WO2016091555A1 - Verfahren zum betreiben eines brennstoffzellensystems und brennstoffzellensystem - Google Patents

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WO2016091555A1
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compressor
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cell system
reactant
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Matthew Kenneth Hortop
Torsten Schwarz
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Volkswagen Ag
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    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the invention relates to a method for operating a fuel cell system comprising a fuel cell which is fluidically connected to a Reaktandenströmungsweg having a compressor arranged upstream of the fuel cell, and a fuel cell system.
  • Fuel cells use the chemical transformation of a fuel with oxygen to water to generate electrical energy.
  • fuel cells contain as core component the so-called membrane electrode assembly (MEA for membrane electrode assembly), which is a composite of a proton-conducting membrane and in each case one on both sides of the membrane arranged electrode (anode and cathode).
  • MEA membrane electrode assembly
  • GDL gas diffusion layers
  • the fuel cell is formed by a multiplicity of stacked MEAs whose electrical powers are added together.
  • the fuel in particular hydrogen H 2 or a hydrogen-containing gas mixture
  • the fuel is fed to the anode, where an electrochemical oxidation of H 2 to H + takes place with emission of electrons.
  • an electrochemical oxidation of H 2 to H + takes place with emission of electrons.
  • PEMs polymer electrolyte membranes
  • the membrane itself consists of a polymer electrolyte.
  • acid-modified polymers in particular perfluorinated polymers
  • the most common representative of this class of polymer electrolytes is a membrane of a sulfonated polytetrafluoroethylene copolymer (trade name: National; copolymer of tetrafluoroethylene and a sulfonyl fluoride derivative of a perfluoroalkyl vinyl ether).
  • the electrolytic conduction takes place here via hydrated protons, which is why the proton the presence of water is a condition and in the operation of the PEM fuel cell, a moistening of the operating gases is required. Due to the necessity of the water, the maximum operating temperature of these fuel cells is limited to below 100 ° C at standard pressure.
  • This type of fuel cell is also referred to as a low-temperature polymer electrolyte membrane fuel cell (NT-PEM fuel cell).
  • EP 0 629 014 B1 describes a method and a device for humidifying reactant gas for the operation of fuel cells, in which water is injected through an atomizing nozzle into the reactant gas via an external supply line. The amount of water is adjusted in this case depending on the amount of gas to be humidified and the temperature by a metering valve arranged in the supply line.
  • EP 0 301 757 A2 describes a fuel cell with an ion-conducting electrolyte membrane in which water is injected into the anode side via an external supply line in order to moisten and cool the fuel cell.
  • JP 071 763 13 A describes an arrangement of a fuel cell and a
  • Heat exchanger in which supplied from an external supply line water is evaporated by the heat extracted from the exhaust air of the cell and thus the cell
  • US-A-6106964 discloses an assembly of a PEM fuel cell and a combined heat and moisture exchanger comprising a reactant gas supply chamber and a reactant gas discharge chamber passing through a water-permeable
  • Membrane are separated. Hereby, water and heat are transferred from the process exhaust stream on the reactant gas feed stream via the water permeable membrane.
  • product water is used directly to humidify the cell in this arrangement, it is difficult to control the recirculation rate of the product water.
  • impurities contained in the product water, such as metal ions are constantly recycled, which can lead to impairments of the cell and the water-permeable membrane during prolonged operation.
  • the power generation performance of the fuel cell system decreases when the temperature of the fuel cell is low at the start and the temperature of the air that is the
  • Cathode inlet is supplied through the air supply line is low.
  • DE 10202471 B4 provides a fuel cell system including a cooling pipe for cooling a fuel cell with the cooling fluid circulating between the fuel cell and a heat exchanger, and a fuel cell
  • Moistening device and a heater for heating the oxidation
  • Fuel gases with the cooling fluid of the cooling line which absorbs the heat from the fuel cell and flows into the heat exchanger.
  • the invention is based on the object, a method and an associated
  • a first aspect of the invention relates to a method of operating a fuel cell system comprising a fuel cell fluidly connected to a reactant flowpath having a compressor disposed upstream of the fuel cell. According to the invention, it is provided that, depending on a temperature of the im
  • present pressure (p a) of the reactant gas is adjusted.
  • the pressure ratio at the compressor is adjusted so that a desired temperature of the reactant gas (reference variable) is set in the sense of a control or regulation.
  • the advantage of the invention is that the pressure ratio at the compressor, that is, the pressure of reactant gas flowing in the reactant flow path at the compressor inlet and compressor outlet, can be adjusted in dependence on a temperature of the reactant gas such that the reactant gas heats up as it passes through the compressor.
  • the inventive method allows a targeted increase and control of Reaktandengastemperatur at the fuel cell inlet of a fuel cell system by artificially increasing the pressure ratio or by reducing the efficiency of the compressor, for example, to prevent icing of downstream components at low outdoor temperatures and the operating conditions for the
  • the operating point of the compressor is influenced such that the temperature of the reactant gas increases. This method is particularly interesting in low-pressure systems, since there usually the pressure ratio is only so high that the system pressure losses can be overcome.
  • the method according to the invention allows such a high pressure ratio even at low load, ie at low flow of air, that the temperature at the compressor outlet is above the minimum temperature of the system.
