WO2017092908A1 - Brennstoffzellensystem - Google Patents

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WO2017092908A1
WO2017092908A1 PCT/EP2016/073312 EP2016073312W WO2017092908A1 WO 2017092908 A1 WO2017092908 A1 WO 2017092908A1 EP 2016073312 W EP2016073312 W EP 2016073312W WO 2017092908 A1 WO2017092908 A1 WO 2017092908A1
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fuel cell
cell system
sensor
fuel
cathode
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PCT/EP2016/073312
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Helerson Kemmer
Benedikt Glins
Alexander Hartmann
Johannes Schild
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Robert Bosch Gmbh
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    • Y02T90/00—Enabling technologies or technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02T90/40—Application of hydrogen technology to transportation, e.g. using fuel cells

Definitions

  • the fuel cell system The fuel cell system
  • the present invention relates to a fuel cell system, with a
  • Fuel cell in particular a polymer electrolyte fuel cell, for
  • Fuel cells are known as electrical energy sources. Compared with internal combustion engines in particular, electrical energy sources have the advantage that they normally do not produce any, in particular harmful, exhaust gases during operation. This is a great advantage, especially on the road.
  • Fuel cell system such as a damaged membrane, a leak in the hydrogen tank or an open-jammed or incorrectly controlled purge valve, be justified. These unwanted leaks are difficult to predict, since the effects of aging of the components and
  • the hydrogen can be diluted by natural convection and / or ventilation.
  • a hydrogen sensor is used in the exhaust tract to detect critical concentrations of hydrogen.
  • the hydrogen sensor is expensive and complicated in structure.
  • a catalyst is used to reduce the hydrogen content.
  • Fuel cell systems are leaks in case of failure by various diagnostic functions, such as. Plausibility test, voltage monitoring or the like predicted.
  • these diagnostic functions are complex and do not cover all fault scenarios in the fuel cell system. They also need to be considered in combination. The accuracy of these diagnostic functions is also insufficient.
  • the invention provides a fuel cell system with a fuel cell, in particular a polymer electrolyte fuel cell, with the features of claim 1 and a method for operating a fuel cell system, with a fuel cell, in particular a polymer electrolyte fuel cell, with the features of claim 5.
  • a fuel cell in particular a polymer electrolyte fuel cell
  • a method for operating a fuel cell system with a fuel cell, in particular a polymer electrolyte fuel cell, with the features of claim 5.
  • the invention provides a fuel cell system with a fuel cell, in particular a polymer electrolyte fuel cell, for use in a
  • the fuel cell system may comprise a fuel cell as well as a series of a plurality of fuel cells, which may be interconnected in a stack or in a so-called "stack."
  • an oxygen-carrying fluid usually air
  • Cathode path can also be referred to as an air path.
  • the oxygen-carrying fluid may be referred to as a cathode air in the context of the invention.
  • the cathode path may include lines, for example pipelines.
  • the idea behind the invention is to detect a leak in the fuel cell system with simple and, in particular, inexpensive means and in a simple manner.
  • the invention proposes an indirect
  • the invention proposes not to directly measure the fuel content or the hydrogen content, which would be associated with high costs and considerable effort, but to measure another parameter in the fuel cell system, in particular in the cathode path, which in a known and / or detectable Dependence on the fuel content, in particular the hydrogen content stands.
  • a measurement of a temperature and / or an oxygen content and / or the like is conceivable, whereby the aforementioned disadvantages of the direct measurement can be overcome.
  • the invention uses the catalytic effect of the fuel cell itself or a catalyst in the cathode path of the
  • Fuel cell system to a dependence of the oxygen content and / or the temperature of the spent fuel or consumed Determine hydrogen and then from these indirect
  • heat generation can be based on the amount of reactants and thus on the amount of in the
  • the invention makes it possible to determine a leak advantageously independently of a fault mode caused and a fault.
  • the invention advantageously does without numerous complex diagnostic functions, which in addition constantly have to be adapted to ever-increasing process-related requirements of the fuel cell system.
  • Fuel cell may have a vent, for example in the form of a pipe or a pipe or the like.
  • the venting may be in the sense of
  • Catalyst according to the invention and the subsequent sensor for indirect measurement of the fuel content can be positioned in this case at a suitable location in the vent.
  • This embodiment of the invention can serve to detect leaks not only in the fuel cell itself but also in the vicinity of the fuel cell.
  • the senor may be designed as an oxygen sensor, in particular in the form of a lambda probe, and / or as a temperature sensor.
  • an oxygen sensor and / or a temperature sensor are particularly important in the form of a lambda probe, and / or as a temperature sensor.
  • sensors can also be easily evaluated, for example, in a control unit of the fuel cell system.
  • a control unit of the fuel cell system By converting the used or remaining oxygen or the temperature increase in the fuel system, in particular in the cathode path, for example.
  • a conclusion can be made on the exhausted hydrogen.
  • tolerable measurement results are exceeded, an error function or leakage in the fuel cell system can be detected reliably and without a time delay.
  • security measures can be initiated in good time.
  • primary safety measures such as switching off the fuel supply or the like
  • secondary safety measures such as switching on ventilation or the like
  • Run control unit the evaluation of the sensors and / or at
  • Exceeding permissible measurement results initiate the safety measures, in particular automatically. It is also conceivable that when a fault is detected, a warning signal can be issued in order, for example, to warn the user that a fault has occurred in the fuel cell system, and / or to signal that at least one of the servicing of the fuel cell has failed
  • Fuel cell system is required.
  • a catalyst in the cathode path in particular at the outlet of the cathode thread, be provided to the
  • the catalyst can be used to reduce the fuel content or the hydrogen content.
  • the reaction in the catalyst can allow a conclusion on the consumed fuel or hydrogen in the sense.
