WO2014114434A1 - Verfahren zum betreiben eines brennstoffzellensystems - Google Patents

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WO2014114434A1
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Michael Oszcipok
Holger Richter
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Definitions

  • the invention relates to a method for operating a fuel cell system according to the closer defined in the preamble of claim 1. Art Furthermore, the invention relates to a fuel cell system according to the closer defined in the preamble of claim 10.
  • DE 10 2010 053 628 A1 is an operating method for a fuel cell with a hydrogen additive according to the
  • Fuel cell located either used or diffused by the structure of the fuel cell to the outside. After a while, therefore, is in the
  • Anode space of the fuel cell no hydrogen present.
  • nitrogen is left over which, during operation, is typically diffused by the membranes of the fuel cell from the cathode space into the anode space.
  • atmospheric oxygen will collect in the anode compartment of the fuel cell, which also diffuses through the membranes or penetrates through leaks in the construction of the fuel cell, even when the anode compartment is shut off. If it comes to a start in the fuel cell, then is in the starting phase both in the
  • Fuel cell forms with hydrogen flowing in at startup
  • Hydrogen for example, depending on a timing scheme or of
  • the object of the present invention is now to provide a method for operating a fuel cell system, which avoids the disadvantages mentioned and very simple and energy efficient causes a reduction in the degradation of the catalyst of the fuel cell. Moreover, it is the object of the invention to provide a fuel cell system in which such a method can be carried out particularly simply and efficiently.
  • the solution according to the invention provides that the supply of hydrogen in
  • a pressure difference or a pressure ratio takes place.
  • the anode chamber and optionally connected to the anode compartment line elements and / or components are shut off from the environment during the standstill phase and thus formed substantially tightly against the environment. If there is now a reacting of the existing hydrogen, for example with oxygen, which has diffused into the region of the anode space, on the electrocatalyst of the anode space, then the pressure in the anode space and optionally in the line elements and / or components connected thereto drops. Such a drop in pressure is therefore a measure of the fact that hydrogen has been used up in the anode compartment.
  • the measurement of the pressure can be done directly as a pressure value.
  • Hydrogen is then replenished as a function of a pressure value, in such a way that Hydrogen is always added after the pressure value has fallen below a predetermined pressure value, in particular if a corresponding negative pressure has formed in the anode chamber, in which case metering takes place when the pressure falls below a predetermined pressure value.
  • the pressure can be detected indirectly as a pressure difference between the anode side and the cathode side or as a quotient or ratio of the pressures on the anode side and the cathode side.
  • the replenishment takes place in this case when exceeding or falling below a predetermined limit.
  • the pressure but in particular the pressure difference between the anode side and the cathode side or the quotient of the pressures on the anode side and cathode side, which shows a very similar behavior as the pressure difference, in addition to the pure detection of the pressure, and thus ultimately the detection of a eventual leakage in the system, a recording of the state of the
  • Proton exchange membrane between the anode side and the cathode side is typically more or less swollen, which has an influence on the thickness of the proton exchange membrane.
  • pressure measurements or a differential pressure measurement are extremely simple, efficient and less prone to failure.
  • the inventive method can be used both in a fuel cell, which is operated in the so-called dead-end or near-dead-end operation, as well as in a fuel cell, which is equipped with such an anode recirculation, so a return of exhaust gas the anode compartment to the entrance of the anode compartment.
  • a recirculation conveying device in particular if it is designed as a fan, is started for a short time in order to achieve mixing of the volume in the line elements and the anode space and thus to ensure that a uniform flow is achieved Mixture of hydrogen and optionally in the anode compartment penetrated oxygen is present, so that it can react as efficiently as possible.
  • Pressure difference and / or the pressure ratio is monitored.
  • the hydrogen dosage then takes place as a function of this time course.
  • Such a time course is under the conditions described above, when the hydrogen is used up, for example, reach a minimum in the pressure curve and increases again from the minimum pressure in the anode chamber to a maximum of the ambient pressure.
  • the course may also be reversed, which, however, in principle does not change anything.
  • Such a course can be used ideally to determine the best time to dose hydrogen.
  • the metering of hydrogen always takes place when the time course has passed through a minimum and just starts to increase again.
  • Hydrogen is added. About such a fixed predetermined amount of hydrogen, a very simple method is achieved because no forecasts or the like about the required amount of hydrogen must be precipitated. Rather, it can always be a fixed predetermined small amount of hydrogen are added. Once this is used up, the described behavior of the pressure occurs again, so that a renewed amount of hydrogen can be simply and efficiently replenished.
  • the amount of hydrogen metered in is in each case specified as a function of the period of time since the last metered addition of hydrogen.
  • Such an adaptation allows an adaptive optimization of the supply of hydrogen, since, if correspondingly short time intervals have elapsed since the last metered addition, obviously a very large amount of oxygen is present in the region of the anode space. Then, accordingly, a larger amount of hydrogen can be added, as if a comparatively long time has elapsed since the last metered addition, and accordingly, little oxygen is to be expected in the anode compartment.
  • the required amount of hydrogen and the number of metering steps can be further optimized by a simple time measurement.
  • a cache which can be filled during operation of the fuel cell system, can be held very simple and efficient hydrogen at a comparable pressure level, such as the pressure level of the anode compartment and the fuel cell in operation.
  • a comparable pressure level such as the pressure level of the anode compartment and the fuel cell in operation.
  • Such a quantity which can be stored in a comparatively small intermediate store is completely sufficient for the method according to the invention.
  • the advantage is that the high-pressure tank hydrogen can remain closed when the vehicle is at a standstill and does not have to be opened to replenish hydrogen.
  • the metered addition can take place according to an advantageous development over a very simple and automatically controlling mechanical pressure-dependent valve, so that this pressure-dependent valve always opens from a certain negative pressure on the anode side of the valve and so hydrogen from the buffer into the anode compartment or possibly connected with it Conduit elements and / or components flows.
  • an automatic control is achieved, which manages without electronic intervention and the like. Since the method takes place when the fuel cell system is at a standstill, this is a decisive advantage since the method according to the invention can be carried out without energy being required and the fuel cell can be ideally prepared for restart without additional energy requirement.
  • the method according to the invention can be checked and, if necessary, it can be determined how high the hydrogen concentration is, in order to then carry out a corresponding additional metering of hydrogen again and, if appropriate, according to the result, the predetermined limit values
  • Another very advantageous embodiment of the method according to the invention provides that the metered addition of hydrogen or hydrogen-containing gas takes place pulsating with regard to the volume flow and / or the pressure.
  • a pulsating addition of hydrogen or hydrogen-containing gas makes sense especially if an anode recirculation with a gas jet pump is provided. Since the hydrogen typically serves as a propulsion jet for this gas jet pump, it is ideally metered in via the same path even in the case of subsequent metering at a standstill. The desire would then be that the best possible recirculation occurs, so that the media are mixed in the anode circuit accordingly and the hydrogen comes everywhere or the remaining oxygen in the anode circuit comes together with the hydrogen in the region of the catalyst at the anode. In order to achieve a high recirculation with a small amount of hydrogen, however, the pulsed supply of hydrogen can be used for this purpose. This is known per se from the prior art and is described in more detail for example in DE 10 2004 049 165 B4.
  • an intermediate store via a line element in fluidic contact with the anode space is arranged, wherein in the conduit element, a valve device is arranged.
  • a valve device is arranged in the case of the fuel cell system according to the invention.
