WO2016116187A1 - Verfahren zum betreiben eines brennstoffzellensystems sowie brennstoffzellensystem - Google Patents

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cathode
fuel cell
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Marius WALTERS
Rene Savelsberg
Maximilian WICK
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Fev Gmbh
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    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the fuel cell system The fuel cell system
  • the present invention relates to a method of operating a fuel cell system, the fuel cell system comprising at least a fuel cell having a cathode and an anode, a cathode fluid system for supplying the cathode with a cathode fluid, an anode fluid system for supplying the anode with an anode fluid, and a control device.
  • the invention further relates to a fuel cell system comprising at least one fuel cell having a cathode and an anode, a cathode fluid system for supplying the cathode with a cathode fluid, an anode fluid system for supplying the anode with an anode fluid, and a control device.
  • Fuel cell systems are widely used in modern technology as energy sources.
  • Such fuel cell systems usually have a plurality of fuel cells, which are in particular often designed as membrane fuel cells, comprising an anode, a cathode and a membrane arranged therebetween.
  • the membrane in such a membrane electrode assembly (MEA, Membrane Electrode Assembly) separates a gas space of the cathode from a gas space of the anode.
  • MEA Membrane Electrode Assembly
  • An uneven pressure load in the two gas chambers can have a detrimental effect on the membrane and thus on the fuel cell as a whole. In this case, too high a pressure difference between the gas space of the cathode and the gas space of the anode lead to damage, in the worst case to a destruction of the membrane.
  • JP H03297064A and US Pat. No. 4,528,251 A disclose devices which are formed separately in the cathode fluid system and in the anode fluid system for equalizing small pressure fluctuations. Large pressure fluctuations, which can lead to damage to the membrane in particular, but this can not be compensated.
  • the object is achieved by a method for operating a fuel cell system, the fuel cell system comprising at least a fuel cell having a cathode and an anode, a cathode fluid system for supplying the cathode with a cathode fluid, an anode fluid system for supplying the anode with an anode fluid , as well as a control device.
  • a method according to the invention is characterized by the following steps: a) determining a pressure difference between a pressure of the cathode fluid in the cathode fluid system and a pressure of the anode fluid in the anode fluid system, b) establishing a control pressure for the anode fluid in the anode fluid system as a function of the pressure difference determined in step a), and
  • step b) regulating the pressure of the anode fluid according to the control pressure determined in step b).
  • a pressure difference between a pressure of the cathode fluid in the cathode fluid system and a pressure of the anode fluid in Anode fluid system determined.
  • the pressure difference is the difference between the absolute pressures of the cathode fluid and the anode fluid.
  • the pressure difference can be measured as an absolute value but also, for example, relatively as a deviation from a predetermined desired pressure difference.
  • the pressure difference is determined directly, without the absolute pressures of the individual fluids in the cathode fluid system and in particular in the anode fluid system must be measured.
  • no costly pressure sensor is required for the measurement of the pressure difference, which is suitable for the hydrogen-containing environment of the anode fluid system.
  • the direct measurement of the pressure difference for example, a determination of the current load on the membrane of the fuel cell is made possible at the same time.
  • the determined pressure difference can be transmitted in particular preferably for further processing to the control device of the fuel cell system.
  • a control pressure for the anode fluid is set.
  • the setting can be made particularly preferably in the control device of the fuel cell system.
  • a control pressure in the sense of the invention can be an absolute pressure.
  • an instruction for increasing or decreasing the pressure of the anode fluid in the anode fluid system can also represent a control pressure in the sense of the invention.
  • the control pressure is determined in particular as a function of the pressure difference determined in step a).
  • a load on a membrane of the fuel cell can also be taken into account.
  • the control pressure is set to be a higher absolute pressure for the anode fluid.
  • making an increase in the pressure of the anode fluid, without prescribing a fixed absolute value for the pressure of the anode fluid may constitute a control pressure within the meaning of the invention. Accordingly, at a pressure difference indicative of too high a pressure in the anode fluid system, as a control pressure, for example, a lower absolute pressure for the anode fluid or a decrease in the pressure of the anode fluid without setting a fixed absolute value for the pressure of the anode fluid can be set become.
  • step c) of a method according to the invention the pressure of the anode fluid is subsequently controlled.
  • This regulation is carried out in accordance with the procedure described in step b). determined control pressure made.
  • the control can also be made particularly preferred by the control device of the fuel cell. In this case, depending on the type of control pressure used, for example, set an absolute value for the pressure of the anode fluid or an increase or decrease in the pressure of the anode fluid can be made.
  • This regulation can be carried out by a repeated execution of the method according to the invention also for a long time.
  • a safe, effective operation of the fuel cell at a substantially constant pressure difference between the gas spaces of the cathode and the anode can be made possible thereby.
  • the risk of damage or even destruction of a membrane between the cathode and the anode by a too large pressure difference between the anode fluid and the cathode fluid can be particularly reliably prevented.
  • a pressure of the cathode fluid in the cathode fluid system is determined before step b) and that in step b) the control pressure for the anode fluid is additionally determined as a function of the determined pressure of the cathode fluid.
  • the control pressure for the anode fluid is additionally determined as a function of the determined pressure of the cathode fluid.
  • Prior to step b), according to the invention may preferably comprise simultaneously to step a). This additional dependency of the control pressure makes it possible to adjust and regulate the absolute pressure in the anode fluid system of the fuel cell in a particularly simple manner.
  • a corresponding control pressure for the cathode fluid is also determined and subsequently used to control the pressure of the cathode fluid.
  • a method according to the invention can be further developed such that in step b) the control pressure of the anode fluid is determined with a fixed pressure difference to the measured pressure of the cathode fluid.
  • the Value of this set fixed pressure difference during operation of the fuel cell system also be changed.
  • this allows a regulation of an absolute pressure of the anode fluid to be made without having to measure the pressure of the anode fluid directly.
  • Elaborate and costly pressure sensors for the anode fluid system, which must be suitable for a hydrogen-containing environment, can be avoided.
  • step a) the pressure difference is determined using a pressure compensator.
  • a pressure compensator is a particularly simple and inexpensive device, by which a pressure difference can be determined.
  • the pressures of the cathode fluid and the anode fluid generally act on a common biasing element, with a pressure differential between the fluids causing a change in state, such as a change in position and / or movement, of the biasing element.
  • Inductive, capacitive and / or resistive measuring elements can be used for measuring the state and / or the state change.
  • a method according to the invention can be further developed such that in the pressure compensator a piston is oppositely pressurized by the cathode fluid and the anode fluid and a position and / or a speed and / or an acceleration of the piston for determining the pressure difference is used.
  • the piston in this case represents a particularly simple loading element of a pressure compensator.
  • the fact that the piston is acted upon from opposite sides by the cathode fluid and the anode fluid with pressure, the pressure compensator can be constructed particularly compact.
  • a fixed pressure difference can be set as the equilibrium position of the piston.
  • a pressure difference between the fluids in the Cathode fluid system and in the anode fluid system can be determined with high accuracy.
  • additional measures such as a speed and / or an acceleration of the piston, the accuracy in the determination of the pressure difference can be further increased.
  • step a) and / or step b) and / or step c) are carried out continuously or at least substantially continuously.
  • Continuous within the meaning of the invention means in particular that the steps of the method according to the invention are carried out continuously and without interruption.
  • a continuous execution of the determination of the pressure difference between the cathode fluid and the anode fluid, the setting of the control pressure for the anode fluid or the regulation of the pressure of the anode fluid according to this control pressure can thereby take place.
  • a substantially continuous performance of steps a) and / or b) and / or c) is understood in the sense of the invention to mean that just mentioned steps with a frequency in the range of about 10 Hz, preferably in the range of about 100 Hz , more preferably in the range of about 1 kHz.
  • a change in the pressure difference between the cathode fluid and the anode fluid can be detected particularly well and quickly and converted via the steps b) and c) in a change in the pressure of the anode fluid.
