WO2020177987A1 - Verfahren zum vermeiden von eisdruckschäden in wasserbefüllten komponenten eines brennstoffzellensystems - Google Patents

Verfahren zum vermeiden von eisdruckschäden in wasserbefüllten komponenten eines brennstoffzellensystems Download PDF

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WO2020177987A1
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cell system
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    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
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    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the oxidizing agent oxygen from the ambient air is used as a rule, which reacts with hydrogen to form water or water vapor in the fuel cell and delivers electrical power through electrochemical conversion.
  • the membrane In fuel cell systems with PEM technology, the membrane must have a sufficiently high water content so that it has good proton conductivity. Too little moistening of the membrane leads to significant
  • different water supply systems can be provided, for example with a membrane humidifier.
  • the compressed and thus warmed air is humidified with the help of the membrane humidifier and fed into the fuel cell system.
  • Membrane humidifiers can remove the water from the humid exhaust air of the
  • the invention provides a method for operating a fuel cell system with the features of the independent
  • the invention provides a corresponding fuel cell system with the features of the independent device claim. Further advantages, features and details of the invention emerge from the subclaims, the description and the drawings. Features and details that are in
  • the present invention provides a method for operating a cathode path of a fuel cell system, the cathode path for providing air to the
  • Fuel cell system is used, and being in the cathode path
  • Water supply system is provided for humidifying the air in order to keep a membrane of the fuel cell system moist.
  • the method has at least one following step:
  • the fuel cell system according to the invention can advantageously be used for mobile applications, for example in motor vehicles, or for stationary applications
  • the invention recognizes that water in the components of the
  • Water supply system can remain and with certain
  • Ambient conditions can freeze.
  • the frozen water carries the risk of ice pressure damage in the system.
  • the invention seeks to utilize the advantages of water injection in moistening the membrane and to take measures to keep the water-filled components of the
  • the invention unfolds its potential in particular when the fuel cell system is switched off in a frost-proof manner and then started.
  • the idea of the invention is that the water supply system, in particular when the fuel cell system is switched off, is completely or partially freed or emptied or partially emptied of the water in the water-carrying components in the water-carrying components.
  • Components can include connecting lines, actuators, sensors and the injection valves of the water supply system (with the exception of the
  • the emptying of the water can advantageously be carried out using the existing components of the cathode path.
  • E.g. can by controlling a compressor or a fan at the entrance of the cathode path or in front of the
  • a compressed air can be generated, which can be conveyed via the injection valves of the water supply system, to the water from the connecting lines including actuators and sensors of the water supply system, preferably back into the
  • Fuel cell system (after the water supply system has been emptied and / or ventilated when the fuel cell system is switched off), by means of the feed pump of the water supply system, the
  • Connection lines can be vented directly into the cathode path.
  • the freezing damage to the components of the water supply system can be avoided.
  • the components themselves can be inexpensive because they do not have to be designed to be resistant to ice pressure. This leads to a significant cost reduction in the overall system.
  • For emptying the water supply system only existing components of the cathode path, such as. B. exploited the compressor. Thus, there are no additional costs for carrying out the method according to the invention.
  • the invention can be used in a method for operating a
  • Cathode path are used that are already present in the system, without incurring additional costs.
  • the invention can be used in a method for operating a
  • an exhaust air line of the cathode path in particular a pressure control valve at the end of the
  • Cathode path is completely or partially closed to the outside. In this way, the cathode air can be allowed to flow back into a storage tank of the water supply system. In this way, the water from the components of the water supply system can be displaced back into the storage tank of the water supply system.