  • the valve device can be designed to be pressure-dependent in such a way that it opens below a predetermined pressure on the anode chamber side and therefore closes again.
  • the method according to the invention can be carried out very easily and completely independently of an intervention by control electronics and the like. It can therefore be carried out according to this advantageous development of the method according to the invention without the need for auxiliary power or the like.
  • the fuel cell system When the fuel cell system is at a standstill, for example when a vehicle equipped with the fuel cell system is at standstill, the fuel cell can always be kept safely and reliably in a state which ensures an efficient restart, which does not adversely affect the life of the fuel cell. No control or energy is required for this, so, for example, no controller would have to be "woken up" from time to time to keep the fuel cell system in a safe and reliable restart mode.
  • FIG. 3 shows a detail of a fuel cell system for carrying out the
  • a fuel cell system 1 is shown in a relevant for the present invention section. It should be arranged in a vehicle 2 indicated in principle, where it serves to provide electrical power, in particular electrical drive power.
  • Fuel cell system 1 comprises in the section shown here
  • Fuel cell 3 which is typically designed as a so-called fuel cell stack or fuel cell stack.
  • the fuel cell 3 has a cathode space 4 and an anode space 5.
  • the cathode compartment 4 is connected via a
  • Air supply device 6 supplied air as an oxygen supplier. Exhaust air passes through an exhaust duct 7 from the system. Other components in the supply air section and the exhaust air line 7, such as intercooler, humidifier and the like, are in principle conceivable and known from the general state of the art. They are for the present invention of minor importance and were therefore not shown.
  • Hydrogen is supplied from a compressed gas reservoir 8 via a metering valve 9 to the anode compartment 5 of the fuel cell 3. The hydrogen then passes into the region of the anode space 5 and is typically used up in this part.
  • a recirculation conveyor 11 is provided. This is exemplified here as a gas jet pump, which is driven by the fresh hydrogen flow is formed. She might as well
  • the fuel cell system 1 described so far corresponds to the known from the prior art structures. It will also be like the ones in the art.
  • a pressure sensor 15 is arranged. This pressure sensor 15 supplies a signal about the pressure to a control unit 16. In the stoppage phase of
  • Fuel cell system 1 is then opened via the control unit 16 then the metering valve 9 so as to introduce hydrogen into the region of the anode chamber 5 and the anode chamber 5 and the recirculation line 10.
  • the amount of metered hydrogen may be fixed in the control unit 16, for example.
  • the metered addition takes place, of course, with the discharge valve 14 closed. Since oxygen not only penetrates into the anode compartment 5 through the seals of the fuel cell stack 3 but also frequently diffuses into the anode compartment 5 via the membranes between the cathode compartment 4 and the anode compartment 5, optional valve arrangements 17, 18 may be provided before and after the cathode compartment 4.
  • the cathode compartment 4 is shut off, then the amount of oxygen in the cathode space 4 is limited and the amount of oxygen passing through the membranes of the fuel cell 3 from
  • Cathode space 4 can diffuse into the anode compartment 5 is also limited.
  • the pressure value detected via the pressure sensor 15 or, in particular, a time profile of the pressure detected via the sensor 15 and the control unit 16 then serves to correspondingly control the metered addition of hydrogen.
  • the metered addition can be carried out in a simple embodiment such that whenever the pressure at the pressure sensor 15 drops below a predetermined value, for example below about 0.6 bar negative pressure, a metering of hydrogen is triggered via the control unit 16.
  • a predetermined value for example below about 0.6 bar negative pressure
  • Metered addition of hydrogen via the control unit 16 also carried out so that always the dosage of hydrogen is triggered when a minimum has been passed in the temporal pressure curve.
  • Fuel cell 3 is to be feared.
  • the metered amount of hydrogen can be metered in in particular via the gas jet pump as recirculation conveyor 11 so that the hydrogen is metered pulsating in terms of its volume flow and / or pressure.
  • Pulsed metered addition of the hydrogen in particular when it serves as a propellant gas stream for the recirculation conveyor 11 designed as a gas jet pump, allows a very good recirculation even with a small amount or a small total volume.
  • the improved recirculation through the pulsed addition of the hydrogen which is known from the general state of the art, can therefore be used ideally to achieve a comparatively high recirculation rate despite the very small total amount of hydrogen, so that a reliable
  • Recirculation line 10, and optionally in the water separator 12 on the other hand can be achieved.
  • a similar structure of the fuel cell system 1 can be seen in the illustration of Figure 2.
  • the essential difference from the design shown in FIG. 1 is a second pressure sensor 23, which is likewise connected to the control unit 16 and supplies the pressure on the cathode side, ie the pressure in the region of the cathode space 4 or the supply air or exhaust air line 7.
  • a differential pressure measurement via the two sensors 15, 23 or even a single differential pressure sensor (not shown here) optionally further
  • Pressure sensors 15, 16 formed ratio of the pressure on the anode side and the cathode side allows in addition to a statement for the pressure in the anode compartment 5 at the same time taking into account the pressure in the cathode compartment 4. This allows effects that occur between the anode compartment 5 and the cathode compartment 4, for example Moisture of a proton exchange membrane between the
  • Anode space 5 and the cathode compartment 4 are taken into account. Depending on the moisture of the membrane, it swells to different degrees and therefore, owing to the different thickness of the diffusion of gases through the membrane, encounters a different resistance.
  • the recirculation conveyor 11 is shown here by way of example as a fan. She might as well turn up as
  • the method largely corresponds to the method described, wherein only instead of the pure pressure value, for example, the pressure difference and / or a quotient of the pressures of the two pressure sensors 5, 23 is used.
  • a further alternative variant of the fuel cell system 1 can be seen in the illustration of FIG. The only difference with this structure is that a buffer 20 is connected to the recirculation line 10 via a line element 19. About such a cache 20, the dosage of
  • Control unit alternatively, or possibly also supplementary, is operated to the metering valve 9.
  • the structure in which the buffer 20 during the operation of the fuel cell system 1 with hydrogen-containing anode exhaust gas or directly with Hydrogen, for example, in an arrangement in the region between the metering valve 9 and the anode chamber 5, is filled ensures a simple and safe metered addition of hydrogen. If the amount of hydrogen in the intermediate store 20 is insufficient for very long periods of standstill, a combination of the structures from FIGS. 1 or 2 and 3 can optionally be used, in which case a subsequent metering via the metering valve 9, in the manner described above and way, can be done. The re-dosing could also be done so that the
  • Recirculation conveyor 11 can be used is used.
  • FIGS. 1, 2 and 3 enables a high level of safety, since potential leakages can be detected at least during the monitoring of the time profile of the pressure and the subsequent metering of hydrogen or hydrogen-containing gas can be stopped.
  • FIG. 1 A further embodiment of the fuel cell system 1 can be seen in the illustration of FIG. This is in turn analogous to the representations in Figures 1, 2 and 3 to understand. The only difference is that here on the controller 16 and the pressure sensor 15 can be dispensed with entirely.
  • a valve device is arranged, which is provided in the illustration of Figure 4 by the reference numeral 22. As indicated in the illustration of Figure 4, it should be a pressure-responsive valve 22, in particular a pressure-dependent mechanical valve.
  • the inventive method can be carried out in its simple variant.