  • the sensor can be arranged after the catalyst. In this way it can be ensured that the hydrogen content to be detected by the indirect measurement can be determined as accurately as possible in dependence on the parameter to be measured.
  • the sensor can measure a temperature of the cathode air after the catalyst and compare it with the temperature of the cathode air before the catalyst. Together with a known mass of the cathode air, the thermal power generated in the catalyst can be calculated, which in turn is equivalent or proportional to the hydrogen content. For this purpose, a temperature sensor be used. When a tolerable hydrogen content is exceeded, an error function or a leak in the fuel cell system can be detected. A tolerable hydrogen content can be determined by detecting an amount of hydrogen that can be sufficiently diluted by venting the fuel system.
  • the senor may measure an oxygen content in the cathode air after the catalyst.
  • an oxygen sensor in particular in the form of a lambda probe, can be used.
  • An oxygen content greater than zero may indicate that there is still an excess of oxygen in the cathode air, and that therefore all of the hydrogen in the catalyst could be neutralized. Only with a lack of oxygen can one conclude that non-oxidized hydrogen can pass through the catalyst. A value close to zero can therefore be an indication of too high a value
  • the senor can be arranged after a cathode of the fuel cell. Also the
  • Fuel cell itself has a catalytic effect. This effect can be advantageously used in the context of the invention to a
  • the fuel cell is normally operated with an excess of oxygen, so that when all the oxygen has been consumed, this indicates a fault in the fuel cell system.
  • a sensor for indirect measurement for example.
  • Temperature sensor or an oxygen sensor are positioned near a cathode output of the fuel cell to a hydrogen leakage in the case of too high a temperature increase or an excess of oxygen
  • the object of the invention by a method for operating a fuel cell system, with a fuel cell, in particular a polymer electrolyte fuel cell, solved, wherein the fuel cell system with an oxygen-carrying cathode path is executed, and wherein the
  • Method comprises at least one step: a) performing an indirect measurement to determine a
  • Fuel content, in particular a hydrogen content, in the cathode path is provided.
  • Fuel cell system according to the invention have been described. to
  • the method according to the invention may comprise at least one further step: b) performing an oxygen measurement and / or a temperature measurement after a cathode of the fuel cell or after a catalyst in the
  • Fuel cell system such as a catalyst or the fuel cell itself, can advantageously make as unadulterated inference as possible to the hydrogen content, in particular in the cathode path.
  • the method according to the invention may comprise at least one further step: c) calibrating a catalyst with the aid of a sensor for the indirect measurement of a fuel content, in particular a hydrogen content, in the
  • the sensor according to the invention can be used to detect known hydrogen emissions, eg. B. the wanted
  • the temperature increase or the oxygen drop can be measured according to the invention.
  • the function of the catalyst can be diagnosed.
  • a determined dependence between the hydrogen content and the temperature rise or the oxygen drop can serve to derive a characteristic curve for the catalyst.
  • the reaction of the catalytic converter can be monitored, whereby a fault can be detected if the deviation from the characteristic curve is too great.
  • the method according to the invention can have at least one further step: d) Detecting an error function in the fuel cell system when deviating, in particular when exceeding tolerable blade results and / or expected results.
  • the method according to the invention provides fast and reliable results in error detection in the fuel cell system, in particular in the detection of a critical hydrogen content, which allow to increase the safety during operation of the fuel cell system considerably.
  • the method according to the invention can have at least one further step: e) controlling and / or regulating the operation of the fuel cell system after carrying out the indirect measurement and / or initiating
  • Fuel cell system can be automatically controlled and / or regulated, and that the safety during operation of the fuel cell system can be increased. It is conceivable that in case of leakage immediately
  • Security measures or countermeasures in particular automatically, for example.
  • a control unit By a control unit, can be initiated.
  • Fuel cell system In particular, a simultaneous monitoring of a temperature rise and an oxygen consumption can serve to make the monitoring results plausible.
  • the tolerable results of the monitoring with the corresponding characteristic curves can be adapted to the changing circumstances in the fuel cell, for example to the aging phenomena. It is also conceivable within the scope of the invention that the described method can be carried out with a fuel cell system described above.
  • Fig. 1 shows a first embodiment of an inventive
  • Fig. 2 shows a second embodiment of the invention
  • Fuel cell system, and 3 shows a dependency according to the invention between the temperature or the oxygen content and a consumed amount of hydrogen.
  • Figures 1 and 2 each show an embodiment of a
  • Fuel cell system 10 according to the invention which is mobile
  • Fuel cell system 10 has a cathode path 11, which leads to a fuel cell, not shown for simplicity.
  • an oxygen-containing fluid for example.
  • Simple filtered ambient air which can also be referred to as a cathode air.
  • the cathode path 11 has at its entrance to an air filter 14 to filter the ambient air according to the requirements of the fuel cell.
  • a compressor 16 for example in the form of a blower, ensures that sufficient
  • Cathode air reaches a cathode of the fuel cell.
  • a heat exchanger 17 is provided to cool the cathode air compressed and heated after passage of the compressor 16 to a suitable temperature.
  • Air mass flow sensors 15.1, 15.2 monitor the amount of cathode air at various locations in the cathode path 11 to at least partially the
  • a humidifier 18 for example in the form of a membrane which allows water to pass through but stops the air, ensures that water present in the cathode exhaust gas, which is the product of the reaction in the fuel cell, is used to supply the dry fresh air to the heat exchanger 17 moisten .
  • a suitable pressure in the cathode path 11 can be set and / or the path of the cathode air can be determined. Further, a humidity sensor 21 and a pressure sensor 22 are provided in front of the entrance to the cathode to monitor the quality of the cathode air passing to the cathode. To compare the pressure in the cathode path with the duck of Ambient air, a pressure sensor 20 outside the cathode path 11 can be used. A condensate separator 23 at the exit of the cathode path 11 can remove the water from the cathode path 11 as a waste product of the reaction in the fuel cell.