  • the invention can provide that for emptying and / or venting the water supply system the
  • Water supply system is operated in a reverse direction than in normal operation of the water supply system. In this way, it can be made possible that water does not get out of the storage tank of the
  • Water supply system in the cathode path but from all components of the water supply system, including the Connection lines including actuators and sensors of the
  • Water supply system can flow back. With some compressor or pump types, it is possible to reverse the pumping direction. If an actuator in the water supply system is operated in a reverse direction, this can drain and / or aerate the
  • the invention can be used in a method for operating a
  • Injection valve of the water supply system and / or a return valve of a feed pump of the water supply system are opened and / or operated in a clocked manner. It can thus be made possible that unused water that has remained in the components of the water supply system can get back into the storage tank of the water supply system in a pulse-based manner.
  • the invention can provide that a water tank of the water supply system is filled when the water supply system is emptied and / or vented.
  • the water tank is also an existing component of the water supply system, which does not have to be procured separately and which is designed for the purpose of storing water.
  • the invention can be used in a method for operating a
  • the draining and / or venting of the water supply system is carried out for a certain period of time, in particular for at least 2 seconds, preferably 5 seconds.
  • the invention recognizes that a complete emptying of water from the components of the water supply system is not necessary. Rather, sufficient air should be blown into the components of the water supply system to prevent damage to the components of the
  • Water supply system at least 50%, preferably 75%, preferably 90%, or even more than 90%, are felt with air. In this way, ice pressure damage in the components of the
  • Water supply system can advantageously be avoided.
  • the water in the storage tank usually has enough space to store the
  • a tank ventilation can advantageously be provided for this purpose.
  • the invention can provide that the emptying and / or venting of the water supply system is carried out when the fuel cell system is switched off.
  • Fuel cell system the water supply or water metering is interrupted, whereby the water can easily freeze in the thin connecting lines of the water supply system. So that can
  • the invention can be used in a method for operating a
  • the invention can also be used in a method for operating a
  • the connecting lines, actuators and / or sensors of the water supply system are initially filled with water and / or the water supply system is / will be vented into the cathode path.
  • the water supply system for normal operation of the fuel cell system can be prepared in an advantageous manner in order to avoid delays in humidifying the cathode air in order to keep the membrane moist during normal operation of the fuel cell system.
  • At least one injection valve of the water supply system is opened and / or operated in a clocked manner in order to turn on the fuel cell system.
  • Connecting lines of the water supply system are first filled with water and / or the water supply system is vented into the cathode path.
  • the invention provides a fuel cell system with a cathode path, the cathode path serving to provide air to the fuel cell system, and wherein a water supply system is provided in the cathode path for humidifying the air in order to keep a membrane of the fuel cell system moist .
  • the invention provides that the fuel cell system for
  • Carrying out a method according to the first aspect of the invention is designed to prevent ice pressure damage in the components of the
  • Fig. 1 shows an exemplary topology of a cathode path and a water supply system within the meaning of the invention
  • Figure 1 shows schematically a fuel cell system 100 in the sense of the invention, which at least one fuel cell 1 or a
  • An air filter 11 is arranged at the entrance of the cathode path 10 in order to filter the oxygen-containing air L from the environment in accordance with the requirements of the fuel cell system 100.
  • a compressor or a compressor 12 is provided in the cathode path.
  • the compressor 12 is used in normal operation of the
  • a heat exchanger 16 can optionally be provided in order to cool the compressed supply air again.
  • a pressure regulating valve 17 is provided, which is used to regulate the pressure in the cathode path 10.
  • a bypass line with a bypass valve 15 can also optionally be provided between a supply air line 10.1 and an exhaust air line 10.2, which can be used for pressure regulation and / or mass flow adjustment
  • Oxygen supply 10 can help.
  • a turbine 14 can also be provided in the exhaust air line 10.2, if necessary, in order to convert the internal energy of the flowing exhaust air of the fuel cell system 100 into mechanical power. The mechanical performance can thereby be added to the compressor 12 in order to reduce energy losses when operating the compressor 12.
  • Water supply system 20 is provided.
  • the water supply system 20 has a condenser or a water separator 21, which is arranged in the exhaust air line 10.2 after the fuel cell system 100 has passed through.
