Abschaltprozedur für BrennstoffZeilensysteme
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abschalten eines Brennstoffzellensystems.
Brennstoffzellensysteme werden bei vielen Anwendungen, beispielsweise in Fahrzeugen für den Antrieb oder sonstige Aggregate, als Energiequelle verwendet. Am weitesten verbreitet sind hier Brennstoffzellen mit Protonenaustauschmembran (PEM) , bei denen die Anode der Brennstoffzelle mit Wasserstoff als Brennstoff und die Kathode mit Sauerstoff beziehungsweise Luft als Oxidationsmittel versorgt wird. Anode und Kathode sind durch eine protonendurchlässige, elektrisch nicht leitfähige Membran getrennt. Bei der elektrochemischen Reaktion des Wasserstoffs und des Sauerstoffs zu Wasser wird elektrische Energie erzeugt, die durch Elektroden an Anode und Kathode abgegriffen wird. Diese Reaktion kann nur aufrecht erhalten werden, wenn der dabei entstehende Strom aus der Brennstoffzelle abgeführt wird. Mehrere einzelne elektrisch in Reihe geschaltete Brennstoffzellen werden zu einem Brennstoffzellenstapel zusammengefasst .
Aus der Patentschrift US 6514635 B2 ist eine Abschaltprozedur für ein Brennstoffzellensystem bekannt, bei der die Wasserstoffzufuhr zur Anode sowie der Auslass der Anode
geöffnet bleiben und die Luftzufuhr zur Kathode geschlossen wird. Ist die Zellspannung auf einen bestimmten Wert abgesunken, wird die Wasserstoffzufuhr zur Anode geschlossen und Luft in die Anode geleitet.
Nachteilig an der beschriebenen Prozedur ist, dass durch den geöffneten Anodenauslass unverbrauchter Wasserstoff in das Abgas des Brennstoffzellensystems gelangt und dass durch die Reaktion des Wasserstoffs mit der zugeführten Luft in der Anode ebenfalls Energie verloren geht.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Abschalten eines Brennstoffzellensystems vorzusehen, das geringe Emissionswerte und eine hohe Effizienz aufweist.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst .
Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass beim Abschalten des Brennstoffzellensystems die Wasserstoffzufuhr zur Anode unterbrochen wird und der aus dem verbliebenen Wasserstoff erzeugte Strom einem elektrischen Verbraucher zugeführt wird.
Die Verwendung des Wasserstoffs zur Energieerzeugung hat die Vorteile, dass weniger Wasserstoff in das Abgas des Brennstoffzellensystems gelangt, die Emissionswerte also verbessert werden und dass somit auch die Energie des Wasserstoffs nicht verloren geht, sondern elektrischen Verbrauchern zugeführt wird, was die Effizienz des Systems erhöht. Durch das erfindungsgemäße Verfahren lässt sich ebenfalls die Dauer der Abschaltprozedur verkürzen und die Lärmentwicklung reduzieren. Die verkürzte Dauer der Abschaltprozedur ist insbesondere dann von Vorteil, wenn das
Brennstoffzellensystem vollständig abgeschaltet sein soll, bevor es wieder gestartet wird, und das System somit nach kürzerer Zeit wieder startbereit ist.
Vorzugsweise wird das Brennstoffzellensystem vor der Unterbrechung der Wasserstoffzufuhr zunächst falls notwendig in einen definierten Zustand, insbesondere den Leerlauf, gebracht, der sich vorteilhaft durch einen niedrigen Druck in der Anode auszeichnet, so dass reproduzierbare Ausgangsbedingungen vorherrschen und die Abschaltprozedur durch die geringe Wasserstoffmenge bei niedrigem Druck verkürzt wird.
Wird der elektrische Strom über die elektrische Verbindung zwischen der Anoden- und Kathodenelektrode abgeführt, so wird bei der elektrochemischen Reaktion in der Brennstoffzelle Wasserstoff und Sauerstoff verbraucht. Durch die Unterbrechung der Wasserstoffzufuhr zur Anode fällt der Druck in der Anode ab. Um die Brennstoffzelle nicht zu beschädigen, wird in einer Ausgestaltung der Erfindung der Druck in der
Kathode derart geregelt, dass er maximal um einen Druck Δpmax vom Anodendruck abweicht. Bei einem größeren Druckunterschied als Δpmax könnten beispielsweise Dichtungen oder die dünne Membran beschädigt werden.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird die elektrische Verbindung zwischen der Anoden- und Kathodenelektrode unterbrochen, wenn entweder der Wasserstoffdruck vor der Fördervorrichtung einen minimalen Druck pH2tnin unterschreitet und somit die AnodenreZirkulation nicht mehr gefördert wird oder die elektrische Spannung an einer Brennstoffzelle beziehungsweise am Brennstoffzellenstapel eine minimale Spannung unterschreitet und somit die Brennstoffzelle geschädigt werden könnte.