  • Such a change in the pressure difference can thus be compensated in a continuous or at least substantially continuous implementation of the method and does not lead to a change in the relative pressure conditions in the fuel cell.
  • a pressure difference between the pressure of the anode fluid and the pressure of the cathode fluid in the fuel cell can be kept constant or at least substantially constant, regardless of changes, in particular rapid changes, of the pressure of at least one of the fluids.
  • the risk of damage to the membrane between the gas chambers of the cathode and the anode can be further reduced.
  • determining or regulating the pressure of the cathode fluid can also be carried out continuously or at least substantially continuously, if this is part of the method according to the invention.
  • a regulation of a mass flow of the cathode fluid and / or a regulation of a mass flow of the anode fluid are carried out as a function of steps a), b) and c).
  • a method according to the invention thus enables a particularly versatile applicability of a fuel cell system whose operation can be adapted in particular to many different requirements.
  • a fuel cell system comprising at least one fuel cell with a cathode and an anode, a cathode fluid system for supplying the cathode with a cathode fluid, an anode fluid system for supplying the anode with an anode fluid, and a control device.
  • An inventive fuel cell system is characterized in that the control device is designed to carry out a method according to the first aspect of the invention. Accordingly, a fuel cell system according to the invention brings the same advantages as described in detail with reference to a method according to the invention according to the first aspect of the invention have been explained.
  • the fuel cell system has all the necessary components to supply the control device with the necessary input data, such as the pressure difference between the cathode fluid and the anode fluid, as well as to make the provided in step c) of the method control the pressure of the anode fluid.
  • a fuel cell system according to the invention can be designed such that a pressure compensator is arranged between the cathode fluid system and the anode fluid system, the pressure compensator having a piston which can be acted upon by the cathode fluid and the anode fluid in opposite directions.
  • the piston of the pressure compensator may preferably be arranged in the interior of a hollow volume, for example a hollow cylinder, wherein the piston can be acted upon by pressure from one side of the cathode fluid and from the other side by the anode fluid.
  • the piston can be kept in the hollow volume, for example by spring elements in an equilibrium position.
  • the cathode fluid and the anode fluid thus act on the piston in such a way that the forces exerted on them by the action of the piston on the two fluids are opposite.
  • the total force acting on the piston in particular depends on the pressure difference between the two fluids.
  • a change in the pressure of one or both fluids usually causes a change in the pressure difference and thereby a change in state, such as a change in position and / or movement, of the piston.
  • By evaluating the state of the piston it is thus particularly easy to determine a pressure difference or a change in the pressure difference between the fluids.
  • a pressure compensator thus represents a particularly simple and cost-effective device for determining a pressure difference.
  • the piston has a first cross-sectional area for pressurization by the cathode fluid and a second cross-sectional area for pressurization by the anode fluid, the first and second cross-sectional areas being different.
  • the force acting on the piston by the action of a fluid is dependent on the pressure of the fluid and the cross-sectional area of the piston used to be acted upon by the fluid.
  • the first and the second cross-sectional area are different, in particular of different sizes.
  • An equilibrium position of the pressure balance, in which the piston does not move thus results from the fact that the pressures of the cathode fluid and the anode fluid are also different in a corresponding manner.
  • the automatic setting of a, in particular preferred small, pressure difference is thereby made particularly simple. Such a small pressure difference may, for example, have a positive effect on a reaction efficiency in the fuel cell. The efficiency of operation of a fuel cell system can thus be increased.
  • the pressure compensator has a differential pressure limiting device.
  • Differential pressure limiting device provides an additional safety device to avoid excessive differential pressure between the cathode fluid and the anode fluid.
  • a further rise in the differential pressure can be prevented by the differential pressure limiting device, for example by discharging one of the fluids into a suitable collecting volume or the environment.
  • An impairment up to the damage or destruction of parts of the fuel cell system by a too high differential pressure, in particular, for example, a membrane between the cathode and the anode, can be safely avoided.
  • a differential pressure limiting device can of course also be configured such that a certain differential pressure between the two fluid systems still remains possible.
  • a fuel cell system according to the invention can be further developed in that the differential pressure limiting device has at least one overflow channel.
  • the piston of the pressure compensator is pressurized by the cathode fluid or the anode fluid, wherein a balance of the piston position is established by a pressure difference between these two fluids. It can be provided that, in the case of too great a differential pressure, the piston in the pressure compensator is moved so far that one or more overflow channels are opened, by which or a pressure reduction and / or a pressure equalization between the anode fluid system and the Cathode fluid system are enabled. Thus, it can be made particularly easy to secure a differential pressure between the gas systems of the fuel cell with respect to a large pressure difference.
  • an overflow channel can thereby reduce the respective overpressure on the anode or cathode side, for example by discharging the corresponding medium, for example, to the environment. Particularly preferably, for example, could be done by the overflow in particular a blow-off of overpressure, for example, in the cathode exhaust gas.
  • an overflow channel can of course also be designed as a, normally closed, fluid-communicating connection between the cathode fluid system and the anode fluid system.
  • pressure equalization between the fluid systems of the cathode and the anode can be made particularly simple.
  • Fig. 1 is an illustration of a method according to the invention.
  • Fig. 2 shows an inventive fuel cell system.
  • a method according to the invention is shown.
  • the fuel cell system 10 configured to carry out this method is not shown.
  • a pressure difference between a pressure of a cathode fluid 23 in a cathode fluid system 20 and a pressure of an anode fluid 33 in an anode fluid system 30 of a fuel cell 1 1 of a fuel cell system 10 is determined.
  • a position and / or a speed and / or a Acceleration of a piston 60 of a pressure compensator 50 are measured.
  • these measured data can be evaluated and used to calculate a pressure difference.
  • a control pressure for the anode fluid 33 in the anode fluid system 30 is determined, for example, in the control device 15 in a step b) 101.
  • the control pressure is determined as a function of the pressure difference ascertained in step a) 100.
  • the control pressure may be, for example, an absolute pressure for the anode fluid 33, but also only the direction of a pressure change of the anode fluid 33 to be made.
  • further variables for example a measured absolute pressure of the cathode fluid 23 for determining the control pressure can additionally be used.
  • the control pressure for the anode fluid 33 is determined such that in particular damage to a membrane 14, which is arranged in the fuel cell 1 1 between a gas space of the anode 12 and a gas space of the cathode 13, by an excessive pressure difference between the pressure of the cathode fluid 23 and the pressure of the anode fluid 33 can be safely avoided.
  • the control pressure of the cathode fluid 33 can be set such that a small pressure difference between the pressures in the anode fluid system 20 and in the cathode fluid system 30 sets. A reaction rate between the anode fluid 23 and the cathode fluid 33 can thereby be improved or at least controlled.
  • step c) 102 of a method according to the invention the pressure of the anode fluid 33 is regulated in accordance with the control pressure defined in step b) 101.
  • a regulation of a pressure of the cathode fluid 23 and / or an adjustment of mass flows of the cathode fluid 23 and / or the anode fluid 33 is conceivable.
  • a particularly safe operation of the fuel cell 1 1 of the fuel cell system 10, in particular with regard to a pressure load on a membrane 14, can be achieved thereby.
  • FIG. 2 shows a fuel cell system 10 according to the invention.
  • the fuel cell system 10 according to the invention has in particular a fuel cell
  • anode 1 which comprises an anode 12, a cathode 13 and a membrane 14 arranged therebetween.
  • the anode 12 is supplied with anode fluid 23 by an anode fluid system 20.
  • the anode fluid 23 flows through an anode fluid supply 21 into the anode
  • the cathode 13 of the fuel cell 1 1 of the fuel cell system 10 is connected to a cathode fluid system 30.
  • the cathode fluid system 30 also has a cathode fluid supply 31, in which cathode fluid 33 the cathode 13 is supplied. After flowing through the cathode 13, during which it comes to reactions with the anode fluid 23, which in particular electrical energy is generated in the fuel cell 1 1, the remaining cathode fluid 33 is discharged through a cathode fluid discharge 32 again from the cathode 13 of the fuel cell 1 1.