  • the water separator 21 is used in normal operation of the
  • Fuel cell system 100 to remove water from the humid exhaust air of the
  • the withdrawn water is in a storage tank 22 of the
  • Water supply system 20 is temporarily stored in order to be used, if necessary, for humidifying the air L or the cathode air L and thus a membrane of the fuel cell system 100.
  • a metering valve or an injection valve 24 and, if necessary, an injection unit 25 For injecting the water into the air supply line 10.1, a metering valve or an injection valve 24 and, if necessary, an injection unit 25 with several
  • Injection valves 24 are provided. For water injection into the
  • the injection valve 24 (or the injection valves 24, if several injection points are present) in the cathode path 10 is opened.
  • an actuator 23 for example in the form of a feed pump, is provided in the water supply system 20 in order to
  • the invention provides that emptying and / or venting the
  • Water supply system 20 is made, preferably when switching off the fuel cell system 10, for example. When there is a risk of freezing, to avoid ice pressure damage in the components of the
  • Avoid water supply system 20 such as the connecting lines, the actuators, the sensors, and the injection valves of the
  • Water supply system (excluding the water storage tank). In preparation for emptying the water supply system 20, the following measures are taken:
  • the pressure control valve 17 in the cathode path 10 is completely or partially closed and, if necessary,
  • the bypass valve 15 (if present) of the cathode path 10 is completely or partially closed.
  • the compressor 11 in the supply air line 10.1 of the cathode path 10 is switched on in order to build up pressure in the cathode line 10 by means of the compressor 11.
  • the injection valve 24 of the water supply system 20 is opened. Due to the pressure drop between the injection valve 24 and the storage tank 22, the remaining water in the connecting lines of the
  • the injection valve 24 or the injection valve 24 can optionally be clocked in order to achieve a pulsating flow and better emptying.
  • Complete emptying / drying of the water supply system 20 is mostly not necessary within the scope of the invention. It is usually sufficient if there is enough gas / air in the components to allow the water to expand when it freezes.
  • the feed pump 23 of the water supply system 20 can be any suitable feed pump 23 of the water supply system 20.
  • the feed pump 23 can advantageously be designed with a return valve.
  • the return valve is advantageous for emptying the storage tank 22.
  • a small return throttle is sufficient for this. If the feed pump has a return valve, this can also be controlled in a clocked manner in order to achieve better emptying by means of a pulsating flow.
  • the timing can also be synchronized in accordance with the timing of the injection valve 24, or it can also be carried out offset in time.
  • Figure 2 shows schematically a sequence of an inventive
  • Procedure As can be seen in FIG. 2, it can initially be checked in step 101 with the aid of local data and / or in step 102 with the aid of external data whether there is a risk of frost in the vicinity of the
  • Fuel cell system 100 consists. External data can be obtained, for example, from the weather services and / or from connected vehicles. The data can include, for example, temperature values.
  • step 103 the risk of frost can be evaluated. If no risk of frost was determined in step 104, then that is necessary
  • Steps 201, 202, 203, which can be provided for carrying out the method according to the invention, are indicated in area 200.
  • step 201 the system for emptying and / or venting the
  • step a) the compressor 12 in the cathode path 10 can be switched on.
  • step b) the exhaust air line 10.2 of the cathode path 10 can be completely or partially closed to the outside.
  • the pressure control valve 17 and / or the bypass valve 15 can be closed completely or partially.
  • step 202 the water supply system 20 is emptied and / or aerated.
  • the injection valve 24 and / or the return valve of the feed pump 23 can be opened.
  • step 203 the emptying and / or venting of the
  • step e the pressure control valve 17 and the bypass valve 15 in the cathode path are correspondingly for turning off the
  • Injection valve 24 and the return valve of the feed pump 23 are closed.