Aus technischen oder Kostengründen kann es vorteilhaft sein, anstatt der Spannung einer einzelnen Brennstoffzelle die Spannung von zwei Brennstoffzellen zu messen und entsprechend als Abbruchbedingung zu verwenden.
Als Fördervorrichtung kann vorteilhaft eine sogenannte Jetpump verwendet werden, die ähnlich einer Wasserstrahlpumpe nach dem Venturi-Prinzip funktioniert.
Vorteilhaft wird durch die Steuerung des aus der Brennstoffzelle abgeführten Stroms die Dauer der elektrischen Verbindung zwischen der Anoden- und Kathodenelektrode bestimmt, indem bei einem höheren Strom durch die elektrochemische Reaktion in der Brennstoffzelle mehr Wasserstoff verbraucht wird und somit die verbliebene Wasserstoffmenge schneller reduziert beziehungsweise der Wasserstoffdruck schneller abgesenkt wird.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird Gas aus dem Anodenrezirkulationskreislauf über mindestens eine regelbare Medienleitung dosiert in den Kathodenauslass geleitet . Dies kann noch während der geschlossenen elektrischen Verbindung zwischen der Anoden- und Kathodenelektrode geschehen, um durch eine Erhöhung des Medienflusses in der Anode die Spannungsmessung zu verbessern. Das Ablassen des Gases aus dem Anodenrezirkulationskreislauf geschieht hierbei allerdings nur in dem Maß, dass ein ausreichend hoher Medienfluss in der Anode gewährleistet ist . Wurde die elektrische Verbindung zwischen der Anoden- und Kathodenelektrode unterbrochen, so wird der verbliebene Wasserstoff dosiert in den Kathodenauslass geleitet und der Wasserstoffdruck auf Umgebungsniveau reduziert. Dies hat den Vorteil, dass nach Beendigung der Abschaltprozedur stets
derselbe definierte Zustand im BrennstoffZeilensystem vorherrscht, wodurch ein Wiederstart des
Brennstoffzellensystems erleichtert und verkürzt wird.
Wird Wasserstoff in den Kathodenauslass geleitet, so wird dieser durch die Kathodenluft verdünnt, um die Wasserstoffkonzentration im Abgas des Brennstoffzellensystems so gering wie nötig zu halten. Die Steuerung der Luftmenge aus der Kathode richtet sich nach der in den Kathodenauslass geleiteten Wasserstoffmenge. Dies kann durch eine Vorrichtung zur Luftförderung, beispielsweise durch einen Kompressor oder durch einen Luftspeicher mit höherem Druck, im Kathodeneinlass geschehen.
Wird vorzugsweise die Zirkulation des Gases im AnodenreZirkulationskreislauf durch eine mit elektrischer Energie betriebene Fördervorrichtung, beispielsweise einem Gebläse, unterstützt, so kann die elektrische Verbindung zwischen der Anoden- und Kathodenelektrode so lang geschlossen bleiben bis der Wasserstoff so weit verbraucht ist, dass der Wasserstoffdruck dem Umgebungsdruck entspricht. In diesem Fall muss dann kein Wasserstoff in den Kathodenauslass geleitet werden, sondern kann vorteilhaft als elektrische Energie genutzt werden.
Vorzugsweise wird der durch den Wasserstoff erzeugte Strom einem elektrischen Verbraucher des Brennstoffzellensystems, beispielsweise dem Kompressor für die Luftzufuhr oder dem Gebläse im Anodenrezirkulationskreislauf, und/oder einem elektrischen Speicher, insbesondere einer Batterie, zugeführt . Wird das BrennstoffZeilensystem im einem BrennstoffZellenfahrzeug verwendet, so wird bei der Zuführung der elektrischen Energie in einen Speicher vorzugsweise die Traktionsbatterie als Speicher gewählt.
Weitere Merkmale und Merkmalskombinationen ergeben sich aus der Beschreibung sowie den Zeichnungen. Konkrete Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen vereinfacht dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert . Es zeigen
Fig. 1 den schematischen Aufbau eines
Brennstoffzellensystems und Fig. 2 den schematischen Aufbau eines
Brennstoffzellensystems mit Gebläse.
Figur 1 zeigt den Aufbau eines Brennstoffzellensystems wie er beispielsweise in einem Fahrzeug mit elektrischem Antrieb, der von diesem Brennstoffzellensystem gespeist wird, verwendet werden kann. Das dargestellte
Brennstoffzellensystem beinhaltet einen Wasserstofftank 1, dessen Zuleitung zu einer Brennstoffzelle 2 über ein Ventil 3 gesteuert werden kann. Die Brennstoffzelle 2 steht hier stellvertretend für einen Brennstoffzellenstapel, bei dem mehrere Brennstoffzellen elektrisch in Reihe geschaltet sind.