  • the reactant flow path here comprises the entire flow path of one of the two reactant gases, anode gas or cathode gas. That is, the
  • Reactant flowpath includes both the reactant feedstream to the fuel cell with compressor disposed therein and the exhaust gas flow from the fuel cell of the subject reactant gas.
  • the method according to the invention is preferably used in the flow path of the cathode gas, since due to the water content of the exhaust gas flow and the humidified inflow in this area, icing occurs particularly easily when the temperature falls below a minimum temperature.
  • the pressure ratio Paus Pein is set so that a setpoint temperature T min of the reactant gas adjusts to the fuel cell input.
  • the pressure ratio at the compressor is set as a function of a setpoint temperature.
  • the pressure ratio p uU s Pein is set so that a target temperature T in the
  • the setpoint temperature T min is, for example, the setpoint temperature of
  • the pressure ratio is controlled via a throttle arranged in Reaktandenströmungsweg throttle unit.
  • the reactant gas is throttled upstream and / or downstream of the compressor to change or adjust the pressure ratio p out / Pein.
  • the method is carried out in a regulated manner, wherein the actual temperature (T ist ) of the reactant gas is measured.
  • the fuel cell system further comprises a control unit which is connected to a sensor for measuring the temperature and to the throttle unit.
  • the temperature is measured, and determined from the temperature of the reactant gas at a certain point in the Reaktandenströmungsweg, preferably upstream of the humidifier or the fuel cell, a pressure ratio to be set on the compressor.
  • the pressure ratio to be set is then forwarded by means of signal forwarding to the throttle unit, as a result of which the reactant gas is throttled or reduced.
  • the reactant gas is throttled downstream of the fuel cell, ie in the exhaust gas flow of the fuel cell.
  • Embodiment is particularly preferred for high pressure systems, especially if a throttle valve is present anyway, since an additional component is eliminated. Alternatively or additionally, part of the volume flow from the compressor outlet to
  • This control unit is preferably also a throttle unit or a valve.
  • the throttle unit is a throttle valve or a throttle valve.
  • Such systems have proven themselves, are inexpensive and due to their simplicity little error-prone.
  • the reactant gas is throttled upstream of the compressor.
  • Another aspect of the invention relates to a fuel cell system comprising
  • a fuel cell fluidly connected to a reactant flowpath and a compressor disposed in the reactant flowpath configured to perform the method of any one of the preceding embodiments.
  • a throttle unit a sensor element for measuring a manipulated variable and a control unit for controlling the throttle unit are arranged.
  • the throttle unit is preferably a throttle valve or a throttle valve.
  • the sensor element is advantageously a temperature and / or a pressure sensor, with the
  • the sensor element is a
  • Figure 1 is a schematic diagram of a preferred embodiment of a
  • FIG. 2 shows a schematic diagram of a further embodiment of a
  • FIG. 3 shows a schematic diagram of a third embodiment of a
  • FIG. 4 Flow diagram of a section of the method according to the invention in a preferred embodiment.
  • FIGS 1 to 3 show schematic diagrams of an inventive
  • Fuel cell system 1 in preferred embodiments.
  • the fuel cell system 1 comprises a fuel cell 2, which has an ion-conductive membrane and two reactant chambers, namely a cathode compartment and an anode compartment.
  • a fuel cell 2 which has an ion-conductive membrane and two reactant chambers, namely a cathode compartment and an anode compartment.
  • Each of the reactant rooms has a Reaktandenströmungsweg 3, also called loop for media supply.
  • Reaktandenströmungsweg 3 also called loop for media supply.
  • Flow path 3 of the cathode flows while an oxidizing agent, such as
  • Atmospheric oxygen while in the flow path of the anode, a fuel such as hydrogen, is promoted.
  • the Reaktandenströmungsweg 3 includes the entire flow path of the reactant gas, so both the flow 3a to the fuel cell 2, the fuel cell 2 with fresh
  • a humidifier 4 is arranged within the reactant flow path 3.
  • the humidifier 4 is fluidically connected upstream of the fuel cell 2 with the influx 3a.
  • a humidifier 3 is used, which is not only flowed through by the influx to be humidified 3a, but also communicates fluidly with the humid exhaust gas flow 3b.
  • the exhaust gas flow 3b is deprived of moisture in the form of water vapor in order to humidify the inflowing gas in the inflow 3a.
  • a compressor 5 is arranged in the inflow 3a. This has upstream of a compressor inlet 5a for the reactant gas and downstream of a
  • Reactant gas pressure p a located in the compressor 5 to a value p of the
  • Compressor output 5b increases according to a compression ratio of the compressor 5.
  • a throttle unit 6 which may be designed as a throttle valve or as a throttle valve.
  • the throttle unit is located in the upstream flow (FIG. 1) or downstream of the compressor 5 in the exhaust gas flow downstream of the fuel cell 2 (if this is a combined humidifier 4, preferably downstream of the humidifier 4) (FIGS. 2 and 3) ).
  • a part of the inflow 3a from the compressor outlet 5b to the compressor inlet 5a in the form of a recirculated partial flow 8 can also be recycled.
  • a, preferably completely closable, throttle unit 6 is arranged.