  • Water supply system 20 can be started again. To this end, connecting lines of the water supply system 20 can first be filled with water in step 301 by switching on the feed pump 23. In step 302, the water supply system 20 in the
  • Cathode path 10 can be vented by the injection valve 24 is optionally operated clocked.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems (100) mit einem Kathodenpfad (10), wobei der Kathodenpfad (10) zum Bereitstellen von Luft (L) an das Brennstoffzellensystem (100) dient, und wobei im Kathodenpfad (10) ein Wasserbereitstellungssystem zum Befeuchten der Luft vorgesehen ist, um eine Membran des Brennstoffzellensystems (100) feucht zu halten. Hierzu ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass das Verfahren mindestens einen folgenden Schritt aufweist: - Entleeren und/oder Belüften des Wasserbereitstellungssystems.

Description

Beschreibung
Titel
Verfahren zum Vermeiden von Eisdruckschäden in wasserbefüllten
Komponenten eines Brennstoffzellensystems
Stand der Technik
Bei Fahrzeugen mit Brennstoffzellensystemen als Energiewandler wird in der Regel das Oxidationsmittel Sauerstoff aus der Umgebungsluft benutzt, der in der Brennstoffzelle mit Wasserstoff zu Wasser bzw. Wasserdampf reagiert und durch elektrochemische Wandlung eine elektrische Leistung liefert. Bei
Brennstoffzellensystemen mit PEM-Technologie muss die Membran einen ausreichend hohen Wassergehalt aufweisen, damit sie gut protonenleitfähig ist. Eine zu geringe Befeuchtung der Membran führt zu deutlichen
Leistungseinbußen sowie Wirkungsgradverlusten. Um eine ausreichende Befeuchtung und damit den Betrieb der Brennstoffzellensysteme zu
gewährleisten, können unterschiedliche Wasserbereitstellungssysteme vorgesehen werden, bspw. mit einem Membranbefeuchter. Dabei wird die verdichtete und somit aufgewärmte Luft mithilfe des Membranbefeuchters befeuchtet und in das Brennstoffzellensystem eingeleitet. Der
Membranbefeuchter kann das Wasser von der feuchten Abluft des
Brennstoffzellensystems entnehmen, verbesserte Wasserbereitstellungssysteme sehen eine unmittelbare Einspritzung von Wasser im Kathodenpfad vor dem Eintritt in das Brennstoffzellensystem vor. In den wasserführenden Komponenten der Wasserbereitstellungssysteme besteht jedoch die Gefahr vom Einfrieren des Wassers in den Verbindungsleitungen, der Aktorik, der Sensorik, sowie der Einspritzventile des Wasserbereitstellungssystems und von Eisdruckschäden im System. Offenbarung der Erfindung
Die Erfindung sieht gemäß einem ersten Aspekt ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems mit den Merkmalen des unabhängigen
Verfahrensanspruches vor. Ferner sieht die Erfindung gemäß einem zweiten Aspekt ein entsprechendes Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des unabhängigen Vorrichtungsanspruches vor. 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 Verfahren beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der
Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.
Die vorliegende Erfindung sieht gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines Kathodenpfades eines Brennstoffzellensystems vor, wobei der Kathodenpfad zum Bereitstellen von Luft an das
Brennstoffzellensystem dient, und wobei im Kathodenpfad ein
Wasserbereitstellungssystem zum Befeuchten der Luft vorgesehen ist, um eine Membran des Brennstoffzellensystems feucht zu halten. Hierzu weist das Verfahren mindestens einen folgenden Schritt auf:
- Entleeren und/oder Belüften des Wasserbereitstellungssystems, vorzugsweise um Eisdruckschäden in den Komponenten des Wasserbereitstellungssystems zu vermeiden.
Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem kann vorteilhafterweise für mobile Anwendungen, bspw. in Kraftfahrzeugen, oder für stationäre
Anwendungen, bspw. in Generatoren, eingesetzt werden.
