WO2006079331A1 - Brennstoffzellensystem mit druckluftbetrieb - Google Patents

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WO2006079331A1
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cell system
compressed gas
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air
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PCT/DE2006/000130
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Peter Britz
Udo Martin
Nicolas Zartenar
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P21 - Power For The 21St Century Gmbh
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Definitions

  • the present invention is directed to a fuel cell system operated at least partially or partially by oxidation gas. Furthermore, the invention is directed to a method for starting up a fuel cell system.
  • Fuel cell systems have been known for a long time and have gained considerable importance in recent years. Like battery systems, fuel cells chemically generate electrical energy by a redox reaction of hydrogen and oxygen, continuously feeding the individual reactants and continuously removing the reaction products.
  • a fuel cell basically consists of an anode part on which a fuel (for example hydrogen) is supplied. Furthermore, the fuel cell has a cathode part to which an oxidizing agent is supplied. Spatially separated are the anode and cathode part by the electrolyte.
  • a fuel for example hydrogen
  • Such an electrolyte may, for example, be a membrane. Such membranes have the ability to pass ions but retain gases. The electrons emitted during the oxidation are not transferred locally from atom to atom but are passed as electrical current through a consumer.
  • a gaseous reactant for the fuel cell for example, hydrogen can be used as fuel and oxygen as the oxidant in the cathode part.
  • This device for producing / processing a fuel consists for example of a dosing unit with evaporator, a reactor for reforming, for example for steam reforming, gas cleaning and often at least one catalytic burner to provide the process heat for the endothermic processes, such as the reforming process.
  • a fuel cell system usually consists of a plurality of fuel cells, which in turn may be formed, for example, from individual layers.
  • the fuel cells are preferably arranged one behind the other, for example stacked in a sandwich.
  • Fuel cell system is then referred to as a fuel cell stack or fuel cell stack.
  • a fuel cell system for emergency power supply should provide in a short time the energy required by the consumer to be monitored in case of power failure.
  • the system is equipped with capacitors or batteries.
  • capacitors or batteries For a conventional system with the supply of hydrogen from a compressed gas cylinder and the supply of atmospheric oxygen by a blower, the problem arises that at system startup of the fuel cell system, a portion of the stored energy in the capacitors or batteries for supplying the air blower to provide reaction air is consumed.
  • the blower takes some time to provide sufficient working pressure and flow.
  • the capacitors or batteries must be designed much larger, in order to bridge the extra energy and the extended journey time.
  • the diagram of Figure 2 also shows that, as expected, relatively high pressure drops occur at relatively high air flow rates (as shown on the right ordinate and with the diamond-shaped curve).
  • This fan must be very powerful on the one hand to provide the high volume flows and pressure losses and on the other hand in normal operation, for example a cell temperature of about 50 0 C, only very little air would have to transport to prevent over-drying of the cells. Thus, the fan is practically never operated at its ideal operating point.
  • the invention is thus based on the object to provide an improved fuel cell system, which makes it possible to perform a start-up phase of a fuel cell without or with the least possible external energy consumption and air flow optimized. Furthermore, an improved method for starting a fuel cell system is to be provided.
  • the invention is based on the principle to ensure the initial supply of the fuel cell system with oxidizing gas not by means of a blower, but by a compressed gas supply.
  • the invention is directed to a fuel cell system in which at least one fuel cell is fed at least temporarily and / or at least partially with an oxidation pressure gas.
  • a fuel cell system here is an arrangement of one or more fuel cells, for example stacks of fuel cells or
  • an oxidizing gas is meant a gas higher than atmospheric which is capable of oxidative reaction with the fuel used for the fuel cell.
  • the oxidative substance is oxygen, so that the oxidation pressure gas can be oxygen gas or an oxygen gas mixture with other gases.
  • the system has at least one
  • Gas cylinder on which contains pressurized oxidizing gas which can be supplied via a line of the cathode side of at least one fuel cell of the system.
  • an external compressed gas source for example a compressed air supply from outside, which maintains the necessary pressure, for example via a compressor, takes the place of the compressed gas storage.
  • a valve is arranged, which can control the supply of compressed gas to at least one fuel cell. Such a valve can then be opened in order to approach a corresponding fuel cell system, for example that of an emergency power supply.
  • the valve is preferably an electrically operated valve.
  • the valve is an electrically operated valve which is brought into a closed position by application of a current.
  • the valve opens self-sufficient, by the absence of voltage on the valve drive and thereby absorbs the supply of compressed gas without the need for an additional power supply.
  • the fuel supply can be equipped with a corresponding valve, so that the system can completely dispense with capacitors or batteries.
  • the valve may preferably be a check valve.
  • a Venturi nozzle is arranged in the system so that the Oxidationsd return gas at the Venturi nozzle can entrain ambient air and can lead to at least one fuel cell or leads.
  • a venturi nozzle is a device known per se in the art for entraining fluids in a fluid stream by negative pressure generated at bottlenecks by fluid flow in a pipe or other suitable device.
