WO2017148798A1 - Verfahren zum betrieb eines brennstoffzellensystems, insbesondere während eines abstellvorganges des brennstoffzellensystems - Google Patents

Verfahren zum betrieb eines brennstoffzellensystems, insbesondere während eines abstellvorganges des brennstoffzellensystems Download PDF

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

Definitions

  • the present invention relates to a method for operating a
  • Fuel cell system in particular during a shutdown of the fuel cell system, according to the preamble of the independent
  • Stacks are basically 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. In the polymer electrolyte fuel cell system, a cold combustion of hydrogen by the connection with the
  • Oxygen of the cathode air instead of an anode of the fuel cell is supplied with hydrogen, while air is supplied to a cathode, for example ambient air.
  • a high-pressure tank is used for storing the hydrogen. After the tank and i.d. R. after two reduction stages, the hydrogen is metered into the anode more than stoichiometrically. The surplus on
  • Hydrogen is added to the fresh hydrogen by a recirculation pump. This is called an anode lead.
  • a purge valve for flushing the anode line is located in the anode line.
  • the waste heat produced in addition to the electrical energy and wastewater is removed by a thermal circuit to a cooler.
  • the electric power is tapped via an electric (electric) circuit and provided to an electric vehicle electrical system, for example in a motor vehicle.
  • the electrical circuit comprises a so-called. Bleed-down circuit with a switch and a resistor whose main function is that
  • OCV stack-damaging open circuit voltage
  • the switch is closed during the shutdown after switching off the gas supply, so that the remaining, still contained in the cathode oxygen can react with the remaining hydrogen in the anode.
  • Fuel cell system in particular during a shutdown of the fuel cell system, according to the independent method claim and a fuel cell system, in particular a polymer electrolyte fuel cell system, according to independent apparatus claim.
  • Fuel cell system in particular a polymer electrolyte fuel cell system, and a safe method for operating the
  • Fuel cell system in particular during a shutdown of the fuel cell system achieved.
  • an occurrence of negative voltages in the fuel cell system is advantageously detected indirectly in a favorable manner, namely by monitoring a
  • the invention provides a method for operating a fuel cell system, in particular during a shutdown process of the fuel cell system.
  • the fuel cell system is at least one
  • Fuel cell a cathode air leading cathode line, a fuel-carrying anode lead, a bleed-down circuit for reducing a voltage when switching off the fuel cell system and a control unit for controlling the operation of the fuel cell system.
  • the method has the following steps: a) stopping the fuel cell system,
  • the fuel cell system or, more simply, the system can in this case comprise a plurality of fuel cells which can be connected in series in a stack or in a so-called "stack."
  • the cathode line In the cathode line, ambient air is usually sucked in. In the context of the invention, this oxygen-containing gas mixture or The ambient air may be referred to as the cathode air.
  • Fuel cell to the fuel cell different concentrations of Fuel may have.
  • the fuel cell system according to the invention can be used for mobile applications, such as in motor vehicles, or for stationary applications, such as in the emergency power supply and / or as a generator.
  • Fuel cells interrupted. Thereafter, for a few seconds, for example. 30s, the bleed-down process is initiated. This consumes the residual oxygen in the cathode. In this case, however, fuel can remain in the system, which is distributed inhomogeneously from the fuel cell to the fuel cell and consumed unevenly.
  • this term is used for an inhomogeneous gas mixture in the anode line, which can contain, for example, air and / or oxygen and / or hydrogen and / or water.
  • harmful negative voltages can arise in the system.
  • the invention aims at safe and reliable but also at a favorable
  • Common voltage can be monitored much easier and with less resources than the fuel cell voltages of individual fuel cells.
  • the common voltage is monitored and analyzed according to the invention in order to detect the first negative voltages in the individual fuel cells in an advantageous manner, indirectly.
  • Abstellvorganges (up to about 48,000 s), is formed in the cathode of the fuel cell hydrogen, according to the invention, this effect is referred to as a proton pump.
  • the proton pump is powered by electrical connection via the bleed-down circuit and a concentration difference of hydrogen between the anode and the cathode.
  • the resulting in the cathode of the fuel cell hydrogen reacts in a catalyst layer with the diffused oxygen of the air to water. As a result, the hydrogen is consumed slowly, its concentration in the anode gradually decreases.
  • the concentration difference of hydrogen between the anode and cathode is no longer sufficient to continue operating the proton pump to the extent that the oxygen diffused into the open cathode the air is completely consumed by the resulting hydrogen.
  • This unconnected oxygen causes an increase in voltage, the ordinary fuel cell reaction then takes place in each fuel cell, thereby further consuming the hydrogen in the anode.
  • a third phase of the shutdown process when the hydrogen is completely consumed in some fuel cells, there are first negative voltages in the system. This is done by inhomogeneous gas distribution or inhomogeneous gas consumption in the respective fuel cells.
  • the anode of some fuel cells still contains hydrogen, so they are still in the second phase. These fuel cells cause a current flowing through all the fuel cells. This current causes in the fuel cells without hydrogen
  • Fuel cell This condition does not cause any electrochemical potential and is therefore stable for shutdown.
  • the invention examines a voltage curve in the process
  • the invention proposes to monitor the stack voltage centrally (not individually, ie indirectly). For this purpose, it is provided according to the invention that the voltage can wake the control unit when the voltage exceeds a first threshold.
  • control unit can be woken up after a time threshold. After the control unit has been awakened, it can monitor the common voltage in the system and, when reversing in the course of the voltage or dropping the voltage below a second threshold, ie shortly before the occurrence of negative values in the course of the common voltage, life-extending measures for the system
  • the threshold in step d) is:
  • step d1) when the first negative voltages occur in the system, ie in the first individual fuel cells.
  • step d2) the voltage can be monitored for falling below a minimum value (the second threshold) in order to initiate countermeasures (life-extending measures) for the fuel cell system at the latest in order to eliminate the negative voltages.
  • step a) first the gas supply to the fuel cell can be interrupted and then a bleed-down process can be initiated.
  • the remaining chemical potential in the fuel cell can be built up by reducing the voltage across a resistor in the bleed-down circuit.
  • step b) just the common voltage of the fuel cell system can wake the control unit when the voltage exceeds a first threshold, for example 1 V.
  • a voltage increase in the second phase of the shutdown process can be used to wake the control unit. That is, that directly the
  • Voltage can reliably ensure that the control unit is "awake” in time and can monitor the common voltage on the rise, reversal, the subsequent settling and finally on falling below the second threshold, in other words, the control unit immediately in response to occurrence of the voltage increase
  • step b) can be initiated in a timed manner if a time threshold has elapsed after step a).
  • the control unit in step b) can be woken up on a time basis and even recurrently in order to randomly examine the system for negative voltages.
  • step b) can be repeated at least once, in particular periodically, after a time interval.
  • Time threshold and / or the time interval can be determined in a reference run of a shutdown.
  • the first time threshold can be determined shortly after the occurrence of the second phase of the shutdown.
  • the time interval can in turn be chosen so that all four phases of the shutdown are in order.
  • step d) in particular in step d2)
  • a component already present in the system can be activated for this purpose. It is advantageous that the negative cell voltages can be avoided entirely without additional components.
  • a component in the system can be activated for this purpose.
  • Homogenizing means the invention a
  • step d in particular in step d2), as a
  • the recirculation pump can cause the distribution of the gas mixture in the anode line between the individual fuel cells to be uniformed, ie homogenized.
  • the purge valve may cause the anode line to be opened outwards to the ambient air, whereby an ambient air containing oxygen can be allowed to enter the anode line. This oxygen can be used to reduce the remaining fuel even on the anode side can.
  • Anoden ein contained gas mixture are distributed more uniformly between the individual fuel cells.
  • homogenization may be initiated for a period of time (eg, 30 seconds to 90 seconds) that may be determined to optimally distribute the hydrogen in the gas mixture in the anode conduit from one fuel cell to another fuel cell sure.
  • a period of time eg, 30 seconds to 90 seconds
  • the hydrogen radicals can thus be reduced evenly and even without residue in the parking phase, for example.
  • Purge valve can diffuse into it.
  • the measures according to the invention can advantageously be repeated if necessary and / or carried out regularly.
