EP4226444A1 - Verfahren zum nach einem stillstand erfolgenden hochfahren eines brennstoffzellensystems - Google Patents

Verfahren zum nach einem stillstand erfolgenden hochfahren eines brennstoffzellensystems

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EP4226444A1
EP4226444A1 EP21787345.4A EP21787345A EP4226444A1 EP 4226444 A1 EP4226444 A1 EP 4226444A1 EP 21787345 A EP21787345 A EP 21787345A EP 4226444 A1 EP4226444 A1 EP 4226444A1
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EP
European Patent Office
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anode gas
fuel
phase
fuel cell
anode
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP21787345.4A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Jochen Schaible
Aleksandar Pericevic
Ansgar Damm
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Hoerbiger Antriebstechnik Holding GmbH
Original Assignee
Hoerbiger Antriebstechnik Holding GmbH
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Publication date
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Definitions

  • the present invention relates to a fuel cell system which comprises an actual fuel cell with an arrangement of several individual cells each having an anode section, an electrolyte membrane and a cathode section, a fuel source opening out at an anode gas inlet, and a fuel source metering device comprising anode gas supply, a cathode gas supply and an anode gas outlet with the recirculation gas inlet of a mixer arranged in the anode gas supply connecting anode gas recirculation device.
  • the present invention relates to starting up such a fuel cell system after a standstill.
  • US 2019/0148746 A1 which relates to a fuel cell system with passive anode gas recirculation, an active solenoid valve that can be actuated via an actuator is provided within the anode gas recirculation device.
  • Such a pulsed mode of operation of a valve arrangement provided in the anode gas supply is considered to be such a convection-enhancing measure, which already during the starting phase Anode gas recirculation is initiated, so that even when the outlet valve of the anode section is closed, intensive mixing of the anode-side gases is achieved.
  • Other proposals go in the opposite direction, namely carrying out more or less complex (unproductive) rinsing cycles.
  • the present invention is therefore based on the task of finding a remedy with regard to the standstill problem of fuel cells and finding a practical solution, particularly in Form of a method improved compared to the method according to DE 10 2011 105 054 A1 for starting up a fuel cell after a standstill, in particular a low-temperature fuel cell operated with hydrogen, or a fuel cell system comprising such a fuel cell.
  • This task is solved according to the invention by starting up a fuel cell system that has a passive anode gas re-circulation device in at least two phases, in such a way that in a first phase of the start-up (“initialization phase”) the fuel cell is supplied with fuel from the fuel source in is put into operation, the anode gas recirculation being suppressed--without an active shut-off of the anode gas recirculation device by means of an element actuated externally, in particular by the activation of an associated actuator by a control unit--and only in a second phase of the ramp-up which follows the first phase in terms of time ( "Consolidation phase") in addition to the supply of fuel from the fuel source, an anode gas recirculation takes place.
  • the invention thus expressly departs from the technical teaching conveyed by DE 10 2011 105 054 A1, in that an anode gas recirculation is suppressed or prevented in the starting phase.
  • a valve that may be present in the anode gas outlet is not closed, but rather open, in contrast to what is suggested in DE 10 2011 105 054 A1.
  • the invention is thus based on the finding that the recirculation of the anode gas via the recirculation device when initializing the start-up of the fuel cell is disadvantageous rather than advantageous.
  • the anode gas recirculation is not suppressed (i.e.
  • anode gas recirculation device completely or at least largely suppressed) by an element embedded in the (passive) anode gas recirculation device and actuated externally (in particular by the activation of an associated actuator by a control unit); because the anode gas recirculation device does not have such an externally actuated element.
  • the anode gas recirculation device does not play a role during the initialization phase, completely or at least largely as if it were not present at all.
  • the amount of gas present there--the amount of gas is quite significant because of the typically large flow cross-sections of the anode gas recirculation device--is irrelevant for the first phase of starting up the fuel cell, d. H .
  • it does not inhibit the flushing and initialization processes or interfere in any other way.
  • the mixer is formed by a jet pump, then it is—according to another particularly advantageous development of the invention—only the mode of operation of the jet pump that suppresses anode gas recirculation in the initialization phase.
  • the jet pump is therefore operated in the initialization phase in such a way that its suction effect generated at the recirculation gas inlet is negligible or at least so small that—taking into account the other flow-related influencing variables—there is no appreciable anode gas recirculation.
  • all measures that are based on a strong or increased suction of the mixer Such measures are only adopted in the consolidation phase, in which - with a corresponding delay - the anode gas recirculation is activated.
  • the jet pump (forming the mixer) is influenced in such a way that in the initialization phase at the recirculation gas inlet there is no suction effect that causes a (significant) anode gas recirculation, solely by influencing the fuel supply to the mixer.
  • a pulsating supply of fuel to the jet nozzle can be deliberately dispensed with in the initialization phase, d. H . the fuel (Hydrogen f, etc.) of the jet pump are supplied as uniformly as possible with a more or less constant low mass flow.