  • a well-known example of a Venturi device is the water jet pump, in which a water jet flowing in a pipe sucks an air region opening into the pipe.
  • the person skilled in the art is suitable Embodiments common to entrain with the aid of a fast flow of gas, such as the oxidation-pressure gas used in the invention, a second stream consisting of ambient air.
  • the very high pressure of the compressed gas can be implemented in a much larger total Oxidationsgasvolumen so that you can manage with a relatively small amount of compressed gas to start the fuel cell system.
  • the Venturi nozzle can be arranged, for example, in the line between gas storage and fuel cells, in the flow direction, of course, downstream of the valve.
  • the compressed gas is compressed air.
  • This is available as ambient air and can therefore be obtained particularly easily from the environment.
  • a compressor for filling the compressed gas storage, which is then operated when the fuel cell system either in the full operating state provides sufficient power to operate the compressor, that is, when no more compressed gas is required, or if the fuel cell system is not in operation, as a kind of pre-deployment measure.
  • the compressed gas may also be oxygen or an oxygen-rich gas.
  • the number and size of the compressed gas cylinders results from the amount of compressed gas required.
  • the compressed gas cylinders can advantageously be filled at another location and in already filled state in Fuel cell system can be arranged. This further reduces the design effort for the fuel cell system.
  • a further supply for air drawn in by a blower can be connected to the line, which can be fed alternatively or simultaneously with the compressed gas to the at least one fuel cell.
  • a further supply for air drawn in by a blower can be connected to the line, which can be fed alternatively or simultaneously with the compressed gas to the at least one fuel cell.
  • the fuel cell system is part of an emergency power supply or itself represents the emergency supply, or is such as described above inventive fuel cell system used as an emergency power system or part of an emergency power system.
  • the present invention is further directed to a method, which applies to all above with respect to the system and vice versa for this method, so that reference is made alternately.
  • the method according to the invention serves for starting up a fuel cell system and has the following steps:
  • the compressed gas source may be an external compressor-operated source of compressed air and / or preferably a compressed gas storage, for example in the form of at least one compressed gas cylinder, for example in the form of compressed air or oxygen cylinders.
  • the method provides two decisive aspects for starting up a fuel cell system, for example for an emergency power supply, namely the switching on of a compressed gas source in order to supply the fuel cell system with an oxidizing gas without the use of electrical energy, or secondly the operating state-dependent switching from the compressed gas source as compressed gas storage fails after emptying, on a power-driven fan supply system.
  • the fuel cell system preferably belongs to an emergency power supply or itself represents an emergency supply.
  • other uses are also conceivable in which little energy is available for starting up a fuel cell system, for example in battery-damaging operations in offshore or cold-temperature environments or to improve the start-up safety of cars even after a long service life in a cold environment.
  • the method according to the invention has the upstream step of: determining the need to start a fuel cell system based on a power state of a monitored system of consumers.
  • a compressor refills the compressed gas reservoir, preferably by means of an automatic control and without intervention of an operator.
  • the method may finally be characterized in that it is carried out simultaneously with the supply of air to the at least one fuel cell with a blower during the starting phase of a fuel cell system in order to supply sufficient oxidizing gas to the at least one fuel cell still in operation.
  • the provided Oxidationsd return gas not only takes over the role of the oxidation gas in the fuel cell, but only serves in addition to an air supply via blower. In this way, the achievement of the dew point with the associated negative consequences described in the introduction can be explained Avoid fuel cell efficiency by significantly more oxidizing gas is supplied to the fuel cell at the beginning of operation of the fuel cell system by compressed gas and thus the dew point is not reached.
  • Figure 1 shows a schematic representation of an embodiment of the fuel cell system according to the present invention.
  • FIG. 2 shows as a diagram the relationship between the dew point and the
  • the inventive solution of the problem outlined is the storage of compressed air. Since the fuel cell system is not permanently required especially in emergency power supplies, but only in the event of failure of the normal power supply, a compressed air vessel 1 can be charged via line 3 by means of a compressor 2 during the phase with mains power supply. This stored compressed air can be used in the first few minutes of power failure to start the fuel cell system as fast as possible and energy-saving.
  • the air blower 5 must be used only after some time, for example after a few minutes, when the air is consumed from the compressed air tank 1. At this point, however, the fuel cell system already provides sufficient energy to supply the external and internal consumers. If the power failure lasts less than a few minutes, it would even be conceivable that in this case the fan 5 does not have to start.
  • the energy consumption of the compressor 2 does not play a significant role, because it is fed directly from a power grid of the consumer and not in the power balance of the fuel cell system appears.
  • a check valve 6 between the fuel cell and compressed gas container 1 is arranged and another valve 7 between the fan 5 and the fuel cell. 8
  • a fuel cell system for 1 kW of electric power requires approximately 1 m 3 / h of hydrogen and 5 m 3 / h of ambient air, that is, the system requires approximately 100 l of air per kW per minute of startup.
  • a 2 kW system requires approx. 400 l of air, ie a tank with 40 l capacity and 10 bar working pressure of the compressor.