  • the illustrated fuel cell system 10 is designed to carry out a method according to the invention.
  • the fuel cell system 10 has a pressure compensator 50, which in the illustrated embodiment is in fluid communication with the cathode fluid outlet 22 and the anode fluid outlet 32.
  • the pressure balance 50 comprises a cathode cylinder 51 and an anode cylinder 52, in which a piston 60 is arranged.
  • the piston 60 is acted upon with the pressure of the cathode fluid 23, in the anode cylinder 52 with the pressure of the anode fluid 33.
  • the piston 60 has differently sized cross-sectional areas 61, 62 in the cathode cylinder 51 and in the anode cylinder 52.
  • An equilibrium position of the pressure compensator 50, in which the piston 60 does not move, will thus not be set at the same pressures of the cathode fluid 23 and the anode fluid 33, but at a small pressure difference, in the case shown at a slight overpressure of the anode fluid 33 Deviation of the pressure difference from the intended size, the piston 60 is deflected from its equilibrium position.
  • the illustrated pressure compensator 50 has spring elements 53. The deflection and / or speed and / or acceleration of the piston 60 may be further measured by a measuring device 54.
  • the measuring device 54 may have, for example, inductive, capacitive and / or resistive sensor elements.
  • the measurement data are forwarded to a control device 15 in which they are evaluated and used in particular for determining a pressure difference between the pressure of the cathode fluid 23 and the pressure of the anode fluid 33.
  • a control pressure for the anode fluid 33 is further determined based on the determined pressure difference.
  • pressure control devices 40 which are formed in the illustrated embodiment as valves 41, 42 in the anode fluid supply 31 and anode fluid discharge 32, the Pressure of the anode fluid 33 can be adjusted and regulated according to the set control pressure.
  • a particularly simple regulation of a differential pressure between the pressure of the cathode fluid 23 and the pressure of the anode fluid 33 can thereby be made possible.
  • the absolute pressure of the cathode fluid 23 may also be measured and, on the one hand, controlled by itself and, on the other hand, included in the regulation of the pressure of the anode fluid 33.
  • An even better regulation of the fluid systems 20, 30 of the fuel cell system 10 can be created thereby.
  • the pressure compensator 50 differential pressure limiting devices 55 which are formed as overflow channels 56.
  • Shorting lines 57 connect the cathode fluid system 20 and the anode fluid system 30 directly in fluid communication with each other. Normally, this fluid-communicating connection is closed. At an overpressure in one of the two fluid systems 20, 30 moves through the pressure difference between the cathode fluid 23 and the anode fluid 33, the piston 60 and thereby opens the corresponding shorting line 57. A pressure equalization between the cathode fluid system 20 and the anode fluid system 30 can be done very easily . In the illustrated embodiment of a fuel cell system 10 according to the invention, discharge lines 58 are additionally provided as overflow channels 56.
  • Discharge lines 58 connect the corresponding fluid system 20, 30 with the environment.
  • the corresponding medium that is to say the cathode fluid 23 or the anode fluid 33
  • the discharge lines 58 of the embodiment shown open at an even greater deflection of the piston 60 than is the case for the short-circuit lines 57 and thereby at an even higher differential pressure. They are each connected in a fluid-communicating manner with the cathode discharge line 22.
  • the discharge of the corresponding fluid 23, 33 which has an overpressure
  • it is not simply uncontrolled in the environment, but using the existing in the Kathodenabterrorism Gustav 22 backup and / or filter devices.
  • a particularly safe and environmentally friendly blowing off of fluid 23, 33 to the environment can thereby be carried out.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems (10), das Brennstoffzellensystem (10) zumindest aufweisend eine Brennstoffzelle (11) mit einer Kathode (12) und einer Anode (13), ein Kathodenfluidsystem (20) zum Versorgen der Kathode (12) mit einem Kathodenfluid (23), ein Anodenfluidsystem (30) zum Versorgen der Anode (13) mit einem Anodenfluid (33), sowie eine Steuerungsvorrichtung (15). Ferner betrifft die Erfindung ein Brennstoffzellensystem (10) aufweisend zumindest eine Brennstoffzelle (11) mit einer Kathode (12) und einer Anode (13), ein Kathodenfluidsystem (20) zum Versorgen der Kathode (12) mit einem Kathodenfluid (23), ein Anodenfluidsystem (30) zum Versorgen der Anode (13) mit einem Anodenfluid (33), sowie eine Steuerungsvorrichtung (15).

Description

Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems sowie
Brennstoffzellensystem
B e s c h r e i b u n g
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems, das Brennstoffzellensystem zumindest aufweisend eine Brennstoffzelle mit einer Kathode und einer Anode, ein Kathodenfluidsystem zum Versorgen der Kathode mit einem Kathodenfluid, ein Anodenfluidsystem zum Versorgen der Anode mit einem Anodenfluid, sowie eine Steuerungsvorrichtung. Ferner betrifft die Erfindung ein Brennstoffzellensystem aufweisend zumindest eine Brennstoffzelle mit einer Kathode und einer Anode, ein Kathodenfluidsystem zum Versorgen der Kathode mit einem Kathodenfluid, ein Anodenfluidsystem zum Versorgen der Anode mit einem Anodenfluid, sowie eine Steuerungsvorrichtung. Brennstoffzellensysteme werden in der modernen Technik vielfältig als Energiequellen eingesetzt. Derartige Brennstoffzellensysteme weisen dabei zumeist mehrere Brennstoffzellen auf, die insbesondere oftmals als Membranbrennstoffzellen, aufweisend eine Anode, eine Kathode und eine dazwischen angeordnete Membran, ausgebildet sind. Die Membran in einer derartigen Membran-Elektrodeneinheit (MEA, Membrane Electrode Assembly) trennt dabei einen Gasraum der Kathode von einem Gasraum der Anode. Eine ungleichmäßige Druckbelastung in den beiden Gasräumen kann sich dabei schädlich auf die Membran und damit insgesamt auf die Brennstoffzelle auswirken. Dabei kann ein zu hoher Druckunterschied zwischen dem Gasraum der Kathode und dem Gasraum der Anode zu einer Beschädigung, schlimmstenfalls zu einer Zerstörung der Membran führen.
Um eine derartige Beeinträchtigung oder gar Zerstörung einer Brennstoffzelle, insbesondere der Membran der Brennstoffzelle, zu vermeiden, ist es grundsätzlich bekannt, einen Druckunterschied zwischen einem Kathodenfluid im Gasraum der Kathode und einem Anodenfluid im Gasraum der Anode zu begrenzen. So sind beispielsweise aus der JP H03297064A und der US 4,528,251 A Vorrichtungen bekannt, die zum Ausgleichen kleiner Druckschwankungen jeweils separat im Kathodenfluidsystem und im Anodenfluidsystem ausgebildet sind. Große Druckschwankungen, die insbesondere zu einer Beschädigung der Membran führen können, können dadurch jedoch nicht ausgeglichen werden. Aus der JP H0778624A und der DE 44 46 841 A1 ist es bekannt, bei einer zu großen Druckdifferenz die Fluidsysteme der Kathode und der Anode kurzzuschließen und so einen Druckausgleich zu schaffen. Dabei kommt es jedoch zu einer Vermischung des Kathodenfluids und des Anodenfluids. Der Betrieb der Brennstoffzelle, insbesondere beispielsweise hinsichtlich einer Reaktionseffizienz, kann dadurch beeinträchtigt werden. Außerdem stellt die Vermischung ein erhebliches Sicherheitsrisiko dar, da sich das Gemisch beispielsweise an Katalysatoren von Anode und/oder Kathode entzünden kann. Auch ist es bekannt, den Druck sowohl des Kathodenfluids als auch des Anodenfluids zu messen und jeweils zu regeln. Jedoch werden dafür aufwändige und kostenintensive Sensorvorrichtungen benötigt, die insbesondere im Anodenfluidsystem für einen Betrieb in einer wasserstoffhaltigen Umgebung geeignet sein müssen.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die voranstehend beschriebenen Nachteile zumindest teilweise zu beheben. Insbesondere ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems sowie ein Brennstoffzellensystem zu schaffen, die in besonders einfacher und kostengünstiger Art und Weise eine besonders gute Einstellbarkeit und insbesondere Regelung einer Druckdifferenz zwischen den Fluiden in einer Brennstoffzelle ermöglichen und gleichzeitig die Sicherheit beim Betreiben des Brennstoffzellensystems erhöhen.