Die Brennstoffzelle 2 besteht aus einer Anode 4 und einer Kathode 5, die von einer protonendurchlässigen und elektrisch nicht leitfähigen Protonenaustauschmembran 6 getrennt werden. Der Anode 4 wird über den Anodeneinlass 7 Wasserstoff als Brennstoff zugeführt. Die Kathode 5 wird über den Kathodeneinlass 8 mit Sauerstoff beziehungsweise Luft als Oxidationsmittel versorgt. Die Menge der zugeführten Luft wird durch einen Kompressor 9 gesteuert. Eine Zuleitung 10 zum Kompressor 9 deutet an, dass der Kompressor 9 die Luft von außerhalb des Fahrzeuges ansaugt .
Die Luft und der Wasserstoff durchströmen bevor sie in die Brennstoffzelle 2 gelangen einen Befeuchter 11, in dem zur Befeuchtung der Protonenaustauschmembran 6 die Feuchtigkeit der Gase erhöht wird.
Vom Anodenauslass 12 gelangt der Wasserstoff über einen Anodenrezirkulationskreislauf 13, der ein Ventil 14 beinhalten kann, in eine Jetpump 15. Die Jetpump 15 fördert durch die Druckdifferenz zwischen dem Jetpumpeingang 16 und der Zuleitung zum Befeuchter 11 den Wasserstoff aus dem Anodenrezirkulationskreislauf 13 in den Befeuchter 11. Unterschreitet der Wasserstoffdruck am Jetpumpeingang 16 einen Wert pH2min/ so ergibt sich an der Jetpump 15 eine Druckdifferenz, bei der kein Wasserstoff mehr aus dem Anodenrezirkulationskreislauf 13 gefördert wird.
In der in Figur 1 dargestellten Ausführungsform ist der Anodenrezirkulationskreislauf 13 durch zwei Medienleitungen mit dem Kathodenauslass 17 verbunden. Der Durchlass der beiden Medienleitungen wird jeweils durch ein Ventil 18,19 gesteuert. Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann bereits eine regelbare Medienleitung ausreichend sein. Ebenfalls können es mehr als zwei Medienleitungen sein, die durch unterschiedlichste Vorrichtungen in ihrem Durchlass regelbar/steuerbar sind. Der Durchlass durch die beiden dargestellten Medienleitungen wird durch eine zeitweise Öffnung der beiden Ventile 18,19 geregelt bzw. gesteuert.
Stromaufwärts vor den beiden Medienleitung ist im Kathodenauslass 17 ein Ventil 20 angeordnet, durch das, neben dem Kompressor 9, der Kathodendruck geregelt werden kann.
Das Abgas des Brennstoffzellensystems wird wie durch den Pfeil 21 am Ende des Kathodenauslasses 17 angedeutet
abgeleitet. Dies kann beispielsweise durch die Abgasanlage eines Fahrzeuges geschehen.
Die elektrischen Leitungen des BrennstoffZeilensystems, mit denen beispielsweise der elektrische Strom von der Brennstoffzelle 2 abgeleitet oder dem Kompressor 9 zugeleitet wird, sowie die Leitungen zur Steuerung des BrennstoffZellensystems sind in Figur 1 nicht dargestellt.
Die erfindungsgemäße Abschaltprozedur des
BrennstoffZeilensystems kann in einem Fahrzeug beispielsweise durch das Ausschalten der Zündung oder durch einen Fahrzeugstillstand, oder durch die Initiierung einer Notabschaltung gestartet werden.
Bei einem normalen Betrieb des Brennstoffzellensystems in einem Fahrzeug beträgt der absolute Wasserstoffdruck in der Anode 4 beispielsweise zwischen 1,6 und 3 bar. Der geringere Druck von 1,6 bar liegt vor, wenn sich das
Brennstoffzellensystem im Leerlauf befindet. Dieser Zustand wird, falls das System unter Last abgeschaltet werden soll, zunächst eingestellt.
Als nächster Schritt wird im erfindungsgemäßen Verfahren die Wasserstoffzufuhr durch das Ventil 3 unterbrochen, um ein Nachströmen des Wasserstoffs in das System zu verhindern.
Nachdem das Ventil 3 geschlossen wurde, ist die Brennstoffzelle 2 noch bedruckt. Dieser Druck wird durch das Anlegen einer Last an die Brennstoffzelle 2 und der damit verbundenen Umsetzung des Wasserstoffs abgesenkt. Der aus dem verbliebenen Wasserstoff erzeugte Strom wird an einen elektrischen Verbraucher, wie beispielsweise an den Kompressor 9 oder eine Batterie, gegeben.