  • the line member 19 is always opened when the pressure drops on the anode side of the valve 22 below the design pressure. Then the valve is closed again. If the design-dictated pressure is now specified, for example, at the above-described 0.6 bar negative pressure, then the method can be implemented very simply and efficiently via the mechanical valve, without the need for sensors, a control unit or the like.
  • FIGS. 3 and 4 The structure with the additional intermediate memory 20 is described in FIGS. 3 and 4 in a structure analogous to the representation in FIG. He could

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems (1) mit wenigstens einer Brennstoffzelle (3), welche einen Anodenraum (5) und einen Kathodenraum (4) aufweist, mit Betriebsphasen und Stillstandsphasen, wobei dem Anodenraum (5) oder mit diesem verbundenen Leitungselementen (10) und/oder Komponenten (11, 12), welche während der Stillstandsphasen zusammen mit dem Anodenraum (5) gegenüber der Umgebung angesperrt werden, während der Stillstandsphasen Wasserstoff oder ein wasserstoffhaltiges Gas zudosiert wird. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Zudosierung immer dann erfolgt, wenn der Druck innerhalb des Anodenraums (5) oder der mit diesem verbundenen Leitungselemente (10) und/oder Komponenten (11, 12), oder die Differenz oder das Verhältnis der Drücke im Anodenraum (5) oder der mit diesem verbundenen Leitungselemente (10) und/oder Komponenten (11, 12) und im Kathodenraum (4) oder der mit diesem verbundenen Leitungselemente (7) und/oder Komponenten (6) einen vorgegeben Grenzwert erreichen.

Description

Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art. Außerdem betrifft die Erfindung ein Brennstoffzellensystem nach der im Oberbegriff von Anspruch 10 näher definierten Art.
Den gattungsgemäßen Stand der Technik bildet die DE 10 2010 053 628 A1 , welche ein Betriebsverfahren für eine Brennstoffzelle mit einem Wasserstoffzusatz nach der
Abschaltung beschreibt.
Die zugrundeliegende Problematik ist aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt. Wenn eine Brennstoffzelle abgeschaltet wird, dann wird der im Anodenraum der
Brennstoffzelle befindliche Wasserstoff entweder aufgebraucht oder diffundiert durch den Aufbau der Brennstoffzelle nach außen. Nach einer gewissen Zeit ist daher im
Anodenraum der Brennstoffzelle kein Wasserstoff mehr vorhanden. Zunächst bleibt dabei Stickstoff übrig, welcher während des Betriebs typischerweise durch die Membranen der Brennstoffzelle vom Kathodenraum in den Anodenraum diffundiert ist. Mit der Zeit wird sich auch Luftsauerstoff in dem Anodenraum der Brennstoffzelle sammeln, welcher ebenfalls durch die Membranen diffundiert oder durch Undichtheiten im Aufbau der Brennstoffzelle, auch bei abgesperrtem Anodenraum, in diesen eindringt. Kommt es nun zu einem Start in der Brennstoffzelle, dann liegt in der Startphase sowohl im
Kathodenraum als auch im Anodenraum Luft bzw. Sauerstoff vor. Der Vorgang wird daher auch als Air/Air-Start bezeichnet. Am Eingang des Anodenraums der
Brennstoffzelle bildet sich mit bei Start einströmendem Wasserstoff eine
Wasserstoff/Sauerstofffront aus. Die Brennstoffzelle, welche im korrespondierenden Bereich des Kathodenraums mit Luft bzw. Sauerstoff versorgt ist, beginnt zu arbeiten und bildet in dem Bereich, in dem der Wasserstoff vorhanden ist, das übliche Betriebspotenzial der Brennstoffzelle aus. Nun ist es aber so, dass innerhalb jeder einzelnen Zelle bzw. ihres Anodenraums im Eingangsbereich bereits ein entsprechend hohes elektrisches Potenzial vorliegt, während im Bereich in Strömungsrichtung vor der Wasserstoff/Luft-Front noch kein Potenzial vorliegt. Dieser Potenzialunterschied baut sich innerhalb des Anodenraums der Brennstoffzelle ab und sorgt so für eine Schädigung des Katalysators. Um dieser Degradation entgegenzuwirken, muss eine entsprechend große Menge an teurem Katalysator vorgehalten werden, da sich ansonsten durch die
Schädigung des Katalysators die Lebensdauer der Brennstoffzelle drastisch verkürzt.
Um nun das Vorhalten einer großen Menge an teurem Katalysator zu vermeiden, wird es im allgemeinen Stand der Technik auch vorgesehen, den Anodenraum der
Brennstoffzelle während des Stillstands durchgehend mit Wasserstoff zu versorgen, umso den Sauerstoff am Eindringen zu hindern und gegebenenfalls eingedrungenen Sauerstoff durch eine Reaktion mit dem Wasserstoff zu Wasser aufzubrauchen. Die Problematik dieser„ständigen" Wasserstoffversorgung liegt darin, dass Wasserstoff sehr leicht flüchtig ist und durch den Aufbau der Brennstoffzelle hinausdiffundieren kann. Dadurch kommt es einerseits zu hohen Wasserstoffemissionen und andererseits zu einem unnötig hohen Verbrauch an Wasserstoff, insbesondere da bei abgesperrtem Anodenraum und Kathodenraum die Menge an Sauerstoff, welche in den Anodenraum diffundiert, zwar für den dortigen Katalysator sehr schädlich in ihrer Absolutmenge, jedoch sehr gering ist.
Aus dem eingangs genannten gattungsgemäßen Stand der Technik ist es nun bekannt, den in der Stillstandsphase dem Anodenraum der Brennstoffzelle zugeführten
Wasserstoff beispielsweise in Abhängigkeit eines Zeitschemas oder von
Simulationsergebnissen zu dosieren. Die Dosierung erfolgt dabei immer so lange, bis ein maximal zulässiger Druckwert des Wasserstoffs in dem Anodenraum der Brennstoffzelle erreicht worden ist. Über dieses Verfahren wird damit immer eine ausreichende Menge an Wasserstoff zur Verfügung gestellt. Aufgrund der Abschaltung der Dosierung bei einem maximal möglichen Druckwert wird der Wasserstoff in der Brennstoffzelle jedoch immer unter relativ großem Druck gehalten, sodass über eine längere Stillstandszeit sehr große Wasserstoffverluste auftreten und der Bedarf an benötigtem Wasserstoff entsprechend groß ist. Dies stellt einen erheblichen Nachteil dar. Weitere Verfahren nutzen beispielsweise die Messung einer Wasserstoff und/oder Sauerstoffkonzentration in dem Anodenraum, um dieser Problematik, dass sehr viel Wasserstoff bei dem Verfahren der gattungsgemäßen Schrift, benötigt wird, zu begegnen. Eine solche Messung ist jedoch außerordentlich aufwändig und komplex, da Sensoren für die Wasserstoff- und/oder Sauerststoffkonzentration entsprechend aufwändig, teuer und störanfällig sind.
Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin, ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems anzugeben, welches die genannten Nachteile vermeidet und sehr einfach und energieeffizient eine Verminderung der Degradation des Katalysators der Brennstoffzelle bewirkt. Außerdem ist es die Aufgabe der Erfindung, ein Brennstoffzellensystem anzugeben, bei welchem sich ein solches Verfahren besonders einfach und effizient durchführen lässt.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens ergeben sich aus den restlichen abhängigen Unteransprüchen. Außerdem löst ein Brennstoffzellesystem mit den Merkmalen im Anspruch 10 diese Aufgabe. Eine vorteilhafte Weiterbildung des Brennstoffzellensystems ist im abhängigen Unteranspruch angegeben.