Die Erfindung erkennt dabei, dass Wasser in den Komponenten des
Wasserbereitstellungssystems verbleiben kann und bei bestimmten
Umgebungsbedingungen einfrieren kann. Das gefrorene Wasser bringt die Gefahr von Eisdruckschäden im System mit sich. Die Erfindung bestrebt, die Vorteile der Wassereinspritzung bei der Befeuchtung der Membran zu nutzen und Maßnahmen zu treffen, um die wasserbefüllten Komponenten des
Wasserbereitstellungssystems bei kritischen Temperaturbedingungen sicher zu betreiben, sicher abzustellen und zu starten. Die Erfindung entfaltet ihr Potential insbesondere bei einem frostsicheren Abstellen und einem nachfolgenden Starten des Brennstoffzellensystems.
Der Erfindungsgedanke liegt dabei darin, dass das Wasserbereitstellungssystem, insbesondere bei dem Abstellen des Brennstoffzellensystems, von dem Wasser in den wasserführenden Komponenten in den wasserführenden Komponenten vollständig oder zum Teil befreit bzw. entleert bzw. teilentleert wird. Die
Komponenten können Verbindungsleitungen, die Aktorik, die Sensorik, sowie die Einspritzventile des Wasserbereitstellungssystems (ausgenommen des
Bevorratungstanks für Wasser) umfassen. Das Entleeren des Wassers kann vorteilhafterweise mithilfe der vorhandenen Komponenten des Kathoden pfades durchgeführt werden. Bspw. kann durch Ansteuerung eines Verdichters bzw. eines Gebläses am Eingang des Kathodenpfades bzw. vor den
Wassereinspritzstellen im Kathodenpfad eine verdichtete Luft erzeugt werden, die über die Einspritzventile des Wasserbereitstellungssystems befördert werden kann, um das Wasser aus den Verbindungsleitungen incl. Aktorik und Sensorik des Wasserbereitstellungssystems, vorzugsweise zurück in den
Bevorratungstank des Wasserbereitstellungssystems, zu entleeren. Hierzu können die Klappen- bzw. Ventile im Kathodenpfad entsprechend angesteuert werden. Die Einspritzventile des Wasserbereitstellungssystems können dabei komplett geöffnet oder auch getaktet werden. Vorteilhafterweise kann das Entleeren und/oder Belüften des Wasserbereitstellungssystems nur bei entsprechender Frostgefahr stattfinden. Hierzu können Funktionen zur
Abschätzung der Frostgefahr mittels Temperaturmesswerten eingesetzt
(OnBoard und/oder connected) eingesetzt werden. Beim Starten des
Brennstoffzellensystems (nach dem erfolgten Entleeren und/oder Belüften des Wasserbereitstellungssystems beim Abstellen des Brennstoffzellensystems) kann mittels der Förderpumpe des Wasserbereitstellungssystems die
Verbindungsleitungen incl. Aktorik und Sensorik wieder befüllt und die
Verbindungsleitungen können direkt in den Kathodenpfad entlüftet werden. Mithilfe der Erfindung können somit die Gefrierschäden bei den Komponenten des Wasserbereitstellungssystems (Leitungen, Aktoren, Sensoren, Ventile ...) vermieden werden. Die Komponenten selbst können dabei kostengünstig ausgeführt sein, da sie nicht eisdruckfest ausgelegt werden müssen. Dies führt zu einer signifikanten Kosten red uktion im Gesamtsystem. Für die Entleerung des Wasserbereitstellungssystems werden lediglich vorhandene Komponenten des Kathodenpfades, wie z. B. der Verdichter ausgenutzt. Somit entstehen keine zusätzlichen Kosten für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Ferner kann die Erfindung bei einem Verfahren zum Betreiben eines
Kathodenpfades eines Brennstoffzellensystems vorsehen, dass zum Entleeren und/oder Belüften des Wasserbereitstellungssystems ein Verdichter des
Kathodenpfades genutzt wird. Somit können die Komponenten des
Kathodenpfades ausgenutzt werden, die bereits im System vorhanden sind, ohne zusätzliche Kosten nach sich zu ziehen.