  • Reactant flow path 3 can be arranged for example pressure and especially temperature sensors that monitor the Reaktandengas.
  • one or more temperature sensors which are arranged within the inflow 3a upstream of the humidifier 3 are of particular interest for this purpose. Also not shown is one
  • Control unit which is connected to the sensor and the throttle unit 6.
  • an air charging cooler 7 is dispensed with in the fuel cell system 1.
  • additional non-drawn units for cooling the reactant gas may be disposed within the reactant flow path 3.
  • the pressure p can be varied one of the reactant gas at the compressor inlet 5a and / or the pressure p from the compressor output 5b. Since the power of the compressor 5 and thus its compression ratio is preferably kept constant, with the variation of one or both pressures via the throttle unit 6, a pressure ratio p aU s Pein is set. At higher pressure ratio, so at much higher output than
  • the reactant gas downstream of the compressor 5.
  • the reactant gas can be preconditioned with respect to its temperature by the adjustment of the pressure ratio p out / pei n at the compressor 5 via the throttle unit 6.
  • the throttle unit 6 takes over in
  • FIG. 4 shows an embodiment of the method according to the invention in the preferred case of a control.
  • block I as the first input value to be set target temperature as a reference variable, here a desired minimum temperature T min at the entrance of the fuel cell 2, read.
  • the control variable actually present in this case the actual temperature T act of the reactant gas measured at the fuel cell input, is the second one
  • the difference ⁇ between the two input variables is determined as a control deviation.
  • the pressure ratio p aU s Pein to be set at the compressor 5 is determined as a manipulated variable. This can be done by calculation or by using a characteristic curve which indicates the pressure ratio p uU s Pein as a function of the temperature difference ⁇ .
  • the pressure ratio p uU s Pein is determined as a function of the temperature difference ⁇ .
  • Control value for the throttle unit 6 is determined with which this is controlled in block IV.
  • the then adjusting in the system temperature T is the reactant gas is detected in block V, in particular by measurement, and is fed back into block I.
  • the pressure ratio p out / Pein or the control value of the throttle unit 6 is influenced so that the control deviation ⁇ minimized and thus sets the target temperature T min at the fuel cell input.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems (1) aufweisend eine Brennstoffzelle (2) die strömungstechnisch mit einem Reaktandenströmungsweg (3) verbunden ist, welcher einen stromauf der Brennstoffzelle (2) angeordneten Verdichter (5) aufweist, sowie ein Brennstoffzellensystem. Es ist vorgesehen, dass am Verdichter (5) in Abhängigkeit einer Temperatur eines im Reaktandenströmungsweg (3) strömenden Reaktandengases ein Druckverhältnis paus/pein zwischen einem an einem Verdichterausgang (5b) stromab des Verdichters (5) vorliegenden Druck (paus) des Reaktandengases und einem an einem Verdichtereingang (5a) stromauf des Verdichters (5) vorliegenden Druck (pein) des Reaktandengases eingestellt wird.

Description

Beschreibung
Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems und Brennstoffzellensystem
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems aufweisend eine Brennstoffzelle die strömungstechnisch mit einem Reaktandenströmungsweg verbunden ist, welcher einen stromauf der Brennstoffzelle angeordneten Verdichter aufweist, sowie ein Brennstoffzellensystem.
Brennstoffzellen nutzen die chemische Umsetzung eines Brennstoffs mit Sauerstoff zu Wasser, um elektrische Energie zu erzeugen. Hierfür enthalten Brennstoffzellen als Kernkomponente die sogenannte Membran-Elektroden-Einheit (MEA für membrane electrode assembly), die ein Verbund aus einer protonenleitenden Membran und jeweils einer beidseitig an der Membran angeordneten Elektrode (Anode und Kathode) ist. Zudem können Gasdiffusionslagen (GDL) beidseitig der Membran-Elektroden-Einheit an den, der Membran abgewandten Seiten der Elektroden angeordnet sein. In der Regel wird die Brennstoffzelle durch eine Vielzahl, im Stapel (Stack) angeordneter MEAs gebildet, deren elektrische Leistungen sich addieren. Im Betrieb der Brennstoffzelle wird der Brennstoff, insbesondere Wasserstoff H2 oder ein wasserstoffhaltiges Gasgemisch, der Anode zugeführt, wo eine elektrochemische Oxidation von H2 zu H+ unter Abgabe von Elektronen stattfindet. Über den Elektrolyten oder über die Membran, welche die Reaktionsräume gasdicht voneinander trennt und elektrisch isoliert, erfolgt ein
(wassergebundener oder wasserfreier) Transport der Protonen H+ aus dem Anodenraum in den Kathodenraum. Die an der Anode bereitgestellten Elektronen werden über eine elektrische Leitung der Kathode zugeleitet. Der Kathode wird Sauerstoff oder ein sauerstoffhaltiges
Gasgemisch zugeführt, sodass eine Reduktion von 02 zu O2" unter Aufnahme der Elektronen stattfindet. Gleichzeitig reagieren im Kathodenraum diese Sauerstoffanionen mit den, über die Membran transportierten Protonen zu Wasser.