Die erfindungsgemäße Lösung sieht es vor, dass die Zufuhr des Wasserstoffs in
Abhängigkeit eines Druckwerts, einer Druckdifferenz oder eines Druckverhältnisses erfolgt. Der Anodenraum sowie gegebenenfalls mit dem Anodenraum verbundene Leitungselemente und/oder Komponenten sind während der Stillstandsphase gegenüber der Umgebung abgesperrt und damit im Wesentlichen dicht gegenüber der Umgebung ausgebildet. Kommt es nun zu einem Abreagieren des vorhandenen Wasserstoffs, beispielsweise mit Sauerstoff, welcher in den Bereich des Anodenraums eindiffundiert ist, am Elektrokatalysator des Anodenraums, dann sinkt der Druck im Anodenraum sowie gegebenenfalls in den mit ihm verbundenen Leitungselementen und/oder Komponenten ab. Ein solches Absinken des Drucks ist also ein Maß dafür, dass Wasserstoff in dem Anodenraum aufgebraucht worden ist.
Die Messung des Drucks kann direkt als Druckwert erfolgen. Der aufgebrauchte
Wasserstoff wird dann in Abhängigkeit eines Druckwerts nachdosiert, und zwar so, dass immer dann eine Nachdosierung von Wasserstoff erfolgt, wenn der Druckwert unter einen vorgegebenen Druckwert abgefallen ist, insbesondere wenn sich ein entsprechender Unterdruck in dem Anodenraum ausgebildet hat, wobei dann beim Unterschreiten eines vorgegebenen Druckwerts nachdosiert wird.
Alternativ dazu kann der Druck mittelbar als Druckdifferenz zwischen der Anodenseite und der Kathodenseite oder auch als Quotient bzw. Verhältnis der Drücke auf der Anodenseite und der Kathodenseite erfasst werden. Die Nachdosierung erfolgt in diesem Fall beim über-oder unterschreiten eines vorgegebenen Grenzwerts.
Der Druck, insbesondere jedoch die Druckdifferenz zwischen der Anodenseite und der Kathodenseite bzw. der Quotient der Drücke auf der Anodenseite und Kathodenseite, welcher ein sehr ähnliches Verhalten wie die Druckdifferenz zeigt, ermöglicht neben der reinen Erfassung des Drucks, und damit letztlich auch der Erfassung einer eventuellen Undichtheit in dem System, eine Erfassung des Zustande der
Protonenaustauschmembran zwischen der Anodenseite und der Kathodenseite. Je nach Wassergehalt in der Membran ist diese typischerweise mehr oder weniger stark gequollen, was einen Einfluss auf die Dicke der Protonenaustauschmembran hat. Je dicker die Protonenaustauschmembran ist, desto schwerer ist es für Gase, durch sie hindurch zu diffundieren, während eine vergleichsweise trockene und dünne
Protonenaustauschmembran einer solchen Diffusion weniger Widerstand entgegenstellt. Durch die Erfassung der Druckdifferenz bzw. des Quotienten wird dies unmittelbar mit berücksichtigt, sodass auch hierauf ohne weiteres Zutun bei dem erfindungsgemäßen Verfahren optimal reagiert wird.
Im Gegensatz zur Messung von Konzentrationen sind Druckmessungen bzw. eine Differenzdruckmessung außerordentlich einfach, effizient und weniger störanfällig. Über eine solche einfache Druckmessung kann die Menge an benötigtem Wasserstoff zur Aufrechterhaltung einer Wasserstoffatmosphäre bzw. zur Gewährleistung, dass
Sauerstoff in dem Anodenraum gänzlich durch eine Reaktion mit Wasserstoff
aufgebraucht wird, erreicht werden. Hierdurch ist es möglich, den Wasserstoffbedarf einzuschränken, um so nicht nur den Aufwand hinsichtlich der Sensorik und der
Steuerung zu minimieren, sondern auch den Bedarf an Wasserstoff, ohne damit eine Verschlechterung der Bedingungen beim Start der Brennstoffzelle zu riskieren. Das erfindungsgemäße Verfahren lässt sich dabei sowohl bei einer Brennstoffzelle nutzen, welche im sogenannten Dead-End bzw. Near-Dead-End-Betrieb betrieben wird, als auch in einer Brennstoffzelle, welche mit einer solchen Anodenrezirkulation ausgestattet ist, also einer Rückführung von Abgas aus dem Anodenraum zum Eingang des Anodenraums. In diesem Fall kann es von besonderem Vorteil sein, wenn von Zeit zu Zeit eine Rezirkulationsfördereinrichtung, insbesondere wenn diese als Gebläse ausgebildet ist, kurzzeitig gestartet wird, um eine Durchmischung des Volumens in den Leitungselementen und dem Anodenraum zu erzielen und somit sicherzustellen, dass eine gleichmäßige Mischung von Wasserstoff und gegebenenfalls in den Anodenraum eingedrungenem Sauerstoff vorliegt, sodass dieser möglichst effizient abreagieren kann.
In einer besonders günstigen und vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es dabei vorgesehen, dass der zeitliche Verlauf des Drucks, der
Druckdifferenz und/oder das Druckverhältnis überwacht wird. Die Wasserstoffdosierung erfolgt dann in Abhängigkeit dieses zeitlichen Verlaufs. Ein solcher zeitlicher Verlauf wird unter den oben beschriebenen Bedingungen dann, wenn der Wasserstoff aufgebraucht ist, beispielsweise beim Druckverlauf ein Minimum erreichen und sich von dem minimalen Druck im Anodenraum wieder bis maximal auf den Umgebungsdruck steigert. Im Falle der Druckdifferenz und/oder des Druckverhältnisses kann der Verlauf auch umgekehrt sein, was jedoch im Prinzip nichts ändert. Ein solcher Verlauf lässt sich ideal nutzen, um den bestmöglichen Zeitpunkt zur Dosierung von Wasserstoff zu bestimmen.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann es demnach vorgesehen sein, dass die Dosierung von Wasserstoff immer dann erfolgt, wenn der zeitliche Verlauf ein Minimum durchschritten hat und gerade wieder beginnt anzusteigen.
In einer weiteren sehr günstigen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann es außerdem vorgesehen sein, dass jeweils eine fest vorgegebene Menge an
Wasserstoff zudosiert wird. Über eine solche fest vorgegebene Menge an Wasserstoff wird ein sehr einfaches Verfahren erzielt, da keinerlei Vorhersagen oder dergleichen über die benötigte Menge an Wasserstoff gefällt werden müssen. Es kann vielmehr immer eine fest vorgegebene geringe Menge an Wasserstoff zudosiert werden. Ist diese aufgebraucht, kommt es wieder zu dem beschriebenen Verhalten des Drucks, sodass eine erneute Menge an Wasserstoff einfach und effizient nachdosiert werden kann. In einer alternativen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens kann es auch vorgesehen sein, dass die Menge an zudosiertem Wasserstoff jeweils in Abhängigkeit des Zeitraums, seit der letzten Zudosierung von Wasserstoff, vorgegeben wird. Eine solche Anpassung ermöglicht eine adaptive Optimierung der Zufuhr an Wasserstoff, da, wenn entsprechend kurze Zeitintervalle seit der letzten Zudosierung vergangen sind, offensichtlich eine sehr große Menge an Sauerstoff im Bereich des Anodenraums vorliegt. Dann kann dementsprechend eine größere Menge an Wasserstoff zudosiert werden, als wenn seit der letzten Zudosierung eine vergleichsweise lange Zeit vergangen ist und dementsprechend wenig Sauerstoff in dem Anodenraum zu erwarten ist. Durch eine solche Anpassung lässt sich die benötigte Wasserstoffmenge und die Anzahl der Zudosierschritte über eine einfache Zeitmessung nochmals optimieren.