  • the apparatus configurations of the anode gas recirculation device and the mixer (the jet pump) in the first and the second phase of starting up the fuel cell, d. H . be identical during the initialization phase and the consolidation phase, in that the different operating properties result exclusively from varying the fuel supply to the mixer.
  • the equipment configuration of the anode gas recirculation device and/or the mixer (the jet pump) in the initialization phase differs from that in the consolidation phase - with the proviso that the anode gas recirculation device does not have an active switchable shut-off device (cf. US 2019/0148746 Al) is equipped.
  • the change in the equipment configuration of the mixer (the jet pump) can be done, for example, via a—possibly Modification of the position of the propulsion nozzle relative to the other components is carried out directly from the fuel inlet pressure existing in the fuel supply and is directly caused by corresponding pressure changes; because the suction behavior of the jet pump is decisively dependent on this.
  • the equipment configuration of the anode gas recirculation device can be changed in particular via an optional passive closure device.
  • a device that influences the flow through the anode gas recirculation device and that works without external energy and without external control and is suitable for blocking the flow cross section of the anode gas recirculation device is to be regarded as a passive closure device in this sense. Switching between the blocking position and the (completely) open position takes place independently, automatically and without further ado on the basis of an internal variable, namely the pressure conditions prevailing in the area of the closure device itself.
  • the passive closure device has a distinct switching point so that, if the appropriate conditions (e.g. pressure conditions) are present, it more or less suddenly switches from its blocking state to the state of the Release of the maximum flow cross-section overrides (switches) .
  • a locking device that is suitable for this as a whole proves to be particularly suitable is described in detail below.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a first fuel cell system suitable for carrying out the invention, the fuel cell being symbolized by one of its individual cells,
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a second fuel cell system suitable for carrying out the invention
  • FIG. 3 shows an enlarged representation of the passive closure device implemented in the fuel cell system according to FIG. 2 in the closed and in the open position.
  • Fig. 1 shows schematically a suitable for carrying out the invention fuel cell system 1.
  • This includes in particular a - symbolized by one of its individual cells - fuel cell 3 and a fuel metering device in the form of a jet pump control valve unit 5.
  • the fuel cell 3 has in the usual way a Anode compartment 7, a cathode compartment 9 and an electrolyte membrane 11 separating the anode compartment 7 and the cathode compartment 9 from one another.
  • the jet pump control valve unit 5 comprises a jet pump 13 forming a mixer and a fuel gas control valve 15 and is connected to the anode chamber 7 via a suction connection 17 and a pressure connection 19 .
  • the fuel gas which is under high pressure in the fuel source 25, first passes through an open shut-off valve 27 before its pressure is reduced in a pressure reducer 29. Regulated by the fuel gas control valve 15, the fuel gas flows, forming the propellant gas, then into the jet pump 13, ie into its propellant jet nozzle.
  • a control unit C of the fuel cell system acts on the fuel gas control valve 15 in particular.
  • the fuel supply to the jet pump 13 can be influenced in a number of ways via the corresponding effect.
  • the fuel throughput (averaged over time), ie the average amount of fuel per unit of time, can be adjusted.
  • the characteristics of the fuel supply can be adjusted within a considerable range. This ranges from a steady, continuous flow of fuel gas through the fuel gas control valve 15, which can be set to different throughputs, to pulsed flow patterns with different frequencies, different relation of the duration of opening and closing phases to one another, and different opening and/or closing characteristics (e.g. B. rectangular shape, triangular shape, sawtooth shape, wave shape, etc.).
  • the suction behavior of the jet pump 13 can be influenced, specifically such that in a first phase of the start-up (“initialization phase”) the fuel cell is put into operation with the supply of fuel from the fuel source, with the lack of sufficient suction behavior of the jet pump 13 recirculating the anode gas through the anode gas recirculation device 21 is suppressed throughout and does not occur, whereas in a second phase of the start-up (“consolidation phase”), which follows the first phase in terms of time, due to sufficient suction behavior of the jet pump 13 in addition to the supply of fuel from the fuel source 25, recirculation of the anode gas through the anode gas -Recirculation device 21 takes place through.
  • the fuel gas flow in the mixing chamber of the jet nozzle 13 entrains anode gas, which is sucked in through the suction connection 17 and mixed with the (fresh) fuel gas is mixed into mixed gas.
  • the mixed gas leaves the jet pump 13 through the pressure connection 19 and flows past the safety valve 35 and through an (optional) first condensate separator 37 before it flows through an anode chamber inlet 39 into the anode chamber 7 of the fuel cell 3 .
  • control and operation-relevant status parameters of the mixed gas e.g. temperature, pressure, gas mixture ratio
  • the anode gas sucked out of the anode chamber 7 through an anode chamber outlet 43 passes through a (second) condensate separator 45 serving to separate condensate water and flows past a flushing valve 47 which removes in the anode chamber accumulated foreign gases (e.g. nitrogen).