  • a fuel cell system in particular a polymer electrolyte fuel cell system, which has at least one fuel cell, a cathode air-conducting cathode line, a fuel-carrying anode line, a bleed-down circuit for reducing a voltage when the fuel cell system is switched off and a control unit is designed to control the operation of the fuel cell system.
  • the fuel cell system according to the invention is designed with such a control unit, which can operate the fuel cell system by a method as described above. This may be a specially designed control unit or an already existing control unit (for example an engine control unit) which is used to control the control unit
  • control unit according to the invention via a normal-closed switch with the
  • Fuel cell system in particular with an electrode of the fuel cell can be connected when the fuel cell system is turned off.
  • the normal-closed switch can be designed such that it in
  • Normal operation of the system can be brought by a terminal in the open state. However, if the system is turned off, the terminal can be switched off, whereby the switch is automatically transferred to the closed state in which it can act on a wake-up pin of the control unit. Over the wake - up pin can be the common tension in the second phase of the
  • the normally-closed switch can be forced into an open state by a clamp when the fuel cell system is in normal operation.
  • the control unit can be protected from high voltages during normal operation of the fuel cell system.
  • the terminal can have a job and an exhibition, wherein in normal operation of the fuel cell system, the terminal can be brought into employment, whereby the normally-closed switch can be brought into the open state, and during a shutdown of the fuel cell system, the terminal can be brought into the exhibition, whereby the normal-closed switch can be brought into the closed state.
  • a closed in-itself monitoring system can be created within the fuel cell system, which can react indirectly via the common voltage to the negative voltages in the individual fuel cells.
  • an optimal, automatic protection mechanism against the negative voltages within the system can be created.
  • Fig. 1 is a schematic representation of an inventive
  • Fuel cell with a possible bleed-down circuit 2 is a schematic flow of a bleed-down process with the bleed-down circuit according to the figure 1, a schematic representation of a fuel cell according to the invention with another possible bleed-down circuit,
  • Fig. 4 is a schematic flow of a bleed-down process with the
  • FIG. 8 shows a circuit according to the invention for waking up the control unit
  • FIG. 9 shows a possible sequence of a method according to the invention
  • FIG. 10 shows a further possible sequence of the invention
  • an anode 2 of the fuel cell 1 via an anode line 20 fuel, in particular hydrogen Hb, fed during a cathode 4th the fuel cell 1 via a cathode line 10 cathode air, in particular filtered ambient air, is supplied.
  • the illustration of only one fuel cell 1 is purely exemplary and is only intended to simplify the understanding of the invention, it being understood that it is of course conceivable that the fuel cell system 1 may have a plurality of fuel cells 1 connected in series.
  • the fuel cell system 1 according to the invention is suitable for mobile applications, d. H. for applications in motor vehicles, as well as for stationary applications, for example in generators or as an emergency power supply.
  • the cathode line 10 has at the entrance to an air filter 11 to filter the ambient air according to the requirements of the fuel cell 1.
  • a compressor 12 for example in the form of a nipple, ensures that sufficient air reaches the cathode 4 of the fuel cell 1.
  • a heat exchanger 13 is provided to cool the compressed air or cathode air after passage of the compressor 12 to a suitable temperature.
  • a humidifier 14 ensures that unused air is sent back to the cathode 3.
  • a valve 15 for example.
  • a throttle valve in a bypass line and a valve 16, for example.
  • a suitable pressure in the cathode line 10 can be adjusted.
  • the anode line 20 in this case has a fuel or a hydrogen tank 21, which via a shut-off valve 22 for switching off the
  • Fuel supply for example.
  • a pressure regulator 23 for setting a suitable pressure in the anode line 20 has.
  • An unused fuel can be mixed by means of a recirculation pump 24, for example.
  • the fresh fuel In the form of a jet pump, the fresh fuel.
  • the heat developed during operation of the fuel cell 1 is dissipated via a cooling fluid conducting thermal line 40.
  • the thermal line 40 can again serve to fuel cell 1 to a preferred To warm the operating temperature.
  • the thermal line 40 in this case has a cooler 41 and a recirculation pump 42 in order to absorb and remove the excess heat during operation of the fuel cell 1.
  • the electrical power is tapped via an electrical circuit 30 and provided to an electric vehicle electrical system 100, for example.
  • the electrical system 100 in the motor vehicle can have an electric motor 102, an LV battery 103 and a traction battery 104.
  • the electrical circuit 30 according to one embodiment of the invention comprises a separately formed bleed-down
  • the electrical circuit 30 includes a first protection circuit 33, a second protection circuit 34, a pre-charge contactor 35, a DC / DC converter 36 as a transition to the electrical system 100 of the motor vehicle and a control unit 37 for driving the fuel cell 1.
  • the control unit 37 is included designed to carry out the method according to the invention, as will be explained in detail below with reference to FIGS. 7, 8 and 9.
  • the bleed-down circuit can be implemented with the existing protective circuits 33, 34, or the bleed-down switch 32 can even be integrated in the DC / DC converter 36.
  • step 100 a shutdown operation of the fuel cell system 1 is initiated.
  • step 101 the gas supply (air, hydrogen H 2 ) is turned off.
  • the main function of the bleed-down circuit 31, 32 from FIG. 1 or in the form of protective circuits 33, 34 from FIG. 3 is the energy of the
  • step 102 Fuel cell system 1 controlled when stopping the system 1 to dismantle.
  • the switch 32 is closed during the switch-off procedure after switching off the gas supply in step 102, so that the remaining oxygen O2 still contained in the cathode 3 can react with the hydrogen H2 still present in the anode 2. This causes the
  • the bleed-down switch 32 is closed for a certain period of time t> d-down (see step 103 Figure 2) to effect sufficient consumption of oxygen. Finally, the switch 32 is opened again in step 104 and the system 1 is turned off in step 105.
  • the duration d-down can also be variable, in which the voltage U of the fuel cell 1 is measured and, in step 104, first a sub-threshold of the voltage U has to be reached before the switch 32 is opened again.
  • bleed-down switch 32 and resistor 31 may alternatively be integrated in the DC / DC converter 36 or, as shown in FIG. 3, be replaced by corresponding actuation of the protective circuits 33, 34.
  • Bleed-down process may include the following steps: Step 200 - initiating a shutdown of the fuel cell system 1, step 201 - shutdown of the gas supply, step 202 - opening the protection circuits 33, 34 for a certain period of time t> d-down and step 203 - Shutting down the system 1.
  • the common voltage U reflects the behavior of the voltage in the individual fuel cells. According to the invention, this common voltage U from the
  • Figure 6 instead of the individual voltages of the fuel cells in a simple manner and with minimal resources (only one sensor instead of one sensor for each fuel cell) is monitored and analyzed to examine the behavior of the system 1 as a whole.
  • a first phase I (up to about 48,000 s), hydrogen 3 b is produced in the cathode. This is called a so-called.
  • Proton pump by electrical connection via the bleed-down circuit 31, 32 and a
  • Fuel cell reaction then takes place in each fuel cell 1, thereby the hydrogen contained in the anode 2 Hb is further consumed.
  • a third phase III (from about 55,000 s to about 75,000 s) is initiated when the hydrogen H in some fuel cells 1 is completely consumed. This is done by inhomogeneous gas distribution or inhomogeneous gas consumption in the respective fuel cells 1.
  • Fuel cell 1 still contains hydrogen Hb, they are still in the second phase II. These fuel cells 1 call one by all
  • FIG. 7 shows possible life-extending measures for reducing negative voltages in the system which may serve as above
  • a certain first time threshold t> k e.g. 50,000 s in step 301 awaited.
  • the recirculation pump 24 is turned on and / or the purge valve
  • the recirculation pump 24 causes a homogenization of the gas mixture in the anode line 20.
  • the purge valve 25 opens the purge valve 25, a connection of the anode 2 with the
  • the duration Ati can be z. B. selected between 30 to 90 s, so that the remaining hydrogen from the fuel cell 1 is replaced by simple air H2.
  • the period of time Ati can advantageously be determined in such a way, for example with the aid of a sample shut-off process that the second
  • Phase II is maximally extended from the figure 5 and that the third phase III is eliminated as possible. Thereafter, in step 303, the purge valve 25 is closed and / or the recirculation pump 24 is turned off.
