoppphasen eine hohe Belastung dar, die zur Degradation der Brennstoffzellen führen kann. Beim Start ist die Hauptursache dafür eine Wasserstoff-Luft-Front in der Anode. Beim Stopp bzw. Abstellen ist es eine anstehende hohe Spannung, die dadurch bedingt ist, dass die Anode mit Wasserstoff und die Kathode mit Sauerstoff versorgt werden, ohne dass eine elektrische Last aus dem Stack gezogen wird. Dies kann insbesondere in langen Abstellphasen vorkommen.
  • Um in einer Start- und/oder Stoppphase der Degradation der Brennstoffzellen entgegenzuwirken, kann vor dem Herunterfahren des Systems der in der Kathode vorhandene Sauerstoff verbraucht werden, indem elektrischer Strom ohne zusätzliche Luftzufuhr gezogen wird. Die Anode wird währenddessen weiterhin mit Wasserstoff versorgt, so dass die Zellspannungen unkritisch sind. Diffundiert jedoch Luft in die Kathode, erhöhen sich die Zellspannungen und verbleiben dort für mehrere Stunden, wodurch schädigende elektrochemische Reaktionen hervorgerufen werden. In der Regel sind daher sowohl einlass- als auch auslassseitig Absperrventile vorgesehen, die im Abstellfall verhindern sollen, dass Luft in die Kathode gelangt. Da diese jedoch nicht vollständig dicht sind, insbesondere über Lebensdauer, ist ihre Wirksamkeit begrenzt. Ferner geht mit den Absperrventilen ein nicht unwesentlicher Druckverlust einher.
  • Aus stationären Anwendungen ist bekannt, die Anode und ggf. die Kathode vor dem Starten und/oder Herunterfahren mit Stickstoff zu inertisieren, um einer unerwünschten Degradation entgegenzuwirken. Der Stickstoff wird hierzu in einer Flasche vorgehalten. In mobilen Anwendungen ist dies jedoch aus Platzgründen nicht möglich. Ferner muss eine Stickstoffflasche wieder befüllt und gewartet werden, was sich negativ auf die Kosten auswirkt.
  • In früheren Anmeldungen derselben Anmelderin wurde bereits vorgeschlagen, die Abluft eines ersten Brennstoffzellenstapels zum Inertisieren der Kathode und der Anode eines weiteren Brennstoffzellenstapels einzusetzen. Dies setzt ein Brennstoffzellensystem mit mehreren Brennstoffzellenstapeln, das heißt ein Multi-Stack-System voraus. Der das Inertgas erzeugende Brennstoffzellenstapel wird dabei im Magerbetrieb, das heißt mit einem λ < 1 betrieben, um den Sauerstoffgehalt zu minimieren. Dies kann, insbesondere bei langen Inertisierungsphasen, zu Einschränkungen der Leistungsverfügbarkeit und damit zur Reduzierung der Effizienz führen.
  • Die vorliegende Erfindung ist mit der Aufgabe befasst, die vorstehend beschriebenen Nachteile beim Inertisieren der Kathode und der Anode eines Brennstoffzellenstapels mit der Abluft eines weiteren Brennstoffzellenstapels zu vermeiden. Insbesondere soll einer Reduzierung der Effizienz entgegengewirkt werden.
  • Zur Lösung der Aufgabe wird das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausführungsformen sind den Unteransprüchen zu entnehmen. Des Weiteren wird ein Steuergerät zur Ausführung von Schritten des Verfahrens angegeben.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Vorgeschlagen wird ein Verfahren zum Inertisieren einer Kathode und einer Anode eines Brennstoffzellenstapels mit der Abluft eines weiteren Brennstoffzellenstapels, wobei die Abluft über einen Abluftpfad in die Kathode, über einen die Kathode mit der Anode verbindenden Verbindungspfad in die Anode und die aus der Anode austretende Abluft über einen weiteren Verbindungspfad wieder in den Abluftpfad geleitet wird und wobei die Wasserstoffkonzentration der Abluft im Abluftpfad gemessen und abhängig vom Verlauf der Wasserstoffkonzentration die Dauer des Inertisierungsvorgangs geregelt wird.