  • the fuel cell system 10 can also have an anode path, likewise not shown for reasons of simplicity, which can carry a fluid, in particular hydrogen, containing fluid.
  • the anode path can have a fuel or a hydrogen tank in order to provide the fluid contained in the fuel cell to the fuel cell.
  • the cathode path 11 and the anode path, not shown may be connected via a purge line, which is also not shown, to empty an anode of the fuel cell of air and fuel, in particular
  • the fluid contained in the fuel can enter the cathode path 11, as indicated by the arrow P.
  • the fuel cell or the cathode path 11 at the end of a ventilation in which according to the invention, a catalyst 13 and a sensor 12 can be arranged.
  • the ventilation can be used as a
  • Extension or a branch of the cathode path 11 are considered.
  • the invention can help to detect leakage in the vicinity of the fuel cell.
  • the sensor 12 may be designed as an oxygen sensor, in particular in the form of a lambda probe, and / or as a temperature sensor. Such a Sensor 12 for indirect measurement is cheaper and simpler than a sensor for a direct measurement of the fuel content or
  • the sensor 12 according to the invention can be equipped with a
  • Control unit of the fuel cell system 10 are in communication to affect the operation of the fuel cell system 10 at least partially.
  • the sensor 12 may measure a consumed or remaining oxygen or a temperature rise, which in the direct
  • control unit may calculate therefrom according to the invention the consumed hydrogen. Too high
  • Fuel content or hydrogen content is an indication of a fault in the fuel cell system 10. Then, the control unit
  • a catalyst 13 is provided.
  • the catalyst 13 helps, on the one hand, to reduce the fuel content, in particular the hydrogen content, in the cathode path 11, and on the other hand to draw conclusions about the fuel consumed or hydrogen.
  • the sensor 12 is arranged immediately after the catalytic converter 13 in order to detect as exact as possible a dependency A (see FIG. 3) between the consumed fuel or hydrogen and the measurement results of the sensor 12.
  • the sensor 12 is here as a temperature sensor or a
  • FIG. 2 shows a further embodiment of the invention without a catalyst, according to which the catalytic effect of the fuel cell is utilized.
  • the sensor 12 is doing immediately after a cathode of the
  • Fuel cell positioned.
  • a dependency A (see FIG. 3) between a temperature increase or a consumed quantity of oxygen is used to determine the fuel content or the hydrogen content.
  • the sensor 12 is also designed here as a temperature sensor or an oxygen sensor.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem (10), mit einer Brennstoffzelle, insbesondere einer Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle, zur Anwendung in einem Kraftfahrzeug, mit einem Sauerstoff führenden Kathodenpfad (11). Hierzu ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass im Kathodenpfad (11) ein Sensor (12) zur indirekten Messung eines Brennstoffgehaltes, insbesondere eines Wasserstoffgehaltes, vorgesehen ist.

Description

Beschreibung
Brennstoffzellensystem
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem, mit einer
Brennstoffzelle, insbesondere einer Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle, zur
Anwendung in einem Kraftfahrzeug nach Anspruch 1 sowie ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems, mit einer Brennstoffzelle, insbesondere einer Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle, nach Anspruch 5. Stand der Technik
Brennstoffzellen sind als elektrische Energiequellen bekannt. Gegenüber insbesondere Verbrennungsmotoren weisen elektrische Energiequellen den Vorteil auf, dass sie normalerweise keine, insbesondere gesundheitsschädliche, Abgase beim Betrieb produzieren. Insbesondere im Straßenverkehr ist dies von großem Vorteil.
Beim Betrieb der Brennstoffzellen kann gasförmiger Wasserstoff austreten. Bei Brennstoffzellensystemen, die mit Wasserstoff betrieben werden
(Polymerelektrolyt- bzw. PEM-Brennstoffzelle), kann dies bspw. durch gewollte
Spülungen einer Anode, um frischen Wasserstoff nachzuführen, und durch ungewollte Leckagen im Leitungssystem oder in einem der Bauteile des
Brennstoffzellensystems, etwa einer beschädigten Membran, einem Leck im Wasserstofftank oder einem offen klemmenden oder falsch angesteuerten Purgeventil, begründet sein. Diese ungewollten Leckagen sind nur schwer vorherzusagen, da die Effekte von Alterung der Bauteile und
Umgebungsbedingungen des Brennstoffzellensystems noch nicht vollständig bekannt sind. Die Wasserstoffdichtheit ist jedoch besonders relevant für die Sicherheit und die Lebensdauer der Brennstoffzellen. Wenn die Wasserstoffkonzentration in der Umgebung der Brennstoffzelle einen kritischen Wert übersteigt, kann dies zur Bildung eines explosiven Gasgemisches führen. In diesem Falle muss zur Sicherheit die Wasserstoffversorgung abgeschaltet werden, die Brennstoffzelle muss repariert oder gar verschrottet werden.
In bekannten Brennstoffzellen kann der Wasserstoff durch natürliche Konvektion und/oder Lüftung verdünnt werden. In manchen Brennstoffzellensystemen wird ein Wasserstoffsensor im Abgastrakt eingesetzt, um kritische Konzentrationen von Wasserstoff zu detektieren. Der Wasserstoffsensor ist jedoch teuer und kompliziert aufgebaut. In anderen Brennstoffzellensystemen wird ein Katalysator eingesetzt, um den Wasserstoffgehalt zu reduzieren. In manch anderen
Brennstoffzellensystemen werden Leckagen im Fehlerfall durch verschiedene Diagnosefunktionen, wie bspw. Druckplausibilisierung, Spannungsüberwachung oder dergleichen vorhergesagt. Diese Diagnosefunktionen sind allerdings komplex und decken nicht alle Fehlerszenarien im Brennstoffzellensystem ab. Sie müssen außerdem in Kombination betrachtet werden. Die Genauigkeit dieser Diagnosefunktionen ist zudem unzureichend.