Voranstehende Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1. Ferner wird die Aufgabe gelöst, durch ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Anspruchs 8. Weitere Merkmale im Detail der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem und jeweils umgekehrt, so dass bezüglich der Offenbarungen zu den einzelnen Erfindungsaspekten wechselseitig Bezug genommen wird bzw. genommen werden kann.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems, das Brennstoffzellensystem zumindest aufweisend eine Brennstoffzelle mit einer Kathode und einer Anode, ein Kathodenfluidsystem zum Versorgen der Kathode mit einem Kathodenfluid, ein Anodenfluidsystem zum Versorgen der Anode mit einem Anodenfluid, sowie eine Steuerungsvorrichtung. Ein erfindungsgemäßes Verfahren ist durch folgende Schritte gekennzeichnet: a) Ermitteln einer Druckdifferenz zwischen einem Druck des Kathodenfluids im Kathodenfluidsystem und einem Druck des Anodenfluids im Anodenfluidsystem, b) Festlegen eines Regeldrucks für das Anodenfluid im Anodenfluidsystem in Abhängigkeit der in Schritt a) ermittelten Druckdifferenz, und
c) Regelung des Drucks des Anodenfluids entsprechend dem in Schritt b) festgelegten Regeldruck.
In Schritt a) eines erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine Druckdifferenz zwischen einem Druck des Kathodenfluids im Kathodenfluidsystem und einem Druck des Anodenfluids im Anodenfluidsystem ermittelt. Die Druckdifferenz ist dabei der Unterschied der absoluten Drücke des Kathodenfluids und des Anodenfluids. Die Druckdifferenz kann dabei als absoluter Wert aber beispielsweise auch relativ als eine Abweichung von einer vorgegebenen Soll-Druckdifferenz gemessen werden. Insbesondere wird die Druckdifferenz direkt bestimmt, ohne dass die absoluten Drücke der einzelnen Fluide im Kathodenfluidsystem und insbesondere im Anodenfluidsystem gemessen werden müssen. Dadurch wird für die Messung der Druckdifferenz kein aufwändiger Drucksensor benötigt, der für die wasserstoffhaltige Umgebung des Anodenfluidsystems geeignet ist. Durch die direkte Messung der Druckdifferenz ist dabei beispielsweise auch gleichzeitig eine Bestimmung der aktuellen Belastung der Membran der Brennstoffzelle ermöglicht. Die ermittelte Druckdifferenz kann insbesondere bevorzugt zur Weiterverarbeitung an die Steuerungsvorrichtung des Brennstoffzellensystems übermittelt werden.
In Schritt b) eines erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein Regeldruck für das Anodenfluid festgelegt. Das Festlegen kann dabei insbesondere bevorzugt in der Steuerungsvorrichtung des Brennstoffzellensystems vorgenommen werden. Ein Regeldruck im Sinne der Erfindung kann dabei ein absoluter Druck sein. Darüber hinaus kann beispielsweise auch eine Anweisung für eine Erhöhung oder Verringerung des Drucks des Anodenfluids im Anodenfluidsystem einen Regeldruck im Sinne er Erfindung darstellen. Der Regeldruck wird dabei insbesondere in Abhängigkeit der in Schritt a) ermittelten Druckdifferenz bestimmt. Selbstverständlich kann dabei auch eine Belastung einer Membran der Brennstoffzelle berücksichtigt werden. Bei einer Druckdifferenz, die auf einen zu niedrigen Druck im Anodenfluidsystem schließen lässt, wird als Regeldruck beispielsweise ein höherer absoluter Druck für das Anodenfluid festgelegt. Auch eine Vornahme einer Erhöhung des Drucks des Anodenfluids, ohne einen festen absoluten Wert für den Druck des Anodenfluids vorzugeben, kann einen Regeldruck im Sinne der Erfindung darstellen. Entsprechend kann bei einer Druckdifferenz, die auf einen zu hohen Druck im Anodenfluidsystem schließen lässt, als Regeldruck beispielsweise ein niedrigerer absoluter Druck für das Anodenfluid oder eine Vornahme einer Verringerung des Drucks des Anodenfluids, ohne einen festen absoluten Wert für den Druck des Anodenfluids vorzugeben, festgelegt werden.
Im letzten Schritt c) eines erfindungsgemäßen Verfahrens wird im Anschluss der Druck des Anodenfluids geregelt. Diese Regelung wird dabei entsprechend dem in Schritt b) festgelegten Regeldruck vorgenommen. Auch die Regelung kann dabei insbesondere bevorzugt von der Steuerungsvorrichtung der Brennstoffzelle vorgenommen werden. Dabei kann, je nach Art des verwendeten Regeldrucks, beispielsweise für den Druck des Anodenfluids ein absoluter Wert eingestellt oder auch eine Erhöhung bzw. Verringerung des Drucks des Anodenfluids vorgenommen werden. Durch ein erfindungsgemäßes Verfahren kann es somit auf besonders einfache Art und Weise ermöglicht werden, die Druckdifferenz zwischen dem Kathodenfluidsystem und dem Anodenfluidsystem zu regeln, insbesondere auch auf eine feste absolute Druckdifferenz. Diese Regelung kann durch eine wiederholte Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens auch über längere Zeit durchgeführt werden. Ein sicherer, effektiver Betrieb der Brennstoffzelle bei einer im Wesentlichen konstanten Druckdifferenz zwischen den Gasräumen der Kathode und der Anode kann dadurch ermöglicht werden. Insbesondere die Gefahr einer Beschädigung oder gar Zerstörung einer Membran zwischen der Kathode und der Anode durch einen zu großen Druckunterschied zwischen dem Anodenfluid und dem Kathodenfluid kann besonders sicher verhindert werden.
Besonders bevorzugt kann in einer Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen sein, dass vor Schritt b) ein Druck des Kathodenfluids im Kathodenfluidsystem ermittelt wird und dass in Schritt b) der Regeldruck für das Anodenfluid zusätzlich in Abhängigkeit des ermittelten Drucks des Kathodenfluids festgelegt wird. Vor Schritt b) kann dabei gemäß der Erfindung bevorzugt gleichzeitig zu Schritt a) umfassen. Durch diese zusätzliche Abhängigkeit des Regeldrucks kann ermöglicht werden, den absoluten Druck im Anodenfluidsystem der Brennstoffzelle besonders einfach einzustellen und zu regeln. Selbstverständlich kann vorgesehen sein, dass basierend auf dem gemessenen Druck des Kathodenfluids und/oder der in Schritt a) ermittelten Druckdifferenz auch ein entsprechender Regeldruck für das Kathodenfluid festgelegt und im Folgenden zur Regelung des Drucks des Kathodenfluids verwendet wird. Eine noch genauere Einstellung der absoluten Druckverhältnisse in den Fluidsystemen der Brennstoffzelle kann dadurch ermöglicht werden.
Ferner kann ein erfindungsgemäßes Verfahren dahingehend weiterentwickelt sein, dass in Schritt b) der Regeldruck des Anodenfluids mit einer festen Druckdifferenz zu dem gemessenen Druck des Kathodenfluids festgelegt wird. Selbstverständlich kann dabei der Wert dieser eingestellten festen Druckdifferenz während des Betriebs des Brennstoffzellensystems auch verändert werden. Insbesondere kann dadurch eine Regelung eines absoluten Drucks des Anodenfluids ermöglicht werden, ohne den Druck des Anodenfluids direkt messen zu müssen. Aufwändige und kostenintensive Drucksensoren für das Anodenfluidsystem, die für eine wasserstoffhaltige Umgebung geeignet sein müssen, können dadurch vermieden werden.
