WO2014048526A1 - Verfahren zum erfassen einer kritischen wasserstoffkonzentration - Google Patents

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Benjamin Steinhauser
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    • Y02T90/40—Application of hydrogen technology to transportation, e.g. using fuel cells

Definitions

  • the invention relates to a method for detecting a criticality
  • the preamble of claim 1 further defined type. Furthermore, the invention relates to the use of such a method.
  • hydrogen sensors are arranged in the exhaust gas of fuel cell systems typically, which can safely and reliably detect a possible escape of hydrogen via the exhaust gas, for example due to the failure of seals or membranes in the fuel cell, so a corresponding Warning message or trigger an alarm and turn off the fuel cell system, if necessary.
  • EP 1 990 858 B1 discloses a fuel cell system with an exhaust gas system.
  • the exhaust system is a hydrogen sensor
  • the sensor is designed as a catalytic sensor which has two different measuring paths for the electrical resistance, wherein these are formed temperature-dependent.
  • a catalytically active material is arranged, which in the presence of hydrogen by reacting the hydrogen with
  • Air oxygen or residual oxygen is heated in the exhaust air of the fuel cell.
  • the presence of hydrogen can be detected.
  • One inherent disadvantage is that although hydrogen emissions are detected, they can not be prevented.
  • the object of the present invention is to provide a method for detecting a critical concentration of hydrogen in the exhaust gas of a fuel cell system, which avoids these disadvantages and allows a simple, inexpensive and very safe construction.
  • Temperature sensor can be so by a temperature monitoring of the
  • Combustion gases have a critical hydrogen concentration in the exhaust gas of the
  • Detect fuel cell system If the temperature rises above a predetermined limit, which is static or, in particular, dynamic depending on the
  • the fuel cell system operating condition is specified, then there must be more fuel in the combustion area than expected.
  • This fuel will typically be hydrogen in the fuel cell system, which enters this area due to a possible leak.
  • This hydrogen is detected by raising the temperature above the preset limit, so that appropriate Warning messages and / or a system shutdown can be triggered.
  • the hydrogen is consumed at the same time by the combustion in the burner, so that despite the existing within the system hydrogen leak, which is the cause of the increase in concentration, emissions of hydrogen to the environment can be safely and reliably avoided ,
  • the system is very simple, safe and reliable.
  • the exhaust gas from the anode compartment is post-combusted together with exhaust air from the cathode compartment of the fuel cell.
  • This post-combustion of the exhaust gas from the anode compartment of the fuel cell together with the exhaust air from the cathode compartment of the fuel cell is particularly simple and efficient, since in this case no separate volume flow of oxygen must be promoted for the combustion, but the residual oxygen in the through the fuel cell or its cathode compartment funded volume flow can be used. In addition, this offers
  • Embodiment of the method according to the invention a further safety advantage, since not only increased hydrogen concentrations in the exhaust gas from the anode compartment, but also increased hydrogen concentrations in the exhaust gas from the cathode compartment can be detected.
  • Possible leaks for example in the membranes of the fuel cell preferably designed as a PEM fuel cell, which can lead to a hydrogen transfer from the anode compartment into the cathode compartment, can thus also be reliably and reliably detected.
  • the discharged with the exhaust air from the fuel cell hydrogen is detected on the one hand and on the other hand consumed by the combustion, so that hydrogen emissions to the environment safely and reliably be avoided.
  • a catalytic burner can be used as the burner.
  • Such a catalytic burner is relatively uncritical of possible fluctuations in the supply of fuel and, provided that it has a certain operating temperature, ensure reliable and reliable conversion of the hydrogen, without the need for ignition or the like.
  • the temperature of the exhaust gases from the Anodenraum and optionally the cathode compartment or preferably their mixture is detected in front of the burner, after which a temperature difference between the
  • Temperature of the combustion exhaust gases and the temperature of the exhaust gases is formed in front of the burner and compared with the predetermined limit.
  • Such a measurement of two or possibly also three temperatures, with a separate supply of the exhaust gases to the burner, enables a particularly simple and efficient determination of a temperature difference which has occurred across the burner.
  • the measurement is largely independent of the operating behavior of the fuel cell system, which must be included in the specified limit of the temperature at only one temperature measuring point after the burner accordingly.
  • Temperature sensor preferably in a mixture of the two exhaust gases, can be arranged immediately in front of the burner.
  • a temperature increase resulting from a possible electrical heating of the burner is taken into account in the case of electric heating when specifying the limit value, the temperature of the combustion exhaust gases and / or the temperature difference.
  • Such an electrical heating of the burner is quite common, especially in catalytic burners to this quickly, for example, in the cold start case or at very low ambient temperatures
  • variables which can / should also be taken into account here can be, for example, the amount and / or the temperature of the currently added educts, ie the currently metered-in air and the currently metered-in hydrogen to be the fuel cell.
  • a time delay can be taken into account, since the currently added educts only after a certain delay as
  • a switching state of a drain valve and / or a pressure-holding valve in the anode exhaust gas can be taken into account.
  • a so-called purge valve for example, from time to time or as a function of a nitrogen concentration in the anode circuit exhaust gas is discharged from the anode circuit.
  • This exhaust gas always contains a certain amount of residual hydrogen.
  • volume flow of exhaust gas should thus be taken into account, for example, from a map or the like typically in this exhaust from the
  • Anodenniklauf contained amount of hydrogen can be estimated, which can also calculate the resulting increase in temperature.