  • FIG. 8 shows a possible embodiment of a circuit for waking up the control unit 37, which alternatively can be replaced by simple time-controlled and / or recurrent waking of the control unit 37, as shown in FIG.
  • the common voltage U in the system 1 or the stack voltage U is connected via a normal-closed switch 38 with a wake-up pin 50 of the control unit 37. This means that in normal operation of the
  • Fuel cell system 1 a terminal 39 must be turned on to open the switch 38.
  • the high stack voltage U in normal operation of the system is then no longer connected to the control unit 37. Only at the shutdown of the system 1, after the stack voltage U by
  • Air depletion is reduced to 0 V, the terminal 39 is turned off, and the stack voltage, the control unit 37 when a threshold, for. 1 V, wake up.
  • FIG. 9 illustrates a first possible operating strategy according to the invention.
  • step 400 when the voltage exceeds a first threshold Uschweiiei, the control unit 37 is awakened.
  • the stack is in the second phase II, which is shown in FIG.
  • the voltage U is then monitored by the control unit 37 in step 401 until, in step 402, its course is reversed, ie no longer increasing. From this point the third phase III starts. Thereafter, in step 403, it is optionally possible to wait for the undershooting of a second threshold Us C hweiie2, z. B. 2 V.
  • step 302 of FIG. 10 The shown in step 302 of FIG.
  • Life-extending measures are then immediately initiated in step 404. As an alternative, however, can wait for the
  • step 501 it is waited until a time threshold t> tschweiiei after step a) has expired. Thereafter, in step 502, the control unit 37 is awakened. In step 503, we exceed a first threshold of
  • step 505 the voltage U ⁇ Us C hweiie2 is monitored for falling below a second threshold. If "yes”, the method continues in step 507, as proposed in FIG. 7 from step 302.
  • the method may be repeated after a time interval after step 500.
  • Time threshold Tschweiiei and / or the time interval can be in one
  • the first time threshold tschweiiei can thereby shortly after the occurrence of the second phase II of
  • the time interval can in turn be selected so that all four phases of the shutdown process have expired.

Abstract

Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems (1), insbesondere während eines Abstellvorganges des Brennstoffzellensystems (1), mit mindestens einer Brennstoffzelle (1),einer Kathodenluft führenden Kathodenleitung (10), einer Brennstoff führenden Anodenleitung (20),einem Bleed-Down-Schaltkreis (31, 32) zum Abbauen einer, insbesondere gemeinsamen, Spannung (U) beim Abstellen des Brennstoffzellensystems (1), und einer Steuereinheit (37) zum Steuern des Betriebes des Brennstoffzellensystems (1). Hierzu ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass das Verfahren folgende Schritte aufweist: a)Abstellen des Brennstoffzellensystems (1), b)Wecken einer zentralen Steuereinheit (37), c)Überwachen der Spannung (U) des Brennstoffzellensystems (1) durch die Steuereinheit (37), d)Einleiten von lebenserweiternden Maßnahmen für das Brennstoffzellensystem (1) durch die Steuereinheit (37), wenn die Spannung (U) eine Schwelle (USchwelle2) erreicht.

Description

Beschreibung
Titel
Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems, insbesondere während eines Abstellvorganges des Brennstoffzellensystems
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines
Brennstoffzellensystems, insbesondere während eines Abstellvorganges des Brennstoffzellensystems, nach dem Oberbegriff des unabhängigen
Verfahrensanspruchs sowie ein Brennstoffzellensystem, insbesondere ein Polymerelektrolyt-Brennstoffzellensystem, nach dem Oberbegriff des unabhängigen Vorrichtungsanspruchs.
Stand der Technik Brennstoffzellensysteme mit mehreren in Reihe geschalteten Brennstoffzellen
(Stacks) sind als elektrische Energiequellen grundsätzlich bekannt. Gegenüber insbesondere Verbrennungsmotoren weisen elektrische Energiequellen den Vorteil auf, dass sie normalerweise keine, insbesondere gesundheitsschädlichen Abgase beim Betrieb produzieren. Im Polymerelektrolyt-Brennstoffzellensystem findet eine kalte Verbrennung von Wasserstoff durch die Verbindung mit dem
Sauerstoff der Kathodenluft statt. Dafür wird einer Anode der Brennstoffzelle Wasserstoff zugeführt, während einer Kathode Luft, bspw. Umgebungsluft, zugeführt wird. Für die Speicherung des Wasserstoffes wird ein Hochdrucktank verwendet. Nach dem Tank und i.d. R. nach zwei Reduzierungsstufen wird der Wasserstoff in die Anode überstöchiometrisch hineindosiert. Der Überschuss an
Wasserstoff wird durch eine Rezirkulationspumpe dem frischen Wasserstoff beigemischt. Dabei spricht man von einer Anodenleitung. Zudem befindet sich in der Anodenleitung ein Purgeventil zum Freispülen der Anodenleitung. Die neben der elektrischen Energie und Abwasser produzierte Abwärme wird durch einen Thermalkreis zu einem Kühler abgeführt. Die elektrische Leistung wird über einen elektrischen (Strom-) Kreis abgegriffen und an ein elektrisches Bordnetzt, bspw. in einem Kraftfahrzeug, bereitgestellt. Der elektrische Kreis umfasst dabei einen sog. Bleed-Down-Schaltkreis mit einem Schalter und einem Widerstand, dessen Hauptfunktion ist, die
Stackenergie beim Abstellen des Systems kontrolliert abzubauen, um eine restliche, für den Stack schädliche Leerlaufspannung (OCV) zu verbrauchen. Hierzu wird der Schalter während des Abstellvorganges nach Abschaltung der Gaszufuhr geschlossen, sodass der restliche, in der Kathode noch enthaltene Sauerstoff mit dem in der Anode noch vorhandenen Wasserstoff abreagieren kann.
Dabei hat sich jedoch als nachteilig herausgestellt, dass nach dem Bleed-Down- Vorgang im Brennstoffzellensystem leicht negative Spannungen auftreten können. Solche negativen Spannungen können mit der Zeit zu Degradation und zu Performance-Verlusten des Brennstoffzellensystems führen.
Offenbarung der Erfindung Die vorliegende Erfindung sieht ein Verfahren zum Betrieb eines
Brennstoffzellensystems, insbesondere während eines Abstellvorganges des Brennstoffzellensystems, nach dem unabhängigen Verfahrensanspruch sowie ein Brennstoffzellensystem, insbesondere ein Polymerelektrolyt- Brennstoffzellensystem, nach unabhängigen Vorrichtungsanspruchs vor.
Hierdurch wird ein verbessertes, insbesondere was die Langlebigkeit angeht,
Brennstoffzellensystem, insbesondere ein Polymerelektrolyt- Brennstoffzellensystem, sowie ein sicheres Verfahren zum Betrieb des
Brennstoffzellensystems, insbesondere während eines Abstellvorganges des Brennstoffzellensystems, erzielt. Zudem wird dadurch ein Auftreten von negativen Spannungen im Brennstoffzellensystem vorteilhafterweise auf eine günstige Weise mittelbar erkannt, nämlich durch Überwachen einer
gemeinsamen Spannung des Brennstoffzellensystems. Die Erkennung ist höchst zuverlässig und ermöglicht es, lebenserweiternde Maßnahmen gegen die negativen Spannungen einzuleiten, um diese zu reduzieren und sogar zu verhindern. Außerdem wird dadurch ein gleichmäßiges und zuverlässiges Abbauen von restlichen, für den Stack schädlichen Leerlaufspannungen (OCV) erzielt. Folglich kann dadurch ein Bleed-Down-Vorgang des Brennstoff- zellensystems zuverlässiger ausgeführt und somit verbessert werden. 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 Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems, insbesondere während eines Abstellvorganges des Brennstoffzellensystems, bereit. Das Brennstoffzellensystem ist dabei mit mindestens einer
Brennstoffzelle, einer Kathodenluft führenden Kathodenleitung, einer Brennstoff führenden Anodenleitung, einem Bleed-Down-Schaltkreis zum Abbauen einer Spannung beim Abstellen des Brennstoffzellensystems und einer Steuereinheit zum Steuern des Betriebes des Brennstoffzellensystems ausgeführt. Hierzu ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass das Verfahren folgende Schritte aufweist: a) Abstellen des Brennstoffzellensystems,
b) Wecken einer zentralen Steuereinheit,
c) Überwachen der gemeinsamen Spannung des Brennstoffzellensystems durch die Steuereinheit,
d) Einleiten von lebenserweiternden Maßnahmen für das
Brennstoffzellensystem durch die Steuereinheit, wenn die Spannung eine Schwelle erreicht.