Besonders bevorzugt kann bei einem erfindungsgemäßen Verfahren ferner vorgesehen sein, dass in Schritt a) die Druckdifferenz unter Benutzung einer Druckwaage ermittelt wird. Eine Druckwaage stellt dabei eine besonders einfache und kostengünstige Vorrichtung dar, durch die eine Druckdifferenz ermittelt werden kann. In einer Druckwaage wirken die Drücke des Kathodenfluids und des Anodenfluids zumeist auf ein gemeinsames Beaufschlagungselement, wobei eine Druckdifferenz zwischen den Fluiden eine Zustandsänderung, beispielsweise eine Positionsänderung und/oder eine Bewegung, des Beaufschlagungselements bewirkt. Zur Messung des Zustande und/oder der Zustandsänderung können dabei beispielsweise induktive, kapazitive und/oder resistive Messelemente eingesetzt werden. Durch eine Auswertung des Zustande des Beaufschlagungselements ist es somit besonders einfach möglich, eine Druckdifferenz bzw. eine Änderung der Druckdifferenz zwischen den Fluiden zu ermitteln. Insbesondere kann auf Drucksensoren, die sich in den Fluidsystemen befinden, verzichtet werden.
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltungsform kann ein erfindungsgemäßes Verfahren dahingehend weiterentwickelt sein, dass in der Druckwaage ein Kolben durch das Kathodenfluid und das Anodenfluid entgegengesetzt mit Druck beaufschlagt wird und dass eine Position und/oder eine Geschwindigkeit und/oder eine Beschleunigung des Kolbens zur Ermittlung der Druckdifferenz verwendet wird. Der Kolben stellt dabei ein besonders einfaches Beaufschlagungselement einer Druckwaage dar. Dadurch, dass der Kolben von entgegengesetzten Seiten durch das Kathodenfluid und das Anodenfluid mit Druck beaufschlagt wird, kann die Druckwaage besonders kompakt aufgebaut sein. Insbesondere kann dabei, beispielsweise durch eine entsprechende Kolbenform und/oder durch das Vorhandensein von Federelementen am Kolben, beispielsweise auch eine feste Druckdifferenz als Gleichgewichtslage des Kolbens eingestellt werden. Bereits allein durch eine Messung der Position des Kolbens kann eine Druckdifferenz zwischen den Fluiden im Kathodenfluidsystem und im Anodenfluidsystem mit einer hohen Genauigkeit ermittelt werden. Die Verwendung von zusätzlichen Messgrößen wie beispielsweise einer Geschwindigkeit und/oder einer Beschleunigung des Kolbens kann die Genauigkeit bei der Ermittlung der Druckdifferenz weiter gesteigert werden.
Insbesondere kann bei einem erfindungsgemäßen Verfahren auch vorgesehen sein, dass Schritt a) und/oder Schritt b) und/oder Schritt c) kontinuierlich oder zumindest im Wesentlichen kontinuierlich durchgeführt werden. Kontinuierlich im Sinne der Erfindung bedeutet dabei insbesondere, dass die Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens ständig und ohne Unterbrechung durchgeführt werden. Eine durchgehende Ausführung der Ermittlung der Druckdifferenz zwischen dem Kathodenfluid und dem Anodenfluid, des Festlegens des Regeldrucks für das Anodenfluid bzw. der Regelung des Drucks des Anodenfluids entsprechend dieses Regeldrucks kann dadurch erfolgen. Ein im Wesentlichen kontinuierliches Durchführen der Schritte a) und/oder b) und/oder c) wird dabei im Sinne der Erfindung dahin gehend verstanden, dass eben genannte Schritte mit einer Frequenz im Bereich von etwa 10 Hz, bevorzugt im Bereich von etwa 100 Hz, besonders bevorzugt im Bereich von etwa 1 kHz, durchgeführt werden. Insgesamt kann durch eine kontinuierliche oder zumindest im Wesentlichen kontinuierliche Durchführung des Schritts a) eine Änderung der Druckdifferenz zwischen dem Kathodenfluid und dem Anodenfluid besonders gut und schnell erfasst werden und über die Schritte b) und c) in eine Änderung des Drucks des Anodenfluids übergeführt werden. Eine derartige Änderung der Druckdifferenz kann somit bei einer kontinuierlichen oder zumindest im Wesentlichen kontinuierlichen Durchführung des Verfahrens kompensiert werden und führt nicht zu einer Änderung der relativen Druckverhältnisse in der Brennstoffzelle. Insbesondere kann beispielsweise dadurch eine Druckdifferenz zwischen dem Druck des Anodenfluids und des Drucks des Kathodenfluids in der Brennstoffzelle konstant oder zumindest im Wesentlichen konstant gehalten werden, unabhängig von Änderungen, insbesondere schnellen Änderungen, des Drucks zumindest eines der Fluide. Die Gefahr einer Beschädigung der Membran zwischen den Gasräumen der Kathode und der Anode kann dadurch nochmals verringert werden. Selbstverständlich kann beispielsweise auch ein Ermitteln bzw. ein Regeln des Drucks des Kathodenfluids kontinuierlich oder zumindest im Wesentlichen kontinuierlich durchgeführt werden, wenn dies Teil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist. Besonders bevorzugt kann ferner beim erfindungsgemäßen Verfahren vorgesehen sein, dass eine Regelung eines Massenflusses des Kathodenfluids und/oder eine Regelung eines Massenflusses des Anodenfluids abhängig von den Schritten a), b) und c) durchgeführt werden. Durch eine einfache und insbesondere unkompensierte Änderung des Drucks des Anodenfluids durch die Regelung in Schritt c) des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es möglich, dass sich auch der Massenstrom an Anodenfluid, der durch die Anodenfluidzuführung in die Anode einströmt, ändert. Eine derartige Änderung des Massenstroms kann jedoch zu Fluktuationen insbesondere einer Reaktionsrate zwischen dem Kathodenfluid und dem Anodenfluid führen, wodurch beispielsweise der durch die Brennstoffzelle produzierte Strom Schwankungen unterworfen sein kann. Durch eine Regelung eines Massenflusses des Anodenfluids und/oder des Kathodenfluids abhängig insbesondere vom geregelten Druck des Anodenfluids kann eine derartige, mit der Druckänderung einhergehende Massenstromänderung kompensiert werden. Dadurch ist es insbesondere möglich, den Druck beispielsweise des Anodenfluids unabhängig von einem Massenstrom an Anodenfluid einzustellen. Selbstverständlich kann, wenn der Druck des Kathodenfluids gemessen wird, auch ein Massenstrom an Kathodenfluid derart angepasst an den gemessenen Druck des Kathodenfluids eingestellt werden, dass auch hier eine Druckänderung des Kathodenfluids nicht mit einer Massenstromänderung des Kathodenfluids einhergeht. Auf diese Art und Weise ist insbesondere somit eine Entkopplung der Regelgrößen von Druck und Massenstrom für Fluide der Brennstoffzelle ermöglicht. Ein erfindungsgemäßes Verfahren ermöglicht somit eine besonders vielfältige Einsetzbarkeit eines Brennstoffzellensystems, dessen Betrieb insbesondere an viele verschiedene Anforderungen anpassbar ist.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe gelöst durch ein Brennstoffzellensystem, aufweisend zumindest eine Brennstoffzelle mit einer Kathode und einer Anode, ein Kathodenfluidsystem zum Versorgen der Kathode mit einem Kathodenfluid, ein Anodenfluidsystem zum Versorgen der Anode mit einem Anodenfluid, sowie eine Steuerungsvorrichtung. Ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem ist dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungsvorrichtung zum Ausführen eines Verfahrens gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung ausgebildet ist. Dementsprechend bringt ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem die gleichen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit Bezug auf ein erfindungsgemäßes Verfahren gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung erläutert worden sind. Selbstverständlich weist dabei das Brennstoffzellensystem sämtliche nötigen Bauelemente auf, um die Steuerungsvorrichtung mit den nötigen Eingangsdaten, wie beispielsweise der Druckdifferenz zwischen dem Kathodenfluid und dem Anodenfluid, zu versorgen, sowie um die in Schritt c) des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehene Regelung des Drucks des Anodenfluids vorzunehmen.