In einer weiteren sehr günstigen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann es außerdem vorgesehen sein, dass der Wasserstoff oder das wasserstoffhaltige Gas aus einem Zwischenspeicher zudosiert wird. Über einen solchen Zwischenspeicher, welcher im Betrieb des Brennstoffzellensystems gefüllt werden kann, kann sehr einfach und effizient Wasserstoff auf einem vergleichbaren Druckniveau, wie dem Druckniveau des Anodenraums bzw. der Brennstoffzelle im Betrieb, vorgehalten werden. Eine solche in einem vergleichsweise kleinen Zwischenspeicher speicherbare Menge reicht dabei für das erfindungsgemäße Verfahren vollkommen aus. Der Vorteil besteht darin, dass der Hochdrucktank Wasserstoff im Stillstand des Fahrzeugs geschlossen bleiben kann und nicht zur Nachdosierung von Wasserstoff geöffnet werden muss.
Außerdem kann die Zudosierung gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung über ein sehr einfaches und selbsttätig steuerndes mechanisches druckabhängiges Ventil erfolgen, sodass dieses druckabhängige Ventil immer ab einem bestimmten Unterdruck auf der Anodenseite des Ventils öffnet und so Wasserstoff aus dem Zwischenspeicher in den Anodenraum bzw. mit ihm gegebenenfalls verbundene Leitungselemente und/oder Komponenten strömt. Hierdurch wird eine selbsttätige Regelung erreicht, welche ohne elektronische Eingriffe und dergleichen auskommt. Da das Verfahren im Stillstand des Brennstoffzellensystems stattfindet, ist dies ein entscheidender Vorteil, da das erfindungsgemäße Verfahren, ohne dass Energie benötigt wird, durchgeführt und die Brennstoffzelle ohne zusätzlichen Energiebedarf für den Wiederstart ideal vorbereitet werden kann. In einer günstigen Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann es außerdem vorgesehen sein, dass zur Kontrolle der Wasserstoffkonzentration auf der Anodenseite die kathodenseitige Luftversorgung kurzzeitig aktiviert wird. Falls der Druckwert, die Druckdifferenz und/oder das Druckverhältnis hierauf keine Reaktion zeigt, kann auf eine sehr niedrige Wasserstoffkonzentration oder eine wasserstofffreie Atmosphäre
zurückgeschlossen werden. Wenn Wasserstoff vorhanden wäre, würde er bei kurzzeitiger Luftversorgung der Kathodenseite mit dem so in die Kathode eingebrachten Sauerstoff unmittelbar abreagieren, was zu einem Abfall des Drucks bzw. einer entsprechenden Änderung der Druckdifferenz bzw. des Druckverhältnisses führen würde. Erfolgt eine solche Reaktion nicht, dann liegt kein oder praktisch kein Wasserstoff mehr auf der Anodenseite vor. Hierdurch kann das erfindungsgemäße Verfahren überprüft werden und es kann bei Bedarf ermittelt werden, wie hoch die Wasserstoffkonzentration ist, um dann eine entsprechende Nachdosierung von Wasserstoff erneut vorzunehmen und anhand des Ergebnisses gegebenenfalls die vorgegebenen Grenzwerte entsprechend
anzupassen.
Eine weitere sehr vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht es dabei vor, dass die Zudosierung von Wasserstoff oder wasserstoffhaltigem Gas hinsichtlich des Volumenstroms und/oder des Drucks pulsierend erfolgt. Eine solche pulsierende Zugabe von Wasserstoff oder wasserstoffhaltigem Gas macht insbesondere dann Sinn, wenn eine Anodenrezirkulation mit einer Gasstrahlpumpe vorgesehen ist. Da der Wasserstoff typischerweise als Treibstrahl für diese Gasstrahlpumpe dient, wird er idealerweise über denselben Pfad auch im Falle der Nachdosierung im Stillstand zudosiert. Der Wunsch wäre es dann, dass eine möglichst gute Rezirkulation auftritt, sodass die Medien in dem Anodenkreislauf entsprechend vermischt werden und der Wasserstoff überall hingelangt bzw. der in dem Anodenkreislauf verbliebene Sauerstoff zusammen mit dem Wasserstoff in den Bereich des Katalysators an der Anode kommt. Um bei kleiner Wasserstoffmenge dennoch eine hohe Rezirkulation zu erreichen, kann dafür die pulsierte Zuführung von Wasserstoff verwendet werden. Diese ist an sich aus dem Stand der Technik bekannt und wird beispielsweise in der DE 10 2004 049 165 B4 näher beschrieben.
Bei dem Brennstoffzellensystem gemäß der Erfindung ist es vorgesehen, dass ein Zwischenspeicher über ein Leitungselement in fluidischem Kontakt mit dem Anodenraum angeordnet ist, wobei in dem Leitungselement eine Ventileinrichtung angeordnet ist. Bei dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem kann also über den Zwischenspeicher, in welchem idealerweise Wasserstoff bzw. wasserstoffhaltiges Anodenabgas während des Betriebs der Brennstoffzelle zwischengespeichert worden ist, die Versorgung der Brennstoffzelle bzw. des Anodenraums mit Wasserstoff während der Stillstandsphase erfolgen. Der Vorteil besteht darin, dass ein Hochdruckspeichersystem für Wasserstoff unangetastet bleiben kann, sodass hier entsprechende Ventileinrichtungen und dergleichen nicht geöffnet werden müssen, was gegebenenfalls während eines kompletten Stillstands des Brennstoffzellensystems sicherheitskritisch sein könnte.
Die Ventileinrichtung kann gemäß einer besonders günstigen Weiterbildung des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems dabei druckabhängig so ausgelegt sein, dass diese unterhalb eines vorgegebenen Drucks auf der Anodenraumseite öffnet und deshalb wieder schließt. Über einen solchen Zwischenspeicher und gemäß einer idealen Weiterbildung eine selbsttätige druckabhängige Ventileinrichtung kann das Verfahren gemäß der Erfindung sehr einfach und vollständig unabhängig von einem Eingriff durch Steuerungselektronik und dergleichen durchgeführt werden. Es kann gemäß dieser vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens daher ohne den Bedarf an Hilfsenergie oder dergleichen durchgeführt werden. Die Brennstoffzelle kann im Stillstand des Brennstoffzellensystems, beispielsweise im Stillstand eines mit dem Brennstoffzellensystem ausgestatteten Fahrzeugs, also immer sicher und zuverlässig in einem Zustand gehalten werden, welcher einen effizienten Wiederstart, welcher die Lebensdauer der Brennstoffzelle nicht nachteilig beeinträchtigt, gewährleistet. Hierfür ist keinerlei Steuerung oder Energie notwendig, sodass beispielsweise kein Steuergerät von Zeit zu Zeit„aufgeweckt" werden müsste, um das Brennstoffzellensystem in einem sicheren und zuverlässigen Modus für den Wiederstart zu halten.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie des Brennstoffzellensystems gemäß der Erfindung ergeben sich aus den restlichen abhängigen Unteransprüchen und werden anhand des Ausführungsbeispiels deutlich, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben ist.