  • a flushing valve 47 which removes in the anode chamber accumulated foreign gases (e.g. nitrogen).
  • Condensate water separated by the second condensate separator 45 can be drained off via a condensate drain valve 49 .
  • the fuel cell system according to the one shown in FIG. 2 illustrated second embodiment differs from that according to FIG. 1 only by an additional passive closure device 51 provided in the anode gas recirculation device 21 .
  • This includes, as--partly schematically with regard to the proportions--in FIG. 3 , a housing 53 having an inlet 55 and an outlet 57 .
  • Housed within the housing 53 is an assembly of a plurality of resilient rings 59 resembling angled disc springs in shape and an end cap 61 which - in the absence of any appreciable negative pressure acting on the outlet 57 - are held in contact with one another by a very soft spring 63 (shown on the left ) .
  • the inner space 65 which is thus delimited in a sealingly closed manner by the arrangement of the rings 59 and the end cap 61 is in fluid communication with the inlet 55 , while the outer chamber 67 surrounding said arrangement on the outside is connected to the outlet 57 . If, as a result of corresponding operation of the jet pump 13 (see above), a significant negative pressure arises at the suction connection 17 of the jet pump 13, which is fluidically connected to the outlet 57 of the closure device 51, the annular gaps between the rings 59 open. A very large passage area for the recirculation gas is suddenly created, so that this can occur without any significant Flow resistance, the anode gas recirculation device 21 can flow through.
  • the incipient recirculation flow exerts a suction on the end cap 61—opposing the closing force of the spring 63—so that the closure device 51 maintains its fully open passage position (shown on the right) even when the pressure conditions fluctuate within certain limits.
  • Guide and stop elements assigned to the rings 59 and the cap 61 which limit the opening paths between the rings 59 among themselves, between the housing 53 and the ring adjacent to it, and between the cap 61 and the ring adjacent to it, and ensure that the ring arrangement is guided , are not shown for the sake of clarity.

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Abstract

Ein Brennstoffzellensystem (1), welches eine Brennstoffzelle (1) mit einer Anordnung von mehreren jeweils einen Anodenabschnitt (7), eine Elektrolytmembran (11) und einen Kathodenabschnitt (9) aufweisenden Einzelzellen, eine an einem Anodengaseingang mündende Anodengasversorgung mit einer Brennstoffquelle (25) und einer Brennstoff-Dosiereinrichtung, eine Kathodengasversorgung und eine einen Anodengasausgang mit dem Rezirkulationsgaseingang eines in der Anodengasversorgung angeordneten Mischers verbindende passive Anodengas-Rezirkulationseinrichtung (21) umfasst, wird nach einem Stillstand hochgefahren, idem in einer ersten Phase des Hochfahrens ("Initialisierungsphase") die Brennstoffzelle (3) unter Zufuhr von Brennstoff aus der Brennstoffquelle (25) in Betrieb genommen wird, wobei die Anodengasrezirkulation unterdrückt ist, ohne dass die Anodengas- Rezirkulationseinrichtung (21) aktiv abgesperrt wird, und in einer der ersten Phase zeitlich nachfolgenden zweiten Phase des Hochfahrens ("Konsolidierungsphase") zusätzlich zur Zufuhr von Brennstoff aus der Brennstoffquelle (25) eine Anodengasrezirkulation erfol

Description

Verfahren zum nach einem Stillstand erfolgenden Hochfahren eines Brennstoff zellensystems
Die vorliegende Erfindung betri f ft ein Brennstof f zellensystem, welches eine eigentliche Brennstof f zelle mit einer Anordnung von mehreren j eweils einen Anodenabschnitt , eine Elektrolytmembran und einen Kathodenabschnitt aufweisenden Einzel zellen, eine an einem Anodengaseingang mündende , eine Brennstof f quelle und eine Brennstof f-Dosiereinrichtung umfassende Anodengasversorgung, eine Kathodengasversorgung und eine einen Anodengasausgang mit dem Rezirkulationsgaseingang eines in der Anodengasversorgung angeordneten Mischers verbindende Anodengas-Rezirkulationseinrichtung umfasst . Insbesondere betri f ft die vorliegende Erfindung das Hochfahren eines solchen Brennstof f zellensystems nach einem Stillstand .
Brennstof f zellensysteme der hier in Rede stehenden, eingangs angegebenen Art , bei denen als Brennstof f insbesondere Wasserstof f zum Einsatz kommt , zählen in diversen verschiedenen Varianten - z . B . unterschieden hinsichtlich der Realisierung der Anodengas-Rezirkulation mit einem Förder-Gebläse ( sog . " aktive Rezirkulation" ) oder aber ohne ein solches ( sog . "passive Rezirkulation" ) durch Einsatz eines eine Saugwirkung ausübenden, insbesondere als Strahlpumpe ausgeführten Mischers - zum Stand der Technik . Sie stehen aktuell im Fokus wegen ihres Einsatzes in Kraftfahrzeugen mit Elektroantrieb . Gerade - aber nicht nur - für diesen Anwendungsbereich bedürfen wegen der unvermeidbaren häufigen Stillstandzeiten Aspekte besondere Beachtung, welche das Verhalten der Brennstoffzelle und die sich in dieser vollziehenden Vorgänge beim Herunterfahren aus dem Leistungsbetrieb, im anschließenden Stillstand und beim Wieder-Hochfahren nach dem Stillstand betreffen.