Ferner kann ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem dahingehend ausgebildet sein, dass zwischen dem Kathodenfluidsystem und dem Anodenfluidsystem eine Druckwaage angeordnet ist, wobei die Druckwaage einen Kolben aufweist, der durch das Kathodenfluid und das Anodenfluid entgegengesetzt mit Druck beaufschlagbar ist. Der Kolben der Druckwaage kann dabei bevorzugt im Inneren eines Hohlvolumens, beispielsweise eines Hohlzylinders, angeordnet sein, wobei der Kolben von einer Seite vom Kathodenfluid und von der anderen Seite vom Anodenfluid mit Druck beaufschlagbar ist. Selbstverständlich kann der Kolben dabei im Hohlvolumen beispielsweise durch Federelemente in einer Gleichgewichtslage gehalten sein. In der Druckwaage wirken das Kathodenfluid und das Anodenfluid somit derart auf den Kolben, dass die Kräfte, die durch die Beaufschlagung des Kolbens mit den beiden Fluiden auf diesen ausgeübt werden, entgegengesetzt sind. Die Gesamtkraft, die auf den Kolben wirkt, ist dabei insbesondere von der Druckdifferenz zwischen den beiden Fluiden abhängig. Eine Änderung des Drucks eines oder beider Fluide bewirkt zumeist eine Änderung der Druckdifferenz und dadurch eine Zustandsänderung, beispielsweise eine Positionsänderung und/oder eine Bewegung, des Kolbens. Durch eine Auswertung des Zustande des Kolbens ist es somit besonders einfach möglich, eine Druckdifferenz bzw. eine Änderung der Druckdifferenz zwischen den Fluiden zu ermitteln. Eine Druckwaage stellt somit eine besonders einfache und kostengünstige Vorrichtung dar, um eine Druckdifferenz zu ermitteln.
In einer bevorzugten Weiterentwicklung eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems kann ferner vorgesehen sein, dass der Kolben für die Beaufschlagung mit Druck durch das Kathodenfluid eine erste Querschnittsfläche und für die Beaufschlagung mit Druck durch das Anodenfluid eine zweite Querschnittsfläche aufweist, wobei die erste und die zweite Querschnittsfläche unterschiedlich sind. Die Kraft, die auf den Kolben durch die Beaufschlagung mit einem Fluid wirkt, ist abhängig vom Druck des Fluids und der Querschnittsfläche des Kolbens, die zur Beaufschlagung durch das Fluid verwendet wird. Erfindungsgemäß sind die erste und die zweite Querschnittsfläche unterschiedlich, insbesondere unterschiedlich groß, ausgebildet. Eine Gleichgewichtslage der Druckwaage, bei der sich der Kolben nicht bewegt, ergibt sich somit dadurch, dass die Drücke des Kathodenfluids und des Anodenfluids ebenfalls auf eine entsprechende Weise unterschiedlich groß sind. Das automatische Einstellen einer, insbesondere bevorzugt kleinen, Druckdifferenz, ist dadurch besonders einfach ermöglicht. Eine derartige kleine Druckdifferenz kann sich beispielsweise positiv auf eine Reaktionseffizienz in der Brennstoffzelle auswirken. Die Effizienz eines Betriebs eines Brennstoffzellensystems kann dadurch somit gesteigert werden.
Auch kann ferner in einer Weiterentwicklung eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems vorgesehen sein, dass die Druckwaage eine Differenzdruckbegrenzungsvorrichtung aufweist. Eine derartige
Differenzdruckbegrenzungsvorrichtung stellt eine zusätzliche Sicherheitsvorrichtung dar, um einen zu großen Differenzdruck zwischen dem Kathodenfluid und dem Anodenfluid zu vermeiden. Bei einem Auftreten von einem hohen Differenzdruck kann dabei durch die Differenzdruckbegrenzungsvorrichtung ein weiteres Ansteigen des Differenzdrucks verhindert werden, beispielsweise durch Ablassen eines der Fluide in ein geeignetes Auffangvolumen oder die Umgebung. Eine Beeinträchtigung bis hin zur Beschädigung oder Zerstörung von Teilen des Brennstoffzellensystems durch einen zu hohen Differenzdruck, insbesondere beispielsweise einer Membran zwischen der Kathode und der Anode, kann dadurch sicher vermieden werden. Dabei kann eine Differenzdruckbegrenzungsvorrichtung selbstverständlich auch derart ausgestaltet sein, dass ein gewisser Differenzdruck zwischen den beiden Fluidsystemen dennoch möglich bleibt.
Bevorzugt kann ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem dabei dahingehend weiterentwickelt sein, dass die Differenzdruckbegrenzungsvorrichtung zumindest einen Überströmkanal aufweist. Der Kolben der Druckwaage wird durch das Kathodenfluid bzw. das Anodenfluid mit Druck beaufschlagt, wobei durch eine Druckdifferenz zwischen diesen beiden Fluiden sich ein Gleichgewicht der Kolbenposition einstellt. Dabei kann vorgesehen sein, dass bei einem zu großen Differenzdruck der Kolben in der Druckwaage derart weit bewegt wird, dass ein oder mehrere Überströmkanäle geöffnet werden, durch den oder die ein Druckabbau und/oder ein Druckausgleich zwischen dem Anodenfluidsystem und dem Kathodenfluidsystem ermöglicht werden. Somit kann es besonders einfach ermöglicht werden, einen Differenzdruck zwischen den Gassystemen der Brennstoffzelle hinsichtlich einer zu großen Druckdifferenz abzusichern. Durch den Einsatz zumindest eines Überströmkanals an der Druckwaage kann dies sogar ohne zusätzliche Sensoren bereitgestellt werden. Ein derartiger Überströmkanal kann dabei den jeweiligen Überdruck auf der Anoden- oder Kathodenseite zum Beispiel durch Abführen des entsprechenden Mediums beispielsweise an die Umgebung abbauen. Besonders bevorzugt könnte beispielsweise durch den Überströmkanal insbesondere ein Abblasen von Überdruck zum Beispiel in das Kathodenabgas erfolgen. Alternativ oder zusätzlich kann ein derartiger Überströmkanal selbstverständlich auch als eine, im Normalfall verschlossene, fluidkommunizierende Verbindung zwischen dem Kathodenfluidsystem und dem Anodenfluidsystem ausgebildet sein. Auch in dieser Ausgestaltungsform kann ein Druckausgleich zwischen den Fluidsystemen der Kathode und der Anode besonders einfach ermöglicht werden.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen beschrieben sind. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein. Elemente mit gleicher Funktion und Wirkungsweise sind in den einzelnen Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen. Es zeigen schematisch:
Fig. 1 eine Darstellung eines erfindungsgemäßen Verfahrens, und
Fig. 2 ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem.