  • FIG. 2 shows the dependence of air volume flow and pressure drop on the dew point at the fuel cell outlet.
  • This graph shows that splitting the air supply into two systems makes great sense, with the first system, namely the compressed gas feed being very powerful, that is balancing high flow and high pressure loss, needed at start up and the second one, namely normal blower, used for normal operation and therefore must meet other requirements.
  • a further advantage could even be that in the case of a cold start the product water transport could not be possible in the gas phase, ie above the dew point as water vapor, but even as a liquid phase, since the supply of compressed gas sufficient pressure for a droplet transport in the so-called flow Field of the fuel cell could be available.
  • the present invention enables a start-up operation of a fuel cell system with minimum energy input with optimum efficiency.

Abstract

Es werden ein Brennstoff zellensystem, bei dem zumindest eine Brennstoffzelle (8) zumindest zeitweise und/oder zumindest teilweise mit einem Oxidations-Druckgas gespeist wird, sowie ein Verfahren zum Anfahren eines Brennstoff zellensystems beschrieben, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: Öffnen eines Ventils (6) , das zumindest eine Brennstoffzelle (8) mit einer Druckgasquelle (1) verbindet, die ein Oxidations-Druckgas zuführt; Zuführen eines Kraftstoffs zu der zumindest einen Brennstoffzelle (8) ; Feststellen, dass das Brennstoff zellensystem einen Betriebspunkt erreicht hat, der genügend Energie zum autonomen Betreiben des Brennstoff zellensystems und von zu versorgenden Verbrauchern herstellt; und diskretes oder graduelles Umschalten von der Zufuhr eines im Druckgasspeicher (1) gespeicherten Oxidations-Druckgases auf von einem Gebläse (5) zugeführte Umgebungsluft. Die Anwendung des Brennstoff zellensystems in einer Notstromversorgung wird beschrieben.

Description

Beschreibung
Brennstoffzellensystem mit Druckluftbetrieb
Die vorliegende Erfindung ist auf ein zumindest zeit- oder teilweise Oxidationsdruckgas-betriebenes Brennstoffzellensystem gerichtet. Weiterhin ist die Erfindung auf ein Verfahren zum Hochfahren eines Brennstoffzellensystems gerichtet.
Brennstoffzellensysteme sind bereits seit langem bekannt und haben in den letzten Jahren erheblich an Bedeutung gewonnen. Ähnlich wie Batteriesysteme erzeugen Brennstoffzellen elektrische Energie auf chemischem Weg durch eine Redoxreaktion von Wasserstoff und Sauerstoff, wobei die einzelnen Reaktanten kontinuierlich zugeführt und die Reaktionsprodukte kontinuierlich abgeführt werden.
Bei einer Brennstoffzelle werden die zwischen elektrisch neutralen Molekülen oder Atomen ablaufenden Oxidations- und Reduktionsprozesse in der Regel über einen Elektrolyten räumlich getrennt. Eine Brennstoffzelle besteht grundsätzlich aus einem Anodenteil, am den ein Kraftstoff (beispielsweise Wasserstoff) zugeführt wird. Weiterhin weist die Brennstoffzelle einen Kathodenteil auf, an dem ein Oxidationsmittel zugeführt wird. Räumlich getrennt sind der Anoden- und Kathodenteil durch den Elektrolyten. Bei einem derartigen Elektrolyten kann es sich beispielsweise um eine Membran handeln. Solche Membranen haben die Fähigkeit, Ionen durchzuleiten, Gase jedoch zurückzuhalten. Die bei der Oxidation abgegebenen Elektronen werden nicht lokal von Atom zu Atom übertragen, sondern als elektrischer Strom durch einen Verbraucher geleitet. Als gasförmiger Reaktionspartner für die Brennstoffzelle können beispielsweise Wasserstoff als Kraftstoff und Sauerstoff als Oxidationsmittel im Kathodenteil verwendet werden.
Will man die Brennstoffzelle mit einem leicht verfügbaren oder leichter zu speichernden Kraftstoff, wie etwa Erdgas, Methanol, Propan, Benzin, Diesel oder anderen Kohlenwasserstoffen, anstelle von Wasserstoff betreiben, muss man den Kohlenwasserstoff in einer Vorrichtung zum Erzeugen/Aufbereiten eines Brennstoffs in einem sogenannten Reformierungsprozess zunächst in ein wasserstoffreiches Gas umwandeln. Diese Vorrichtung zum Erzeugen/Aufbereiten eines Brennstoffs besteht beispielsweise aus einer Dosiereinheit mit Verdampfer, einem Reaktor für die Reformierung, beispielsweise für die Wasserdampfreformierung, einer Gasreinigung sowie häufig auch wenigstens einem katalytischen Brenner zur Bereitstellung der Prozesswärme für die endothermen Prozesse, beispielsweise den Reformierungsprozess.