Die EP 1 627 442 Bl, EP 1 897 165 Bl, DE 10 2007 037 304 B4, KR 10-1080782 Bl, DE 10 2011 105 054 Al, DE 10 2018 218 083 Al und US 2019/0148746 Al, auf deren Inhalt hier Bezug genommen wird, enthalten teilweise qualifizierte, mehr oder weniger umfassende Diskussionen der Vorgänge in einer Brennstoffzelle während deren Stillstands und der sich hieraus ergebenden Probleme. Nach der ein Brennstoffzellensystem mit passiver Anodengas- Rezirkulation betreffenden US 2019/0148746 Al ist innerhalb der Anodengas-Rezirkulationseinrichtung ein aktives, über einen Aktuator betätigbares Magnetventil vorgesehen. Dieses kommt, in Verbindung mit einem ebenfalls innerhalb der Anodengas- Rezirkulationseinrichtung vorgesehenen Speichervolumen, zum Einsatz zur gezielten Erzeugung von Turbulenzen, wenn über eine reduzierte Spannung der Brennstoffzelle eine Unterfunktion diagnostiziert wird. Die in der DE 10 2011 105 054 Al, welche sich ebenfalls mit einem Brennstoffzellensystem mit passiver Anodengas- Rezirkulation befasst, hergeleiteten Erkenntnisse münden dabei darin, dass zumindest während des Startvorgangs einer Brennstoffzelle zumindest eine Maßnahme zur Verstärkung der Konvektion und/oder von Turbulenzen innerhalb des Anodenabschnitts durchgeführt wird. Als eine solche konvektionsverstärkende Maßnahme wird dabei namentlich eine solche gepulste Betriebsweise einer in der Anodengasversorgung vorgesehenen Ventilanordnung angesehen, welche bereits während der Startphase eine Anodengas-Rezirkulation in Gang setzt , so dass selbst bei geschlossenem Auslassventil des Anodenabschnitts eine intensive Durchmischung der anodenseitigen Gase erzielt wird . Andere Vorschläge gegen in die entgegengesetzte Richtung, nämlich die Durchführung mehr oder weniger komplexer (unproduktiver ) Spül zyklen .
Trotz des erheblichen Bedarfs hieran fehlt es , wie letztlich auch die Viel zahl der verschiedenen bisher unterbreiteten Vorschläge - vorstehend ist zum Stand der Technik nur eine Auswahl angegeben - zum Ausdruck bringt , für das Hochfahren einer Brennstof f zelle (bzw . eines Brennstof f zellensystems ) aus dem Stillstand bisher an einer überzeugenden praxistauglichen Lösung, wobei als relevante Kriterien einer Praxistauglichkeit insoweit insbesondere anzusehen sind ein minimaler Zeitbedarf bis zum Einsetzen des produktiven Betriebs , ein geringer baulicher bzw . apparativer Aufwand, eine hohe energetische Ef fi zienz sowie eine hohe Zuverlässigkeit und Betriebssicherheit , wobei zwischen diesen Kriterien teilweise ein zu einem Kompromiss zwingender Zielkonflikt besteht ( z . B . zwischen minimalem Zeitbedarf bis zum Einsetzen des produktiven Betriebs und hoher energetischer Ef fi zienz ) . Unter der generellen Zielsetzung der Verbesserung der Brennstof f zellentechnologie liegt , ausgehend von dem dargelegten Stand der Technik, der vorliegenden Erfindung somit die Aufgabe zugrunde , im Hinblick auf die Stillstands-Problematik von Brennstof f zellen Abhil fe zu schaf fen und eine praxistaugliche Lösung insbesondere in Form eines gegenüber dem Verfahren nach der DE 10 2011 105 054 Al verbesserten Verfahrens zum nach einem Stillstand erfolgenden Hochfahren einer Brennstof f zelle , insbesondere einer mit Wasserstoff betriebenen Niedertemperatur-Brennstoffzelle, bzw. eines eine solche Brennstoffzelle umfassenden Brennstoffzellensystems bereitzustellen.