  • an amount of product water discharged with the exhaust gas from the anode compartment can also be taken into account accordingly. Since, in addition to inert gases, in particular when using an anode recirculation and product water is obtained, and since this is often discharged together with the gases from the system, and the amount of discharged product water possibly plays a role, since this in liquid form in the region of the burner passes and evaporates there and has a corresponding influence on the temperature. Again, this should be considered in an optimized method according to the invention.
  • the preferred use of the method according to the invention lies in its use in a fuel cell system, which electrical power, in particular electrical drive power, providing in a vehicle.
  • electrical power in particular electrical drive power
  • catalytic burner is formed, an emission of hydrogen to the environment, even in the event of leakage, for example between the anode compartment and the
  • the system is therefore not only simple and inexpensive to implement, but also provides a very high level of security.
  • the sole attached figure shows a fuel cell system in a vehicle indicated in principle, which is designed to implement the method according to the invention.
  • a fuel cell system 1 can be seen in a schematic representation. It should be arranged in a vehicle 2 and in particular should provide electrical drive power for the vehicle 2.
  • the core of the fuel cell system 1 is a fuel cell 3, which comprises an anode compartment 4 and a cathode compartment 5. These are in the embodiment of the fuel cell 3 shown here as a PEM fuel cell stack through each
  • Cathode space 5 passes through a turbine 8, in which it is expanded to recover residual energy, back to the environment.
  • Air conveyor 7 are arranged on a common shaft on which additionally an electric machine 9 is arranged.
  • This structure is also called electric turbocharger or ETC (Electric Turbo Charger).
  • ETC Electric Turbo Charger
  • the energy recovered in the turbine 8 directly serves to drive the air conveyor 7 and typically required additional power is provided via the electric machine 9. If, in special situations, the power occurring in the turbine 8 is greater than the power currently required by the air conveyor 7, electrical energy can also be obtained via the electric machine 9 in generator operation, which can then be supplied to other applications, for example , or which can be cached in a battery.
  • a per se known gas / gas humidifier 10 is arranged in the supply air flow between the air conveyor 7 and the cathode compartment 5 and the exhaust air flow between the cathode compartment 7 and the turbine 8.
  • This humidifier 10 may, for example, as a pure humidifier or as a combination of humidifier and
  • Intercooler be formed. It is used for humidifying and / or cooling the supply air in front of the cathode compartment and for this purpose uses the moist and relatively cool exhaust air from the cathode compartment 5.
  • This structure is known per se, so that will not be discussed further here. However, it should also be noted that it is in principle also possible to arrange a charge air cooler and a humidifier independently of each other in the supply air.
  • the anode chamber 4 of the fuel cell 3 is supplied with hydrogen as fuel from a compressed gas reservoir 11.
  • the hydrogen passes through a pressure regulating and metering valve 12 into the anode chamber 4.
  • exhaust gas from the anode chamber 4 is via a recirculation line 13 and a recirculation conveyor 14 again
  • Anode space 4 of the fuel cell 3 a This structure is also referred to as anode recirculation. Now it is with such an anode recirculation that with time, water and inert gases, which through the proton exchange membranes 6 from
  • Cathode space 5 are diffused into the anode compartment 4, accumulate. Since the volume in the anode recirculation is constant, this inevitably reduces the concentration of hydrogen, so that the performance of the fuel cell 3 decreases. It is therefore customary, for example from time to time or as a function of a substance concentration, for example the nitrogen concentration in the recirculation line 13, to discharge gases and optionally water from the anode recirculation.
  • a drain line 15 with a drain valve 16 is shown in the figure.
  • the drained gas contains In addition to inert gases, especially nitrogen, always a residual amount of hydrogen, which is inevitable in the described structure.
  • the discharge line 15 while in the flow direction of the exhaust air from the cathode compartment 5 in front of a catalytic burner 17 in an exhaust duct 8.
  • Anode recirculation then flow together into the catalytic burner 17 and are catalytically converted in this, wherein the residual hydrogen in the exhaust gas from the anode chamber 4 reacts with the residual oxygen in the exhaust gas from the cathode chamber 5 accordingly.
  • the exhaust gas is thus heated and the hydrogen contained is thermally converted, so that hydrogen emissions to the environment can be safely and reliably avoided.
  • the heated exhaust gas then flows over the turbine 8 and is expanded in the turbine 8. At least part of the energy introduced by the heating of the exhaust gas into the combustion exhaust gases of the catalytic burner 17 can thus be recovered in the region of the turbine 8.
  • the fuel cell system 1 in the vehicle 2 now also has at least one control unit 19, which at least with a temperature sensor 20 in
  • the temperature sensor 20 is formed for determining the temperature of the combustion exhaust gases of the catalytic burner 17 and preferably arranged in the flow direction immediately after the catalytic burner 17.
  • an electric heater 21 may also be provided in the catalytic burner 17 be to safely and reliably warm it to operating temperature as needed.
  • Temperature sensor 20 which preferably as a simpler and cheaper Temperature sensor is placed in the combustion exhaust gases, the temperature of the combustion gases can be monitored. In the exemplary embodiment shown here, this temperature ultimately depends on the quantity and temperature of the exhaust air as well as the amount and temperature and the hydrogen content in the exhaust gases from the anode chamber 4. If these are supplied discontinuously via the discharge valve 16, correspondingly fluctuating temperature values occur. If an aperture is used as an alternative to the discharge valve 16, then significantly more constant temperature values result.