Offenbarung der Erfindung
Die Erfindung sieht ein Brennstoffzellensystem, mit einer Brennstoffzelle, insbesondere einer Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle, mit den Merkmalen des Anspruches 1 sowie ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems, mit einer Brennstoffzelle, insbesondere einer Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle, mit den Merkmalen des Anspruches 5 vor. Hierbei ergibt sich zumindest der Vorteil, ein verbessertes Brennstoffzellensystem, mit einer Brennstoffzelle sowie ein sicheres Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems, mit einer Brennstoffzelle zu erzielen. Weitere Vorteile, Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den
Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.
Die Erfindung stellt ein Brennstoffzellensystem, mit einer Brennstoffzelle, insbesondere einer Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle, zur Anwendung in einem
Kraftfahrzeug bereit, die mit einem Sauerstoff führenden Kathodenpfad ausgeführt ist, wobei im Kathodenpfad ein Sensor zur indirekten Messung eines Brennstoffgehaltes, insbesondere eines Wasserstoffgehaltes, vorgesehen ist. Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem kann dabei eine Brennstoffzelle als auch eine Reihe an mehreren Brennstoffzellen umfassen, die in einem Stapel bzw. in einem so genannten„Stack" verschaltet werden können. Im Kathodenpfad fließt ein Sauerstoff führendes Fluid, meistens Luft, sodass der
Kathodenpfad auch als ein Luftpfad bezeichnet werden kann. Das Sauerstoff führendes Fluid kann im Sinne der Erfindung als eine Kathodenluft bezeichnet werden. Zum Führen des entsprechenden Fluides bzw. der Kathodenluft kann der Kathodenpfad Leitungen, bspw. Rohrleitungen, umfassen.
Der Erfindungsgedanke liegt dabei darin, eine Leckage im Brennstoffzellensystem mit einfachen und insbesondere günstigen Mitteln sowie auf eine einfache Weise zu erkennen. Hierzu schlägt die Erfindung vor, eine indirekte
Messung des Brennstoffgehaltes, insbesondere des Wasserstoffgehaltes, im Kathodenpfad durchzuführen. Mit anderen Worten schlägt die Erfindung vor, nicht den Brennstoffgehalt bzw. den Wasserstoffgehalt direkt zu messen, was mit hohen Kosten und erheblichem Aufwand verbunden wäre, sondern einen anderen Parameter im Brennstoffzellensystem insbesondere im Kathodenpfad, zu messen, welcher in einer bekannten und/oder feststellbaren Abhängigkeit vom Brennstoffgehalt, insbesondere vom Wasserstoffgehalt, steht. Dabei ist eine Messung einer Temperatur und/oder eines Sauerstoffgehaltes und/oder dergleichen denkbar, wodurch die zuvor genannten Nachteile der direkten Messung überwindbar sind. Zur Messung des Sauerstoffgehaltes und/oder der
Temperatur können vorteilhafterweise einfache und günstige Sensoren eingesetzt werden. Die Erfindung nutzt dabei die katalytische Wirkung der Brennstoffzelle selbst oder eines Katalysators im Kathodenpfad des
Brennstoffzellensystems aus, um eine Abhängigkeit des Sauerstoffgehaltes und/oder der Temperatur vom verbrauchten Brennstoff bzw. vom verbrauchten Wasserstoff festzustellen und anschließend von diesen indirekten
Messergebnissen des Sauerstoffgehaltes und/oder der Temperatur auf den Wasserstoffgehalt im Kathodenpfad zu schließen. Katalytische Wirkung der Brennstoffzelle oder des Katalysators äußert sich in Reaktion des Sauerstoffes mit Wasserstoff und der dabei entwickelten Wärme. Mit anderen Worten führt die
Katalyse in der Brennstoffzelle zur Reduzierung der Sauerstoffmenge und zum Temperaturanstieg. Somit kann man aus den Messergebnissen des
verbleibenden Sauerstoffes auf den verbrauchten Sauerstoff schließen und somit auf die abreagierte Menge des Wasserstoffes. Ähnlich kann eine Wärme- entwicklung auf die Menge der Reaktanten und somit auf die Menge des in der
Katalyse abreagierten Wasserstoffes schließen. Hierbei ermöglicht es die Erfindung, eine Leckage vorteilhafterweise unabhängig von einem verursachten Fehlermodus und einer Fehlerstelle festzustellen. Die Erfindung kommt außerdem vorteilhafterweise ohne zahlreiche komplexe Diagnosefunktionen aus, die außerdem ständig an immer höher werdende prozessuale Anforderungen an das Brennstoffzellensystem angepasst werden müssen.
Selbstverständlich ist es im Sinne der Erfindung denkbar, dass die
Brennstoffzelle eine Entlüftung, beispielsweise in Form einer Leitung bzw. eines Rohres oder dergleichen aufweisen kann. Die Entlüftung kann im Sinne der
Erfindung als ein Teil des Kathodenpfades angesehen werden. Der
erfindungsgemäße Katalysator und der nachfolgende Sensor zur indirekten Messung des Brennstoffgehaltes können in diesem Falle an einer geeigneten Stelle in der Entlüftung positioniert werden. Diese Ausführungsform der Erfindung kann dazu dienen, Leckagen nicht nur in der Brennstoffzelle selbst, sondern auch in der Umgebung der Brennstoffzelle zu detektieren.