Gelöst wird diese Aufgabenstellung erfindungsgemäß, indem das Hochfahren eines über eine passive Anodengas- Re Zirkulationseinrichtung verfügenden Brennstoffzellensystems sich über mindestens zwei Phasen vollzieht dergestalt, dass in einer ersten Phase des Hochfahrens („Initialisierungsphase") die Brennstoffzelle unter Zufuhr von Brennstoff aus der Brennstoff quelle in Betrieb genommen wird, wobei die Anodengasrezirkulation - ohne eine aktive Absperrung der Anodengas- Rezirkulationseinrichtung mittels eines extern, insbesondere durch die Ansteuerung eines zugeordneten Aktuators durch eine Steuereinheit betätigten Elements - unterdrückt ist, und erst in einer der ersten Phase zeitlich nachfolgenden zweiten Phase des Hochfahrens („Konsolidierungsphase") zusätzlich zur Zufuhr von Brennstoff aus der Brennstoff quelle eine Anodengasrezirkulation erfolgt. Die Erfindung wendet sich somit ausdrücklich ab von der durch die DE 10 2011 105 054 Al vermittelten technischen Lehre, indem in der Startphase eine Anodengasrezirkulation unterdrückt bzw. unterbunden wird. In der Startphase, während derer die Brennstoffzelle unter Zufuhr von Brennstoff aus der Brennstoff quelle in Betrieb genommen wird, ist, anders als nach der DE 10 2011 105 054 Al angeregt, ein ggf. im Anodengasausgang vorhandenes Ventil nicht geschlossen, sondern vielmehr geöffnet. Die Erfindung baut somit auf der - der Lehre nach der DE 10 2011 105 054 Al zuwiderlaufenden - Erkenntnis auf, dass die Rezirkulation des Anodengases über die Rezirkulationseinrichtung bei der Initialisierung des Hochfahrens der Brennstof f zelle eher nachteilig als vorteilhaft ist . Dabei wird allerdings die Anodengasrezirkulation nicht durch ein in die (passive ) Anodengas-Rezirkulationseinrichtung eingebettetes , extern ( insbesondere durch die Ansteuerung eines zugeordneten Aktuators durch eine Steuereinheit ) betätigtes Element unterdrückt ( d . h . vollständig oder zumindest weitestgehend unterbunden) ; denn ein solches extern betätigtes Element weist die Anodengas- Rezirkulationseinrichtung gerade nicht auf .
Demgemäß spielt die Anodengas-Rezirkulationseinrichtung während der Initialisierungsphase gewissermaßen keine Rolle , ganz oder zumindest weitgehend so , als sei sie gar nicht vorhanden . Hierdurch ist auch die dort vorhandene Menge an Gas - die Gasmenge ist wegen der typischerweise großen Strömungsquerschnitte der Anodengas- Rezirkulationseinrichtung durchaus erheblich - für die erste Phase des Hochfahrens der Brennstof f zelle irrelevant , d . h . sie wirkt sich insbesondere nicht die Spül- und Initialisierungsprozesse hemmend oder auf sonstige Weise störend aus . Indem während der Initialisierungsphase das Einsetzen der Anodengas- Rezirkulation unterdrückt bzw . unterbunden wird, führt die die Brennstof f zelle spülende Wirkung von deren Beaufschlagung mit Brennstof f früher zu einem solchen Ef fekt , dass die Brennstof f zelle ihren produktiven Betrieb beginnt , als im Falle des sofortigen Einsetzens der Anodengasrezirkulation . Dieses Ergebnis wird dabei erfindungsgemäß erreicht ohne eine gesonderte aktive Absperreinrichtung, welche mit apparativem und steuerungstechnischem Aufwand sowie notwendigerweise mit nachteiligen Auswirkungen auf Zuverlässigkeit und
Betriebssicherheit verbunden wäre .
I st , gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung, der Mischer durch eine Strahlpumpe gebildet , so ist es - nach einer weiterhin besonders vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung - allein die Betriebsweise der Strahlpumpe , über die in der Initialisierungsphase eine Anodengasrezirkulation unterdrückt wird . Die Strahlpumpe wird demnach in der Initialisierungsphase dergestalt betrieben, dass ihre an dem Rezirkulationsgaseingang erzeugte Saugwirkung vernachlässigbar oder zumindest nur so gering ist , dass - unter Berücksichtigung der weiteren strömungstechnischen Einflussgrößen - eine nennenswerte Anodengasrezirkulation unterbleibt . Insbesondere unterbleiben somit in der Initialisierungsphase ersichtlich bewusst sämtliche Maßnahmen, die auf eine starke bzw . verstärkte Saugwirkung des Mischers gerichtet sind; zu solchen Maßnahmen wird erst in der Konsolidierungsphase übergegangen, in der - entsprechend verzögert - die Anodengas-Rezirkulation aktiviert wird .