  • Die Erfindung nutzt den Zusammenhang zwischen Inertisierungsdauer und Wasserstoffkonzentration der Abluft im Abluftpfad. Denn üblicherweise ist die Anode vor dem Inertisieren mit Wasserstoff gefüllt, so dass mit Starten des Inertisierungsvorgangs zunächst Wasserstoff in den Abluftpfad geleitet wird. Somit kommt es anfänglich zu einem Anstieg der Wasserstoffkonzentration. Ist kein Wasserstoff mehr in der Anode vorhanden, gelangt nur noch die zum Inertisieren der Anode benötigte Abluft in den Abluftpfad. Infolgedessen sinkt im weiteren Verlauf die Wasserstoffkonzentration der Abluft im Abluftpfad.
  • Das Verfahren ermöglicht auf diese Weise eine zeitliche Begrenzung des Inertisierungsvorgangs auf die tatsächlich benötigte Zeit. Das heißt, dass - anders als bei einer konstant gleichen Inertisierungsdauer - keine Zeit vorgehalten werden muss, um auch Worst-Case Bedingungen zu erfüllen. Worts-Case Bedingungen können beispielsweise eine vollständig mit Wasserstoff gefüllte Anode oder eine mit flüssigem Wasser beladene Anode sein. Ferner muss eine zeitbasierte Inertisierungsdauer eine eventuell hohe Viskosität des Gasgemisches und/oder eine geringe Druckdifferenz und/oder einen geringen Abluft-Massenstrom berücksichtigen. All dies führt zu einer unnötigen Verlängerung der Inertisierungsdauer und damit zu Einschränkungen der Leistungsverfügbarkeit.
  • Mit Hilfe des vorgeschlagenen Verfahrens kann die Inertisierungsdauer so kurz wie möglich gehalten werden, so dass im Ergebnis die Leistungsverfügbarkeit verbessert wird und die Gesamteffizienz steigt.
  • Die Messung der Wasserstoffkonzentration der Abluft im Abluftpfad kann insbesondere mit einem Wasserstoffkonzentrationssensor vorgenommen werden. Dieser ist idealerweise im Abluftpfad stromabwärts der Stelle angeordnet, an der die von der Anode kommende Verbindungsleitung einmündet. Der Wasserstoffkonzentrationssensor kann beispielsweise nahe einem Auspuff angeordnet sein, über den die Abluft an die Umgebung abgegeben wird.
  • In Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass ein unterer Schwellenwert für die Wasserstoffkonzentration der Abluft im Abluftpfad definiert wird und mit Erreichen des unteren Schwellenwerts der Inertisierungsvorgang beendet wird. Das Ende des Inertisierungsvorgangs ist somit eindeutig durch den unteren Schwellenwert definiert.
  • Vor dem Starten des Inertisierungsvorgangs werden vorzugsweise andere Vorgänge, welche die Wasserstoffkonzentration der Abluft im Abluftpfad beeinflussen, wie beispielsweise ein Purge- und/oder Drainvorgang, beendet oder unterbrochen. Dadurch ist sichergestellt, dass eine anfänglich hohe Wasserstoffkonzentration der Abluft im Abluftpfad sicher auf den aus der Anode verdrängten Wasserstoff und nicht auf einen anderen Vorgang, wie beispielsweise einen Purge- und/oder Drainvorgang, zurückzuführen ist.
  • Ferner bevorzugt wird während eines Inertisierungsvorgangs geprüft, ob andere Vorgänge, welche die Wasserstoffkonzentration der Abluft im Abluftpfad beeinflussen, wie beispielsweise ein Purge- und/oder Drainvorgang, gestartet worden sind. Denn ist dies der Fall, bleibt die Wasserstoffkonzentration der Abluft im Abluftpfad hoch, so dass der Inertisierungsvorgang unnötig verlängert wird. Die Prüfung sollte daher vorzugsweise immer dann durchgeführt werden, wenn eine hohe, insbesondere eine andauernd hohe, Wasserstoffkonzentration gemessen wird.
  • Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass mit Starten eines Purge- und/oder Drainvorgangs während eines Inertisierungsvorgangs die Erkennungsfunktion des Endes des Inertisierungsvorgangs unterbrochen wird. Denn eine Regelung der Inertisierungsdauer nach dem vorgeschlagenen Verfahren kann während eines Purge- und/oder Drainvorgangs nicht durchgeführt werden, da ein Purge- und/oder Drainvorgang die Wasserstoffkonzentration der Abluft im Abluftpfad beeinflusst.