Die derzeit am weitesten entwickelte Brennstoffzellentechnologie basiert auf Polymerelektrolytmembranen (PEM), bei denen die Membran selbst aus einem Polymerelektrolyt besteht. Hierbei werden oft säuremodifizierte Polymere, insbesondere perfluorierte Polymere, eingesetzt. Der am weitesten verbreitete Vertreter dieser Klasse von Polymerelektrolyten ist eine Membran aus einem sulfonierten Polytetrafluorethylen-Copolymer (Handelsname: Nation; Copolymer aus Tetrafluorethylen und einem Sulfonylsäurefluorid-Derivat eines Perfluoralkylvinylethers). Die elektrolytische Leitung findet hier über hydratisierte Protonen statt, weshalb für die Protonen- leitfähigkeit das Vorhandensein von Wasser Bedingung ist und im Betrieb der P EM- Brennstoffzelle ein Anfeuchten der Betriebsgase erforderlich ist. Aufgrund der Notwendigkeit des Wassers ist die maximale Betriebstemperatur dieser Brennstoffzellen bei Normdruck auf unter 100 °C beschränkt. Dieser Brennstoffzellentyp wird auch als Niedertemperatur- Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzelle (NT-PEM-Brennstoffzelle) bezeichnet.
Um ein Austrocknen der Elektrolytmembran zu vermeiden, ist bei Brennstoffzellen,
insbesondere Niedertemperatur-PEM-Brennstoffzellen, notwendig, dass die Reaktandengase, das heißt sauerstoffhaltiges Gas für die Kathodenseite und wasserstoffhaltiges Brenngas für die Anodenseite, befeuchtet werden. Zur Befeuchtung der Reaktandengase von Brennstoffzellen sind bereits zahlreiche Verfahren vorgeschlagen worden.
Die EP 0 629 014 B1 beschreibt ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Befeuchtung von Reaktandengas für den Betrieb von Brennstoffzellen, bei denen über eine externe Versorgungsleitung Wasser durch eine feinzerstäubende Düse in das Reaktandengas eingespritzt wird. Die Wassermenge wird hierbei in Abhängigkeit von der zu befeuchtenden Gasmenge und der Temperatur durch ein in der Versorgungsleitung angeordnetes Dosierventil eingestellt.
In EP 0 301 757 A2 wird eine Brennstoffzelle mit einer Ionen leitenden Elektrolytmembran beschrieben, bei der über eine externe Versorgungsleitung Wasser in die Anodenseite eingedüst wird, um die Brennstoffzelle zu befeuchten und zu kühlen.
Die JP 071 763 13 A beschreibt eine Anordnung einer Brennstoffzelle und einen
Wärmetauscher, in welchem aus einer externen Versorgungsleitung zugeführtes Wasser durch die der Abluft der Zelle entzogenen Wärme verdampft wird und damit die der Zelle
zuzuführende Luft befeuchtet wird.
Die US A 6106964 beschreibt eine Anordnung aus einer PEM-Brennstoffzelle sowie einem kombinierten Wärme- und Feuchtigkeitsaustauscher, der eine Reaktandengaszuführkammer und eine Reaktandengasabführkammer umfasst, welche durch eine wasserpermeable
Membran getrennt sind. Hierbei werden Wasser und Wärme aus dem Prozessabgasstrom auf dem Reaktandengaszuführstrom über die wasserpermeable Membran übertragen. Zwar wird bei dieser Anordnung Produktwasser direkt zur Befeuchtung der Zelle eingesetzt, es ist jedoch schwierig, den Rückführungsanteil des Produktwassers zu regulieren. Darüber hinaus werden im Produktwasser enthaltene Verunreinigungen, wie Metallionen, ständig im Kreislauf geführt, was bei einem längeren Betrieb zu Beeinträchtigungen der Zelle und der wasserpermeablen Membran führen kann.
Ferner nimmt die Stromerzeugungsleistung des Brennstoffzellensystems ab, wenn beim Start die Temperatur der Brennstoffzelle niedrig ist und die Temperatur der Luft, die dem
Kathodeneinlass durch die Luftzufuhrleitung zugeführt wird, niedrig ist.
Zur Lösung der obigen Probleme sieht die DE 10202471 B4 ein Brennstoffzellensystem vor, das eine Kühlleitung zum Kühlen einer Brennstoffzelle mit dem zwischen der Brennstoffzelle und einem Wärmeaustauscher zirkulierenden Kühlfluid umfasst, sowie eine
Befeuchtungsvorrichtung und eine Heizvorrichtung zum Erhitzen der Oxidations- und
Brenngase mit dem Kühlfluid der Kühlleitung, das die Wärme von der Brennstoffzelle absorbiert und in den Wärmeaustauscher fließt.