  • Fuel cell system 1 from.
  • numerous optional sensors 22 are shown in the illustration of the figure, which, for example, in the area of the air conveyor 7, the electric heater 21, the fuel cell 3 itself, the recirculation conveyor 14, the pressure regulating and metering valve 12 or for detecting the Condition of the drain valve 16 are arranged in the area. All these sensors provide the control unit 19, if desired, corresponding
  • Fuel cell system 1 are triggered. At the same time, the leaked hydrogen in the catalytic burner 17 is completely reacted, so that emission of hydrogen to the environment can be surely and reliably prevented.
  • Temperature in front of the catalytic burner 17 are detected, in particular ideally immediately before the catalytic burner 17.
  • a temperature difference between the temperature sensors 23 and 20 thus enables a determination of the registered in the catalytic burner 17 temperature, which directly from that in the catalytic burner 17 dependent hydrogen concentration, so that - largely independent of other operating parameters - from the
  • Temperature difference can be deduced very easily and efficiently to the hydrogen concentration. If this exceeds a critical value, then the temperature difference also exceeds a predetermined limit value
  • Temperature difference and a corresponding warning message and / or a shutdown of the fuel cell system 1 can be triggered.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erfassen einer kritischen Wasserstoffkonzentration im Abgas eines Brennstoffzellensystems (1), bei welchem Abgas aus einem Anodenraum (4) einer Brennstoffzelle (3) über einen Brenner (17) nachverbrannt wird. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur der Verbrennungsabgase erfasst wird, wobei die Temperatur der Verbrennungsabgase mit einem vorgegebenen Grenzwert verglichen wird, wonach bei einer Temperatur der Verbrennungsabgase oberhalb des Grenzwerts von einer kritischen Wasserstoffkonzentration ausgegangen wird.

Description

Verfahren zum Erfassen einer kritischen Wasserstoffkonzentration
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erfassen einer kritischen
Wasserstoffkonzentration im Abgas eines Brennstoffzellensystems nach der im
Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art. Außerdem betrifft die Erfindung die Verwendung eines derartigen Verfahrens.
Bei Brennstoffzellensystemen, und insbesondere bei Brennstoffzellensystemen, welche für Fahrzeugantriebe eingesetzt werden, stellt die Gefahr einer eventuellen
Wasserstoffemission ein erhebliches Sicherheitsrisiko dar. Aus diesem Grund sind im Abgas von Brennstoffzellensystemen typischerweise Wasserstoffsensoren angeordnet, welche einen eventuellen Austritt von Wasserstoff über das Abgas, beispielsweise aufgrund des Versagens von Dichtungen oder Membranen in der Brennstoffzelle, sicher und zuverlässig detektieren können, um so eine entsprechende Warnmeldung bzw. einen Alarm auszulösen und das Brennstoffzellensystem gegebenenfalls abzuschalten.
So ist beispielsweise aus der EP 1 990 858 B1 ein Brennstoffzellensystem mit einem Abgassystem bekannt. Dabei ist in dem Abgassystem ein Wasserstoffsensor
vorgesehen, welcher mit einem Steuergerät in Verbindung steht. Der Sensor ist dabei als katalytischer Sensor ausgebildet, welcher zwei unterschiedliche Messstrecken für den elektrischen Widerstand aufweist, wobei diese temperaturabhängig ausgebildet sind. Im Bereich einer der Messstrecken ist ein katalytisch aktives Material angeordnet, welches bei Anwesenheit von Wasserstoff durch eine Umsetzung des Wasserstoffs mit
Luftsauerstoff bzw. Restsauerstoff in der Abluft der Brennstoffzelle erwärmt wird. Durch die eine Temperaturdifferenz wiedergebende Widerstandsdifferenz zwischen den beiden Messstrecken lässt sich so die Anwesenheit von Wasserstoff erfassen. Ein prinzipbedingter Nachteil besteht darin, dass Wasserstoffemissionen zwar erfasst, nicht jedoch verhindert werden können.
Alternative Typen von Wasserstoffsensoren sind aus dem allgemeinen Stand der Technik ebenfalls bekannt und an in etwa derselben Stelle des Brennstoffzellensystems allgemein bekannt und üblich.
Die Problematik liegt nun darin, dass Wasserstoffsensoren typischerweise sehr aufwändig und teuer in der Herstellung sind und dass sie oft störanfällig sind, sodass durch eine Fehlfunktion des Wasserstoffsensors gegebenenfalls sicherheitskritische Situationen auftreten können. Diese herkömmlichen Systeme sind also sowohl hinsichtlich der Sicherheit als auch hinsichtlich der Störanfälligkeit und der Kosten mit erheblichen Nachteilen behaftet.
Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zum Erfassen einer kritischen Wasserstoffkonzentration im Abgas eines Brennstoffzellensystems anzugeben, welches diese Nachteile vermeidet und einen einfachen, kostengünstigen und sehr sicheren Aufbau ermöglicht.