  • Als weiterbildende Maßnahme wird vorgeschlagen, dass ein oberer Schwellenwert für die Wasserstoffkonzentration der Abluft im Abluftpfad definiert wird und mit Erreichen des oberen Schwellwerts, insbesondere, wenn dieser innerhalb eines vorgegebenen Zeitfensters erreicht wird, geprüft wird, ob andere Vorgänge, welche die Wasserstoffkonzentration der Abluft im Abluftpfad beeinflussen, wie beispielsweise ein Purge- und/oder Drainvorgang, gestartet worden sind. Denn wie bereits erwähnt, kann ein schneller Anstieg der Wasserstoffkonzentration auch auf andere Vorgänge, insbesondere auf einen Purge- und/oder Drainvorgang, zurückgeführt werden. Daher sollte sicher ausgeschlossen werden, dass solche Vorgänge nicht parallel gestartet worden sind.
  • Wird innerhalb des vorgegebenen Zeitfensters der obere Schwellenwert nicht erreicht, ist dies nicht nur ein Indiz dafür, dass keine anderen die Wasserstoffkonzentration beeinflussende Vorgänge gestartet worden sind, sondern auch ein Indiz dafür, dass in der Anode kein Wasserstoff oder nur eine geringe Menge an Wasserstoff vorhanden war. Die Inertisierung kann in diesem Fall ohne Prüfung, ob andere die Wasserstoffkonzentration beeinflussende Vorgänge gestartet worden sind, fortgesetzt werden. Bei Nicht-Erreichen des oberen Schwellenwerts innerhalb des vorgegebenen Zeitfensters wird daher der Inertisierungsvorgang bevorzugt fortgesetzt.
  • Ferner bevorzugt wird vor dem Starten des Inertisierungsvorgangs ein in einen Zuluftpfad des Brennstoffzellenstapels integriertes Absperrventil geschlossen und während des Inertisierungsvorgangs geschlossen gehalten. Beim Inertisieren wird dann die Kathode in umgekehrter Richtung von der Abluft durchströmt. Zwischen dem Absperrventil und der Kathode kann dann die zur Anode führende Verbindungsleitung abzweigen, so dass dieser die aus der Kathode austretende Abluft zugeführt wird. Durch ein weiteres Absperrventil in der Verbindungsleitung kann sichergestellt werden, dass im Normalbetrieb die Verbindungsleitung für die über den Zuluftpfad zugeführte Luft gesperrt ist.
  • Das vorgeschlagene Verfahren wird vorzugsweise beim Starten und/oder Herunterfahren des Brennstoffzellenstapels durchgeführt, da in diesen Phasen die Degradationsgefahr besonders hoch ist. Mit Hilfe des vorgeschlagenen Verfahrens kann di Degradationsgefahr gesenkt werden.
  • Darüber hinaus wird ein Steuergerät vorgeschlagen, das dazu eingerichtet ist, Schritte eines erfindungsgemäßen Verfahrens auszuführen. Im Steuergerät kann insbesondere ein unterer und/oder oberer Schwellenwert hinterlegt sein, um die aktuell gemessene Wasserstoffkonzentration der Abluft im Abluftpfad mit dem Schwellenwert zu vergleichen. Bevorzugt werden daher die Messsignale des Wasserstoffkonzentrationssensors an das Steuergerät zur Auswertung geleitet. Die mit Erreichen eines Schwellenwerts durchzuführenden Verfahrensschritte können ebenfalls durch das Steuergerät eingeleitet werden.
  • Die Erfindung und ihre Vorteile werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen:
    • 1 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems, das zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet ist,
    • 2 ein Flussdiagramm zur Darstellung eines möglichen Ablaufs des erfindungsgemäßen Verfahrens und
    • 3 ein Diagramm zur graphischen Darstellung eines typischen Verlaufs der Wasserstoffkonzentration der Abluft im Abluftpfad während eines Inertisierungsvorgangs.
  • Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
  • Das erfindungsgemäße Verfahren wird beispielhaft anhand eines Brennstoffzellensystems 1 erläutert, das in der 1 dargestellt ist. Der Aufbau eines Brennstoffzellensystems 1, das zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet ist, kann jedoch variieren.
  • Das in der 1 dargestellte Brennstoffzellensystem 1 ist als Multi-Stack-System mit zwei Brennstoffzellenstapeln 100, 200 ausgeführt. Jeder Brennstoffzellenstapel 100, 200 weist eine Kathode 110, 210 sowie eine Anode 120, 220 auf.