In weiterhin bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung erfolgt die Einflussnahme auf die ( den Mischer bildende ) Strahlpumpe dahingehend, dass in der Initialisierungsphase an dem Rezirkulationsgaseingang keine eine (nennenswerte ) Anodengasrezirkulation hervorrufende Saugwirkung entsteht , allein durch Beeinflussung der Brennstof f zufuhr zu dem Mischer . Namentlich kann hierzu in der Initialisierungsphase bewusst auf eine pulsierende Zufuhr des Brennstof fs zu der Strahldüse verzichtet , d . h . der Brennstof f (Wasserstof f , etc . ) der Strahlpumpe möglichst gleichförmig mit einem mehr oder weniger konstanten geringen Massenstrom zugeführt werden . Nach dem vorstehend Gesagten können im Rahmen der vorliegenden Erfindung, gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung derselben, somit die apparativen Konfigurationen der Anodengas-Rezirkulationseinrichtung sowie des Mischers ( der Strahlpumpe ) in der ersten und der zweiten Phase des Hochfahrens der Brennstof f zelle , d . h . während der Initialisierungsphase und der Konsolidierungsphase identisch sein, indem sich die unterschiedlichen Betriebseigenschaften ausschließlich durch Variation der Brennstof f zufuhr zum Mischer ergeben .
Zwingend ist vorstehendes indessen nicht . Vielmehr kommt durchaus auch in Betracht , dass sich die apparative Konfiguration der Anodengas-Rezirkulationseinrichtung und/oder des Mischers ( der Strahlpumpe ) in der Initialisierungsphase von der in der Konsolidierungsphase unterscheidet - mit der Maßgabe , dass hierfür die Anodengas-Rezirkulationseinrichtung aber nicht mit einer aktiv schaltbaren Absperreinrichtung (vgl . US 2019/ 0148746 Al ) ausgestattet wird . Die Änderung der apparativen Konfiguration des Mischers ( der Strahlpumpe ) kann dabei beispielsweise über eine - ggf . direkt von dem in der Brennstof f zufuhr bestehenden Brennstof f- Eingangsdruck abhängige , durch entsprechende Druckveränderungen unmittelbar hervorgerufene - Modi fikation der Lage der Treibdüse relativ zu den übrigen Komponenten erfolgen; denn das Saugverhalten der Strahlpumpe ist hiervon entscheidend abhängig . Ähnliches gilt für eine - wiederum ggf . direkt von dem in der Brennstof f zufuhr bestehenden Brennstof f-Eingangsdruck abhängige , durch entsprechende Druckveränderungen unmittelbar hervorgerufene - Modi fikation sonstiger geometrischer Gegebenheiten der Strahldüse ( z . B . Di f fusorwinkel , Di f fusorlänge , Öf fnungsquerschnitt des Sauganschlusses , etc . ) .
Die Änderung der apparativen Konfiguration der Anodengas- Rezirkulationseinrichtung kann insbesondere über eine optionale passive Verschlusseinrichtung erfolgen . Als passive Verschlusseinrichtung in diesem Sinne ist dabei eine solche die Durchströmung der Anodengas- Rezirkulationseinrichtung beeinflussende Einrichtung anzusehen, die ohne Fremdenergie und ohne externe Ansteuerung arbeitet und geeignet ist , den Strömungsquerschnitt der Anodengas- Rezirkulationseinrichtung zu sperren . Das Umschalten zwischen der Sperrstellung und der (vollständig) geöf fneten Stellung erfolgt dabei selbsttätig, automatisch und ohne Weiteres aufgrund einer internen Größe , namentlich der im Bereich der Verschlusseinrichtung selbst herrschenden Druckverhältnisse .
Im Interesse einer besonders hohen Ef fi zienz des Brennstof f zellensystems weist die passive Verschlusseinrichtung dabei einen ausgeprägten Schaltpunkt auf , so dass sie , wenn die entsprechenden Voraussetzungen ( z . B . Druckverhältnisse ) vorliegen, mehr oder weniger schlagartig aus ihrem Sperrzustand in den Zustand der Freigabe des maximalen Durchströmungsquerschnitts übergeht (umschaltet ) . Eine Verschlusseinrichtung, die sich hierfür als ganz besonders geeignet erweist, ist weiter unten im Detail beschrieben .
Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung anhand zweier in der Zeichnung veranschaulichter Ausführungsbeispiele näher erläutert. Dabei zeigt
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines ersten zur Durchführung der Erfindung geeigneten Brennstoffzellensystems, wobei die Brennstoffzelle anhand einer ihrer Einzelzellen symbolisiert ist,
Fig. 2 eine schematische Darstellung eines zweiten zur Durchführung der Erfindung geeigneten Brennstoffzellensystems und
Fig. 3 in vergrößerter Darstellung die bei dem Brennstoffzellensystem nach Fig. 2 implementierte passive Verschlusseinrichtung in geschlossener sowie in geöffneter Stellung.