Bei Brennstoffzellensystemen, insbesondere bei Brennstoffzellensystemen in
Fahrzeugen, ist es häufig so, dass wasserstoffhaltige Restgase über einen Brenner nachverbrannt werden, um Wasserstoffemissionen an die Umgebung sicher und zuverlässig zu unterbinden. Das erfindungsgemäße Verfahren nutzt nun ein derartiges System, indem es die Temperatur der Verbrennungsabgase nach einem derartigen Brenner erfasst und mit einem vorgegebenen Grenzwert vergleicht. Über einen sehr einfachen, zuverlässigen und kostengünstig erhältlichen handelsüblichen
Temperatursensor lässt sich so durch eine Temperaturüberwachung der
Verbrennungsabgase eine kritische Wasserstoffkonzentration im Abgas des
Brennstoffzellensystems detektieren. Steigt die Temperatur über einen vorgegebenen Grenzwert, welcher statisch oder insbesondere dynamisch in Abhängigkeit des
Betriebszustands des Brennstoffzellensystems vorgegeben wird, dann muss im Bereich der Verbrennung mehr Brennstoff vorliegen, als erwartet. Dieser Brennstoff wird in dem Brennstoffzellensystem typischerweise Wasserstoff sein, welcher durch eine eventuelle Undichtheit in diesen Bereich gelangt. Dieser Wasserstoff wird durch die Erhöhung der Temperatur über den vorgegebenen Grenzwert erkannt, sodass entsprechende Warnmeldungen und/oder eine Systemabschaltung ausgelöst werden können. Anders als bei den Aufbauten gemäß dem Stand der Technik wird der Wasserstoff gleichzeitig durch die Verbrennung in den Brenner aufgebraucht, sodass trotz des innerhalb des System bestehenden Wasserstofflecks, welches ursächlich für die Konzentrationserhöhung ist, Emissionen von Wasserstoff an die Umgebung sicher und zuverlässig vermieden werden können. Das System ist damit sehr einfach, sicher und zuverlässig.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann es außerdem vorgesehen sein, dass das Abgas aus dem Anodenraum zusammen mit Abluft aus dem Kathodenraum der Brennstoffzelle nachverbrannt wird. Diese Nachverbrennung des Abgases aus dem Anodenraum der Brennstoffzelle zusammen mit der Abluft aus dem Kathodenraum der Brennstoffzelle ist besonders einfach und effizient, da hierbei für die Verbrennung kein eigener Volumenstrom an Sauerstoff gefördert werden muss, sondern der Restsauerstoff in dem durch die Brennstoffzelle bzw. ihren Kathodenraum geförderte Volumenstrom verwendet werden kann. Darüber hinaus bietet diese
Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens einen weiteren Sicherheitsvorteil, da nicht nur erhöhte Wasserstoffkonzentrationen im Abgas aus dem Anodenraum, sondern auch erhöhte Wasserstoffkonzentrationen im Abgas aus dem Kathodenraum detektiert werden können. Eventuelle Undichtheiten, beispielsweise in den Membranen der bevorzugt als PEM-Brennstoffzelle ausgebildeten Brennstoffzelle, welche zu einem Wasserstoffübertritt vom Anodenraum in den Kathodenraum führen können, können so ebenfalls sicher und zuverlässig detektiert werden. Auch hier wird der mit der Abluft aus der Brennstoffzelle ausgetragene Wasserstoff einerseits detektiert und andererseits durch die Verbrennung aufgebraucht werden, sodass auch hier Wasserstoffemissionen an die Umgebung sicher und zuverlässig vermieden werden.
In einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann als Brenner dabei ein katalytischer Brenner verwendet werden. Ein solcher katalytischer Brenner ist hinsichtlich eventueller Schwankungen im Angebot an Brennstoff vergleichsweise unkritisch und kann, sofern er eine gewisse Betriebstemperatur aufweist, für eine sichere und zuverlässige Umsetzung des Wasserstoffs sorgen, ohne dass eine Zündung oder dergleichen erfolgen müsste.
In einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann es außerdem vorgesehen sein, dass zusätzlich die Temperatur der Abgase aus dem Anodenraum und gegebenenfalls dem Kathodenraum oder bevorzugt ihres Gemischs, vor dem Brenner erfasst wird, wonach eine Temperaturdifferenz zwischen der
Temperatur der Verbrennungsabgase und der Temperatur der Abgase vor dem Brenner gebildet und mit dem vorgegebenen Grenzwert verglichen wird. Eine solche Messung von zwei oder gegebenenfalls auch drei Temperaturen, bei einer getrennten Zuführung der Abgase zum Brenner, ermöglicht eine besonders einfache und effiziente Ermittlung einer über den Brenner aufgetretenen Temperaturdifferenz. Die Messung ist dabei weitgehend unabhängig von dem Betriebsverhalten des Brennstoffzellensystems, welches in den vorgegebenen Grenzwert der Temperatur bei lediglich einer Temperaturmessstelle nach dem Brenner entsprechend einfließen muss. Durch die Verwendung von zwei
Temperatursensoren wird diese Problematik sehr einfach und effizient umgangen, wobei der zweite Temperatursensor ebenfalls sehr einfach als herkömmlicher
Temperatursensor, vorzugsweise in einem Gemisch der beiden Abgase, unmittelbar vor dem Brenner angeordnet sein kann.