Ein Brennstoffzellensystem besteht in der Regel aus mehreren Brennstoffzellen, die beispielsweise wiederum aus einzelnen Schichten gebildet sein können. Die Brennstoffzellen sind vorzugsweise hintereinander angeordnet, beispielsweise sandwichartig übereinander gestapelt. Ein derart ausgebildetes
Brennstoffzellensystem wird dann als Brennstoffzellenstapel beziehungsweise Brennstoffzellenstack bezeichnet.
Ein wichtiges Einsatzgebiet für Brennstoffzellen ist die Notstromversorgung im Falle von Stromausfällen bei wichtigen Verbrauchern, wie zum Beispiel
Datenverarbeitungszentren, Telekommunikationseinrichtungen oder im Krankenhausbereich. Ein Brennstoffzellensystem zur Notstromversorgung sollte bei einem Stromausfall innerhalb kürzester Zeit die vom zu überwachenden Verbraucher benötigte Energie bereitstellen. Um die Anlaufphase des Brennstoffzellensystems bei einer Stromunterbrechung zu überbrücken, ist das System mit Kondensatoren oder Batterien ausgestattet. Für ein konventionelles System mit der Versorgung durch Wasserstoff aus einer Druckgasflasche und der Versorgung mit Luftsauerstoff durch ein Gebläse stellt sich dabei das Problem, dass beim Systemstart des Brennstoffzellensystems ein Teil der in den Kondensatoren oder Batterien gespeicherten Energie für die Versorgung des Luftgebläses zur Bereitstellung von Reaktionsluft verbraucht wird. Außerdem benötigt das Gebläse eine gewisse Zeit, bis es einen ausreichenden Arbeitsdruck und Volumenstrom bereitstellt. Damit müssen die Kondensatoren oder Batterien wesentlich größer ausgelegt sein, um das Mehr an Energie und die verlängerte Anfahrtszeit zu überbrücken.
Zudem kann aufgrund der notwendigen kurzen Startzeit des Brennstoffzellensystems zur Notstromversorgung von wenigen Sekunden ein Aufheizen der eigentlichen Brennstoffzellenelemente auf die erforderliche Betriebstemperatur nicht erfolgen. Dennoch muss auch bei den dann noch vorhandenen niedrigen Betriebstemperaturen eine sichere Luftversorgung gewährleistet werden. Ein Hauptproblem hierbei ist der Abtransport des Produktwassers.
Wie aus Figur 2 ersichtlich, gibt es einen Zusammenhang zwischen Taupunkt der Abluft und dem Luftvolumenstrom. In Figur 2 ist auf der Abszisse der Taupunkt in °C angegeben, demgegenüber ist der Luftvolumenstrom in m3/h auf der Ordinate aufgetragen. Wie aus dem Diagramm ersichtlich, ist bei den niedrigen Temperaturen ein teilweise vielfach höherer Luftvolumenstrom notwendig, um zu verhindern, dass die Luft in der Brennstoffzelle ihren Taupunkt erreicht, was zum Auskondensieren des Produktwassers führen würde. Dieses Auskondensieren würde wiederum bewirken, dass zuerst einzelne Luftkanäle verstopfen und in der Folge ganze Zellen ausfallen, da es sich um einen selbstverstärkenden Effekt handelt. Das Diagramm der Figur 2 zeigt ebenfalls, dass, wie zu erwarten, bei relativ großen Luftvolumenströmen auch relativ hohe Druckverluste auftreten (wie auf der rechten Ordinate und mit der rautenförmig markierten Kurve dargestellt). Einen Lüfter für den ganzen Bereich des benötigten Luftvolumenstroms beziehungsweise Druckverlusts auszulegen und zu betreiben, würde bedeuten, dass dieser Lüfter einerseits sehr leistungsstark sein muss, um die hohen Volumenströme und Druckverluste zu erbringen beziehungsweise auszugleichen und auf der anderen Seite beim Normalbetrieb, zum Beispiel einer Zellentemperatur von etwa 500C, nur noch sehr wenig Luft transportieren müsste, um ein zu starkes Austrocknen der Zellen zu verhindern. Somit wird der Lüfter praktisch nie in seinem idealen Betriebspunkt betrieben.
Der Erfindung liegt damit die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Brennstoffzellensystem bereitzustellen, das es ermöglicht, eine Anlaufphase einer Brennstoffzelle ohne oder mit möglichst geringem externen Energieaufwand und luftstromoptimiert durchzuführen. Weiterhin soll ein verbessertes Verfahren zum Anfahren eines Brennstoffzellensystems bereitgestellt werden.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Bereitstellung eines Brennstoffzellensystems mit den Merkmalen gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 1 sowie eines Verfahrens zum Anfahren eines Brennstoffzellensystems mit den Merkmalen gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 13 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen, Merkmale, Aspekte und Details ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen, der Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen. Ausgestaltungen, Merkmale, Aspekte und
Details, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem beschrieben sind, gelten dabei selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren, und jeweils umgekehrt. Der Erfindung liegt das Prinzip zugrunde, die anfängliche Versorgung des Brennstoffzellensystems mit Oxidationsgas nicht mittels eines Gebläses, sondern durch eine Druckgaszufuhr sicherzustellen.