Fig. 1 zeigt schematisch ein zur Durchführung der Erfindung geeignetes Brennstoffzellensystem 1. Dieses umfasst insbesondere eine - anhand einer ihrer Einzelzellen symbolisierte - Brennstoffzelle 3 und eine Brennstoff-Dosiereinrichtung in Form einer Strahlpumpen- Regelventil-Einheit 5. Die Brennstoffzelle 3 weist in üblicher Weise einen Anodenraum 7, einen Kathodenraum 9 und eine den Anodenraum 7 und den Kathodenraum 9 voneinander trennende Elektrolytmembran 11 auf. Die Strahlpumpen-Regelventileinheit 5 umfasst eine - einen Mischer bildende - Strahlpumpe 13 und ein Brennstoffgas- Regelventil 15 und ist über einen Sauganschluss 17 und einen Druckanschluss 19 an den Anodenraum 7 angeschlossen. Sie dient der dosierten Beschickung des Anodenraums 7 mit Brennstoff gas sowie, je nach Betriebsphase und -modus (s. u.) , der Rezirkulation eines Anodengases über eine Anodengas-Rezirkulationseinrichtung 21. Hierfür passiert das in der Brennstoff quelle 25 unter Hochdruck stehende Brennstoff gas zunächst ein geöffnetes Absperrventil 27, bevor sein Druck in einem Druckminderer 29 reduziert wird. Geregelt durch das Brennstoffgas- Regelventil 15 strömt das Brennstof fgas, das Treibgas bildend, anschließend in die Strahlpumpe 13, d. h. in deren Treibstrahldüse ein.
Eine Steuereinheit C des Brennstoffzellensystems wirkt insbesondere auf das Brennstoffgas-Regelventil 15 ein. Über die entsprechende Einwirkung lässt sich die Brennstof f zufuhr zu der Strahlpumpe 13 in mehrfacher Hinsicht beeinflussen. Zum einen ist der (über die Zeit gemittelte) Brennstoffdurchsatz, d. h. die durchschnittliche Menge Brennstoff pro Zeiteinheit einstellbar. Zum anderen ist die Charakteristik der Brennstof f zufuhr einstellbar, und zwar innerhalb einer erheblichen Bandbreite. Diese reicht von einer auf unterschiedliche Durchsätze einstellbaren stetigen, kontinuierlichen Durchströmung des Brennstoffgas- Regelventils 15 mit Brennstof fgas bis hin zu gepulsten Strömungsverläufen mit unterschiedlicher Frequenz, unterschiedlicher Relation der Dauer von Öffnungs- und Schließphasen zueinander sowie unterschiedlichen Öffnungs- und/oder Schließcharakteristiken (z. B. Rechteckverlauf, Dreieckverlauf, Sägezahnverlauf, Wellenverlauf, etc.) . Durch entsprechende Beeinflussung der Durchströmung des Brennstoffgas-Regelventils 15 mit Brennstof fgas lässt sich auf das Saugverhalten der Strahlpumpe 13 Einfluss nehmen, und zwar namentlich dergestalt , dass in einer ersten Phase des Hochfahrens ( " Initialisierungsphase" ) die Brennstof f zelle unter Zufuhr von Brennstof f aus der Brennstof f quelle in Betrieb genommen wird, wobei mangels eines hinreichenden Saugverhaltens der Strahlpumpe 13 eine Rezirkulation des Anodengases durch die Anodengas-Rezirkulationseinrichtung 21 hindurch unterdrückt ist und unterbleibt , wohingegen in einer der ersten Phase zeitlich nachfolgenden zweiten Phase des Hochfahrens ( "Konsolidierungsphase" ) infolge eines hinreichenden Saugverhaltens der Strahlpumpe 13 zusätzlich zur Zufuhr von Brennstof f aus der Brennstof f quelle 25 eine Rezirkulation des Anodengases durch die Anodengas-Rezirkulationseinrichtung 21 hindurch erfolgt . In der Konsolidierungsphase reißt - in bekannter Weise , ebenso wie später nach Abschluss des Hochfahrens der Brennstof f zelle in deren Leitungsbetrieb - der Brennstof fgasstrom in der Mischkammer der Strahldüse 13 Anodengas mit , welches durch den Sauganschluss 17 angesaugt und mit dem ( frischen) Brennstof f gas zu Mischgas vermischt wird . Das Mischgas verlässt die Strahlpumpe 13 durch den Druckanschluss 19 und strömt an dem Sicherheitsventil 35 vorbei und durch einen ( optionalen) ersten Kondensatabscheider 37 hindurch, bevor es durch einen Anodenraumeingang 39 in den Anodenraum 7 der Brennstof f zelle 3 einströmt . Im Bereich des Anodenraumeingangs 39 werden steuerungs- und betriebsrelevante Zustandsparameter des Mischgases ( z . B . Temperatur, Druck, Gasmischverhältnis ) mittels eines Sensors 41 erfasst . Das aus dem Anodenraum 7 durch einen Anodenraumausgang 43 abgesaugte Anodengas passiert einen der Abscheidung von Kondensatwasser dienenden ( zweiten) Kondensatabscheider 45 und strömt an einem Spülventil 47 vorbei , welches das Entfernen von im Anodenraum angesammelten Fremdgasen ( z . B . Stickstof f ) ermöglicht . Im ggf . vorgesehenen ersten Kondensatabscheider 43 bzw . zweiten Kondensatabscheider 45 abgeschiedenes Kondensatwasser kann über ein Kondensatablassventil 49 abgelassen werden .