In einer günstigen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann es darüber hinaus vorgesehen sein, dass eine sich aus einer eventuellen elektrischen Beheizung des Brenners ergebende Temperaturerhöhung im Fall der elektrischen Beheizung bei der Vorgabe des Grenzwerts, der Temperatur der Verbrennungsabgase und/oder der Temperaturdifferenz berücksichtigt wird. Eine solche elektrische Beheizung des Brenners ist insbesondere bei katalytischen Brennern durchaus üblich, um diese beispielsweise im Kaltstartfall oder bei sehr niedrigen Umgebungstemperaturen schnell auf
Betriebstemperatur zu bringen. Hierdurch wird in diesen Fällen eine sichere und zuverlässige Umsetzung des Wasserstoffs an dem katalytischen Brenner ermöglicht. Durch die elektrische Beheizung wird jedoch Temperatur in die Verbrennungsabgase mit eingetragen, sodass der über die elektrische Beheizung eingetragene Temperatursprung entweder beim Vorgabewert und/oder bei der Temperatur der Verbrennungsabgase beziehungsweise der Temperaturdifferenz, je nachdem, welcher Wert sich über einen geeigneten Softwareeingriff am einfachsten verändern lässt, berücksichtigt werden muss.
Weitere Größen, welche hier ebenfalls berücksichtigt werden können/sollten, und zwar insbesondere dann, wenn lediglich die Temperatur der Verbrennungsabgase erfasst wird, können beispielsweise die Menge und/oder die Temperatur der aktuell zudosierten Edukte, also der aktuell zudosierten Luft und des aktuell zudosierten Wasserstoffs, zu der Brennstoffzelle sein. Dabei kann auch eine zeitliche Verzögerung berücksichtigt werden, da die aktuell zudosierten Edukte erst nach einer gewissen Verzögerungszeit als
Produkte die Brennstoffzelle wieder verlassen und in den Bereich des Brenners gelangen.
Ergänzend oder alternativ dazu kann auch ein Schaltzustand eines Ablassventils und/oder eines Druckhalteventils im Anodenabgas berücksichtigt werden. Insbesondere bei der Verwendung einer Anodenrezirkulation ist es allgemein üblich, dass über ein Ablassventil, ein sogenanntes Purge-Ventil, beispielsweise von Zeit zu Zeit oder in Abhängigkeit einer Stickstoffkonzentration in dem Anodenkreislauf Abgas aus dem Anodenkreislauf abgelassen wird. Dieses Abgas enthält immer auch eine gewisse Menge an Restwasserstoff. Damit ist es, insbesondere wenn lediglich die Temperatur der Verbrennungsabgase erfasst wird, entscheidend, ob über das Ablassventil gerade wasserstoffhaltiges Abgas aus dem Anodenkreislauf in den Bereich des Brenners gelangt oder nicht, da dies selbstverständlich einen Einfluss auf die Temperatur haben wird. Die Kenntnis des Schaltzustands und des mit diesem Schaltzustand einhergehenden
Volumenstroms an Abgas sollte somit berücksichtigt werden, wobei beispielsweise aus einem Kennfeld oder dergleichen die typischerweise in diesem Abgas aus dem
Anodenkreislauf enthaltene Menge an Wasserstoff abgeschätzt werden kann, womit sich auch die hierdurch verursachte Temperaturerhöhung kalkulieren lässt. Vergleichbares gilt für ein eventuelles Druckhalteventil bei einem sogenannten Near-Dead-End-Betrieb der Brennstoffzelle bzw. ihres Anodenraums, bei welchem beispielsweise kontinuierlich oder ebenfalls diskontinuierlich Wasserstoff, welcher im Anodenraum nicht umgesetzt werden konnte, als Anodenabgas abgelassen wird.
Ergänzend oder zusätzlich kann außerdem eine mit dem Abgas aus dem Anodenraum ausgetragene Menge an Produktwasser, insbesondere bei einem diskontinuierlichen Austrag, entsprechend berücksichtigt werden. Da neben inerten Gasen, insbesondere bei der Verwendung einer Anodenrezirkulation auch Produktwasser anfällt, und da dieses häufig zusammen mit den Gasen aus dem System abgelassen wird, spielt auch die Menge an ausgetragenem Produktwasser gegebenenfalls eine Rolle, da dieses in flüssiger Form in den Bereich des Brenners gelangt und dort verdampft und auf die Temperatur einen entsprechenden Einfluss hat. Auch dies sollte bei einem optimierten Verfahren gemäß der Erfindung berücksichtigt werden.
Die bevorzugte Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt dabei in ihrem Einsatz in einem Brennstoffzellensystem, welches elektrische Leistung, insbesondere elektrische Antriebsleistung, in einem Fahrzeug bereitstellt. Insbesondere bei derartigen Brennstoffzellensystemen in Fahrzeugen, welche jeweils vergleichsweise klein aufgebaut und in entsprechend hohen Stückzahlen angedacht sind, ist es entscheidend, dass ein sehr zuverlässiger und kostengünstiger Weg realisiert wird, um kritische
Wasserstoffkonzentrationen zu detektieren. Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist dies möglich. Gleichzeitig wird aufgrund des Brenners, welcher bevorzugt als
katalytischer Brenner ausgebildet ist, eine Emission von Wasserstoff an die Umgebung, auch im Falle einer Leckage beispielsweise zwischen dem Anodenraum und dem
Kathodenraum der Brennstoffzelle, sicher und zuverlässig verhindert. Das System ist daher nicht nur einfach und kostengünstig zu realisieren, sondern gewährt auch ein sehr hohes Maß an Sicherheit.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus den restlichen abhängigen Ansprüchen und werden anhand des
Ausführungsbeispiels deutlich, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figur näher beschrieben ist.