Dementsprechend ist die Erfindung gerichtet auf ein Brennstoffzellensystem, bei dem zumindest eine Brennstoffzelle zumindest zeitweise und/oder zumindest teilweise mit einem Oxidationsdruckgas gespeist wird.
Unter einem Brennstoffzellensystem ist hierbei eine Anordnung von einer oder mehreren Brennstoffzellen, beispielsweise Stacks von Brennstoffzellen oder
Gruppen solcher Stacks mit den zugehörigen Hilfsaggregaten zu verstehen, das insgesamt benötigt wird, um eine Stromversorgung einem Verbraucher bereitzustellen. Unter einem Oxidationsdruckgas ist ein unter einem höher als Atmosphärendruck befindliches Gas zu verstehen, welches in der Lage ist, mit dem für die Brennstoffzelle verwendeten Kraftstoff oxidativ zu reagieren. In aller Regel handelt es sich bei dem oxidativen Stoff um Sauerstoff, so dass das Oxidationsdruckgas Sauerstoffgas oder ein Sauerstoffgasgemisch mit anderen Gasen sein kann.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist das System zumindest einen
Druckgasspeicher auf, der unter Druck stehendes Oxidationsgas enthält, das über eine Leitung der Kathodenseite zumindest einer Brennstoffzelle des Systems zugeführt werden kann. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform tritt an die Stelle des Druckgasspeichers eine äußere Druckgasquelle, beispielsweise eine Druckluftversorgung von außerhalb, die beispielsweise über einen Kompressor den notwendigen Druck aufrecht erhält. Dies kann zum Beispiel sinnvoll sein bei Notstromversorgungen einzelner Funktionsbereiche oder Gebäude, bei denen ein erhöhtes Risiko für einen vom Rest eines Campus oder dergleichen unabhängigen Stromausfall vorhanden ist. Weiterhin wird es bevorzugt, dass in der Leitung ein Ventil angeordnet ist, das die Zufuhr von Druckgas zur zumindest einen Brennstoffzelle steuern kann. Ein solches Ventil kann dann geöffnet werden, um ein entsprechendes Brennstoffzellensystem, beispielsweise das einer Notstromversorgung, anzufahren.
Das Ventil ist vorzugsweise ein elektrisch betätigtes Ventil. Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist das Ventil ein elektrisch betätigtes Ventil, das durch Anlegen eines Stroms in eine geschlossene Position gebracht wird. Im Falle eines Stromausfalls öffnet sich das Ventil autark, durch das Ausbleiben der Spannung am Ventilantrieb und nimmt dadurch ohne die Notwendigkeit einer zusätzlichen Stromversorgung die Zufuhr des Druckgases auf. Bei nicht besonders zeitkritischen Notstromversorgungen, bei denen ein Stromausfall bis zu einem gewissen Zeitraum, beispielsweise mehreren Sekunden, akzeptabel ist, kann auch die Kraftstoffversorgung mit einem entsprechenden Ventil ausgestattet sein, so dass das System vollständig auf Kondensatoren oder Batterien verzichten kann.
Das Ventil kann vorzugsweise ein Rückschlagventil sein.
In einer spezifischen Ausgestaltung der Erfindung ist eine Venturi-Düse im System so angeordnet, dass das Oxidationsd ruckgas an der Venturi-Düse Umgebungsluft mitreißen kann und zur zumindest einen Brennstoffzelle führen kann oder führt.
Eine Venturi-Düse ist eine im Stand der Technik an sich bekannte Vorrichtung zum Mitführen von Fluiden in einem Fluidstrom durch Unterdruck, der von dem Fluidstrom in einem Rohr oder einer anders geformten geeigneten Vorrichtung an Engstellen erzeugt wird. Ein bekanntes Beispiel einer Venturi-Vorrichtung ist die Wasserstrahlpumpe, bei der ein in einem Rohr fließender Wasserstrahl einen in den Rohr mündenden Luftbereich ansaugt. Dem Fachmann sind geeignete Ausgestaltungen geläufig, um mit Hilfe eines schnellen Stroms von Gas, wie dem erfindungsgemäß verwendeten Oxidations-Druckgas, einen zweiten Strom, der aus Umgebungsluft besteht, mitzuziehen.
Durch diese vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung kann der sehr hohe Druck des Druckgases in ein ungleich größeres Gesamtoxidationsgasvolumen umgesetzt werden, so dass man mit einer relativ kleinen Menge an Druckgas zum Anfahren des Brennstoffzellensystems auskommt. Die Venturi-Düse kann beispielsweise in der Leitung zwischen Gasspeicher und Brennstoffzellen angeordnet sein, in Stromrichtung naturgemäß stromabwärts des Ventils.