  • Im Normalbetrieb werden die Kathoden 110, 210 jeweils über einen Zuluftpfad 111, 211 mit Luft versorgt. Aus den Kathoden 110, 210 austretende Abluft wird jeweils über einen Abluftpfad 112, 212 abgeführt. Die Zuluftpfade 111, 211 und die Abluftpfade 112, 212 sind für den Anschluss an ein gemeinsames Luftsystem 10 abschnittsweise zusammengeführt. Die zusammengeführten Zuluftpfade 111, 211 bilden einen Haupt-Zuluftpfad 11 und die zusammengeführten Abluftpfade 112, 212 bilden einen Haupt-Abluftpfad 12 aus. Das gemeinsame Luftsystem 10 weist im Haupt-Zuluftpfad 11 einen Luftfilter 13, einen Luftverdichter 14, einen Kühler 15 sowie einen Befeuchter 16 auf, so dass diese Komponenten nur einmal vorgesehen werden müssen. Gleiches gilt in Bezug auf eine Turbine 19 sowie einen Druckregler 20, die im Haupt-Abluftpfad 12 angeordnet sind. Auf diese Weise können der Bauraumbedarf und die Kosten des Brennstoffzellensystems 1 gesenkt werden. Der Haupt-Zuluftpfad 11 und der Haupt-Abluftpfad 12 sind über einen Bypasspfad 17 mit integrierten Bypassventil 18 verbindbar.
  • Alternativ zur dargestellten Ausführungsform mit einem gemeinsamen Luftsystem 10 für beide Brennstoffzellenstapel 100, 200 kann aber auch jeder Brennstoffzellenstapel 100, 200 über ein eigenes Luftsystem mit Luft versorgt werden. Entsprechend steigt in diesem Fall die Anzahl der zur Luftversorgung benötigten Komponenten, so dass ferner der Bauraumbedarf und die Kosten steigen.
  • Die Anoden 120, 220 der Brennstoffzellenstapel 100, 200 des dargestellten Brennstoffzellensystems 1 werden jeweils über einen Anodenkreis 121, 221 mit Wasserstoff versorgt. Frischer Wasserstoff wird einem Tank (nicht dargestellt) entnommen und über einen Druckregler 125, 225 und eine Strahlpumpe 126, 226 in den jeweiligen Anodenkreis 121, 221 eingeleitet. Mit Hilfe der Strahlpumpe 126, 226 sowie mit Hilfe eines in den jeweiligen Anodenkreis 121, 221 integrierten Gebläses 122, 222 wird aus den Brennstoffzellen austretendes Anodengas rezirkuliert, da dieses noch nicht verbrauchten Wasserstoff enthält. Da sich das rezirkulierte Anodengas über die Zeit mit Stickstoff anreichert, das von der Kathodenseite auf die Anodenseite diffundiert, ist jeweils ein Purgeventil 123, 223 zum Spülen des jeweiligen Anodenkreises 121, 221 vorgesehen. Im rezirkulierten Anodengas enthaltenes Flüssigwasser kann jeweils mit Hilfe eines Wasserabscheiders 127, 227 separiert und einem Behälter 128, 228 zugeführt werden. Zum Entleeren des Behälters 128, 228 ist jeweils ein Drainventil 124, 224 vorgesehen, das hierzu geöffnet wird.
  • Die Brennstoffzellenstapel 100, 200 des dargestellten Brennstoffzellensystems 1 sind ferner jeweils an einen Kühlkreis 129, 229 angeschlossen, über den die im Betrieb anfallende Wärme abgeführt wird.
  • Da die Abluftpfade 112, 212 der beiden Brennstoffzellenstapel 100, 200 verbunden sind, kann im Start- und/oder Abstellfall die Abluft des einen Brennstoffzellenstapels 100, 200 zum Inertisieren des jeweils anderen Brennstoffzellenstapels 200, 100 genutzt werden. In den Abluftpfaden 112, 212 sind hierzu Absperrventile 113, 213 vorgesehen. Weitere Absperrventile 116, 216 sind in den Zuluftpfade 111, 211 angeordnet. Ferner ist jeweils eine Verbindungsleitung 114, 214 mit integriertem Absperrventil 115, 215 vorgesehen, die vom jeweiligen Zuluftpfad 111, 211 abzweigt.
  • Im Start- und/oder Abstellfall kann durch Öffnen der Absperrventile 113, 213 die Abluft des ersten Brennstoffzellenstapels 100 der Kathode 210 des zweiten Brennstoffzellenstapels 200 zugeführt werden. Durch Schließen des Absperrventils 216 im Zuluftpfad 211 des zweiten Brennstoffzellenstapels 200 kann die Abluft in umgekehrter Strömungsrichtung durch die Kathode 210 in die Verbindungsleitung 214 geführt werden. Durch Öffnen des in der Verbindungsleitung 214 integrierten Absperrventils 215 gelangt dann die Abluft in die Anode 220, so dass die Kathode 210 und die Anode 220 mit Hilfe der Abluft des ersten Brennstoffzellenstapels 100 inertisiert werden.