Die einzige beigefügte Figur zeigt ein Brennstoffzellensystem in einem prinzipmäßig angedeuteten Fahrzeug, welches zur Umsetzung des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgebildet ist.
In der Darstellung der Figur ist ein Brennstoffzellensystem 1 in einer prinzipmäßigen Darstellung zu erkennen. Es soll in einem Fahrzeug 2 angeordnet sein und soll insbesondere elektrische Antriebsleistung für das Fahrzeug 2 bereitstellen. Kern des Brennstoffzellensystems 1 ist dabei eine Brennstoffzelle 3, welche einen Anodenraum 4 und einen Kathodenraum 5 umfasst. Diese sind in der hier dargestellten Ausgestaltung der Brennstoffzelle 3 als PEM-Brennstoffzellenstack jeweils durch
Protonenaustauschmembranen 6 voneinander getrennt. In der Darstellung ist lediglich einer der Anodenräume 4, einer der Kathodenräume 5 und eine der Membranen 6 exemplarisch angedeutet. Über eine Luftfördereinrichtung 7 wird dem Kathodenraum 5 der Brennstoffzelle 3 Luft als Sauerstofflieferant zugeführt. Die Abluft aus dem
Kathodenraum 5 gelangt über eine Turbine 8, in welcher sie zur Rückgewinnung von Restenergie entspannt wird, wieder an die Umgebung. Die Turbine 8 und die
Luftfördereinrichtung 7 sind dabei auf einer gemeinsamen Welle angeordnet, auf welcher zusätzlich noch eine elektrische Maschine 9 angeordnet ist. Dieser Aufbau wird auch als elektrischer Turbolader oder ETC (Electric Turbo Charger) bezeichnet. Die in der Turbine 8 zurückgewonnene Energie dient unmittelbar zum Antreiben der Luftfördereinrichtung 7 und typischerweise benötigte zusätzliche Lleistung wird über die elektrische Maschine 9 bereitgestellt. Kommt es in Sondersituationen dazu, dass die in der Turbine 8 anfallende Leistung größer ist als die von der Luftfördereinrichtung 7 aktuell benötigte Leistung, dann kann über die elektrische Maschine 9 im generatorischen Betrieb auch elektrische Energie gewonnen werden, welche dann beispielsweise anderen Anwendungen zugeführt werden kann, oder welche in einer Batterie zwischengespeichert werden kann.
In dem Zuluftstrom zwischen der Luftfördereinrichtung 7 und dem Kathodenraum 5 sowie dem Abluftstrom zwischen dem Kathodenraum 7 und der Turbine 8 ist außerdem ein an sich bekannter Gas/Gas-Befeuchter 10 angeordnet. Dieser Befeuchter 10 kann beispielsweise als reiner Befeuchter oder als Kombination aus Befeuchter und
Ladeluftkühler ausgebildet sein. Er dient zum Befeuchten und/oder Abkühlen der Zuluft vor dem Kathodenraum und nutzt hierfür die feuchte und vergleichsweise kühle Abluft aus dem Kathodenraum 5. Dieser Aufbau ist an sich bekannt, sodass hierauf nicht näher eingegangen wird. Es soll jedoch noch angemerkt werden, dass es prinzipiell auch möglich ist, einen Ladeluftkühler und einen Befeuchter unabhängig voneinander in dem Zuluftstrom anzuordnen.
Dem Anodenraum 4 der Brennstoffzelle 3 wird Wasserstoff als Brennstoff aus einem Druckgasspeicher 11 zugeführt. Der Wasserstoff gelangt über ein Druckregel- und Dosierventil 12 in den Anodenraum 4. Abgas aus dem Anodenraum 4 wird über eine Rezirkulationsleitung 13 sowie eine Rezirkulationsfördereinrichtung 14 wieder
zurückgeführt und strömt zusammen mit dem frischen Wasserstoff erneut in den
Anodenraum 4 der Brennstoffzelle 3 ein. Dieser Aufbau wird auch als Anodenrezirkulation bezeichnet. Nun ist es bei einer solchen Anodenrezirkulation so, dass sich mit der Zeit Wasser und inerte Gase, welche durch die Protonenaustauschmembranen 6 vom
Kathodenraum 5 in den Anodenraum 4 diffundiert sind, anreichern. Da das Volumen in der Anodenrezirkulation konstant ist, sinkt hierdurch unweigerlich die Konzentration an Wasserstoff, sodass die Performance der Brennstoffzelle 3 nachlässt. Deshalb ist es üblich, beispielsweise von Zeit zu Zeit oder in Abhängigkeit einer Stoff konzentration, beispielsweise der Stickstoffkonzentration in der Rezirkulationsleitung 13, Gase und gegebenenfalls Wasser aus der Anodenrezirkulation abzulassen. Hierfür ist in der Figur eine Ablassleitung 15 mit einem Ablassventil 16 dargestellt. Das abgelassene Gas enthält dabei neben Inertgasen, insbesondere Stickstoff, immer auch eine Restmenge an Wasserstoff, was bei dem beschriebenen Aufbau unvermeidlich ist. Um
Wasserstoffemissionen an die Umgebung zu verhindern und die im Wasserstoff enthaltene Energie nicht zu verschwenden, mündet in dem hier dargestellten
Ausführungsbeispiel die Ablassleitung 15 dabei in Strömungsrichtung der Abluft aus dem Kathodenraum 5 vor einem katalytischen Brenner 17 in eine Abluftleitung 8. Die Abluft aus dem Kathodenraum 5 sowie das Abgas aus dem Anodenraum 4 bzw. der
Anodenrezirkulation strömen dann gemeinsam in den katalytischen Brenner 17 ein und werden in diesem katalytisch umgesetzt, wobei der Restwasserstoff im Abgas aus dem Anodenraum 4 mit dem Restsauerstoff im Abgas aus dem Kathodenraum 5 entsprechend reagiert. Das Abgas wird damit erwärmt und der enthaltene Wasserstoff wird thermisch umgesetzt, sodass Wasserstoffemissionen an die Umgebung sicher und zuverlässig vermieden werden können. Das erwärmte Abgas strömt dann über die Turbine 8 und wird in der Turbine 8 entspannt. Zumindest ein Teil der durch die Erwärmung des Abgases in die Verbrennungsabgase des katalytischen Brenners 17 eingetragenen Energie kann somit im Bereich der Turbine 8 zurückgewonnen werden.