In Fig. 1 ist ein erfindungsgemäßes Verfahren gezeigt. Das Brennstoffzellensystem 10, das zum Ausführen dieses Verfahrens ausgebildet ist, ist nicht mit abgebildet. In einem ersten Schritt a) 100 wird eine Druckdifferenz zwischen einem Druck eines Kathodenfluids 23 in einem Kathodenfluidsystem 20 und einem Druck eines Anodenfluids 33 in einem Anodenfluidsystem 30 einer Brennstoffzelle 1 1 eines Brennstoffzellensystems 10 ermittelt. Dafür kann beispielsweise eine Position und/oder eine Geschwindigkeit und/oder eine Beschleunigung eines Kolbens 60 einer Druckwaage 50 gemessen werden. In einer Steuerungsvorrichtung 15 des Brennstoffzellensystems 10 können diese Messdaten ausgewertet und daraus eine Druckdifferenz berechnet werden. Im Anschluss wird beispielsweise in der Steuerungsvorrichtung 15 in einem Schritt b) 101 ein Regeldruck für das Anodenfluid 33 im Anodenfluidsystem 30 festgelegt. Insbesondere wird dabei der Regeldruck in Abhängigkeit der in Schritt a) 100 ermittelten Druckdifferenz festgelegt. Der Regeldruck kann dabei beispielsweise ein absoluter Druck für das Anodenfluid 33 aber auch nur die Richtung einer vorzunehmenden Druckänderung des Anodenfluids 33 sein. Selbstverständlich können noch weitere Größen, beispielsweise ein gemessener absoluter Druck des Kathodenfluids 23 zur Festlegung des Regeldrucks zusätzlich herangezogen werden. Der Regeldruck für das Anodenfluid 33 wird dabei derart festgelegt, dass insbesondere eine Beschädigung einer Membran 14, die in der Brennstoffzelle 1 1 zwischen einem Gasraum der Anode 12 und einem Gasraum der Kathode 13 angeordnet ist, durch eine zu große Druckdifferenz zwischen dem Druck des Kathodenfluids 23 und dem Druck des Anodenfluids 33 sicher vermieden werden kann. Selbstverständlich kann dabei der Regeldruck des Kathodenfluids 33 derart festgelegt werden, dass sich eine kleine Druckdifferenz zwischen den Drücken im Anodenfluidsystem 20 und im Kathodenfluidsystem 30 einstellt. Eine Reaktionsrate zwischen dem Anodenfluid 23 und dem Kathodenfluid 33 kann dadurch verbessert bzw. zumindest gesteuert werden. Im abschließenden Schritt c) 102 eines erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Druck des Anodenfluids 33 entsprechend dem in Schritt b) 101 festgelegten Regeldruck geregelt. Selbstverständlich ist auch eine Regelung eines Drucks des Kathodenfluids 23 und/oder ein Einstellen von Massenströmen des Kathodenfluids 23 und/oder des Anodenfluids 33 denkbar. Ein besonders sicherer Betrieb der Brennstoffzelle 1 1 des Brennstoffzellensystems 10, insbesondere hinsichtlich einer Druckbelastung einer Membran 14, kann dadurch erreicht werden.
In Fig. 2 ist ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem 10 gezeigt. Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem 10 weist dabei insbesondere eine Brennstoffzelle
1 1 auf, die eine Anode 12, eine Kathode 13 und eine dazwischen angeordnete Membran 14 umfasst. Die Anode 12 wird dabei durch ein Anodenfluidsystem 20 mit Anodenfluid 23 versorgt. Dabei fließt das Anodenfluid 23 durch eine Anodenfluidzuführung 21 in die Anode
12 ein und wird nach dem Durchströmen eines Gasraums der Anode 12 durch eine Anodenfluidabführung 22 wieder von der Anode 12 weggeleitet. Analog dazu ist die Kathode 13 der Brennstoffzelle 1 1 des Brennstoffzellensystems 10 mit einem Kathodenfluidsystem 30 verbunden. Auch das Kathodenfluidsystem 30 weist dabei eine Kathodenfluidzuführung 31 auf, in der Kathodenfluid 33 der Kathode 13 zugeführt wird. Nach dem Durchströmen der Kathode 13, während dem es zu Reaktionen mit dem Anodenfluid 23 kommt, wodurch in der Brennstoffzelle 1 1 insbesondere elektrische Energie erzeugt wird, wird das restliche Kathodenfluid 33 durch eine Kathodenfluidabführung 32 wieder aus der Kathode 13 der Brennstoffzelle 1 1 ausgeleitet. Das abgebildete erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem 10 ist zum Ausführen eines erfindungsgemäßen Verfahrens ausgebildet. Zum Ermitteln des Differenzdrucks zwischen dem Druck des Kathodenfluids 23 und dem Druck des Anodenfluids 33 weist das Brennstoffzellensystem 10 eine Druckwaage 50 auf, die in der gezeigten Ausgestaltungsform mit der Kathodenfluidabführung 22 und der Anodenfluidabführung 32 fluidkommunizierend verbunden ist. Die Druckwaage 50 umfasst einen Kathodenzylinder 51 und einen Anodenzylinder 52, in denen ein Kolben 60 angeordnet ist. Im Kathodenzylinder 51 ist der Kolben 60 dabei mit dem Druck des Kathodenfluids 23, im Anodenzylinder 52 mit dem Druck des Anodenfluids 33 beaufschlagbar. Deutlich sichtbar ist ferner, dass der Kolben 60 im Kathodenzylinder 51 und im Anodenzylinder 52 unterschiedlich große Querschnittsflächen 61 , 62 aufweist. Eine Gleichgewichtslage der Druckwaage 50, bei dem sich der Kolben 60 nicht bewegt, wird sich somit nicht bei gleichen Drücken des Kathodenfluids 23 und des Anodenfluids 33 einstellen, sondern bei einer kleinen Druckdifferenz, im dargestellten Fall bei einem leichten Überdruck des Anodenfluids 33. Bei einer Abweichung der Druckdifferenz von der vorgesehenen Größe wird der Kolben 60 aus seiner Gleichgewichtslage ausgelenkt. Um einer Auslenkung des Kolbens 60 entgegenzuwirken, weist die abgebildete Druckwaage 50 Federelemente 53 auf. Die Auslenkung und/oder eine Geschwindigkeit und/oder eine Beschleunigung des Kolbens 60 kann ferner durch eine Messvorrichtung 54 gemessen werden. Die Messvorrichtung 54 kann dabei beispielsweise induktive, kapazitive und/oder resistive Sensorelemente aufweisen. Die Messdaten werden an eine Steuerungsvorrichtung 15 weitergeleitet, in der sie ausgewertet und insbesondere zur Ermittlung einer Druckdifferenz zwischen dem Druck des Kathodenfluids 23 und dem Druck des Anodenfluids 33 verwendet werden. In der Steuerungsvorrichtung 15 wird ferner ein Regeldruck für das Anodenfluid 33 basierend auf der ermittelten Druckdifferenz festgelegt. Durch eine Ansteuerung von Druckregelvorrichtungen 40, die in der abgebildeten Ausgestaltungsform als Ventile 41 , 42 in der Anodenfluidzuführung 31 bzw. Anodenfluidabführung 32 ausgebildet sind, kann der Druck des Anodenfluids 33 entsprechend dem festgelegten Regeldruck eingestellt und geregelt werden. Eine besonders einfache Regelung eines Differenzdrucks zwischen dem Druck des Kathodenfluids 23 und dem Druck des Anodenfluids 33 kann dadurch ermöglicht werden. Selbstverständlich kann zusätzlich auch der absolute Druck des Kathodenfluids 23 gemessen und zum einen selbst geregelt und zum anderen in die Regelung des Drucks des Anodenfluids 33 mit einbezogen werden. Eine noch bessere Regelung der Fluidsysteme 20, 30 des Brennstoffzellensystems 10 kann dadurch geschaffen werden. Darüber hinaus weist die Druckwaage 50 Differenzdruckbegrenzungsvorrichtungen 55 auf, die als Überströmkanäle 56 ausgebildet sind. Bei einer zu großen Druckdifferenz zwischen dem Kathodenfluid 23 und dem Anodenfluid 33, die insbesondere derart groß sein kann, dass eine Beschädigung beispielsweise der Membran 14 droht, wird der Kolben 60 derart weit aus seiner Gleichgewichtslage ausgelenkt, dass sich der entsprechende Überströmkanal 56 öffnet. Dadurch ist ein Druckausgleich zwischen dem Kathodenfluidsystem 20 und dem Anodenfluidsystem 30 ermöglicht, wodurch der Differenzdruck