Das Brennstoffzellensystem oder im Weiteren einfach System kann dabei mehrere Brennstoffzellen umfassen, die in einem Stapel bzw. in einem sog. „Stack" in Reihe verschaltet werden können. In der Kathodenleitung wird meistens Umgebungsluft eingesaugt, wobei im Sinne der Erfindung dieses Sauerstoff enthaltene Gasgemisch bzw. die Umgebungsluft als die Kathodenluft bezeichnet werden kann. Nach dem Bleed-Down-Vorgang verbleibt in der Anodenleitung ein brennstoffenthaltenes Gasgemisch, welches von
Brennstoffzelle zur Brennstoffzelle unterschiedliche Konzentrationen von Brennstoff aufweisen kann. Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem kann dabei für mobile Anwendungen, wie bspw. in Kraftfahrzeugen, oder für stationäre Anwendungen, wie bspw. in der Notstromversorgung und/oder als ein Generator, verwendet werden.
Wenn das System abgestellt wird, wird zunächst die Gaszufuhr zu den
Brennstoffzellen unterbrochen. Danach wird für einige Sekunden, bspw. 30s, der Bleed-Down-Vorgang eingeleitet. Dadurch wird der restliche Sauerstoff in der Kathode verbraucht. Dabei kann jedoch Brennstoff im System verbleiben, welcher von Brennstoffzelle zur Brennstoffzelle inhomogen verteilt und ungleichmäßig verbraucht wird. Dabei spricht man im Sinne der vorliegenden Erfindung von einem inhomogenen Gasgemisch in der Anodenleitung, welches bspw. Luft und/oder Sauerstoff und/oder Wasserstoff und/oder Wasser enthalten kann. Als Folge können schädliche negative Spannungen im System entstehen. Die Erfindung strebt dabei an, sicher und zuverlässig aber auch auf eine günstige
Weise, mit nur minimalen Mitteln diese negativen Spannungen zu erfassen, um rechtzeitig lebenserweiternde Maßnahmen einzuleiten, die die negativen
Spannungen im System unterbinden oder zumindest reduzieren können. Der Erfindungsgedanke liegt dabei darin, die gesamte Stack-Spannung für die
Erkennung eines Zeitpunktes des Auftretens von negativen Zellspannungen zu verwenden. Die Erfindung nutzt dabei die Erkenntnis aus, dass die
Brennstoffzellenspannungen einzelner Brennstoffzellen im Stack zusammen eine gemeinsame Spannung des Brennstoffzellensystems ergeben. Diese
gemeinsame Spannung kann viel einfacher und mit weniger Mittel überwacht werden als die Brennstoffzellenspannungen einzelner Brennstoffzellen. Die gemeinsame Spannung wird erfindungsgemäß überwacht und analysiert, um die ersten negativen Spannungen in den einzelnen Brennstoffzellen auf eine vorteilhafte Weise, mittelbar zu erkennen.
Nach einem Bleed-Down-Vorgang, in einer sog. ersten Phase des
Abstellvorganges (bis ca. 48.000 s), entsteht in der Kathode der Brennstoffzelle Wasserstoff, wobei erfindungsgemäß dieser Effekt als eine Protonenpumpe bezeichnet wird. Die Protonenpumpe wird durch elektrische Verbindung über den Bleed-Down-Schaltkreis und einen Konzentrationsunterschied von Wasserstoff zwischen der Anode und der Kathode verursacht. Der in der Kathode der Brennstoffzelle so entstandene Wasserstoff reagiert in einer Katalysator-Schicht mit dem hineindiffundierten Sauerstoff der Luft zu Wasser ab. Dadurch wird der Wasserstoff langsam verbraucht, seine Konzentration in der Anode nimmt allmählich ab.
In einer zweiten Phase des Abstellvorganges (von ca. 48.000 s bis ca. 55.000 s) reicht der Konzentrationsunterschied von Wasserstoff zwischen der Anode und Kathode nicht mehr aus, um die Protonenpumpe in dem Ausmaß weiter zu betreiben, dass der in die offene Kathode hineindiffundierte Sauerstoff der Luft durch den dadurch entstandenen Wasserstoff vollständig verbraucht wird. Dieser unverbundene Sauerstoff verursacht eine Erhöhung der Spannung, die gewöhnliche Brennstoffzellenreaktion findet danach in jeder Brennstoffzelle statt, dadurch wird der in der Anode befindliche Wasserstoff weiter verbraucht.
In einer dritten Phase des Abstellvorganges (von ca. 55.000 s bis ca. 75.000 s), wenn der Wasserstoff in einigen Brennstoffzellen vollständig aufgebraucht wird, kommt es zum Auftreten von ersten negativen Spannungen im System. Das geschieht durch inhomogene Gas-Verteilung bzw. inhomogenen Gas-Verbrauch in den jeweiligen Brennstoffzellen. Die Anode einiger Brennstoffzellen enthält immer noch Wasserstoff, sie befinden sich also noch in der zweiten Phase. Diese Brennstoffzellen rufen einen durch alle Brennstoffzellen fließenden Strom hervor. Dieser Strom verursacht in den Brennstoffzellen ohne Wasserstoff
Nebenreaktionen, welche zu negativen Zellspannungen führen.
Erst wenn der Wasserstoff in allen Brennstoffzellen 1 aufgebraucht wird, wird eine vierte Phase des Abstellvorganges eingeleitet (ab ca. 75.000 s). Dabei befindet sich Luft sowohl in der Kathode als auch in der Anode der
Brennstoffzelle. Dieser Zustand verursacht kein elektrochemisches Potenzial und ist daher für die Abstellung stabil.
Die Erfindung untersucht dabei einen Spannungsverlauf im
Brennstoffzellensystem und stellt fest, dass wenn die ersten negativen
Spannungen in den einzelnen Brennstoffzellen auftreten, es zu einer Umkehr im Anstieg der gemeinsamen Spannung kommt. D. h., dass diese gemeinsame Spannung nicht mehr zunimmt, sondern ab diesem Zeitpunkt sinkt. Danach kommt es zu einem Fall der gemeinsamen Spannung sogar unter null und zu weiteren Schwankungen um den Wert Null, bis sich der Wert der Spannung um den Wert Null einpendelt.
Die Erfindung schlägt dabei vor, die Stack-Spannung zentral (nicht einzeln, also mittelbar) zu überwachen. Hierzu ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Spannung die Steuereinheit wecken kann, wenn die Spannung eine erste Schwelle überschreitet. Alternativ kann das Abstellverhalten in einem
Referenzlauf analysiert werden und eine typische Zeitschwelle ermittelt werden für den Eintritt von negativen Spannungen, wobei die Steuereinheit nach Ablauf einer Zeitschwelle geweckt werden kann. Nachdem die Steuereinheit geweckt wurde, kann sie die gemeinsame Spannung im System überwachen und beim Umkehr im Spannungsverlauf oder beim Fallen der Spannung unter eine zweite Schwelle, also kurz vorm Auftreten von negativen Werten im Verlauf der gemeinsamen Spannung, lebenserweiternde Maßnahmen für das
Brennstoffzellensystem einleiten. Somit kann die Sicherheit beim Abstellvorgang erheblich erhöht und das Brennstoffzellensystem zuverlässig vor Degradation geschützt werden.
Ferner kann es im Rahmen der Erfindung vorgesehen sein, dass die Schwelle im Schritt d) als:
dl) Umkehr in einem Anstieg der Spannung oder
d2) Unterschreiten einer zweiten Schwelle
bestimmt werden kann.