Das Brennstoffzellensystem 1 in dem Fahrzeug 2 weist nun außerdem wenigstens ein Steuergerät 19 auf, welches zumindest mit einem Temperatursensor 20 in
Kommunikationsverbindung steht, wobei der Temperatursensor 20 zur Ermittlung der Temperatur der Verbrennungsabgase des katalytischen Brenners 17 ausgebildet und bevorzugt in Strömungsrichtung unmittelbar nach dem katalytischen Brenner 17 angeordnet ist.
Damit der katalytische Brenner 17 auch bei schwierigen Umgebungstemperaturen und insbesondere bei einem Kaltstart des Brennstoffzellensystems 1 bei sehr niedrigen Umgebungstemperaturen, beispielsweise Umgebungstemperaturen unterhalb des Gefrierpunkts, sicher und zuverlässig startet und den Wasserstoff zuverlässig umsetzt, kann außerdem eine elektrische Beheizung 21 in dem katalytischen Brenner 17 vorgesehen sein, um diesen bei Bedarf sicher und zuverlässig auf Betriebstemperatur zu erwärmen.
Dieser Aufbau mit Ausnahme des Temperatursensors 20 ist dabei prinzipiell aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt. Nun ist so, dass durch den zusätzlichen
Temperatursensor 20, welcher bevorzugt als einfacher und kostengünstiger Temperatursensor in den Verbrennungsabgasen platziert wird, die Temperatur der Verbrennungsabgase überwacht werden kann. Diese Temperatur hängt in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel letztlich von der Menge und Temperatur der Abluft sowie der Menge und Temperatur und dem Wasserstoffgehalt in den Abgasen aus dem Anodenraum 4 zusammen. Werden diese über das Ablassventil 16 diskontinuierlich zugeführt, kommt es zu entsprechend schwankenden Temperaturwerten. Ist alternativ zum Ablassventil 16 eine Blende eingesetzt, dann ergeben sich deutlich konstantere Temperaturwerte.
Die Temperaturwerte hängen dabei immer von den Betriebsparametern des
Brennstoffzellensystems 1 ab. Um diese zu erfassen, sind in der Darstellung der Figur zahlreiche optionale Sensoren 22 eingezeichnet, welche beispielsweise im Bereich der Luftfördereinrichtung 7, der elektrischen Beheizung 21 , der Brennstoffzelle 3 selbst, der Rezirkulationsfördereinrichtung 14, des Druckregel- und Dosierventils 12 oder auch zur Erfassung des Zustande des Ablassventils 16 in dessen Bereich angeordnet sind. All diese Sensoren liefern dem Steuergerät 19, sofern gewünscht, entsprechende
Informationen, welche letztlich eine Aussage über die zu erwartende Temperatur der Verbrennungsabgase ermöglichen. Ist die Temperatur der Verbrennungsabgase im Bereich des Temperatursensors 20 unterhalb oder gleich eines solchen vorgegebenen erwarteten Temperaturwerts, dann funktioniert das Brennstoffzellensystem 1 korrekt. Steigt sie über einen solchen vorgegebenen Wert hinaus an, dann muss dies einen entsprechenden Grund haben. Da in dem Brennstoffzellensystem 1 als Brennstoff lediglich Wasserstoff aus dem Druckgasspeicher 11 vorliegt, muss der Grund letztlich darin liegen, dass beispielsweise über Leckagen oder dergleichen mehr Wasserstoff in den Bereich des katalytischen Brenners 17 gelangt, als erwartet. Damit liegt eine unerwünscht hohe Wasserstoffkonzentration vor, was ein eindeutiges Indiz für ein Problem beispielsweise im Bereich des Ablassventils 16 oder insbesondere im Bereich der Brennstoffzelle 3 selbst, beispielsweise eine Undichtheit durch eine gerissene Protonenaustauschmembran 6 oder dergleichen, sein kann. Über das Steuergerät 19 kann dann eine Sicherheitswarnung oder bei Bedarf eine Notabschaltung des
Brennstoffzellensystems 1 ausgelöst werden. Gleichzeitig wird der ausgetretene Wasserstoff im katalytischen Brenner 17 vollständig umgesetzt, sodass eine Emission von Wasserstoff an die Umgebung sicher und zuverlässig verhindert werden kann. Ergänzend oder alternativ zu der Vielzahl der genannten Sensoren 22 ist es nun auch möglich, über einen sehr einfachen weiteren Temperatursensor 23 im Bereich der Abluftleitung 18 anzuordnen, bevorzugt nachdem diese mit der Ablassleitung 15 zusammengeführt worden ist. Über diesen Temperatursensor 23 kann nun die
Temperatur vor dem katalytischen Brenner 17 erfasst werden, insbesondere in idealer Weise unmittelbar vor dem katalytischen Brenner 17. Eine Temperaturdifferenz zwischen den Temperatursensoren 23 und 20 ermöglicht so eine Feststellung über die im katalytischen Brenner 17 eingetragene Temperatur, welche unmittelbar von der im Bereich des katalytischen Brenners 17 vorliegenden Wasserstoffkonzentration abhängt, sodass - weitgehend unabhängig von anderen Betriebsparametern - aus der
Temperaturdifferenz sehr einfach und effizient auf die Wasserstoffkonzentration zurückgeschlossen werden kann. Überschreitet diese einen kritischen Wert, dann überschreitet auch die Temperaturdifferenz einen vorgegebenen Grenzwert der
Temperaturdifferenz und eine entsprechende Warnmeldung und/oder eine Abschaltung des Brennstoffzellensystems 1 kann ausgelöst werden.