Das Brennstof f zellensystem gemäß dem in Fig . 2 veranschaulichten zweiten Aus führungsbeispiel unterscheidet sich von demj enigen nach Fig . 1 nur durch eine zusätzliche , in der Anodengas- Rezirkulationseinrichtung 21 vorgesehene passive Verschlusseinrichtung 51 . Diese umfasst , wie - hinsichtlich der Größenverhältnisse teilweise schematisch - in Fig . 3 gezeigt , ein Gehäuse 53 mit einem Eingang 55 und einem Ausgang 57 . Innerhalb des Gehäuses 53 ist eine Anordnung mehrerer in ihrer Form abgewinkelter Tellerfedern ähnelnder nachgiebiger Ringe 59 und einer Abschlusskappe 61 untergebracht , welche - bei Abwesenheit eines an dem Ausgang 57 wirkenden nennenswerten Unterdrucks - mittels einer sehr weichen Feder 63 in Kontakt miteinander gehalten sind ( links gezeigt ) . Der somit durch die Anordnung der Ringe 59 und die Abschlusskappe 61 dichtend geschlossen begrenzte Innenraum 65 steht dabei fluidisch mit dem Eingang 55 in Verbindung, der die besagte Anordnung außen umgebende Außenraum 67 hingegen mit dem Ausgang 57 . Entsteht , durch einen entsprechenden Betrieb der Strahlpumpe 13 ( s . o . ) , an dem mit dem Ausgang 57 der Verschlusseinrichtung 51 strömungstechnisch verbundenen Sauganschluss 17 der Strahlpumpe 13 ein nennenswerter Unterdrück, so öf fnen sich die Ringspalte zwischen den Ringen 59 . Es entsteht schlagartig eine sehr große Durchtritts fläche für das Rezirkulationsgas , so dass dieses ohne nennenswerten Strömungswiderstand die Anodengas- Rezirkulationseinrichtung 21 durchströmen kann . Die einsetzende Rezirkulationsströmung übt auf die Abschlusskappe 61 einen - der Schließkraft der Feder 63 entgegen gerichteten - Sog aus , so dass die Verschlusseinrichtung 51 selbst bei innerhalb gewisser Grenzen schwankenden Druckverhältnissen ihre vollkommen geöf fnete ( rechts gezeigte ) Durchgangsstellung beibehält . Den Ringen 59 und der Kappe 61 zugeordnete Führungs- und Anschlagelemente , welche die Öf fnungswege zwischen den Ringen 59 untereinander, zwischen dem Gehäuse 53 und dem diesem benachbarten Ring sowie zwischen der Kappe 61 und dem dieser benachbarten Ring begrenzen und für eine Führung der Ringanordnung sorgen, sind der besseren Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt .

Claims

Ansprüche Verfahren zum nach einem Stillstand erfolgenden Hochfahren eines Brennstoffzellensystems (1) , welches
- eine Brennstoffzelle (1) mit einer Anordnung von mehreren jeweils einen Anodenabschnitt (7) , eine Elektrolytmembran (11) und einen Kathodenabschnitt (9) aufweisenden Einzelzellen,
- eine an einem Anodengaseingang mündende Anodengasversorgung mit einer Brennstoff quelle
(25) und einer Brennstoff-Dosiereinrichtung,
- eine Kathodengasversorgung und
- eine einen Anodengasausgang mit dem Rezirkulationsgaseingang eines in der Anodengasversorgung angeordneten Mischers verbindende passive Anodengas- Rezirkulationseinrichtung (21) umfasst, mit den folgenden Schritten:
- In einer ersten Phase des Hochfahrens ("Initialisierungsphase") wird die Brennstoffzelle (3) unter Zufuhr von Brennstoff aus der Brennstoff quelle (25) in Betrieb genommen, wobei die Anodengasrezirkulation unterdrückt ist, ohne dass die Anodengas- Rezirkulationseinrichtung (21) aktiv abgesperrt wird;
- in einer der ersten Phase zeitlich nachfolgenden zweiten Phase des Hochfahrens ("Konsolidierungsphase") erfolgt zusätzlich zur Zufuhr von Brennstoff aus der Brennstoff quelle (25) eine Anodengasrezirkulation . Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Konsolidierungsphase unmittelbar an die Initialisierungsphase anschließt. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Mischer durch eine Strahlpumpe (13) realisiert ist. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlpumpe (13) in der Initialisierungsphase des Hochfahrens ohne Saugwirkung am Rezirkulationsgaseingang des Mischers betrieben wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die apparative Konfiguration der Anodengas-Rezirkulationseinrichtung (21) in der Initialisierungsphase und in der Konsolidierungsphase des Hochfahrens des Brennstoffzellensystems identisch ist. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Anodengas- Rezirkulationseinrichtung (21) eine passive Verschlusseinrichtung (51) umfasst, welche in der Initialisierungsphase geschlossen, in der
Konsolidierungsphase demgegenüber geöffnet ist.
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