Die Höhe der angelegten Last wird entsprechend der gewünschten Dauer des Wasserstoffverbrauches gewählt . Soll der verbliebene Wasserstoff schnell verbraucht werden, so wird eine maximale Last, von beispielsweise 50 Ampere, an die Brennstoffzelle 2 angelegt. In einem bevorzugten Verfahren wird eine Last von zehn Ampere gewählt, bei der der Abschaltvorgang etwa zehn Sekunden dauert.
Damit die Druckdifferenz zwischen Anode 4 und Kathode 5 einen Wert Δpmax von vorzugsweise 0,2 bar nicht überschreitet und somit Beschädigungen der Dichtungen in der Brennstoffzelle 2 oder der Membran 6 vermieden werden, wird der Kathodendruck, geregelt durch das Ventil 20 und den Kompressor 9, dem Anodendruck nachgeführt.
Abbruchbedingungen für das Anlegen einer Last an die Brennstoffzelle 2 und den damit verbundenen
Wasserstoffverbrauch sind ein zu geringer Wasserstoffdruck am Jetpumpeingang 16 (kleiner pH2min = 1/3 bara) , eine zu geringe Spannung an einer Brennstoffzelle 2 beziehungsweise an zwei Brennstoffzellen, die gemeinsam gemessen werden, oder eine zu geringe Spannung am Brennstoffzellenstapel . In einem bevorzugten Brennstoffzellensystem in einem Fahrzeug besteht der Brennstoffzellenstapel aus etwa 400 Brennstoffzellen 2.
Zur genaueren Messung der Brennstoffzellenspannung ist in der Anode 4 ein gewisser Medienfluss erforderlich. Reicht der zirkulierende Medienstrom hierzu nicht mehr aus und soll der Medienfluss somit erhöht werden, so können die Medienleitungen in den Kathodenauslass 17 dosiert geöffnet werden. Bevorzugt wird die Dosierung des in den Kathodenauslass 17 geleiteten Wasserstoffs durch eine zeitweise Öffnung der beiden Ventile 18,19 realisiert.
Hierbei wird zunächst das Ventil 18 nur zeitweise getaktet geöffnet, wobei die Öffnungsdauer bis zur vollständigen Öffnung verändert werden kann. Ist das Ventil 18 geöffnet, so kann mit Ventil 19 entsprechend verfahren werden. Desgleichen ist nur eine Medienleitung mit entsprechender Regelung des Durchflusses möglich. Das Ableiten des Wasserstoffs in den Kathodenauslass 17 bewirkt ebenfalls eine Verkürzung der Abschaltprozedur.
Ist eine der genannten Abbruchbedingung erfüllt, so wird die Last von der Brennstoffzelle 2 getrennt und der Wasserstoffverbrauch gestoppt. Über die Medienleitungen wird der verbleibende Wasserstoff in den Kathodenauslass 17 geleitet bis der Wasserstoffdruck Umgebungsniveau erreicht. Während dieser Zeit wird der Kompressor 9 durch eine andere Energiequelle, beispielsweise durch eine Batterie, betrieben, um das Abgas durch die Kathodenluft entsprechend den gewünschten Emissionswerten zu verdünnen.
Nachdem der Wasserstoff Umgebungsdruck erreicht hat und nicht weiter in das Abgas des Brennstoffzellensystems strömt, wird der Kompressor 9 und die restlichen Komponenten des Systems abgeschaltet.
Figur 2 zeigt ein im Anodenrezirkulationskreislauf 13 zwischen dem Ventil 14 und der Jetpump 15 angeordnetes Gebläse 22, das die Zirkulation des Wasserstoffs im Anodenrezirkulationskreislauf 13 bei Bedarf unterstützt. Notwendig ist dies, wenn beispielsweise der Medienfluss in der Anode 4 für eine ausreichend genaue Spannungsmessung zu gering ist oder der Wasserstoffdruck am Jetpumpeingang 16 unterhalb des Wertes pH2min liegt und die Zirkulation im Anodenrezirkulationskreislauf 13 somit nicht mehr von der Jetpump 15 gefördert wird.
Durch diese Unterstützung der Anodenrezirkulation kann bis der Wasserstoff Umgebungsdruck erreicht hat, an die Brennstoffzelle 2 eine Last angelegt und der Wasserstoff verbraucht werden. Der minimale Wasserstoffdruck pH2miii am Jetpumpeingang 16 stellt also keine Abbruchbedingung mehr dar. Hierbei kann also auf die Medienleitungen zum Kathodenauslass 17 verzichtet werden.
Ob die Anodenrezirkulation vorteilhaft mittels der Medienleitungen zum Kathodenauslass 17 beziehungsweise des abgeleiteten Wasserstoffs oder des Gebläses 22 unterstützt wird, wird beispielsweise von der Betrachtung der in der Brennstoffzelle 2 erzeugten beziehungsweise der vom Kompressor 9 und vom Gebläse 22 benötigten Energien abhängig gemacht .