Ist nun die elektrische Beheizung 21 im Bereich des katalytischen Brenners 17 eingeschaltet, so hat natürlich auch diese einen entsprechenden Einfluss auf die
Temperatur 20 und anders als die meisten anderen Betriebsparameter natürlich auch auf die Temperaturdifferenz zwischen den Temperatursensoren 23 und 20. Im Falle der eingeschalteten elektrischen Beheizung 21 muss also zwingend über den Sensor 22 im Bereich der elektrischen Beheizung 21 beispielsweise die elektrische Heizleistung erfasst werden, um so auf die in den katalytischen Brenner 17 eingetragene Temperatur rückschließen zu können und diese bei der Berechnung der Temperaturdifferenz zwischen den Temperatursensoren 23 und 20 entsprechend mit zu berücksichtigen. Hierdurch lässt sich trotz der elektrischen Beheizung 21 auch dann einfach und zuverlässig über eine Temperaturmessung zumindest nach, bevorzugt jedoch vor und nach dem katalytischen Brenner 17 ein Rückschluss auf eine eventuell kritische
Wasserstoff konzentration in dem Brennstoffzellensystem 1 ziehen.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Erfassen einer kritischen Wasserstoffkonzentration im Abgas eines Brennstoffzellensystems (1 ), bei welchem Abgas aus einem Anodenraum (4) einer Brennstoffzelle (3) über einen Brenner (17) nachverbrannt wird,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Temperatur der Verbrennungsabgase erfasst wird, wobei die Temperatur der Verbrennungsabgase mit einem vorgegebenen Grenzwert verglichen wird, wonach bei einer Temperatur der Verbrennungsabgase oberhalb des Grenzwerts von einer kritischen Wasserstoffkonzentration ausgegangen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Abgas aus dem Anodenraum (4) zusammen mit Abluft aus dem Kathodenraum (5) der Brennstoffzelle (3) nachverbrannt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
als Brenner ein katalytischer Brenner (17) verwendet wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, dass
zusätzlich die Temperatur der Abgase aus dem Anodenraum (4) und
gegebenenfalls dem Kathodenraum (5) oder bevorzugt ihres Gemischs, vor dem Brenner (17) erfasst wird, wonach eine Temperaturdifferenz zwischen der
Temperatur der Verbrennungsabgase und der Temperatur der Abgase vor dem Brenner (17) gebildet und mit dem vorgegebenen Grenzwert verglichen wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, dass
eine sich aus einer eventuellen elektrischen Beheizung (21 ) des Brenners (17) ergebende Temperaturerhöhung im Falle der elektrischen Beheizung bei der Vorgabe des Grenzwerts, der Temperatur der Verbrennungsabgase und/oder der Temperaturdifferenz berücksichtigt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Menge und/oder die Temperatur der aktuell oder zeitlich um eine Vorlaufzeit versetzt zudosierten Edukte zu der Brennstoffzelle (3) bei der Vorgabe des Grenzwerts, der Temperatur der Verbrennungsabgase und/oder der
Temperaturdifferenz berücksichtigt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, dass
ein Schaltzustand eines Ablassventils (16) und/oder eines Druckhalteventils in dem Abgas des Anodenraums (4) bei der Vorgabe des Grenzwerts, der Temperatur der Verbrennungsabgase und/oder der Temperaturdifferenz berücksichtigt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, dass
eine mit dem Abgas aus dem Anodenraum (4) ausgetragene Menge an
Produktwasser, insbesondere bei diskontinuierlichem Austrag, bei der Vorgabe des Grenzwerts, der Temperatur der Verbrennungsabgase und/oder der
Temperaturdifferenz berücksichtigt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, dass
bei einer kritischen Wasserstoffkonzentration eine Warnmeldung ausgegeben und/oder das Brennstoffzellensystem (1 ) abgeschaltet wird.
10. Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9, in einem
Brennstoffzellensystem (1 ), welches elektrische Leistung, insbesondere elektrische Antriebsleistung, in einem Fahrzeug (2) bereitstellt.
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