abgebaut werden kann. Der Kolben 60 bewegt sich dann wieder in Richtung seiner Gleichgewichtslage, wodurch der Überströmkanal 56 automatisch wieder geschlossen wird. Eine Steigerung der Sicherheit beim Betrieb eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems 10 kann dadurch erreicht werden. Dabei sind beispielhaft zwei mögliche Varianten von Überströmkanälen 56 abgebildet, Kurzschlussleitungen 57 und Abführleitungen 58, die alternativ oder gleichzeitig eingesetzt werden können. Selbstverständlich kann in anderen Ausgestaltungen eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems 10 auch nur eine oder sogar keine der beiden Varianten vorgesehen sein. Kurzschlussleitungen 57 verbinden das Kathodenfluidsystem 20 und das Anodenfluidsystem 30 direkt fluidkommunizierend miteinander. Im Normalfall ist diese fluidkommunizierende Verbindung geschlossen. Bei einem Überdruck in einem der beiden Fluidsystemen 20, 30 bewegt sich durch die Druckdifferenz zwischen dem Kathodenfluid 23 und dem Anodenfluid 33 der Kolben 60 und öffnet dadurch die entsprechende Kurzschlussleitung 57. Ein Druckausgleich zwischen dem Kathodenfluidsystem 20 und dem Anodenfluidsystem 30 kann dadurch besonders einfach erfolgen. In der gezeigten Ausgestaltungsform eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems 10 sind zusätzlich als Überströmkanäle 56 Abführleitungen 58 vorgesehen. Abführleitungen 58 verbinden das entsprechende Fluidsystem 20, 30 mit der Umgebung. Bei einem Überdruck kann das entsprechende Medium, also das Kathodenfluid 23 oder das Anodenfluid 33, in die Umgebung ausströmen, wodurch der Überdruck abgebaut wird. Die Abführleitungen 58 der gezeigten Ausgestaltungsform öffnen sich bei einer noch größeren Auslenkung des Kolbens 60 als es für die Kurzschlussleitungen 57 der Fall ist und dadurch bei einem noch höheren Differenzdruck. Sie sind jeweils mit der Kathodenabführleitung 22 fluidkommunizierend verbunden. Ein Ventil 24 in der Kathodenabführleitung 22, angeordnet vor der Verbindungsstelle der Kathodenabführleitung 22 mit den Abführleitungen 58, verhindert dabei ein Zurückströmen des abgelassenen Fluides 23, 33 in den Gasraum der Kathode 12. Das Abführen des entsprechenden Fluides 23, 33, das einen Überdruck aufweist, erfolgt somit nicht einfach unkontrolliert in die Umgebung, sondern unter Benutzung der in der Kathodenabführleitung 22 vorhandenen Sicherungs- und/oder Filtervorrichtungen. Ein besonders sicheres und umweltschonendes Abblasen von Fluid 23, 33 an die Umgebung kann dadurch vorgenommen werden.
B ez u g s ze i c h e n l i s te Brennstoffzellensystem
Brennstoffzelle
Kathode
Anode
Membran
Steuerungsvorrichtung Kathodenfluidsystem
Kathodenfluidzuführung
Kathodenfluidabführung
Kathodenfluid
Ventil Anodenfluidsystem
Anodenfluidzuführung
Anodenfluidabführung
Anodenfluid Druckregelvorrichtung
Ventil
Ventil Druckwaage
Kathodenzylinder
Anodenzylinder
Federelement
Messvorrichtung
Differenzdruckbegrenzungsvorrichtung
Überströmkanal
Kurzschlussleitung
Abführleitung Kolben
Erste Querschnittsfläche
Zweite Querschnittsfläche Schritt a)
Schritt b)
Schritte)

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
1 . Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems (10), das Brennstoffzellensystem (10) zumindest aufweisend eine Brennstoffzelle (1 1 ) mit einer Kathode (12) und einer Anode (13), ein Kathodenfluidsystem (20) zum Versorgen der Kathode (12) mit einem Kathodenfluid (23), ein Anodenfluidsystem (30) zum Versorgen der Anode (13) mit einem Anodenfluid (33), sowie eine Steuerungsvorrichtung (15), gekennzeichnet durch folgende Schritte:
a) Ermitteln einer Druckdifferenz zwischen einem Druck des Kathodenfluids (23) im Kathodenfluidsystem (20) und einem Druck des Anodenfluids (33) im Anodenfluidsystem (30),
b) Festlegen eines Regeldrucks für das Anodenfluid (33) im Anodenfluidsystem (30) in Abhängigkeit der in Schritt a) ermittelten Druckdifferenz, und
c) Regelung des Drucks des Anodenfluids (33) entsprechend dem in Schritt b) festgelegten Regeldruck.
2. Verfahren nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet,
dass vor Schritt b) (101 ) ein Druck des Kathodenfluids (23) im Kathodenfluidsystem (20) ermittelt wird und dass in Schritt b) (101 ) der Regeldruck für das Anodenfluid (33) zusätzlich in Abhängigkeit des ermittelten Drucks des Kathodenfluids (23) festgelegt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass in Schritt b) (101 ) der Regeldruck des Anodenfluids (33) mit einer festen Druckdifferenz zu dem gemessenen Druck des Kathodenfluids (23) festgelegt wird.
4. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass in Schritt a) (100) die Druckdifferenz unter Benutzung einer Druckwaage (50) ermittelt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet,
dass in der Druckwaage (50) ein Kolben (60) durch das Kathodenfluid (23) und das Anodenfluid (33) entgegengesetzt mit Druck beaufschlagt wird und dass eine Position und/oder eine Geschwindigkeit und/oder eine Beschleunigung des Kolbens (60) zur Ermittlung der Druckdifferenz verwendet wird.
6. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass Schritt a) (100) und/oder Schritt b) (101 ) und/oder Schritt c) (102) kontinuierlich oder zumindest im Wesentlichen kontinuierlich durchgeführt werden.
7. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass eine Regelung eines Massenflusses des Kathodenfluids (23) und/oder eine Regelung eines Massenflusses des Anodenfluids (33) abhängig von den Schritten a) (100), b) (101 ) und c) (102) durchgeführt werden.
8. Brennstoffzellensystem (10) aufweisend zumindest eine Brennstoffzelle (1 1 ) mit einer Kathode (12) und einer Anode (13), ein Kathodenfluidsystem (20) zum Versorgen der Kathode (12) mit einem Kathodenfluid (23), ein Anodenfluidsystem (30) zum Versorgen der Anode (13) mit einem Anodenfluid (33), sowie eine Steuerungsvorrichtung (15), dadurch gekennzeichnet,
dass die Steuerungsvorrichtung (15) zum Ausführen eines Verfahrens gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche ausgebildet ist.
9. Brennstoffzellensystem (10) nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet,
dass zwischen dem Kathodenfluidsystem (20) und dem Anodenfluidsystem (30) eine Druckwaage (50) angeordnet ist, wobei die Druckwaage (50) einen Kolben (60) aufweist, der durch das Kathodenfluid (23) und das Anodenfluid (33) entgegengesetzt mit Druck beaufschlagbar ist.
10. Brennstoffzellensystem (10) nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Kolben (60) für die Beaufschlagung mit Druck durch das Kathodenfluid (23) eine erste Querschnittsfläche (61 ) und für die Beaufschlagung mit Druck durch das Anodenfluid (33) eine zweite Querschnittsfläche (62) aufweist, wobei die erste (61 ) und die zweite Querschnittsfläche (62) unterschiedlich sind.
1 1 . Brennstoffzellensystem (10) nach einem der Ansprüche 9 oder 10,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Druckwaage (50) eine Differenzdruckbegrenzungsvorrichtung (55) aufweist.
12. Brennstoffzellensystem (10) nach Anspruch 1 1 ,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Differenzdruckbegrenzungsvorrichtung (55) zumindest einen Überströmkanal (56) aufweist.
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