Somit kann vorteilhafterweise im Schritt dl) zuverlässig erkannt werden, wann die ersten negativen Spannungen im System, d. h. in den ersten einzelnen Brennstoffzellen, auftreten. Nach einem weiteren Vorteil kann im Schritt d2) die Spannung auf Unterschreiten einer Mindestwertes (der zweiten Schwelle) überwacht werden, um spätestens dann Gegenmaßnahmen (lebenserweiternde Maßnahmen) für das Brennstoffzellensystem einzuleiten, um die negativen Spannungen zu eliminieren. Zudem kann es im Rahmen der Erfindung vorgesehen sein, dass im Schritt a) zunächst die Gaszufuhr zur Brennstoffzelle unterbrochen werden kann und anschließend ein Bleed-Down-Vorgang eingeleitet werden kann. So kann das restliche chemische Potential in der Brennstoffzelle dadurch aufgebaut werden, dass die Spannung über einen Widerstand im Bleed-Down-Kreis abgebaut wird.
Erfindungsgemäß kann es vorteilhaft sein, wenn im Schritt b) gerade die gemeinsame Spannung des Brennstoffzellensystems die Steuereinheit wecken kann, wenn die Spannung eine erste Schwelle, bspw. 1 V, überschreitet. Somit kann ein Spannungsanstieg in der zweiten Phase des Abstellvorganges dazu genutzt werden, um die Steuereinheit zu wecken. D. h., dass direkt die
Spannung zuverlässig dafür sorgen kann, dass die Steuereinheit rechtzeitig „wach" ist und die gemeinsame Spannung beim Anstieg, Umkehr, dem anschließenden Einpendeln und schließlich auf ein Unterschreiten der zweiten Schwelle überwachen kann. Mit anderen Worten wird die Steuereinheit unverzüglich in Reaktion auf ein Auftreten des Spannungsanstieges
(Protonenpumpe) direkt durch die Spannung geweckt. Vorteilhafterweise können mithin die Überwachung der Spannung und die Bereitschaft, lebenserweiternde Maßnahmen einzuleiten, ohne Zeitverlust, unverzüglich als Reaktion auf die entsprechende Spannung geschehen. Vorteilhafterweise kann somit das
Brennstoffzellensystem ein geschlossenes In-Sich-Überwachungssystem mit einem vorteilhaften, reaktiven Schutzmechanismus gegen die negativen
Spannungen bilden. Alternativ kann die Erfindung vorsehen, dass der Schritt b) zeitgesteuert eingeleitet werden kann, wenn eine Zeitschwelle nach dem Schritt a) abgelaufen ist. Zudem ist es denkbar, dass die Steuereinheit im Schritt b) zeitbasiert und sogar wiederkehrend geweckt werden kann, um das System stichprobenartig auf negative Spannungen zu untersuchen. Hierzu kann der Schritt b) mindestens einmal, insbesondere periodisch, nach einem Zeitintervall wiederholt werden. Die
Zeitschwelle und/oder das Zeitintervall können dabei in einem Referenzlauf eines Abstellvorganges ermittelt werden. Die erste Zeitschwelle kann dabei kurz nach dem Eintritt der zweiten Phase des Abstellvorganges bestimmt werden. Das Zeitintervall kann wiederum so gewählt werden, dass alle vier Phasen des Abstellvorganges um sind. Somit können präzise Vorhersagen über den Spannungsverlauf festgestellt werden, um das erfindungsgemäße Verfahren einfach, lediglich zeitgesteuert auszuführen.
Erfindungsgemäß kann im Schritt d), insbesondere im Schritt d2), ein
Homogenisieren des Gasgemisches in der Anodenleitung für eine bestimmte
Zeitdauer eingeleitet werden. Vorteilhafterweise kann hierzu eine im System bereits vorhandene Komponente aktiviert werden. Vorteilhaft ist dabei, dass die negativen Zellspannungen gänzlich ohne zusätzliche Komponenten vermieden werden können. Hierzu kann erfindungsgemäß eine Komponente in der
Anodenleitung aktiviert werden, um das Gasgemisch in der Anodenleitung zu homogenisieren. Unter Homogenisieren versteht die Erfindung ein
Vergleichmäßigen dieses Gasgemisches in der Anodenleitung derart, dass die einzelnen Brennstoffzellen zumindest vergleichsweise gleiche Konzentrationen von Brennstoff aufweisen können. Diese annähernd gleichen Konzentrationen von Brennstoff in den einzelnen Brennstoffzellen können erfindungsgemäß gleichmäßig abgebaut werden. Somit kann vorteilhafterweise das
Brennstoffzellensystem auf lange Sicht vor Degradation geschützt werden.
Hierbei kann im Schritt d), insbesondere im Schritt d2), als eine
lebenserweiternde Maßnahme eine Rezirkulationspumpe aktiviert und/oder ein
Purgeventil geöffnet werden. Die Rezirkulationspumpe kann dabei bewirken, dass die Verteilung des Gasgemisches in der Anodenleitung zwischen den einzelnen Brennstoffzellen vergleichmäßigt, also homogenisiert werden kann. Das Purgeventil kann dabei bewirken, dass die Anodenleitung nach außen zur Umgebungsluft geöffnet werden kann, wodurch ein Eintritt einer Sauerstoff enthaltenen Umgebungsluft in die Anodenleitung ermöglicht werden kann. Dieser Sauerstoff kann dabei dazu genutzt werden, um den verbleibenden Brennstoff sogar auf der Anodenseite abbauen zu können. Mit Hilfe dieser
lebenserweiternden Maßnahmen (Einschalten der Rezirkulationspumpe und/oder Öffnen des Purgeventils) einzeln oder in Kombination kann das in der
Anodenleitung enthaltene Gasgemisch gleichmäßiger zwischen den einzelnen Brennstoffzellen verteilt werden. Dabei kann das Homogenisieren für eine Zeitdauer (z. B. 30s bis 90s) eingeleitet werden, die derart bestimmt werden kann, um ein optimales Verteilen des Wasserstoffes im Gasgemisch in der Anodenleitung von einer Brennstoffzelle zu einer anderen Brennstoffzelle sicherzustellen. Somit kann ein verbessertes und gleichmäßigeres Verteilen von Wasserstoff im Brennstoffzellensystem realisiert werden. Die Wasserstoffreste können somit in der Abstellphase gleichmäßig und gar rückstandslos abgebaut werden, bspw. durch Abreagieren mit dem Sauerstoff der Umgebungsluft, welche in die Kathodenleitung von außen oder in die Anodenleitung durch das offene
Purgeventil hineindiffundieren können. Die erfindungsgemäßen Maßnahmen können vorteilhafterweise bei Bedarf wiederholt und/oder regelmäßig ausgeführt werden.
Ferner wird die erfindungsgemäße Aufgabe durch ein Brennstoffzellensystem, insbesondere ein Polymerelektrolyt- Brennstoffzellensystem, gelöst, welches mit mindestens einer Brennstoffzelle, einer Kathodenluft führenden Kathodenleitung, einer Brennstoff führenden Anodenleitung, einem Bleed-Down-Schaltkreis zum Abbauen einer Spannung beim Abstellen des Brennstoffzellensystems und einer Steuereinheit zum Steuern des Betriebes des Brennstoffzellensystems ausgeführt ist. Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem ist dabei mit einer derartigen Steuereinheit ausgelegt, welche das Brennstoffzellensystem nach einem Verfahren, wie oben beschrieben, betreiben kann. Hierbei kann es sich um eine speziell ausgebildete oder um eine bereits vorhandene Steuereinheit (bspw. ein Motorsteuergerät) handeln, die zum Ansteuern des
Brennstoffzellensystems und insbesondere während eines Abstellvorganges gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren ausgelegt sein kann. Hierzu kann in der Steuereinheit eine entsprechende Software hinterlegt werden, die das erfindungsgemäße Verfahren ausführen kann. Mit dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem werden dieselben Vorteile erreicht, die im
Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben wurden, wobei hierbei vollumfänglich darauf Bezug genommen wird.