All diesen Lösungen ist gemein, dass sie zum Vorkonditionieren der Reaktandengase ein zusätzliches Bauelement vorsehen, welches einen hohen Raumbedarf beansprucht und die Wärmekapazität des Systems erhöht. Insbesondere die Erhöhung der Wärmekapazität wirkt sich nachteilig auf das Verhalten des Brennstoffzellensystems beim Froststart aus.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und ein zugehöriges
Brennstoffzellensystem bereitzustellen, das eine hohe Systemleistungsdichte, insbesondere beim Froststart, bei geringerer Systemkomplexität erzielt.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren sowie durch ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. So betrifft ein erster Aspekt der Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems, aufweisend eine Brennstoffzelle, die strömungstechnisch mit einem Reaktandenströmungsweg verbunden ist, welcher einen stromauf der Brennstoffzelle angeordneten Verdichter aufweist. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass am Verdichter in Abhängigkeit einer Temperatur eines im
Reaktandenströmungsweg strömenden Reaktandengases ein Druckverhältnis paUs Pein zwischen einem an einem Verdichterausgang stromab des Verdichters vorliegenden Druck (paus) des Reaktandengases und einem an einem Verdichtereingang stromauf des Verdichters
vorliegenden Druck (pein) des Reaktandengases eingestellt wird. Vorzugsweise wird das Druckverhältnis am Verdichter (Stellgröße) so eingestellt, dass sich eine gewünschte Temperatur des Reaktandengases (Führungsgröße) im Sinne einer Steuerung oder Regelung einstellt.
Der Vorteil der Erfindung liegt darin, dass das Druckverhältnis am Verdichter, also der Druck des im Reaktandenströmungsweg strömenden Reaktandengases am Verdichterein- und Verdichterausgang, in Abhängigkeit einer Temperatur des Reaktandengases derart eingestellt werden kann, dass sich das Reaktandengas beim Durchlaufen des Verdichters erwärmt. Somit ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren eine gezielte Erhöhung und Regelung der Reaktandengastemperatur am Brennstoffzelleneingang eines Brennstoffzellensystems durch künstliche Erhöhung des Druckverhältnisses beziehungsweise durch Verringerung der Effizienz des Verdichters, um beispielsweise bei niedrigen Außentemperaturen ein Vereisen von nachgelagerten Komponenten zu verhindern sowie die Betriebsbedingungen für die
Brennstoffzelle positiv zu beeinflussen. Gleichzeitig werden Kosten und Bauteile reduziert, da ein Luftladekühler zum Vorkonditionieren der Luft nicht mehr nötig ist und ausgegliedert werden kann. Dies verringert die Systemkosten und die Wärmekapazität des Systems. Insbesondere Letzteres ist für den Froststart der Brennstoffzelle sehr günstig, da weniger Masse auf eine Mindesttemperatur gebracht werden muss und somit die Energie beziehungsweise die Dauer, die für den Froststart benötigt wird, deutlich reduziert wird. Vorzugsweise wird der Arbeitspunkt des Verdichters derart beeinflusst, dass sich die Temperatur des Reaktandengases erhöht. Dieses Verfahren ist insbesondere in Niederdrucksystemen interessant, da dort üblicherweise das Druckverhältnis nur so hoch ist, dass die Systemdruckverluste gerade überwunden werden können. Das erfindungsgemäße Verfahren hingegen ermöglicht auch bei niedriger Last, also bei niedrigem Durchfluss von Luft, ein derart hohes Druckverhältnis, dass die Temperatur am Verdichteraustritt oberhalb der Mindesttemperatur des Systems liegt.
Der Reaktandenströmungsweg umfasst vorliegend den gesamten Strömungsweg eines der beiden Reaktandengase, Anodengas oder Kathodengas. Das heißt, der
Reaktandenströmungsweg umfasst sowohl den Reaktandenzustrom zur Brennstoffzelle mit darin angeordnetem Verdichter als auch den Abgasstrom von der Brennstoffzelle des betreffenden Reaktandengases. Das erfindungsgemäße Verfahren findet vorzugsweise im Strömungsweg des Kathodengases Anwendung, da es aufgrund des Wassergehalts des Abgasstroms und des befeuchteten Zustroms in diesem Bereich bei Unterschreitung einer Mindesttemperatur besonders leicht zur Vereisung kommt. In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, das das Druckverhältnis Paus Pein so eingestellt wird, dass sich eine Solltemperatur Tmin des Reaktandengases am Brennstoffzelleneingang einstellt. Insbesondere ist bevorzugt, dass das Druckverhältnis am Verdichter in Abhängigkeit einer Solltemperatur eingestellt wird. Alternativ ist bevorzugt, dass das Druckverhältnis paUs Pein so eingestellt wird, dass sich eine Solltemperatur Tin des
Reaktandengases am Eingang eines stromab des Verdichters angeordneten Befeuchters einstellt. Die Solltemperatur Tmin ist dabei beispielsweise die Solltemperatur des
Reaktandengases beim Eintritt in den Befeuchter. Zur Steuerung des Druckverhältnisses findet im einfachsten Fall ein Soll-Ist-Abgleich zwischen Solltemperatur und Isttemperatur statt. In Abhängigkeit von der Differenz findet dann eine Beeinflussung des Druckverhältnisses paUs Pein statt, um zum Beispiel durch eine Erhöhung von paUs Pein die Isttemperatur am
Verdichterausgang zu erhöhen.
Somit wird ein erhöhtes und damit energetisch eher ungünstiges Druckverhältnis paUs Pein am Verdichter nur eingestellt, wenn die Temperatur zur Einstellung des Druckverhältnisses unterschritten ist. Die Steuerung des Druckverhältnisses paus/Pein erfolgt nur im Bedarfsfall, wie beispielsweise bei Froststart und/oder niedrigen Temperaturen.