Dabei zeigen:
Fig. 1 einen Ausschnitt aus einem Brennstoffzellensystem zur Durchführung des
erfindungsgemäßen Verfahrens in einer ersten möglichen Ausführungsform; Fig. 2 einen Ausschnitt aus einem Brennstoffzellensystem zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens in einer zweiten möglichen Ausführungsform;
Fig. 3 einen Ausschnitt aus einem Brennstoffzellensystem zur Durchführung des
erfindungsgemäßen Verfahrens in einer dritten möglichen Ausführungsform; und
Fig. 4 einen Ausschnitt aus einem Brennstoffzellensystem zur Durchführung des
erfindungsgemäßen Verfahrens in einer vierten möglichen Ausführungsform.
In der Darstellung der Figur 1 ist ein Brennstoffzellensystem 1 in einem für die hier vorliegende Erfindung relevanten Ausschnitt dargestellt. Es soll in einem prinzipmäßig angedeuteten Fahrzeug 2 angeordnet sein und dient dort zur Bereitstellung von elektrischer Leistung, insbesondere von elektrischer Antriebsleistung. Das
Brennstoffzellensystem 1 umfasst in dem hier dargestellten Ausschnitt eine
Brennstoffzelle 3, welche typischerweise als sogenannter Brennstoffzellenstapel bzw. Brennstoffzellenstack ausgebildet ist. Die Brennstoffzelle 3 weist einen Kathodenraum 4 und einen Anodenraum 5 auf. Dem Kathodenraum 4 wird über eine
Luftversorgungseinrichtung 6 Luft als Sauerstofflieferant zugeführt. Abluft gelangt über eine Abluftleitung 7 aus dem System. Weitere Komponenten im Bereich der Zuluftstrecke und der Abluftleitung 7, wie beispielsweise Ladeluftkühler, Befeuchter und dergleichen, sind prinzipiell denkbar und aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt. Sie sind für die hier vorliegende Erfindung von untergeordneter Bedeutung und wurden deshalb nicht dargestellt.
Dem Anodenraum 5 der Brennstoffzelle 3 wird Wasserstoff aus einem Druckgasspeicher 8 über ein Dosierventil 9 zugeführt. Der Wasserstoff gelangt dann in den Bereich des Anodenraums 5 und wird in diesem typischerweise zum Teil aufgebraucht.
Unverbrauchter Wasserstoff gelangt zusammen mit entstandenem Produktwasser und durch die Membranen der Brennstoffzelle 3 hindurchdiffundiertem Stickstoff über eine Rezirkulationsleitung 10 einem sogenannten Anodenkreislauf bzw. eines Anodenloops zurück in den Anodenraum 5 und wird diesem vermischt mit frischem Wasserstoff erneut zugeführt. Zum Ausgleich der Druckverluste ist eine Rezirkulationsfördereinrichtung 11 vorgesehen. Diese ist hier beispielhaft als Gasstrahlpumpe, welche von dem frischen Wasserstoffstrom angetrieben wird, ausgebildet. Sie könnte genauso gut als
Rezirkulationsgebläse oder als Kombination dieser beiden ausgebildet sein. In dem Anodenkreislauf reichert sich mit der Zeit Wasser und Stickstoff an, sodass die Wasserstoffkonzentration aufgrund des konstanten Volumens des Anodenkreislaufs sinkt. Über einen Wasserabscheider 12 wird deshalb das flüssige Wasser abgeschieden und über eine Ablassleitung 13 mit einem Ablassventil 14 entweder von Zeit zu Zeit, in Abhängigkeit des Wasserstands in dem Wasserabscheider 12, in Abhängigkeit der Wasserstoffkonzentration oder auch in Abhängigkeit eines simulierten
Wasserstoffverbrauchs oder Produktwasseranfalls im Bereich des Anodenraums 5 abgelassen. Zusammen mit dem Wasser wird über den Wasserabscheider 12 dabei typischerweise auch ein Teil des Gases mit abgelassen, umso den Stickstoff aus dem System zu entfernen und die Wasserstoffkonzentration in dem Anodenkreislauf auf einem für die Funktionalität der Brennstoffzelle 3 ausreichenden Niveau zu halten.
Das bisher beschriebene Brennstoffzellensystem 1 entspricht so den aus dem Stand der Technik bekannten Aufbauten. Es wird auch so wie die im Stand der Technik
beschriebenen Aufbauten während einer Betriebsphase des Brennstoffzellensystems 1 , indem elektrische Leistung mit der Brennstoffzelle 3 erzeugt werden soll, betrieben. Nun ist es so, dass das Fahrzeug 2 natürlich nicht ständig in Betrieb ist, sondern von Zeit zu Zeit auch abgestellt wird. In einer solchen Stillstandsphase des Brennstoffzellensystems 1 ist es dann ideal, wenn im Anodenraum 5 der Brennstoffzelle 3 kein Sauerstoff vorliegt, um bei einem Wiederstart des Systems zu verhindern, dass eine Wasserstoff/Sauerstoff- Front durch den Anodenraum 5 läuft und dadurch die eingangs ausführlich beschriebene Degradation des Katalysators des Anodenraums 5 auftritt.
Um in einer Stillstandsphase des Brennstoffzellensystems 1 dieser Degradation vorzubeugen, ist es insbesondere vorgesehen, dass beispielsweise direkt im
Anodenraum 5 ein Drucksensor 15 angeordnet wird. Dieser Drucksensor 15 liefert ein Signal über den Druck an ein Steuergerät 16. In der Stillstandsphase des
Brennstoffzellensystems 1 wird über das Steuergerät 16 dann das Dosierventil 9 geöffnet, um so Wasserstoff in den Bereich des Anodenraums 5 bzw. des Anodenraums 5 und der Rezirkulationsleitung 10 einzubringen. Die Menge an zudosiertem Wasserstoff kann in dem Steuergerät 16 beispielsweise fest vorgegeben sein. Die Zudosierung erfolgt selbstverständlich bei geschlossenem Ablassventil 14. Da Sauerstoff nicht nur durch die Dichtungen des Brennstoffzellenstapels 3 in den Anodenraum 5 eindringt, sondern häufig auch über die Membranen zwischen dem Kathodenraum 4 und dem Anodenraum 5 in den Anodenraum 5 diffundiert, können optionale Ventileinrichtungen 17, 18 vor und nach dem Kathodenraum 4 vorgesehen sein. Wenn in der Stillstandsphase der Kathodenraum 4 abgesperrt wird, dann wird die Sauerstoffmenge in dem Kathodenraum 4 begrenzt und die Menge an Sauerstoff, welche durch die Membranen der Brennstoffzelle 3 vom
Kathodenraum 4 in den Anodenraum 5 diffundieren kann, wird ebenfalls eingeschränkt.