Erfindungsgemäß kann der Sensor als ein Sauerstoffsensor, insbesondere in Form einer Lambdasonde, und/oder als ein Temperatursensor ausgebildet sein. Ein solcher Sauerstoffsensor und/oder ein Temperatursensor sind
vorteilhafterweise einfache und günstige Bauteile, die ohne erheblichen Aufwand im Brennstoffzellensystem eingebaut werden können, ohne den Aufbau des Brennstoffzellensystems aufwendig verändern zu müssen. Vorteilhafterweise können solche Sensoren zudem einfach ausgewertet werden, bspw. in einer Steuereinheit des Brennstoffzellensystems. Durch die Umrechnung des verbrauchten bzw. verbleibenden Sauerstoffes oder des Temperaturanstieges im Brennstoffsystem, insbesondere im Kathodenpfad, bspw. am Ausgang des Kathodenpfades, kann einfach ein Rückschluss auf den verbrauchten Wasserstoff gemacht werden. Bei Überschreiten von tolerierbaren Messergebnissen kann eine Fehlerfunktion bzw. eine Leckage im Brennstoffzellensystem zuverlässig und ohne Zeitverzögerung erkannt werden. Daraufhin können Sicherheitsmaßnahmen rechtzeitig eingeleitet werden. Erfindungsgemäß können dabei primäre Sicherheitsmaßnahmen, wie Abschalten der Brennstoffzufuhr oder dergleichen, und sekundäre Sicherheitsmaßnahmen, wie Einschalten einer Belüftung oder dergleichen, getroffen werden. Vorteilhafterweise kann die
Steuereinheit die Auswertung der Sensoren ausführen und/oder beim
Überschreiten von zulässigen Messergebnissen die Sicherheitsmaßnahmen, insbesondere automatisch, einleiten. Auch ist es denkbar, dass beim Feststellen eines Fehlerfalls ein Warnsignal ausgegeben werden kann, um bspw. den Benutzer zu warnen, dass ein Fehlerfall im Brennstoffzellensystem vorliegt, und/oder zu signalisieren, dass zumindest eine Wartung des
Brennstoffzellensystems erforderlich ist.
Ferner kann im Rahmen der Erfindung ein Katalysator im Kathodenpfad, insbesondere am Ausgang des Kathodenfades, vorgesehen sein, um den
Brennstoffgehalt, insbesondere den Wasserstoffgehalt, im Kathodenpfad zu reduzieren. Dabei ist es vorteilhaft, dass der Katalysator zum Reduzieren des Brennstoffgehaltes bzw. des Wasserstoffgehaltes genutzt werden kann. Zudem ist es vorteilhaft, dass die Reaktion im Katalysator einen Rückschluss auf den verbrauchten Brennstoff bzw. Wasserstoff im Sinne zulassen kann. Hierzu kann es im Rahmen der Erfindung vorgesehen sein, dass der Sensor nach dem Katalysator angeordnet sein kann. Dadurch kann sichergestellt werden, dass der durch die indirekte Messung zu detektierende Wasserstoffgehalt in Abhängigkeit vom zu messenden Parameter möglichst genau bestimmt werden kann.
Der Sensor kann dabei eine Temperatur der Kathodenluft nach dem Katalysator messen und mit der Temperatur der Kathodenluft vor dem Katalysator vergleichen. Zusammen mit einer bekannten Masse der Kathodenluft lässt sich die im Katalysator erzeugte Wärmeleistung berechnen, die wiederum äquivalent bzw. proportional zum Wasserstoffgehalt ist. Hierzu kann ein Temperatursensor genutzt werden. Beim Überschreiten eines tolerierbaren Wasserstoffgehaltes kann eine Fehlerfunktion bzw. eine Leckage im Brennstoffzellensystem detektiert werden. Ein tolerierbarer Wasserstoffgehalt kann dabei durch das Feststellen einer Menge an Wasserstoff festgelegt werden, die durch eine Lüftung des Brennstoffsystems ausreichend verdünnt werden kann.
Alternativ kann der Sensor einen Sauerstoffgehalt in der Kathodenluft nach dem Katalysator messen. Hierzu kann ein Sauerstoffsensor, insbesondere in Form einer Lambdasonde, genutzt werden. Ein Sauerstoffgehalt größer Null kann darauf schließen lassen, dass noch ein Sauerstoffüberschuss in der Kathodenluft vorhanden ist, und dass also sämtlicher Wasserstoff im Katalysator neutralisiert werden konnte. Nur bei einem mangelnden Sauerstoff kann man darauf schließen, dass nichtoxidierter Wasserstoff durch den Katalysator gelangen kann. Ein Wert nahe Null kann somit ein Anzeichen für eine zu hohe
Konzentration des Wasserstoffes in der Kathodenluft bzw. in einer Abluft des Brennstoffzellensystems sein.
Weiterhin kann es im Rahmen der Erfindung vorgesehen sein, dass der Sensor nach einer Kathode der Brennstoffzelle angeordnet sein kann. Auch die
Brennstoffzelle an sich verfügt über eine katalytische Wirkung. Auch dieser Effekt kann vorteilhafterweise im Sinne der Erfindung genutzt werden, um eine
Abhängigkeit zwischen einem Temperaturanstieg oder einer verbrauchten Sauerstoffmenge zum Bestimmen des Brennstoffgehaltes bzw. des
Wasserstoffgehaltes zu verwenden. Die Brennstoffzelle wird normalerweise mit einem Sauerstoffüberschuss betrieben, sodass, wenn der ganze Sauerstoff verbraucht wurde, dies auf einen Fehler im Brennstoffzellensystem schließen lässt. Dabei kann ein Sensor zur indirekten Messung, bspw. ein
Temperatursensor oder ein Sauerstoffsensor, nahe einem Kathodenausgang der Brennstoffzelle positioniert werden, um bei einem zu hohen Temperaturanstieg oder einem zu großen Sauerstoffabfall eine Wasserstoffleckage im
Brennstoffzellensystem zu detektieren.