Bevorzugterweise ist das Druckgas komprimierte Luft. Diese steht als Umgebungsluft zur Verfügung und kann daher besonders einfach aus der Umgebung gewonnen werden. Hierzu kann beispielweise am Druckgasspeicher ein Kompressor zum Auffüllen des Druckgasspeichers angeschlossen sein, der dann betrieben wird, wenn das Brennstoffzellensystem entweder im vollen Betriebszustand hinreichend Strom liefert, um den Kompressor mit zu betreiben, das heißt wenn kein Druckgas mehr benötigt wird, oder wenn das Brennstoffzellensystem nicht in Betrieb ist, als quasi einsatzvorbereitende Maßnahme.
Bei dem Druckgas kann es sich auch um Sauerstoff oder um ein sauerstoffreiches Gas handeln.
In weiterer Ausgestaltung kann der Druckgasspeicher aus wenigstens einer
Druckgasflasche gebildet sein. Die Anzahl und Größer der Druckgasflaschen ergibt sich dabei aus der Menge des benötigten Druckgases. Die Druckgasflaschen können vorteilhaft an einem anderen Ort befüllt und in bereits befülltem Zustand im Brennstoffzellensystem angeordnet werden. Das reduziert den konstruktiven Aufwand für das Brennstoffzellensystem weiter.
An der Leitung kann in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung eine weitere Zufuhr für von einem Gebläse angesaugte Luft angeschlossen sein, die alternativ oder gleichzeitig mit dem Druckgas der zumindest einen Brennstoffzelle zuführbar ist. Auf diese Weise ist es möglich, über nur eine Leitung wahlweise entweder Druckgas, bei einem Zurverfügungstehen von hinreichender elektrischer Energie Gebläseluft oder eine beliebige Mischung zwischen beiden Oxidationsgaszufuhren zur Verfügung zu stellen, um beispielsweise dem graduellen Anfahren des Brennstoffzellensystems und der daraus resultierenden graduellen Leistungssteigerung Rechnung zu tragen.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform gehört das Brennstoffzellensystem zu einer Notstromversorgung oder stellt selbst die Notversorgung dar, beziehungsweise wird ein solches wie vorstehend beschriebenes erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem als Notstromsystem oder Bestandteil eines Notstromsystems verwendet.
Die vorliegende Erfindung ist des weiteren auf ein Verfahren gerichtet, wobei für dieses Verfahren alles oben bezüglich des Systems Gesagte und umgekehrt gilt, so dass wechselweise Bezug genommen wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren dient zum Anfahren eines Brennstoffzellensystems und weist folgende Schritte auf:
a) Öffnen eines Ventils, das zumindest eine Brennstoffzelle mit einer Druckgasquelle verbindet, die ein Oxidationsdruckgas zuführt; b) Zuführen eines Kraftstoffs zu der zumindest einen Brennstoffzelle;
c) Feststellen, dass das Brennstoffzellensystem einen Betriebspunkt erreicht hat, der genügend Energie zum autonomen Betreiben des Brennstoffzellensystems und von zu versorgenden Verbrauchern herstellt; und
d) diskretes oder graduelles Umschalten von der Zufuhr eines im Druckgasspeicher gespeicherten Oxidationsdruckgases auf von einem Gebläse zugeführte Umgebungsluft.
Die Druckgasquelle kann eine externe kompressorbetriebene Quelle für Druckluft sein oder/und bevorzugterweise ein Druckgasspeicher, etwa in Form von wenigstens einer Druckgasflasche, beispielsweise in Form von Druckluft oder Sauerstoffflaschen.
Das Verfahren stellt zwei maßgebliche Aspekte für das Anfahren eines Brennstoffzellensystems, beispielsweise für eine Notstromversorgung bereit, nämlich zum einen das Einschalten einer Druckgasquelle, um ohne Einsatz von elektrischer Energie das Brennstoffzellensystem mit einem Oxidationsgas zu versorgen, oder zweitens das betriebszustandabhängige Umschalten von der Druckgasquelle, die als Druckgasspeicher nach Entleerung ausfällt, auf ein strombetriebenes Gebläsezufuhrsystem.
Vorzugsweise gehört das Brennstoffzellensystem gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren zu einer Notstromversorgung oder stellt selbst eine Notversorgung dar. Es sind jedoch auch andere Einsätze vorstellbar, bei denen wenig Energie zum Anfahren eines Brennstoffzellensystems zur Verfügung steht, beispielsweise bei batterieschädlichen Einsätzen in Offshore- oder Kalttemperaturumgebungen oder zum Verbessern der Startsicherheit bei Autos auch nach längerer Standzeit in kalter Umgebung.
Vorzugsweise weist das erfindungsgemäße Verfahren den vorgeschalteten Schritt auf: Feststellen der Notwendigkeit zum Anfahren eines Brennstoffzellensystems anhand eines Stromversorgungszustands eines überwachten Systems von Verbrauchern.
In einer besonders einfachen Variante erfolgt dies, wie bereits oben beschrieben, durch ein elektrisch gesteuertes Ventil, das bei Stromausfall einfach öffnet. Normalerweise wird allerdings eine Schaltungselektronik verwendet, die auch zunächst benötigten Kondensator- oder Batteriestrom zur Verfügung stellt, wie sie Fachleuten auf dem Gebiet der Notstromversorgung geläufig sind.