Der über den Drucksensor 15 erfasste Druckwert oder insbesondere eine über den Sensor 15 und das Steuergerät 16 erfasster zeitlicher Verlauf des Drucks dient dann dazu, die Zudosierung von Wasserstoff entsprechend zu steuern. Insbesondere kann die Zudosierung in einer einfachen Ausführungsform so erfolgen, dass immer dann, wenn der Druck am Drucksensor 15 unter einen vorgegebenen Wert, beispielsweise unter ca. 0,6 bar Unterdruck, abfällt, eine Dosierung von Wasserstoff über das Steuergerät 16 ausgelöst wird. In einer verfeinerten Ausführungsform des Verfahrens kann die
Zudosierung von Wasserstoff über das Steuergerät 16 auch so erfolgen, dass immer dann die Dosierung von Wasserstoff ausgelöst wird, wenn ein Minimum im zeitlichen Druckverlauf durchschritten worden ist. Mit minimalem Bedarf an Wasserstoff wird somit sichergestellt, dass in dem Anodenraum 5 während der Stillstandsphase immer eine ausreichende Menge an Wasserstoff vorhanden ist, um mit dem Sauerstoff an dem Elektrokatalysator des Anodenraums 5 zu Wasser abzureagieren. Zu jederzeit in der Stillstandsphase kann das Brennstoffzellensystem 1 daher unmittelbar und ohne vorbereitende Maßnahmen gestartet werden, ohne dass eine Degradation der
Brennstoffzelle 3 zu befürchten ist.
Die Dosiermenge an Wasserstoff kann dabei insbesondere über die Gasstrahlpumpe als Rezirkulationsfördereinrichtung 11 so zudosiert werden, dass der Wasserstoff hinsichtlich seines Volumenstroms und/oder Drucks pulsierend zudosiert wird. Eine solche
pulsierende Zudosierung des Wasserstoffs, insbesondere wenn dieser als Treibgasstrom für die als Gasstrahlpumpe ausgebildete Rezirkulationsfördereinrichtung 11 dient, ermöglicht auch bei geringer Menge bzw. geringem Gesamtvolumen eine sehr gute Rezirkulation. Die verbesserte Rezirkulation durch die pulsierte Zugabe des Wasserstoffs, welche so aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt ist, kann hier also ideal dazu genutzt werden, dass trotz der sehr kleinen Gesamtmenge an Wasserstoff eine vergleichsweise hohe Rezirkulationsrate erzielt wird, sodass eine zuverlässige
Durchmischung des Gasvolumens im Anodenraum 5 einerseits und in der
Rezirkulationsleitung 10, sowie gegebenenfalls im Wasserabscheider 12 andererseits erzielt werden kann. Ein ähnlicher Aufbau des Brennstoffzellensystems 1 ist in der Darstellung der Figur 2 zu erkennen. Der wesentliche Unterschied zu dem in Figur 1 dargestellten Aufbau ist ein zweiter Drucksensor 23, welcher ebenfalls mit dem Steuergerät 16 in Verbindung steht und den Druck auf der Kathodenseite, also den Druck im Bereich des Kathodenraums 4 oder der Zuluftleitung bzw. Abluftleitung 7, liefert. Anders als die reine Druckmessung kann eine Differenzdruckmessung über die beiden Sensoren 15, 23 oder auch einen einzigen Differenzdrucksensor (hier nicht dargestellt) gegebenenfalls weitere
Informationen liefern. Die Druckdifferenz oder ein aus den Werten der beiden
Drucksensoren 15, 16 gebildetes Verhältnis des Drucks auf der Anodenseite und der Kathodenseite ermöglicht neben einer Aussage für den Druck im Anodenraum 5 gleichzeitig die Berücksichtigung des Drucks im Kathodenraum 4. Hierdurch können Effekte, welche zwischen dem Anodenraum 5 und dem Kathodenraum 4 auftreten, beispielsweise die Feuchtigkeit einer Protonenaustauschmembran zwischen dem
Anodenraum 5 und dem Kathodenraum 4 mit berücksichtigt werden. Je nach Feuchtigkeit der Membran ist diese unterschiedlich stark gequollen und stellt deshalb aufgrund der unterschiedlichen Dicke der Diffusion von Gasen durch die Membran hindurch einen unterschiedlichen Widerstand entgegen. Die Rezirkulationsfördereinrichtung 11 ist hier beispielhaft als Gebläse dargestellt. Sie könnte genauso gut wiederum als
Gasstrahlpumpe ausgebildet sein, wobei dann auch hier die pulsierte Zufuhr des
Wasserstoffs sinnvoll wäre.
Das Verfahren entspricht dabei weitgehend dem beschriebenen Verfahren, wobei lediglich anstelle des reinen Druckwerts, beispielsweise die Druckdifferenz und/oder ein Quotient aus den Drücken der beiden Drucksensoren 5, 23 eingesetzt wird.
Eine weitere alternative Variante des Brennstoffzellensystems 1 ist in der Darstellung der Figur 3 zu erkennen. Der einzige Unterschied bei diesem Aufbau besteht darin, dass über ein Leitungselement 19 ein Zwischenspeicher 20 mit der Rezirkulationsleitung 10 verbunden ist. Über einen solchen Zwischenspeicher 20 kann die Dosierung von
Wasserstoff in der Stillstandsphase des Brennstoffzellensystems 1 dann erfolgen, ohne dass das Hochdrucksystem des Druckgasspeichers 8 betätigt werden muss. Hierfür ist in dem Leitungselement 19 eine Ventileinrichtung 21 vorhanden, welche über das
Steuergerät alternativ, oder gegebenenfalls auch ergänzend, zu dem Dosierventil 9 betätigt wird. Der Aufbau, bei welchem der Zwischenspeicher 20 während des Betriebs des Brennstoffzellensystems 1 mit wasserstoffhaltigem Anodenabgas oder direkt mit Wasserstoff, beispielsweise bei einer Anordnung im Bereich zwischen dem Dosierventil 9 und dem Anodenraum 5, befüllt wird gewährleistet eine einfache und sichere Zudosierung von Wasserstoff. Sollte die Menge an Wasserstoff in dem Zwischenspeicher 20 bei sehr langen Stillstandszeiten nicht ausreichen, so kann gegebenenfalls eine Kombination der Aufbauten aus den Figuren 1 bzw. 2 und 3 eingesetzt werden, bei welcher dann eine Nachdosierung über das Dosierventil 9, in der oben beschriebenen Art und Weise, erfolgen kann. Die Nachdosierung könnte dabei auch so erfolgen, dass der
Zwischenspeicher 20 wieder befüllt wird, sodass für einen weiteren Stillstandszeitraum der Hochdruckspeicher wiederum nicht geöffnet werden muss.
Auch bei der Verwendung des Zwischenspeichers 20 könnte es, sofern die
Rezirkulationsfördereinrichtung 11 als Gasstrahlpumpe ausgebildet ist, gegebenenfalls sinnvoll sein, die Dosierung des in dem Zwischenspeicher 20 gespeicherten Gases hinsichtlich des Drucks und/oder des Volumenstroms pulsierend vorzunehmen, wobei dann die Anbindung so gestaltet werden müsste, dass der aus dem Zwischenspeicher 20 stammende Gasstrom als Treibgasstrom für die Gasstrahlpumpe, welche als
Rezirkulationsfördereinrichtung 11 eingesetzt werden kann, verwendet wird.
Der Aufbau gemäß den Figuren 1 , 2 und 3 ermöglicht eine hohe Sicherheit, da zumindest bei der Überwachung des zeitlichen Verlaufs des Drucks potenzielle Leckagen erkannt und die Nachdosierung von Wasserstoff bzw. wasserstoffhaltigem Gas gestoppt werden kann.