Ferner wird die erfindungsgemäße Aufgabe durch ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems, mit einer Brennstoffzelle, insbesondere einer Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle, gelöst, wobei das Brennstoffzellensystem mit einem Sauerstoff führenden Kathodenpfad ausgeführt ist, und wobei das
Verfahren mindestens einen Schritt aufweist: a) Durchführen einer indirekten Messung zum Bestimmen eines
Brennstoffgehaltes, insbesondere eines Wasserstoffgehaltes, im Kathodenpfad.
Hierbei ist es vorteilhaft, dass auf eine direkte Messung des Brennstoffgehaltes verzichtet werden kann, die nur mit aufwendigen, kostspieligen Mitteln durchgeführt werden kann. Gleichzeitig kann durch eine indirekte Messung eine hohe Messgenauigkeit des Brennstoffgehaltes bzw. des Wasserstoffgehaltes erreicht werden. Außerdem werden mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens die gleichen Vorteile erreicht, die zuvor anhand der Beschreibung des
erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems beschrieben wurden. Zur
Vermeidung von Wiederholungen wird hierbei vollumfänglich darauf Bezug genommen.
Ferner kann das erfindungsgemäße Verfahren mindestens einen weiteren Schritt aufweisen: b) Durchführen einer Sauerstoffmessung und/oder einer Temperaturmessung nach einer Kathode der Brennstoffzelle oder nach einem Katalysator im
Kathodenpfad.
Eine solche Messung direkt nach einem katalytischen Element des
Brennstoffzellensystems, wie einem Katalysator oder der Brennstoffzelle selbst, kann vorteilhafterweise einen möglichst unverfälschten Rückschluss auf den Wasserstoffgehalt, insbesondere im Kathodenpfad, machen lassen.
Des Weiteren kann das erfindungsgemäße Verfahren mindestens einen weiteren Schritt aufweisen: c) Kalibrieren eines Katalysators mit Hilfe eines Sensors zur indirekten Messung eines Brennstoffgehaltes, insbesondere eines Wasserstoffgehaltes, im
Kathodenpfad, um eine erwarte Funktion des Katalysators im Normalbetrieb des Brennstoffzellensystems zu berechnen. Vorteilhafterweise kann dabei der erfindungsgemäße Sensor dazu genutzt werden, um bei bekannten Wasserstoff- Emissionen, z. B. beim gewollten
Purgevorgang, die erwartete Reaktion des Katalysators zu messen. Hierzu kann erfindungsgemäß der Temperaturanstieg oder der Sauerstoffabfall gemessen werden. Somit kann die Funktion des Katalysators diagnostiziert werden. Danach kann eine festgestellte Abhängigkeit zwischen dem Wasserstoffgehalt und dem Temperaturanstieg oder dem Sauerstoffabfall dazu dienen, um eine Kennlinie für den Katalysator herzuleiten. Schließlich kann im Betrieb der Brennstoffzelle die Reaktion des Katalysators überwacht werden, wobei beim zu hohen Abweichen von der Kennlinie ein Fehlerfall detektiert werden kann.
Zudem kann das erfindungsgemäße Verfahren mindestens einen weiteren Schritt aufweisen: d) Detektieren einer Fehlerfunktion im Brennstoffzellensystem beim Abweichen, insbesondere beim Überschreiten, von tolerierbaren Messerergebnissen und/oder erwarteten Ergebnissen. Vorteilhafterweise liefert das erfindungsgemäße Verfahren schnelle und zuverlässige Ergebnisse bei der Fehlerdetektion im Brennstoffzellensystem, insbesondere bei der Detektion eines kritischen Wasserstoffgehaltes, die es erlauben, die Sicherheit beim Betrieb des Brennstoffzellensystems erheblich zu erhöhen.
Weiterhin kann das erfindungsgemäße Verfahren mindestens einen weiteren Schritt aufweisen: e) Steuern und/oder Regeln des Betriebes des Brennstoffzellensystems nach dem Durchführen der indirekten Messung und/oder Einleiten von
Gegenmaßnahmen nach dem Detektieren einer Fehlerfunktion im
Brennstoffzellensystem.
Mithin kann der Vorteil erreicht werden, dass der Betrieb des
Brennstoffzellensystems automatisch gesteuert und/oder geregelt werden kann, und dass die Sicherheit beim Betrieb des Brennstoffzellensystems erhöht werden kann. Dabei ist es denkbar, dass bei einer Leckage unverzüglich
Sicherheitsmaßnahmen bzw. Gegenmaßnahmen, insbesondere automatisch, bspw. durch eine Steuereinheit, eingeleitet werden können.
Erfindungsgemäß ist es denkbar, dass die beschriebenen Schritte gleichzeitig oder nacheinander ausgeführt werden können. Der Vorteil einer gleichzeitigen Ausführung zumindest einiger erfindungsgemäßen Schritte liegt in einer simultanen Überwachung und einer entsprechenden Ansteuerung des
Brennstoffzellensystems. Insbesondere kann eine gleichzeitige Überwachung eines Temperaturanstieges und eines Sauerstoffverbrauches dazu dienen, die Überwachungsergebnisse zu plausibilisieren. Beim Ausführen zumindest einiger Schritte der Erfindung nacheinander können die tolerierbare Ergebnisse der Überwachung mit den entsprechenden Kennlinien an die sich ändernden Umstände in der Brennstoffzelle, bspw. an die Alterungserscheinungen, angepasst werden. Auch ist es im Rahmen der Erfindung denkbar, dass das beschriebene Verfahren mit einem oben beschriebenen Brennstoffzellensystem durchgeführt werden kann.
Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele
Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem und seine Weiterbildungen sowie seine Vorteile und das erfindungsgemäße Verfahren und seine Weiterbildungen sowie seine Vorteile werden nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen jeweils schematisch:
Fig. 1 eine erste Ausgestaltungsform eines erfindungsgemäßen
Brennstoffzellensystems,
Fig. 2 eine zweite Ausgestaltungsform des erfindungsgemäßen
Brennstoffzellensystems, und Fig. 3 eine erfindungsgemäße Abhängigkeit zwischen der Temperatur bzw. dem Sauerstoffgehalt und einer verbrauchten Wasserstoffmenge.