Um eine wiederholte Einsatzfähigkeit dieses Verfahrens zum Anfahren einps
Brennstoffzellensystems sicherzustellen, wird es darüber hinaus bevorzugt, dass nach Erreichen des Betriebspunkts oder nach Ende eines Brennstoffzellenbetriebs ein Kompressor den Druckgasspeicher wieder auffüllt, vorzugsweise mittels einer automatischen Steuerung und ohne Eingreifen eines Bedieners.
Das Verfahren kann schließlich dadurch gekennzeichnet sein, dass es während der Startphase eines Brennstoffzellensystems gleichzeitig mit dem Zuführen von Luft zur zumindest einen Brennstoffzelle mit einem Gebläse durchgeführt wird, um der zumindest einen, noch auf Betriebstemperatur befindlichen Brennstoffzelle genügend Oxidationsgas zuzuführen. Bei diesem Aspekt des vorliegenden
Verfahrens, übernimmt das bereitgestellte Oxidationsd ruckgas nicht allein die Rolle des Oxidationsgases in der Brennstoffzelle, sondern dient nur ergänzend einer Luftzufuhr über Gebläse. Auf diese Weise lässt sich das in der Einführung beschriebene Erreichen des Taupunkts mit den assoziierten negativen Folgen für die Effizienz der Brennstoffzellen vermeiden, indem am Anfang des Betriebs des Brennstoffzellensystems durch Druckgas erheblich mehr Oxidationsgas der Brennstoffzelle zugeführt wird und damit der Taupunkt nicht erreicht wird.
Die vorliegende Erfindung soll nunmehr anhand eines abstrakten
Ausführungsbeispiels näher erläutert werden, wobei auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen werden soll, in denen folgendes dargestellt ist:
Figur 1 zeigt in schematischer Darstellung eine Ausführungsform des Brennstoffzellensystems gemäß der vorliegenden Erfindung; und
Figur 2 zeigt als Diagramm die Beziehung zwischen dem Taupunkt und dem
Luftdurchsatz, beziehungsweise dem Druckverlust.
Die erfinderische Lösung des skizzierten Problems liegt in der Speicherung von Druckluft. Da das Brennstoffzellensystem insbesondere bei Notstromversorgungen nicht permanent benötigt wird, sondern nur beim Ausfall der normalen Stromversorgung, kann während der Phase mit Netzstromversorgung ein Druckluftgefäß 1 mittels eines Kompressors 2 über Leitung 3 aufgeladen werden. Diese gespeicherte Druckluft kann in den ersten Minuten des Stromausfalls dazu genutzt werden, das Brennstoffzellensystem möglichst schnell und energieschonend hochzufahren. Das Luftgebläse 5 muss erst nach einiger Zeit, beispielsweise nach einigen Minuten, zum Einsatz kommen, wenn die Luft aus dem Druckluftbehälter 1 verbraucht ist. Zu diesem Zeitpunkt stellt aber das Brennstoffzellensystem schon ausreichend Energie zur Verfügung, um die externen und auch internen Verbraucher zu versorgen. Sollte der Stromausfall weniger als einige Minuten andauern, wäre es sogar denkbar, dass in diesem Fall das Gebläse 5 nicht anlaufen muss. Der Energieverbrauch des Kompressors 2 spielt keine wesentliche Rolle, da er direkt aus einem Stromnetz des Verbrauchers gespeist wird und nicht in der Leistungsbilanz des Brennstoffzellensystems erscheint. Zur Steuerung der Zufuhr von Druckgas beziehungsweise Umgebungsluft über die Leitung 4 wird ein Rückschlagventil 6 zwischen Brennstoffzellen und Druckgasbehälter 1 angeordnet und ein weiteres Ventil 7 zwischen Gebläse 5 und Brennstoffzellen 8.
In einer beispielhaften Rechnung benötigt ein Brennstoffzellensystem für 1 kW elektrische Leistung ca. 1 m3/h Wasserstoff und 5 m3/h Umgebungsluft, das heißt pro Minute Anfahrzeit benötigt das System ca. 100 I Luft pro kW. Ein 2 kW-System benötigt für 2 Minuten Anfahrzeit somit ca. 400 I Luft, d.h. einen Speicher mit 40 I Inhalt und 10 bar Arbeitsdruck des Kompressors.
Wie bereits beschrieben, zeigt das Diagramm der Figur 2 die Abhängigkeit von Luftvolumenstrom und Druckverlust vom Taupunkt am Brennstoffzellenausgang. Diese Graphik zeigt, dass eine Aufteilung der Luftversorgung in zwei Systeme äußerst sinnvoll ist, wobei das erste System, nämlich die Druckgasbeschickung sehr leistungsstark ist, das heißt hohen Volumenstrom und hohen Druckverlust ausgleichend ist, und beim Startfall benötigt wird und das zweite System, nämlich ein normales Gebläse, für den normalen Betrieb eingesetzt wird und deshalb andere Anforderungen erfüllen muss.