Eine weitere Ausführungsform des Brennstoffzellensystems 1 ist in der Darstellung der Figur 4 zu erkennen. Diese ist wiederum analog zu den Darstellungen in den Figuren 1 , 2 und 3 zu verstehen. Der einzige Unterschied besteht darin, dass hier auf das Steuergerät 16 sowie den Drucksensor 15 gänzlich verzichtet werden kann. In dem Leitungselement 19, welches den Zwischenspeicher 20 mit der Rezirkulationsleitung 10 verbindet, ist wiederum eine Ventileinrichtung angeordnet, welche in der Darstellung der Figur 4 mit dem Bezugszeichen 22 versehen ist. Wie in der Darstellung der Figur 4 angedeutet, soll es sich dabei um ein druckabhängig reagierendes Ventil 22 handeln, insbesondere um ein druckabhängiges mechanisches Ventil. In Abhängigkeit einer konstruktiv
vorgegebenen Druckschwelle auf der Anodenraumseite des Ventils 22 öffnet dieses und schließt wieder, sobald dieser Druckwert überschritten ist. Durch diesen Aufbau kann ohne die Notwendigkeit einer Steuerung und ohne die Notwendigkeit, Energie in der Stillstandsphase des Brennstoffzellensystems 1 bzw. des Fahrzeugs 2 bereitstellen zu müssen, das erfindungsgemäße Verfahren in seiner einfachen Variante durchgeführt werden. Über das druckabhängige Ventil 22 wird das Leitungselement 19 immer dann geöffnet, wenn der Druck auf der Anodenseite des Ventils 22 unter den konstruktiv vorgegeben Druck abfällt. Danach wird das Ventil wieder geschlossen. Wird der konstruktiv vorgegebene Druck nun beispielsweise bei den oben bereits beschriebenen 0,6 bar Unterdruck vorgegeben, so lässt sich das Verfahren sehr einfach und effizient über das mechanische Ventil realisieren, ohne dass Sensoren, ein Steuergerät oder dergleichen benötigt werden.
Der Aufbau mit dem zusätzlichen Zwischenspeicher 20 ist dabei in den Figuren 3 und 4 an einem Aufbau analog zur Darstellung in Figur 1 beschrieben. Er könnte
selbstverständlich genau so gut bei einem Aufbau analog zur Darstellung in Figur 2 eingesetzt werden, bei welchem anstelle des reinen Druckwerts bzw. Druckverlaufs die Druckdifferenz oder das Druckverhältnis bzw. ein Verlauf der Druckdifferenz oder des Druckverhältnisses verwendet wird.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems (1) mit wenigstens einer Brennstoffzelle (3), welche einen Anodenraum (5) und einen Kathodenraum (4) aufweist, mit Betriebsphasen und Stillstandsphasen, wobei dem Anodenraum (5) oder mit diesem verbundenen Leitungselementen (10) und/oder Komponenten (1 1 , 12), welche während der Stillstandsphasen zusammen mit dem Anodenraum (5) gegenüber der Umgebung angesperrt werden, während der Stillstandsphasen Wasserstoff oder ein wasserstoffhaltiges Gas zudosiert wird,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Zudosierung immer dann erfolgt, wenn
der Druck innerhalb des Anodenraums (5) oder der mit diesem verbundenen
Leitungselemente (10) und/oder Komponenten (11 , 12), oder
die Differenz oder das Verhältnis der Drücke im Anodenraum (5) oder der mit diesem verbundenen Leitungselemente (10) und/oder Komponenten (11 , 12) und im Kathodenraum (4) oder der mit diesem verbundenen Leitungselemente (7) und/oder Komponenten (6)
einen vorgegeben Grenzwert erreichen.
2. Verfahren nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Zudosierung in Abhängigkeit eines zeitlichen Verlaufs des Drucks, der
Druckdifferenz und/oder des Druckverhältnisses erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, dass der zeitliche Druckverlauf überwacht wird, wobei die Zudosierung immer dann erfolgt, wenn ein Minimum in dem zeitlichen Druckverlauf durchschritten worden ist.
4. Verfahren nach Anspruch 1 , 2 oder 3,
dadurch gekennzeichnet, dass
die zudosierte Menge an Wasserstoff oder wasserstoffhaltigem Gas jeweils fest vorgegeben wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1 , 2 oder 3,
dadurch gekennzeichnet, dass
die zudosierte Menge an Wasserstoff oder wasserstoffhaltigem Gas in Abhängigkeit eines Zeitabstandes seit der letzten Zudosierung vorgegeben wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, dass
wenn zeitlich nach der Zudosierung von Wasserstoff oder wasserstoffhaltigem Gas keine Verringerung des Drucks in dem zeitlichen Druckverlauf erkannt wird, auf eine Leckage geschlossen und die zukünftige Dosierung von Wasserstoff oder wasserstoffhaltigem Gas gestoppt wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Zudosierung von Wasserstoff oder wasserstoffhaltigem Gas aus einem
Zwischenspeicher (20) erfolgt, welcher mit dem Anodenraum (5) oder mit den mit diesem verbundenen Leitungselementen (10) und/oder Komponenten (11 , 12) zur Zudosierung verbunden wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Verbindung über ein selbstbetätigtes mechanisches druckabhängiges Ventil (22) erfolgt.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, dass
zur Kontrolle der Wasserstoffkonzentration auf der Anodenseite die kathodenseitige Luftversorgung (Luftversorgungseinrichtung 6) kurzzeitig aktiviert wird, falls der Druckwert, die Druckdifferenz und/oder das Druckverhältnis hierauf keine Reaktion zeigt, auf eine sehr niedrige Wasserstoffkonzentration oder eine wasserstofffreie Atmosphäre auf der Anodenseite geschlossen wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Zudosierung von Wasserstoff oder wasserstoffhaltigem Gas hinsichtlich des Volumenstroms und/oder des Drucks pulsierend erfolgt.
11. Brennstoffzellensystem (1 ) mit wenigstens einer Brennstoffzelle (3), mit wenigstens einem Anodenraum (5) und einem Druckgasspeicher (8) zur Brennstoffversorgung des Anodenraums (5),
dadurch gekennzeichnet, dass
über ein Leitungselement (19) in fluidischem Kontakt mit dem Anodenraum (5) ein Zwischenspeicher (20) angeordnet ist, wobei in dem Leitungselement (19) eine Ventileinrichtung (21 , 22) angeordnet ist
12. Brennstoffzellensystem (1) nach Anspruch 11 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Ventileinrichtung (22) als druckabhängige, insbesondere mechanische,
Ventileinrichtung ausgebildet ist, welche unterhalb eines vorgegebenen Drucks auf der Anodenraumseite selbsttätig öffnet und oberhalb eines solchen Drucks selbsttätig wieder schließt.
13. Brennstoffzellensystem (1) nach Anspruch 1 1 oder 12,
dadurch gekennzeichnet, dass
eine Rezirkulationsleitung (10) den Ausgang des Anodenraums (5) mit dem
Eingang des Anodenraums (5) verbindet, wobei eine Gasstrahlpumpe als
Rezirkulationsfördereinrichtung (11) in der Rezirkulationsleitung (10) vorgesehen ist und wobei das Leitungselement (19) mit einer Treibgaszufuhr zu der
Gasstrahlpumpe verbunden ist.
PCT/EP2014/000094 2013-01-24 2014-01-16 Verfahren zum betreiben eines brennstoffzellensystems WO2014114434A1 (de)

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