Mit Vorteil wird das Druckverhältnis über eine im Reaktandenströmungsweg angeordnete Drosseleinheit gesteuert. Der Reaktandengas wird stromauf und/oder stromab des Verdichters gedrosselt, um das Druckverhältnis paus/Pein zu verändern beziehungsweise einzustellen. Somit ist in einer weiteren Ausgestaltung bevorzugt, dass das Verfahren geregelt durchgeführt wird, wobei die Isttemperatur (Tist) des Reaktandengases gemessen wird. Dazu ist es von Vorteil, wenn das Brennstoffzellensystem ferner eine Steuereinheit umfasst, die mit einem Sensor zur Messung der Temperatur und mit der Drosseleinheit verbunden ist. In diesem Fall wird die Temperatur gemessen, und aus der Temperatur des Reaktandengases an einer bestimmten Stelle im Reaktandenströmungsweg, vorzugsweise stromauf des Befeuchters oder der Brennstoffzelle, ein einzustellendes Druckverhältnis am Verdichter ermittelt. Das einzustellende Druckverhältnis wird dann mittels Signalweiterleitung an die Drosseleinheit weitergeleitet, wodurch dann das Reaktandengas gedrosselt beziehungsweise reduziert wird.
In einer weiter bevorzugten Ausgestaltung ist vorgesehen, dass das Reaktandengas stromab der Brennstoffzelle, also im Abgasstrom der Brennstoffzelle, gedrosselt wird. Diese
Ausgestaltung ist insbesondere für Hochdrucksysteme bevorzugt, insbesondere dann, wenn ohnehin eine Drosselklappe vorhanden ist, da eine Zusatzkomponente entfällt. Alternativ oder zusätzlich wird ein Teil des Volumenstroms vom Verdichteraustritt zum
Verdichtereintritt zurückgeführt und in die Rückführleitung eine weitere Regelungseinheit eingebracht. Diese Ausgestaltung ist besonders vorteilhaft für Turboverdichter, da durch die Rückführung ein besonders großer Arbeitsbereich abgedeckt wird ohne die Pumpgrenze zu erreichen. Gleichzeitig wird damit ein Kennfeld des Verdichters auch in anderen
Betriebssituationen deutlich erweitert. Bei dieser Regeleinheit handelt es sich vorzugweise ebenfalls um eine Drosseleinheit oder um ein Ventil.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Drosseleinheit ein Drosselventil oder eine Drosselklappe ist. Derartige Systeme haben sich bewährt, sind wenig aufwendig und aufgrund ihrer Einfachheit wenig fehleranfällig.
Ferner ist bevorzugt, dass das Reaktandengas stromauf des Verdichters gedrosselt wird. Diese Ausgestaltung der Erfindung ist für Niederdrucksysteme besonders vorteilhaft, da der
Betriebsdruck der Brennstoffzelle nicht beeinflusst wird. In einer alternativen Ausgestaltung ist vorgesehen, dass das Reaktandengas stromab des Verdichters gedrosselt wird.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem, aufweisend eine
Brennstoffzelle, die strömungstechnisch mit einem Reaktandenströmungsweg verbunden ist, und einen im Reaktandenströmungsweg angeordneten Verdichter, das eingerichtet ist, das Verfahren nach einer der vorgenannten Ausgestaltungen durchzuführen. Vorzugsweise sind im Reaktandenströmungsweg ferner eine Drosseleinheit, ein Sensorelement zur Messung einer Stellgröße sowie eine Steuereinheit zur Steuerung der Drosseleinheit angeordnet. Bei der Drosseleinheit handelt es sich bevorzugt um ein Drosselventil oder eine Drosselklappe. Das Sensorelement ist mit Vorteil ein Temperatur- und/oder ein Drucksensor, der mit der
Steuereinheit in Verbindung steht. Mit besonderem Vorteil ist das Sensorelement ein
Temperatursensor, welcher im Reaktandenströmungweg stromauf des Befeuchters angeordnet ist.
Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.
Die verschiedenen in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar. Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
Figur 1 schematisches Schaubild einer bevorzugten Ausgestaltung eines
erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems,
Figur 2 schematisches Schaubild einer weiteren Ausgestaltung eines
erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems,
Figur 3 schematisches Schaubild einer dritten Ausgestaltung eines
erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems, und
Figur 4 Fließschema eines Abschnitts des erfindungsgemäßen Verfahrens in einer bevorzugten Ausgestaltung.
Die Figuren 1 bis 3 zeigen schematische Schaubilder eines erfindungsgemäßen
Brennstoffzellensystems 1 in bevorzugten Ausgestaltungen.
Das Brennstoffzellensystem 1 umfasst eine Brennstoffzelle 2, die eine ionenleitfähige Membran und zwei Reaktandenräume, nämlich einen Kathodenraum und einen Anodenraum, aufweist. Jeder der Reaktandenräume weist zur Medienversorgung einen Reaktandenströmungsweg 3 , auch Loop genannt, auf. In den gezeigten Figuren ist jeweils exemplarisch der
Reaktandenströmungsweg 3 des Kathodenraums gezeigt, da dieser für die Erfindung die größere Bedeutung hat.