Weiterhin kann erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass die erfindungsgemäße Steuereinheit über einen Normally-Closed-Schalter mit dem
Brennstoffzellensystem, insbesondere mit einer Elektrode der Brennstoffzelle verbunden werden kann, wenn das Brennstoffzellensystem abgestellt wird. Der Normally-Closed-Schalter kann dabei derart ausgeführt sein, dass es im
Normalbetrieb des Systems durch eine Klemme in den offenen Zustand bringbar ist. Wird das System jedoch abgestellt, kann die Klemme ausgeschaltet werden, wodurch der Schalter automatisch in den geschlossenen Zustand überführt wird, in welchem er auf einen Weckpin der Steuereinheit einwirken kann. Über den Weckpin kann die gemeinsame Spannung in der zweiten Phase des
Abstellvorganges die Steuereinheit automatisch wecken.
Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, dass der Normally-Closed-Schalter durch eine Klemme in einen offenen Zustand aufgezwungen werden kann, wenn das Brennstoffzellensystem im Normalbetrieb ist. Somit kann die Steuereinheit vor hohen Spannungen im Normalbetrieb des Brennstoffzellensystems geschützt werden.
Des Weiteren kann es erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass die Klemme eine Anstellung und eine Ausstellung aufweisen kann, wobei im Normalbetrieb des Brennstoffzellensystems die Klemme in die Anstellung gebracht werden kann, wodurch der Normally-Closed-Schalter in den offenen Zustand gebracht werden kann, und wobei während eines Abstellvorganges des Brennstoffzellensystems die Klemme in die Ausstellung gebracht werden kann, wodurch der Normally- Closed-Schalter in den geschlossenen Zustand gebracht werden kann. Somit kann vorteilhafterweise ein geschlossenes In-Sich-Überwachungssystem innerhalb des Brennstoffzellensystems geschaffen werden, welches mittelbar über die gemeinsame Spannung auf die negativen Spannungen in den einzelnen Brennstoffzellen reagieren kann. Mithin kann also ein optimaler, automatischer Schutzmechanismus gegen die negativen Spannungen innerhalb des Systems geschaffen werden.
Bevorzugte Ausführungsbeisp
Die erfindungsgemäße Brennstoffzelle und deren Weiterbildungen sowie deren 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 schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen
Brennstoffzelle mit einem möglichen Bleed-Down-Schaltkreis, Fig. 2 ein schematischer Ablauf eines Bleed-Down-Vorganges mit dem Bleed-Down-Schaltkreis gemäß der Figur 1, eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Brennstoffzelle mit einem anderen möglichen Bleed-Down- Schaltkreis,
Fig. 4 ein schematischer Ablauf eines Bleed-Down-Vorganges mit dem
Bleed-Down-Schaltkreis gemäß der Figur 3,
Fig. 5 gemessene Brennstoffzellenspannungen während einer Abstellphase des Brennstoffzellensystems nach einem Bleed-Down-Vorgang, gemessene gemeinsame Spannung des Brennstoffzellensystems während einer Abstellphase des Brennstoff Zeilensystems nach dem Bleed-Down-Vorgang,
Fig. 7 eine schematische Darstellung von erfindungsgemäßen,
lebenserweiternden Maßnahmen,
Fig. 8 eine erfindungsgemäße Schaltung zum Wecken der Steuereinheit, Fig. 9 einen möglichen Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens und Fig. 10 einen weiteren möglichen Ablauf des erfindungsgemäßen
Verfahrens.
In den unterschiedlichen Figuren sind gleiche Teile stets mit denselben Bezugszeichen versehen, weshalb diese in der Regel nur einmal beschrieben werden.
Die Figuren 1 und 3 zeigen dabei jeweils ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems 1 am Beispiel einer Brennstoffzelle 1. Dafür wird einer Anode 2 der Brennstoffzelle 1 über eine Anodenleitung 20 Brennstoff, insbesondere Wasserstoff Hb, zugeführt, während einer Kathode 4 der Brennstoffzelle 1 über eine Kathodenleitung 10 Kathodenluft, insbesondere gefilterte Umgebungsluft, zugeführt wird.
Die Abbildung von nur einer Brennstoffzelle 1 ist dabei rein beispielhaft und soll lediglich zu einem einfacheren Verständnis der Erfindung dienen, wobei es selbstverständlich denkbar ist, dass das Brennstoffzellensystems 1 mehrere in Reihe geschaltete Brennstoffzellen 1 aufweisen kann. Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem 1 eignet sich dabei für mobile Anwendungen, d. h. für Anwendungen in Kraftfahrzeugen, sowie für stationäre Anwendungen, bspw. in Generatoren oder als Notstromversorgung.
Die Kathodenleitung 10 weist dabei am Eingang einen Luftfilter 11 auf, um die Umgebungsluft entsprechend den Erfordernissen der Brennstoffzelle 1 zu filtern. Ein Verdichter 12, bspw. in Form eines Saugers, sorgt dafür, dass ausreichend Luft zur Kathode 4 der Brennstoffzelle 1 gelangt. Ein Wärmetauscher 13 ist vorgesehen, um die verdichtete Luft bzw. Kathodenluft nach Durchgang des Verdichters 12 auf eine geeignete Temperatur abzukühlen. Ein Befeuchter 14 sorgt dafür, dass unverbrauchte Luft zurück an die Kathode 3 geschickt wird. Mit Hilfe eines Ventils 15, bspw. in Form einer Drosselklappe, in einer Bypass-Ieitung und eines Ventils 16, bspw. in Form einer Drosselklappe, am Ausgang der Kathodenleitung 10 kann ein geeigneter Druck in der Kathodenleitung 10 eingestellt werden.
Die Anodenleitung 20 weist dabei einen Brennstoff- bzw. einen Wasserstofftank 21 auf, welcher über ein Absperrventil 22 zum Abschalten der
Brennstoffversorgung, bspw. in einem Fehlerfall, und einen Druckregler 23 zum Einstellen eines geeigneten Druckes in der Anodenleitung 20 verfügt. Ein unverbrauchter Brennstoff kann mittels einer Rezirkulationspumpe 24, bspw. in Form einer Strahlpumpe, dem frischen Brennstoff beigemischt werden. Ein Purge-Ventil 25, bspw. in Form einer Drosselklappe, sorgt für ein Regeln eines Wasserstoffgehaltes in der Anodenleitung 20.
Die im Betrieb der Brennstoffzelle 1 entwickelte Wärme wird über eine Kühlfluid führende Thermalleitung 40 abgeführt. Im Startfall kann die Thermalleitung 40 wiederum dazu dienen, die Brennstoffzelle 1 auf eine bevorzugte Betriebstemperatur zu erwärmen. Die Thermalleitung 40 weist dabei einen Kühler 41 und eine Rezirkulationspumpe 42 auf, um die überschüssige Wärme beim Betrieb der Brennstoffzelle 1 aufzunehmen und abzutransportieren. Die elektrische Leistung wird dabei über einen elektrischen Kreislauf 30 abgegriffen und an ein elektrisches Bordnetzt 100, bspw. in einem Kraftfahrzeug mit einem Fahrgetriebe 101, bereitgestellt. Das elektrische Bordnetzt 100 im Kraftfahrzeug kann dabei einen Elektromotor 102, eine LV-Batterie 103 und einen Traktionsakku 104 aufweisen. Der elektrische Kreislauf 30 umfasst gemäß einer Ausführungsform der Erfindung einen separat ausgebildeten Bleed-Down-
Schaltkreis 31, 32 mit einem Widerstand 31 und einem Schalter 32 (s. die Figur 1). Zudem umfasst der elektrische Kreislauf 30 eine erste Schutzschaltung 33, eine zweite Schutzschaltung 34, einen Vorladeschütz 35, einen DC/DC-Wandler 36 als Übergang zum elektrischen Bordnetz 100 des Kraftfahrzeuges und eine Steuereinheit 37 zum Ansteuern der Brennstoffzelle 1. Die Steuereinheit 37 ist dabei dazu ausgelegt, das erfindungsgemäße Verfahren auszuführen, wie es nachfolgend anhand der Figuren 7, 8 und 9 im Detail erklärt wird. Gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung gemäß der Figur 3 kann der Bleed- Down-Schaltkreis mit den vorhandenen Schutzschaltungen 33, 34 umgesetzt werden oder der Bleed-Down-Schalter 32 kann sogar im DC/DC-Wandler 36 integriert sein.