  • Die der Anode 220 zum Inertisieren zugeführte Abluft kann über einen weiteren Verbindungspfad 217 zurück in den Abluftpfad 212 eingeleitet werden. Bei dem in der 1 dargestellten Brennstoffzellensystem 1 erfolgt die Einleitung im Bereich des Haupt-Abluftpfads 12, in dem die beiden Abluftpfade 112 und 212 zusammengeführt sind. Der Brennstoffzellenstapel 100 weist ebenfalls eine solche Verbindungsleitung 117 auf.
  • Die Strömungsrichtung der Abluft während eines Inertisierungsvorgangs ist in der 1 durch schwarze Pfeile dargestellt.
  • Vor dem Inertisieren ist die Anode 220 in der Regel mit Wasserstoff gefüllt. Dieser wird beim Inertisieren durch die zugeführte Abluft verdrängt und über die Verbindungsleitung 217 in den Haupt-Abluftpfad 12 eingeleitet. Zu Beginn des Inertisierungsvorgangs steigt demnach die Wasserstoffkonzentration der Abluft im Abluftpfad 12 an. Dieser Anstieg kann mit Hilfe eines in den Abluftpfad 12 integrierten Wasserstoffkonzentrationssensors 21 erfasst werden.
  • Der Verlauf der Wasserstoffkonzentration während eines Inertisierungsvorgangs ist beispielhaft in der 3 dargestellt. Im Zeitpunkt t1 beginnt die Inertisierung und die Wasserstoffkonzentration steigt zunächst an. Mit fortschreitender Inertisierung fällt die Konzentration wieder ab. Im Zeitpunkt t2 wird die Inertisierung beendet. Die Zeitpunkte t1 und t2 definieren die Dauer des Inertisierungsvorgangs.
  • Da während des Inertisierens der das Inertgas erzeugende Brennstoffzellenstapel 100 im Magerbetrieb betrieben wird, sinkt die Effizienz des Systems. Der Inertisierungsvorgang sollte daher möglichst kurz dauern.
  • Bei dem vorgeschlagenen Verfahren, das nachfolgend anhand der 2 beschrieben wird, wird die Inertisierungsdauer in Abhängigkeit vom Verlauf der Wasserstoffkonzentration der Abluft im Abluftpfad 12 geregelt. Diese wird mit Hilfe des Wasserstoffkonzentrationssensors 21 erfasst.
  • In Schritt S1 wird das Verfahren zur Regelung der Inertisierungsdauer gestartet. Schritt S1 erfolgt noch vor dem Starten des eigentlichen Inertisierungsvorgangs. In Schritt S2 wird zunächst geprüft, ob gerade ein Purge- und/oder Drainvorgang läuft. Kann dies verneint werden („-“), kann mit Schritt S3 fortgefahren werden, das heißt, es kann der eigentliche Inertisierungsvorgang gestartet werden. Andernfalls muss das Verfahren unterrochen werden.
  • In Schritt S4 wird geprüft, ob die im Abluftpfad 12 gemessene Wasserstoffkonzentration der Abluft einen vorab definierten oberen Schwellenwert erreicht. Ist dies nicht der Fall („-“), wird in Schritt S5 geprüft, ob die letzte Messung außerhalb eines vorab definierten Zeitfensters liegt. Sofern die letzte Messung nicht außerhalb des vorab definierten Zeitfensters liegt („-“), werden die Schritte S3 und S4 wiederholt, solange bis entweder der vorab definierte obere Schwellenwert erreicht wird („+“) oder die Prüfung in Schritt S5 ergibt, dass die letzte Messung außerhalb des vorab definierten Zeitfensters liegt („+“). In Schritt S6 wird dann geprüft, ob zwischenzeitlich ein Purge- und/oder Drainvorgang gestartet wurde. Ist dies nicht der Fall („-“), kann in Schritt S7 die Inertisierung fortgesetzt werden. Andernfalls wird die Inertisierung unterbrochen.
  • In Schritt S8 wird dann geprüft, ob ein vorab definierter unterer Schwellenwert erreicht wird. Ist dies nicht der Fall („-“), werden die Schritte S6 und S7 wiederholt. Denn Grund für das Nicht-Erreichen des unteren Schwellenwerts könnte sein, dass ein Purge- und/oder Drainvorgang gestartet wurde. Ergibt dagegen die Prüfung, dass der untere Schwellenwert erreicht wird („+“), kann in Schritt S9 der Inertisierungsvorgang beendet werden.