Innerhalb des Reaktandenströmungswegs 3 fließt das jeweilige Reaktandengas. Im
Strömungsweg 3 der Kathode fließt dabei ein Oxidationsmittel, wie beispielsweise
Luftsauerstoff, während im Strömungsweg der Anode ein Brennstoff, wie Wasserstoff, gefördert wird.
Der Reaktandenströmungsweg 3 umfasst den gesamten Strömungsweg des Reaktandengases, also sowohl den Zustrom 3a zur Brennstoffzelle 2, der die Brennstoffzelle 2 mit frischem
Brennstoff beziehungsweise Luft versorgt, als auch den Abgasstrom 3b, der das Abgas von der Brennstoffzelle 2 abtransportiert. Innerhalb des Reaktandenströmungswegs 3 ist ein Befeuchter 4 angeordnet. Der Befeuchter 4 ist stromauf der Brennstoffzelle 2 strömungstechnisch mit dem Zustrom 3a verbunden. In der gezeigten Ausführungsform wird ein Befeuchter 3 verwendet, der nicht nur von dem zu befeuchtenden Zustrom 3a durchströmt wird, sondern ebenfalls strömungstechnisch mit dem feuchten Abgasstrom 3b in Verbindung steht. Dem Abgasstrom 3b wird in dieser Ausgestaltung Feuchtigkeit in Form von Wasserdampf entzogen, um das zuströmende Gas im Zustrom 3a zu befeuchten.
Stromauf des Befeuchters 4 ist im Zustrom 3a ein Verdichter 5 angeordnet. Dieser weist stromauf einen Verdichtereingang 5a für das Reaktandengas und stromab einen
Verdichterausgang 5b für das Reaktandengas auf. Am Verdichtereingang 5a hat das
Reaktandengas einen Druck pein, der sich im Verdichter 5 auf einen Wert paus am
Verdichterausgang 5b entsprechend einem Verdichtungsverhältnis des Verdichters 5 erhöht.
Ferner weist der Reaktandenströmungsweg 3 eine Drosseleinheit 6 auf, die als Drosselklappe oder als Drosselventil ausgeführt sein kann. Die Drosseleinheit wird je nach Ausgestaltung im Zustrom 3a, stromauf (Figur 1 ) oder stromab des Verdichters 5, im Abgasstrom stromab der Brennstoffzelle 2 (falls es sich wie vorliegend um einen kombinierten Befeuchter 4 handelt vorzugsweise stromab des Befeuchters 4) (Figur 2 und 3). Alternativ oder zusätzlich kann ferner ein Teil des Zustroms 3a vom Verdichterausgang 5b zum Verdichtereingang 5a in Form eines rückgeführten Teilstroms 8 zurückgeführt werden. Dann ist innerhalb des Teilstroms 8 ebenfalls eine, vorzugsweise komplett schließbare, Drosseleinheit 6 angeordnet.
Nicht eingezeichnet sind diverse Sensoren zur Messung des Reaktandengases. Im
Reaktandenströmungsweg 3 können beispielsweise Druck- und vor allem Temperatursensoren angeordnet sein, die das Reaktandengas überwachen. In Bezug auf die Erfindung sind hierfür vor allem ein oder mehrere Temperatursensoren interessant, die innerhalb des Zustroms 3a stromauf des Befeuchters 3 angeordnet sind. Ebenfalls nicht eingezeichnet ist eine
Steuereinheit, die mit dem Sensor und mit der Drosseleinheit 6 verbunden ist. Die
Funktionsweise der Steuereinheit ist in Figur 4 skizziert.
Idealerweise wird in dem Brennstoffzellensystem 1 auf einen Luftladekühler 7 verzichtet. Statt dessen können weitere nicht eingezeichnete Einheiten zur Kühlung des Reaktandengases innerhalb des Reaktandenströmungswegs 3 angeordnet sein. Mithilfe der Drosseleinheit 6 kann der Druck pein des Reaktandengases am Verdichtereingang 5a und/oder der Druck paus am Verdichterausgang 5b variiert werden. Da die Leistung des Verdichters 5 und somit sein Verdichtungsverhältnis vorzugsweise konstant gehalten wird, wird mit der Variation eines oder beider Drücke über die Drosseleinheit 6 ein Druckverhältnis paUs Pein eingestellt. Bei höherem Druckverhältnis, also bei deutlich höherem Ausgangs- als
Eingangsdruck, erhöht die Kompression des Reaktandengases die Temperatur des
Reaktandengases stromab des Verdichters 5. Somit kann das Reaktandengas in Bezug auf seine Temperatur durch die Einstellung des Druckverhältnisses paus/pein am Verdichter 5 über die Drosseleinheit 6, vorkonditioniert werden. Damit übernimmt die Drosseleinheit 6 in
Verbindung mit dem Verdichter 5 zum Beispiel die Aufgabe des Luftladekühlers 7 bei Froststart beziehungsweise bei sehr niedrigen Temperaturen.
Figur 4 zeigt eine Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens im bevorzugten Fall einer Regelung.