Ein weiterer Vorteil könnte sogar darin bestehen, dass im Falle eines Kaltstarts der Produktwassertransport nicht in der Gasphase, das heißt oberhalb des Taupunkts als Wasserdampf, sondern sogar als Flüssigphase möglich sein könnte, da durch die Zufuhr von Druckgas genügend Druck für einen Tröpfchentransport im sogenannten Flow-Field der Brennstoffzelle zur Verfügung stehen könnte.
Die vorliegende Erfindung ermöglicht einen Anfahrbetrieb eines Brennstoffzellensystems mit minimalem Energieeinsatz bei optimaler Effizienz.

Claims

Patentansprüche
1. Brennstoffzellensystem, bei dem zumindest eine Brennstoffzelle (8) zumindest zeitweise und/oder zumindest teilweise mit einem Oxidations-
Druckgas gespeist wird.
2. Brennstoffzellensystem gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass es zumindest einen Druckgasspeicher (1) aufweist, der unter Druck stehendes Oxidationsgas enthält, das über eine Leitung (4) der Kathodenseite zumindest einer Brennstoffzelle (8) des Systems zugeführt werden kann.
3. Brennstoffzellensystem gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass in der Leitung (4) ein Ventil (6) angeordnet ist, dass die Zufuhr von Druckgas zur zumindest einen Brennstoffzelle (8) steuern kann.
4. Brennstoffzellensystem gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil (6) ein elektrisch betätigtes Ventil ist.
5. Brennstoffzellensystem gemäß Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil (6) ein Rückschlagventil ist.
6. Brennstoffzellensystem gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Venturi-Düse im System so angeordnet ist, dass das Oxidationsdruckgas an der Venturi-Düse Umgebungsluft mitreissen kann und zur zumindest einen Brennstoffzelle (8) führen kann oder führt.
7. Brennstoffzellensystem gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Druckgas komprimierte Luft ist.
8. Brennstoffzellensystem gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die komprimierte Luft aus der Umgebung entnommene Luft ist.
9. Brennstoffzellensystem gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass am Druckgasspeicher (1) ein Kompressor (2) zur Auffüllung des Druckgasspeichers (1) angeschlossen ist.
10. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckgasspeicher (1) aus wenigstens einer
Druckgasflasche gebildet ist.
11. Brennstoffzellensystem gemäß einem der Ansprüche 2 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass an der Leitung (4) eine weitere Zufuhr für von einem Gebläse (5) angesaugte Luft angeschlossen ist, die alternativ oder gleichzeitig mit dem Druckgas der zumindest einen Brennstoffzelle (8) zuführbar ist.
12. Brennstoffzellensystem gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass das Brennstoffzellensystem zu einer Notromversorgung gehört oder eine Notstromversorgung bildet.
13. Verfahren zum Anfahren eines Brennstoffzellensystems, gekennzeichnet durch folgende Schritte: Öffnen eines Ventils (6), das zumindest eine Brennstoffzelle (8) mit einer Druckgasquelle (1) verbindet, die ein Oxidations- Druckgas zuführt; Zuführen eines Kraftstoffs zu der zumindest einen
Brennstoffzelle (8); Feststellen, dass das Brennstoffzellensystem einen Betriebspunkt erreicht hat, der genügend Energie zum autonomen Betreiben des Brennstoffzellensystems und von zu versorgenden Verbrauchern herstellt; und diskretes oder graduelles Umschalten von der Zufuhr eines im Druckgasspeicher (1) gespeicherten Oxidations-Druckgases auf von einem Gebläse (5) zugeführte Umgebungsluft.
14. Verfahren gemäß Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Brennstoffzellensystem zu einer Notromversorgung gehört oder eine
Notstromversorgung bildet.
15. Verfahren gemäß Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass es den vorgeschalteten Schritt aufweist: Feststellen der Notwendigkeit zum Anfahren des Brennstoffzellensystems anhand eines
Stromversorgungszustands eines überwachten Systems von Verbrauchern.
16. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil (6) sich beim Ausfall eines Speisestroms selbständig öffnet.
17. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass nach Erreichen des Betriebspunkts oder nach Ende eines Brennstoffzellenbetriebs ein Kompressor (2) den Druckgasspeicher (1) wieder auffüllt.
18. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 13 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass es während der Startphase eines Brennstoffzellensystems gleichzeitig mit dem Zuführen von Luft zur zumindest einen Brennstoffzelle (8) mit einem Gebläse (5) durchgeführt wird, um der zumindest einen, noch nicht auf Betriebstemperatur befindlichen Brennstoffzelle (8) genügend Oxidationsgas zuzuführen.
19. Verwendung eines Brennstoffzellensystems nach einem der Ansprüche 1 bis 12 als Notstromversorgungssystem oder als Bestandteil eines Notstromversorgungssystems.
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