Elemente mit gleicher Funktion und Wirkungsweise sind in den Figuren 1 bis 3 jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.
Die Figuren 1 und 2 zeigen jeweils eine Ausgestaltungsform eines
erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems 10, welches für mobile
Anwendungen, d. h. für Anwendungen in Kraftfahrzeugen, oder für stationäre Anwendungen, bspw. für Anwendungen in Generatoren, insbesondere in
Notstromgeneratoren, geeignet ist. Das erfindungsgemäße
Brennstoffzellensystem 10 weist einen Kathodenpfad 11 auf, der zu einer aus Einfachheitsgründen nicht dargestellten Brennstoffzelle führt. Im Kathodenpfad 11 fließt erfindungsgemäß ein Sauerstoff enthaltenes Fluid, bspw. einfache, gefilterte Umgebungsluft, die auch als eine Kathodenluft bezeichnet werden kann.
Der Kathodenpfad 11 weist an seinem Eingang einen Luftfilter 14 auf, um die Umgebungsluft entsprechend den Erfordernissen der Brennstoffzelle zu filtern. Ein Verdichter 16, bspw. in Form ein Gebläses, sorgt dafür, dass ausreichend
Kathodenluft zu einer Kathode der Brennstoffzelle gelangt. Ein Wärmetauscher 17 ist vorgesehen, um die nach Durchgang des Verdichters 16 verdichtete und erwärmte Kathodenluft auf eine geeignete Temperatur abzukühlen.
Luftmassenstromsensoren 15.1, 15.2 überwachen die Menge der Kathodenluft an verschiedenen Stellen im Kathodenpfad 11, um zumindest zum Teil die
Funktion des Verdichters 16 zu bestimmen. Ein Befeuchter 18, bspw. in Form einer Membran, die Wasser durchlässt aber die Luft stoppt, sorgt dafür, dass im Kathodenabgas vorhandenes Wasser, welches als Produkt der Reaktion in der Brennstoffzelle entsteht, dazu genutzt wird, die trockene Frischluft nach dem Wärmetauscher 17 zu befeuchten.. Mit Hilfe von Ventilen 19.1, 19.2, 19.3 in
Form von Drosselklappen kann ein geeigneter Druck im Kathodenpfad 11 eingestellt werden und/oder der Weg der Kathodenluft bestimmt werden. Ferner sind ein Feuchtigkeitssensor 21 und ein Drucksensor 22 vor dem Eingang zur Kathode vorgesehen, um die Qualität der Kathodenluft, die zur Kathode gelangt, zu überwachen. Zum Vergleich des Druckes im Kathodenpfad mit dem Duck der Umgebungsluft kann ein Drucksensor 20 außerhalb des Kathodenpfades 11 genutzt werden. Ein Kondensatabscheider 23 am Ausgang des Kathodenpfades 11 kann das Wasser als Abfallprodukt der Reaktion in der Brennstoffzelle aus dem Kathodenpfad 11 abziehen.
Ferner kann das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem 10 einen ebenfalls aus Einfachheitsgründen nicht dargestellten Anodenpfad aufweisen, welcher ein Brennstoff, insbesondere Wassersoff, enthaltenes Fluid führen kann. Der Anodenpfad kann dabei einen Brennstoff- bzw. einen Wasserstofftank aufweisen, um das Brennstoff enthaltene Fluid an die Brennstoffzelle bereitzustellen. Ferner können der Kathodenpfad 11 und der nicht dargestellte Anodenpfad über eine Purge-Leitung verbunden sein, die ebenfalls nicht dargestellt ist, um eine Anode der Brennstoffzelle von Luft zu leeren und mit Brennstoff, insbesondere
Wasserstoff, zu füllen. Bei einem Purgevorgang kann das Brennstoff enthaltene Fluid in den Kathodenpfad 11 gelangen, wie es mit dem Pfeil P angedeutet ist.
Bei einem Fehler im Brennstoffzellensystem 10, bspw. bei einem Leck in der Brennstoffzelle, bspw. in der Membran zwischen Anode und Kathode oder dergleichen, kann sich zu viel Brennstoff bzw. zu viel Wasserstoff im
Kathodenpfad 11 sammeln. Um einen solchen Fehler zuverlässig und
insbesondere rechtzeitig, bevor der Brennstoffgehalt bzw. Wasserstoffgehalt einen zulässigen Wert übersteigt, zu detektieren, wird gemäß der Erfindung eine indirekte Messung des Brennstoffgehaltes, insbesondere des
Wasserstoffgehaltes, im Kathodenpfad 11 mittels eines Sensors 12 durchgeführt.
In einem aus Einfachheitsgründen nicht dargestellten Ausführungsbeispiel der Erfindung kann die Brennstoffzelle bzw. der Kathodenpfad 11 an Ende eine Lüftung aufweisen, in welcher gemäß der Erfindung ein Katalysator 13 und ein Sensor 12 angeordnet werden können. Die Lüftung kann dabei als eine
Verlängerung oder eine Abzweigung des Kathodenpfades 11 angesehen werden. Die Erfindung kann dabei dazu helfen, Leckage in der Umgebung der Brennstoffzelle zu detektieren.