Zunächst wird anhand der Figur 2 ein beispielhafter Bleed-Down-Vorgang erklärt. Im Schritt 100 wird ein Abstellvorgang des Brennstoffzellensystems 1 eingeleitet. Im Schritt 101 wird die Gaszufuhr (Luft, Wasserstoff H2) abgestellt. Die
Hauptfunktion des Bleed-Down-Schaltkreises 31, 32 aus der Figur 1 bzw. in Form von Schutzschaltungen 33, 34 aus der Figur 3 ist, die Energie des
Brennstoffzellensystems 1 beim Abstellen des Systems 1 kontrolliert abzubauen. Dafür wird im Schritt 102 der Schalter 32 während der Abschaltprozedur nach Abschaltung der Gaszufuhr im Schritt 102 geschlossen, sodass der restliche, in der Kathode 3 noch enthaltene Sauerstoff O2 mit dem in der Anode 2 noch vorhandenen Wasserstoff H2 abreagieren kann. Das führt dazu, dass die
Zellenspannung U abgebaut wird, sodass die für das System 1 schädliche Leerlaufspannung OCV nicht mehr vorliegt. Der Bleed-Down-Schalter 32 wird dabei für eine bestimmte Zeitdauer t > d-down geschlossen (siehe Schritt 103 der Figur 2), um einen ausreichenden Verbrauch von Sauerstoff zu bewirken. Schließlich wird der Schalter 32 im Schritt 104 wieder geöffnet und das System 1 wird im Schritt 105 abgestellt. Die Zeitdauer d-down kann aber auch variabel sein, in dem die Spannung U der Brennstoffzelle 1 vermessen wird und im Schritt 104 zunächst eine Unterschwelle der Spannung U erreicht werden muss, bevor der Schalter 32 wieder geöffnet wird.
Der Bleed-Down-Schalter 32 und Widerstand 31 können aber alternativ im DC/DC-Wandler 36 integriert sein oder, wie es in der Figur 3 gezeigt ist, durch entsprechende Betätigung der Schutzschaltungen 33, 34 ersetzt werden. Ein
Bleed-Down-Vorgang kann dabei folgende Schritte aufweisen: Schritt 200 - Einleiten eines Abstellvorganges des Brennstoffzellensystems 1, Schritt 201 - Abstellen der Gaszufuhr, Schritt 202 - Öffnen der Schutzschaltungen 33, 34 für eine bestimmte Zeitdauer t > d-down und Schritt 203 - Abstellen des Systems 1.
Die Figuren 5 und 6 zeigen dabei jeweils die einzelnen
Brennstoffzellenspannungen und die gemeinsame Spannung U des
Brennstoffzellensystems 1 während eines Abstellvorganges. Die gemeinsame Spannung U wiederspiegelt dabei das Verhalten der Spannung in den einzelnen Brennstoffzellen. Erfindungsgemäß wird diese gemeinsame Spannung U aus der
Figur 6 anstatt der einzelnen Spannungen der Brennstoffzellen auf eine einfache Weise und mit minimalen Mitteln (nur ein Sensor anstatt von jeweils einem Sensor für jede Brennstoffzelle) überwacht und analysiert, um das Verhalten des Systems 1 als Ganzes zu untersuchen.
In einer ersten Phase I (bis ca. 48.000 s) entsteht in der Kathode 3 Wasserstoff hb. Dabei spricht man von einer sog. Protonenpumpe, die durch elektrische Verbindung über den Bleed-Down-Schaltkreis 31, 32 und einen
Konzentrationsunterschied von Wasserstoff H2 zwischen der Anode 2 und der Kathode 3 verursacht wird. Der in der Kathode 3 so entstandene Wasserstoff H2 reagiert in einer Katalysator-Schicht 4 mit dem hineindiffundierten Sauerstoff der Luft zu Wasser ab. Dadurch wird der Wasserstoff H2 langsam verbraucht, seine Konzentration in der Anode 2 nimmt allmählich ab. In einer zweiten Phase II (von ca. 48.000 s bis ca. 55.000 s) reicht der
Konzentrationsunterschied von Wasserstoff Hb nicht mehr aus, um die
Protonenpumpe in dem Ausmaß weiter zu betreiben, dass der in die offene Kathode 3 hineindiffundierte Sauerstoff der Luft durch den dadurch entstandenen Wasserstoff Hb vollständig verbraucht wird. Dieser unverbundene Sauerstoff verursacht eine Erhöhung der Spannung U, die gewöhnliche
Brennstoffzellenreaktion findet danach in jeder Brennstoffzelle 1 statt, dadurch wird der in der Anode 2 befindliche Wasserstoff Hb weiter verbraucht. Eine dritte Phase III (von ca. 55.000 s bis ca. 75.000 s) wird dadurch eingeleitet, wenn der Wasserstoff H in einigen Brennstoffzellen 1 vollständig aufgebraucht wird. Das geschieht durch inhomogene Gas-Verteilung bzw. inhomogenen Gas- Verbrauch in den jeweiligen Brennstoffzellen 1. Die Anode 2 einiger
Brennstoffzellen 1 enthält noch Wasserstoff Hb, sie befinden sich noch in der zweiten Phase II. Diese Brennstoffzellen 1 rufen einen durch alle
Brennstoffzellen 1 fließenden Strom hervor. Dieser Strom verursacht in den Brennstoffzellen ohne Wasserstoff Hb Nebenreaktionen, welche zu negativen Zellspannungen führen. Erst wenn der Wasserstoff Hb in allen Brennstoffzellen 1 aufgebraucht wird, wird eine vierte Phase IV eingeleitet (ab ca. 75.000 s). Dabei befindet sich Luft sowohl in der Kathode 3 als auch in der Anode 2. Dieser Zustand verursacht kein elektrochemisches Potential und ist daher für die Abstellung stabil. Die Figur 7 zeigt mögliche lebenserweiternden Maßnahmen zum Reduzieren von negativen Spannungen im System, die dazu dienen können, die oben
beschriebene dritte Phase III zu verkürzen oder sogar zu eliminieren. Hierzu wird nach einem Einleiten des Abstellvorganges im Schritt 300 eine bestimmte erste Zeitschwelle t > tschweiie, z.B. 50.000 s im Schritt 301 abgewartet. Danach wird im Schritt 302 die Rezirkulationspumpe 24 eingeschaltet und/oder das Purgeventil
25 geöffnet. Diese Maßnahmen werden für eine bestimmte erste Zeitdauer Ati eingeleitet. Durch die Rezirkulationspumpe 24 wird ein Homogenisieren des Gasgemisches in der Anodenleitung 20 bewirkt. Zudem oder stattdessen kann durch Öffnen des Purge-Ventils 25 eine Verbindung der Anode 2 mit der
Umgebung geschaffen werden, wodurch die Anode 2 Sauerstoff der Luft bekommen kann, die dazu dienen kann, den Wasserstoff H2 abzubauen. Die Zeitdauer Ati kann dabei z. B. zwischen 30 bis 90 s gewählt ein, damit der restliche Wasserstoff H2 aus den Brennstoffzellen 1 durch einfache Luft ausgetauscht wird. Die Zeitdauer Ati kann dabei vorteilhafterweise derart bestimmt werden, bspw. mit Hilfe eines Probe-Abstellvorganges, dass die zweite
Phase II aus der Figur 5 maximal verlängert wird und dass die dritte Phase III möglichst eliminiert wird. Danach werden im Schritt 303 das Purgeventil 25 geschlossen und/oder die Rezirkulationspumpe 24 abgeschaltet.