Claims (10)

  1. Verfahren zum Inertisieren einer Kathode (210) und einer Anode (220) eines Brennstoffzellenstapels (200) mit der Abluft eines weiteren Brennstoffzellenstapels (100), wobei die Abluft über einen Abluftpfad (212) in die Kathode (210), über einen die Kathode (210) mit der Anode (220) verbindenden Verbindungspfad (214) in die Anode (220) und die aus der Anode (220) austretende Abluft über einen weiteren Verbindungspfad (217) wieder in den Abluftpfad (212) geleitet wird, und wobei die Wasserstoffkonzentration der Abluft im Abluftpfad (212) gemessen und abhängig vom Verlauf der Wasserstoffkonzentration die Dauer des Inertisierungsvorgangs geregelt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein unterer Schwellenwert für die Wasserstoffkonzentration der Abluft im Abluftpfad (212) definiert wird und mit Erreichen des unteren Schwellenwerts der Inertisierungsvorgang beendet wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Starten des Inertisierungsvorgangs andere Vorgänge, welche die Wasserstoffkonzentration der Abluft im Abluftpfad (212) beeinflussen, wie beispielsweise ein Purge- und/oder Drainvorgang, beendet oder unterbrochen werden.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass während eines Inertisierungsvorgangs geprüft wird, ob andere Vorgänge, welche die Wasserstoffkonzentration der Abluft im Abluftpfad (212) beeinflussen, wie beispielsweise ein Purge- und/oder Drainvorgang, gestartet worden sind.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mit Starten eines Purge- und/oder Drainvorgangs während eines Inertisierungsvorgangs die Erkennungsfunktion des Endes des Inertisierungsvorgangs unterbrochen wird.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein oberer Schwellenwert für die Wasserstoffkonzentration der Abluft im Abluftpfad (212) definiert wird und mit Erreichen des oberen Schwellwerts, insbesondere, wenn dieser innerhalb eines vorgegebenen Zeitfensters erreicht wird, geprüft wird, ob andere Vorgänge, welche die Wasserstoffkonzentration der Abluft im Abluftpfad (212) beeinflussen, wie beispielsweise ein Purge- und/oder Drainvorgang, gestartet worden sind.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass bei Nicht-Erreichen des oberen Schwellenwerts innerhalb des vorgegebenen Zeitfensters der Inertisierungsvorgang fortgesetzt wird.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Starten des Inertisierungsvorgangs ein in einen Zuluftpfad (211) des Brennstoffzellenstapels (200) integriertes Absperrventil (216) geschlossen und während des Inertisierungsvorgangs geschlossen gehalten wird.
  9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren beim Starten und/oder Herunterfahren des Brennstoffzellenstapels (200) durchgeführt wird.
  10. Steuergerät, das dazu eingerichtet ist, Schritte eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche auszuführen.
DE102022212561.4A 2022-11-24 2022-11-24 Verfahren zum Inertisieren einer Kathode und einer Anode eines Brennstoffzellenstapels, Steuergerät Pending DE102022212561A1 (de)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102022212561.4A DE102022212561A1 (de) 2022-11-24 2022-11-24 Verfahren zum Inertisieren einer Kathode und einer Anode eines Brennstoffzellenstapels, Steuergerät
PCT/EP2023/082553 WO2024110460A2 (de) 2022-11-24 2023-11-21 Verfahren zum inertisieren einer kathode und einer anode eines brennstoffzellenstapels, steuergerät