In Block I (Subtraktor) wird als erster Eingangswert eine einzustellende Solltemperatur als Führungsgröße, hier eine gewünschte Mindesttemperatur Tmin am Eingang der Brennstoffzelle 2, eingelesen. Ferner geht in Block I die tatsächlich vorliegende Regelgröße, hier die am Brennstoffzelleneingang gemessene Isttemperatur Tist des Reaktandengases als zweite
Eingangsgröße ein. In Block I wird die Differenz ΔΤ zwischen den beiden Eingangsgrößen als Regelabweichung bestimmt. In Block II wird in Abhängigkeit von der Temperaturdifferenz ΔΤ das einzustellende Druckverhältnis paUs Pein am Verdichter 5 als Stellgröße bestimmt. Dies kann durch Berechnung oder unter Verwendung einer Kennlinie, die das Druckverhältniss paUs Pein als Funktion der Temperaturdifferenz ΔΤ angibt, erfolgen. In Block III erfolgt die
Systemdruckregelung, indem aus dem einzustellenden Druckverhältnis paus/Pein ein
Ansteuerwert für die Drosseleinheit 6 ermittelt wird, mit welcher diese in Block IV angesteuert wird. Die sich daraufhin im System einstellende Temperatur Tist des Reaktandengases wird in Block V erfasst, insbesondere durch Messung, und wird in Block I rückgekoppelt. Auf diese Weise wird das Druckverhältnis paus/Pein beziehungsweise der Stellwert der Drosseleinheit 6 so beeinflusst, dass sich die Regelabweichung ΔΤ minimiert und somit die Solltemperatur Tmin am Brennstoffzelleneingang einstellt.
Im Falle niedriger Umgebungstemperaturen, wenn die Führungsgröße Tmin oder Tin
unterschritten wird, wird somit ein erhöhtes und damit energetisch eher ungünstiges
Druckverhältnis paus/Pein am Verdichter 5 eingestellt und in Kauf genommen, um die
Ausgangstemperatur des Reaktandengases am Verdichter zu erhöhen. Einer Vereisung der Brennstoffzelle oder von Komponenten des Brennstoffzellensystems kann damit in einfacher Weise entgegengewirkt werden. Die Steuerung des Druckverhältnisses paUs Pein erfolgt nur im Bedarfsfall, wie beispielsweise bei Froststart und/oder niedrigen Temperaturen.
Bezugszeichenliste
1 Brennstoffzellensystem
2 Brennstoffzelle
3 Reaktandenströmungsweg
3a Zustrom
3b Abgas
4 Befeuchter
5 Verdichter
5a Verdichtereingang
5b Verdichterausgang
6 Drosseleinheit
7 Luftladekühler
8 rückgeführter Teilstrom
I Messung der Führungsgröße
II Berechnung Stellgröße (mind. Druckverhältnis paUs Pein)
III Funktion: Systemdruckregelung
IV Übergabe System (Drosseleinheit)
V Sensor und/oder Modellabgleich

Claims

Patentansprüche
1 . Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems (1 ), aufweisend eine
Brennstoffzelle (2) die strömungstechnisch mit einem Reaktandenströmungsweg (3) verbunden ist, welcher einen stromauf der Brennstoffzelle (2) angeordneten Verdichter (5) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass am Verdichter (5) in Abhängigkeit einer Temperatur eines im Reaktandenströmungsweg (3) strömenden Reaktandengases ein Druckverhältnis paUs Pein zwischen einem an einem Verdichterausgang (5b) stromab des Verdichters (5) vorliegenden Druck (paus) des Reaktandengases und einem an einem Verdichtereingang (5a) stromauf des Verdichters (5) vorliegenden Druck (pein) des Reaktandengases eingestellt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Druckverhältnis paUs Pein so eingestellt wird, dass sich eine Solltemperatur Tmin des Reaktandengases am
Brennstoffzelleneingang einstellt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Druckverhältnis paUs Pein so eingestellt wird, dass sich eine Solltemperatur Tin des Reaktandengases am Eingang eines stromab des Verdichters (5) angeordneten Befeuchters (4) einstellt
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren geregelt durchgeführt wird, wobei die Isttemperatur (Tist) des
Reaktandengases gemessen wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Druckverhältnis über eine im Reaktandenströmungsweg (3) angeordnete
Drosseleinheit (6) gesteuert wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Reaktandengas stromauf des Verdichters (5) gedrosselt wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das
Reaktandengas stromab des Verdichters (5) gedrosselt wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das
Reaktandengas stromab der Brennstoffzelle (2) gedrosselt wird.
9. Brennstoffzellensystem (1 ), aufweisend eine Brennstoffzelle (2), die strömungstechnisch mit einem Reaktandenströmungsweg (3) verbunden ist, und einen im
Reaktandenströmungsweg (3) angeordneten Verdichter (5), dadurch gekennzeichnet, dass das Brennstoffzellensystem (1 ) eingerichtet ist, das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8 durchzuführen.
10. Brennstoffzellensystem (1 ) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass im
Reaktandenströmungsweg (3) ferner eine Drosseleinheit (6), ein Sensorelement zur Messung einer Stellgröße sowie eine Steuereinheit zur Steuerung der Drosseleinheit (6) angeordnet sind.
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