Die Figur 8 zeigt eine mögliche Ausgestaltung einer Schaltung zum Wecken der Steuereinheit 37, die alternativ durch einfaches zeitgesteuertes und/oder wiederkehrendes Wecken der Steuereinheit 37, wie gezeigt in der Figur 10, ersetzt werden kann. Die gemeinsame Spannung U im System 1 bzw. die Stack- Spannung U wird über einen Normally-Closed-Schalter 38 mit einem Weck-Pin 50 der Steuereinheit 37 verbunden. D. h., dass im Normalbetrieb des
Brennstoffzellensystems 1 eine Klemme 39 angeschaltet werden muss, um den Schalter 38 zu öffnen. Die hohe Stack-Spannung U im Normalbetrieb des Systems ist dann nicht mehr verbunden mit der Steuereinheit 37. Erst bei der Abschaltung des Systems 1, nachdem die Stack-Spannung U durch
Luftverarmung auf 0 V reduziert wird, wird die Klemme 39 ausgeschaltet, und die Stack-Spannung kann die Steuereinheit 37 bei Überschreitung einer Schwelle, z.B. 1 V, wecken.
Die Figur 9 stellt eine erste mögliche erfindungsgemäße Betriebsstrategie dar. Im Schritt 400, wenn die Spannung eine erste Schwelle Uschweiiei überschreitet, wird die Steuereinheit 37 geweckt. Der Stack befindet sich dabei in der zweiten Phase II, die in der Figur 6 gezeigt ist. Die Spannung U wird dann im Schritt 401 durch die Steuereinheit 37 beobachtet, bis im Schritt 402 ihr Verlauf umkehrt, d. h. nicht mehr zunimmt. Ab diesem Zeitpunkt fängt die dritte Phase III an. Danach kann im Schritt 403 optional auf die Unterschreitung einer zweiten Schwelle UsChweiie2 gewartet werden, z. B. 2 V. Die im Schritt 302 der Figur 7 gezeigten
lebenserweiternden Maßnahmen werden anschließend unverzüglich im Schritt 404 eingeleitet. Als Alternative kann jedoch auf das Abwarten der
Unterschreitung einer zweiten Schwelle UsChweiie2 verzichtet werden. Oder nach Umkehr der Stack-Spannung U kann einfach eine vorgegebene Zeit abgewartet werden.
Eine weitere Alternative, um auf die in Bild 8 gezeigte Schaltung zu verzichten, ist ein rein zeitbasiertes, wiederkehrendes Aufwecken der Steuereinheit 37 für die Messung der Stack-Spannung U, wie es in der Figur 10 gezeigt ist. Hierbei wird im Schritt 500 zunächst das System 1 abgestellt bzw. der Abstellvorgang eingeleitet. Im Schritt 501 wird abgewartet bis eine Zeitschwelle t > tschweiiei nach dem Schritt a) abgelaufen ist. Danach wird im Schritt 502 die Steuereinheit 37 geweckt. Im Schritt 503 wir ein Überschreiten einer ersten Schwelle der
Spannung U > Uschweiiei überprüft. Wenn„Nein", wird die Steuereinheit 37 ausgeschaltet und erst nach einem erneuten Überschreiten einer Zeitschwelle t > tschweiiei im Schritt 502 wieder geweckt. Wenn„Ja", wird im Schritt 505 auf eine Umkehr der Spannung U gewartet. Danach wird in einem optionalen Schritt 506 auf Unterschreiten einer zweiten Schwelle der Spannung U < UsChweiie2 überwacht. Wenn„Ja", wird im Schritt 507 weiter verfahren, wie es in der Figur 7 ab Schritt 302 vorgeschlagen ist.
Zudem ist es denkbar, dass das Verfahren, wie gezeigt in der Figur 10, nach einem Zeitintervall nach dem Schritt 500 wiederholt werden kann. Die
Zeitschwelle tschweiiei und/oder das Zeitintervall können dabei in einem
Referenzlauf eines Abstellvorganges ermittelt werden. Die erste Zeitschwelle tschweiiei kann dabei kurz nach dem Eintritt der zweiten Phase II des
Abstellvorganges bestimmt werden. Das Zeitintervall kann wiederum so gewählt werden, dass alle vier Phasen des Abstellvorganges abgelaufen sind.
Die voranstehende Beschreibung der Figuren 1 bis 10 beschreibt die vorliegende Erfindung ausschließlich im Rahmen von Beispielen. Selbstverständlich können einzelne Merkmale der Ausführungsformen, sofern es technisch sinnvoll ist, frei miteinander kombiniert werden, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems (1), insbesondere während eines Abstellvorganges des Brennstoffzellensystems (1), mit mindestens einer Brennstoffzelle (1),
einer Kathodenluft führenden Kathodenleitung (10),
einer Brennstoff führenden Anodenleitung (20),
einem Bleed-Down-Schaltkreis (31, 32) zum Abbauen einer, insbesondere gemeinsamen, Spannung (U) beim Abstellen des Brennstoffzellensystems (1), und einer Steuereinheit (37) zum Steuern des Betriebes des
Brennstoffzellensystems (1),
dadurch gekennzeichnet,
dass das Verfahren folgende Schritte aufweist:
a) Abstellen des Brennstoffzellensystems (1),
b) Wecken einer zentralen Steuereinheit (37),
c) Überwachen der Spannung (U) des Brennstoffzellensystems (1) durch die Steuereinheit (37),
d) Einleiten von lebenserweiternden Maßnahmen für das
Brennstoffzellensystem (1) durch die Steuereinheit (37), wenn die Spannung (U) eine Schwelle (Uschweiie2) erreicht.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Schwelle (Uschweiie2) im Schritt d) als:
dl) Umkehr in einem Anstieg der Spannung (U) oder
d2) Unterschreiten einer zweiten Schwelle (Uschweiie2)
bestimmt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass im Schritt a) zunächst die Gaszufuhr zur Brennstoffzelle (1) unterbrochen wird und anschließend ein Bleed-Down-Vorgang eingeleitet wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass im Schritt b) die gemeinsame Spannung (U) des
Brennstoffzellensystems (1) die Steuereinheit (37) weckt, insbesondere wenn die Spannung (U) eine erste Schwelle (Uschweiiei), bspw. 1 V, überschreitet.
5. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Schritt b) eingeleitet wird, wenn eine Zeitschwelle (tschweiiei) nach dem Schritt a) abgelaufen ist,
insbesondere dass der Schritt b) mindestens einmal, insbesondere periodisch, nach einem Zeitintervall wiederholt wird.
6. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass im Schritt d) ein Homogenisieren des Gasgemisches in der
Anodenleitung (20) für eine Zeitdauer (At) eingeleitet wird.
7. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass im Schritt d) mindestens eine lebenserweiternde Maßnahme eingeleitet wird, wie Einschalten einer Rezirkulationspumpe (24) und/oder Öffnen eines Purgeventils (25). Brennstoffzellensystem (1), insbesondere ein Polymerelektrolyt- Brennstoffzellensystem (1), mit mindestens einer Brennstoffzelle (1), einer Kathodenluft führenden Kathodenleitung (10),
einer Brennstoff führenden Anodenleitung (20),
einem Bleed-Down-Schaltkreis (30) zum Abbauen einer Spannung (U) beim Abstellen des Brennstoffzellensystems (1), und
einer Steuereinheit (37) zum Steuern des Betriebes des
Brennstoffzellensystems (1),
dadurch gekennzeichnet,
dass die Steuereinheit (37) dazu ausgelegt ist, das Brennstoffzellensystem (1) nach einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7 zu betreiben.
Brennstoffzellensystem (1) nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Steuereinheit (37) über einen Normally-Closed-Schalter (38) mit dem Brennstoffzellensystem (1), insbesondere mit einer Elektrode (2, 3) der Brennstoffzelle (1) verbindbar ist, wenn das Brennstoffzellensystem (1) abgestellt wird.
Brennstoffzellensystem (1) nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Normally-Closed-Schalter (38) durch eine Klemme (50) in einen offenen Zustand bringbar ist, wenn das Brennstoffzellensystem (1) im Normalbetrieb ist.
Brennstoffzellensystem (1) nach Anspruch 10,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Klemme (50) eine Anstellung und eine Ausstellung aufweist, wobei im Normalbetrieb des Brennstoffzellensystems (1) die Klemme (50) in die Anstellung bringbar ist, wodurch der Normally-Closed-Schalter (38) i den offenen Zustand bringbar ist,
und wobei während eines Abstellvorganges des Brennstoffzellensystems (1) die Klemme (50) in die Ausstellung bringbar ist, wodurch der Normally- Closed-Schalter (38) in den geschlossenen Zustand bringbar ist.
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