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102022212561.4A DE102022212561A1 (de) 2022-11-24 2022-11-24 Verfahren zum Inertisieren einer Kathode und einer Anode eines Brennstoffzellenstapels, Steuergerät

Publications (1)

Publication Number Publication Date
DE102022212561A1 true DE102022212561A1 (de) 2024-05-29

Family

ID=88920825

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE102022212561.4A Pending DE102022212561A1 (de) 2022-11-24 2022-11-24 Verfahren zum Inertisieren einer Kathode und einer Anode eines Brennstoffzellenstapels, Steuergerät

Country Status (2)

Country Link
DE (1) DE102022212561A1 (de)
WO (1) WO2024110460A2 (de)

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102014201169A1 (de) 2014-01-23 2015-08-06 Robert Bosch Gmbh Verfahren zum Trockenblasen einer Brennstoffzelle sowie Brennstoffzellensystem
JP2020140835A (ja) 2019-02-27 2020-09-03 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102014201169A1 (de) 2014-01-23 2015-08-06 Robert Bosch Gmbh Verfahren zum Trockenblasen einer Brennstoffzelle sowie Brennstoffzellensystem
JP2020140835A (ja) 2019-02-27 2020-09-03 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム

Also Published As

Publication number Publication date
WO2024110460A2 (de) 2024-05-30

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE112004002279T5 (de) Brennstoffzellensystem und Verfahren zum Starten desselben
DE102020212178B4 (de) Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems
DE102012208643A1 (de) Brennstoffzellensystem und Verfahren zum Steuern desselben
WO2023194238A1 (de) Verfahren zum betreiben eines brennstoffzellensystems
WO2021119714A1 (de) Sensorvorrichtung für ein brennstoffzellensystem
WO2023117382A1 (de) Verfahren zum betreiben eines brennstoffzellensystems, brennstoffzellensystem
WO2023117384A2 (de) Verfahren zum betreiben eines brennstoffzellensystems, brennstoffzellensystem
DE102022212561A1 (de) Verfahren zum Inertisieren einer Kathode und einer Anode eines Brennstoffzellenstapels, Steuergerät
DE102021214687A1 (de) Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems, Brennstoffzellensystem
DE102006056377A1 (de) Vorrichtung für ein Brennstoffzellenfahrzeug zum Verhindern der Bildung einer Wasserstoff/Sauerstoff-Grenzfläche an der Anodenseite
DE102022212246A1 (de) Verfahren zum Inertisieren einer Kathode und einer Anode eines Brennstoffzellenstapels, Steuergerät
DE102021200451A1 (de) Verfahren zur Kalibrierung und/oder Adaption eines in einem Kathodenzuluftpfad eines Brennstoffzellensystems angeordneten Luftmassenstromsensors, Steuergerät
DE102022212446A1 (de) Verfahren zum Inertisieren einer Kathode und einer Anode eines Brennstoffzellenstapels, Steuergerät
DE102009056791B4 (de) Brennstoffzellensystem und Verfahren zum Korrigieren einer großen Brennstoffzellenspannungsspreizung
DE102020209253A1 (de) Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems, Steuergerät, Brennstoffzellensystem sowie Fahrzeug mit Brennstoffzellensystem
DE102022208818A1 (de) Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems, Brennstoffzellensystem
DE102022210745A1 (de) Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems, Brennstoffzellensystem
DE102022200795A1 (de) Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems, Verwendung eines Rezirkulationsgebläses in einem Brennstoffzellensystem
DE102022211864A1 (de) Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems, Steuergerät
DE102022209566A1 (de) Brennstoffzellensystem und Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems
DE102022212150A1 (de) Verfahren zum Trocknen eines Brennstoffzellensystems
DE102018210197A1 (de) Verfahren zum Erkennen des Abschlusses eines Durchlaufs einer Wasserstoff/Luft-Front durch einen Brennstoffzellenstapel und Brennstoffzellensystem
DE102022205567A1 (de) Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems, Steuergerät
DE102021214689A1 (de) Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems, Brennstoffzellensystem
DE102021214677A1 (de) Verfahren zum Trocknen eines Brennstoffzellensystems, Brennstoffzellensystem

Legal Events

Date Code Title Description
R163 Identified publications notified