Der Sensor 12 kann dabei als ein Sauerstoffsensor, insbesondere in Form einer Lambdasonde, und/oder als ein Temperatursensor ausgebildet sein. Ein solcher Sensor 12 zur indirekten Messung ist günstiger und einfacher ausgebildet als ein Sensor zu einer direkten Messung des Brennstoffgehaltes bzw. des
Wasserstoffgehaltes. Der erfindungsgemäße Sensor 12 kann mit einer
Steuereinheit des Brennstoffzellensystems 10 in Verbindung stehen, um die Funktionsweise des Brennstoffzellensystems 10 zumindest zum Teil zu beeinflussen. Der Sensor 12 kann einen verbrauchten bzw. verbleibenden Sauerstoff oder einen Temperaturanstieg messen, die im direkten
Zusammenhang mit dem vorhandenen Brennstoff, insbesondere Wasserstoff, stehen, wie es in der Figur 3 gezeigt ist. Die Steuereinheit kann daraus gemäß der Erfindung den verbrauchten Wasserstoff berechnen. Ein zu hoher
Brennstoffgehalt bzw. Wasserstoffgehalt ist dabei ein Anzeichen eines Fehlers im Brennstoffzellensystem 10. Daraufhin kann die Steuereinheit
Sicherheitsmaßnahmen einleiten, wie z. B. Abschalten der Brennstoffzufuhr oder dergleichen, Einschalten oder Hochdrehen einer Belüftung oder dergleichen.
Gemäß eines ersten Ausführungsbeispiels der Erfindung, welches in der Figur 1 gezeigt ist, ist im Kathodenpfad 11, insbesondere am Ausgang des
Kathodenfades 11, ein Katalysator 13 vorgesehen. Der Katalysator 13 hilft zum einen dazu, den Brennstoffgehalt, insbesondere den Wasserstoffgehalt, im Kathodenpfad 11 zu reduzieren, und zum anderen einen Rückschluss auf den verbrauchten Brennstoff bzw. Wasserstoff zu machen. Der Sensor 12 wird erfindungsgemäß unmittelbar nach dem Katalysator 13 angeordnet, um eine möglichst genaue Abhängigkeit A (s. die Figur 3) zwischen dem verbrauchten Brennstoff bzw. Wasserstoff und den Messergebnissen des Sensors 12 zu detektieren. Der Sensor 12 ist hierbei als ein Temperatursensor oder ein
Sauerstoffsensor ausgebildet.
Die Figur 2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung ohne einen Katalysator, gemäß welchem die katalytische Wirkung der Brennstoffzelle ausgenutzt wird. Der Sensor 12 wird dabei unmittelbar nach einer Kathode der
Brennstoffzelle positioniert. Auch hier wird eine Abhängigkeit A (s. die Figur 3) zwischen einem Temperaturanstieg oder einer verbrauchten Sauerstoffmenge zum Bestimmen des Brennstoffgehaltes bzw. des Wasserstoffgehaltes ausgenutzt. Der Sensor 12 ist hier ebenfalls als ein Temperatursensor oder ein Sauerstoffsensor ausgebildet.

Claims

Ansprüche
1. Brennstoffzellensystem (10), mit einer Brennstoffzelle, insbesondere einer Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle, zur Anwendung in einem Kraftfahrzeug, mit einem Sauerstoff führenden Kathodenpfad (11),
dadurch gekennzeichnet,
dass im Kathodenpfad (11) ein Sensor (12) zur indirekten Messung eines Brennstoffgehaltes, insbesondere eines Wasserstoffgehaltes, vorgesehen ist.
2. Brennstoffzellensystem (10) nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Sensor (12) als ein Sauerstoffsensor (12), insbesondere in Form einer Lambdasonde, und/oder als ein Temperatursensor ausgebildet ist.
3. Brennstoffzellensystem (10) nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass im Kathodenpfad (11), insbesondere am Ausgang des
Kathodenpfades (11), ein Katalysator (13) vorgesehen ist, um den
Brennstoffgehalt, insbesondere den Wasserstoffgehalt, im Kathodenpfad (11) zu reduzieren,
und dass der Sensor (12) nach dem Katalysator (13) vorgesehen ist.
4. Brennstoffzellensystem (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass der Sensor (12) nach einer Kathode der Brennstoffzelle (10) angeordnet ist.
Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems (10), mit einer Brennstoffzelle, insbesondere einer Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle, wobei das Brennstoffzellensystem (10) mit einem Sauerstoff führenden Kathodenpfad (11) ausgeführt ist,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Verfahren mindestens einen Schritt aufweist:
a) Durchführen einer indirekten Messung zum Bestimmen eines
Brennstoffgehaltes, insbesondere eines Wasserstoffgehaltes, im
Kathodenpfad (11).
Verfahren nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Verfahren mindestens einen weiteren Schritt aufweist:
b) Durchführen einer Sauerstoffmessung und/oder einer
Temperaturmessung nach einer Kathode der Brennstoffzelle (10) oder nach einem Katalysator (13) im Kathodenpfad (11).
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 oder 6,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Verfahren mindestens einen weiteren Schritt aufweist:
c) Kalibrieren eines Katalysators (13) mit Hilfe eines Sensors (12) zur indirekten Messung eines Brennstoffgehaltes, insbesondere eines Wasserstoffgehaltes, im Kathodenpfad (11), um eine erwartete Funktion des Katalysators (13) im Normalbetrieb des Brennstoffzellensystems (10) zu berechnen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Verfahren mindestens einen weiteren Schritt aufweist:
d) Detektieren einer Fehlerfunktion im Brennstoffzellensystem (10) beim Abweichen, insbesondere beim Überschreiten, von tolerierbaren
Messerergebnissen und/oder erwarteten Ergebnissen. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Verfahren mindestens einen weiteren Schritt aufweist:
e) Steuern und/oder Regeln des Betriebes des Brennstoffzellensystems (10) nach dem Durchführen der indirekten Messung und/oder Einleiten von Gegenmaßnahmen nach dem Detektieren einer Fehlerfunktion im
Brennstoffzellensystem (10).
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 9,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Schritte nach einem der Ansprüche 5 bis 10 gleichzeitig oder nacheinander ausgeführt werden,
und dass insbesondere das Verfahren mit einem Brennstoffzellensystem (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4 durchgeführt wird.
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