Weiterhin kann die Erfindung bei einem Verfahren zum Betreiben eines
Kathodenpfades eines Brennstoffzellensystems vorsehen, dass zum Entleeren und/oder Belüften des Wasserbereitstellungssystems eine Abluftleitung des Kathodenpfades, insbesondere ein Druckregelventil am Ende des
Kathodenpfades und/oder By-Pass-Ventil in einer By-Pass-Leitung des
Kathodenpfades, nach außen ganz oder teilweise geschlossen wird. Auf diese Weise kann ein Fluss der Kathodenluft zurück in einen Bevorratungstank des Wasserbereitstellungssystems ermöglicht werden. Auf diese Weise können das Wasser aus den Komponenten des Wasserbereitstellungssystems zurück in den Bevorratungstank des Wasserbereitstellungssystems verdrängt werden.
Des Weiteren kann die Erfindung bei einem Verfahren zum Betreiben eines Kathodenpfades eines Brennstoffzellensystems vorsehen, dass zum Entleeren und/oder Belüften des Wasserbereitstellungssystems das
Wasserbereitstellungssystem in eine umgekehrte Richtung als im Normalbetrieb des Wasserbereitstellungssystems betrieben wird. Auf diese Weise kann ermöglicht werden, dass Wasser nicht aus dem Bevorratungstank des
Wasserbereitstellungssystems in den Kathodenpfad, sondern aus sämtlichen Komponenten des Wasserbereitstellungssystems, darunter den Verbindungsleitungen incl. Aktorik und Sensorik des
Wasserbereitstellungssystems, in den Bevorratungstank des
Wasserbereitstellungssystems zurückfließen kann. Bei manchen Verdichter- bzw. Pumpentypen ist eine Umkehr der Pumprichtung möglich. Wenn ein Aktuator im Wasserbereitstellungssystem in eine umgekehrte Richtung betrieben wird, kann dies das Entleeren und/oder Belüften des
Wasserbereitstellungssystems optional unterstützen.
Zudem kann die Erfindung bei einem Verfahren zum Betreiben eines
Kathodenpfades eines Brennstoffzellensystems vorsehen, dass zum Entleeren und/oder Belüften des Wasserbereitstellungssystems mindestens ein
Einspritzventil des Wasserbereitstellungssystems und/oder ein Rücklaufventil einer Förderpumpe des Wasserbereitstellungssystems geöffnet und/oder getaktet betrieben werden/wird. Somit kann ermöglicht werden, dass ungenutzte Wasser, das in den Komponenten des Wasserbereitstellungssystems verblieben ist, Wasserbereitstellungssystems auf eine pulsbasierte Weise zurück in den Bevorratungstank des gelangen kann.
Außerdem kann die Erfindung bei einem Verfahren zum Betreiben eines Kathodenpfades eines Brennstoffzellensystems vorsehen, dass beim Entleeren und/oder Belüften des Wasserbereitstellungssystems ein Wassertank des Wasserbereitstellungssystems befüllt wird. Auch der Wassertank ist eine vorhandene Komponente des Wasserbereitstellungssystems, die nicht extra beschafft werden muss und die zweckgemäß für die Speicherung von Wasser ausgelegt ist.
Ferner kann die Erfindung bei einem Verfahren zum Betreiben eines
Kathodenpfades eines Brennstoffzellensystems vorsehen, dass das Entleeren und/oder Belüften des Wasserbereitstellungssystems für eine bestimmte Zeitdauer, insbesondere für mindestens 2sek, vorzugsweise 5sek, ausgeführt wird. Die Erfindung erkennt dabei, dass ein vollständiges Entleeren von Wasser aus den Komponenten des Wasserbereitstellungssystems nicht notwendig ist. In den Komponenten des Wasserbereitstellungssystems soll vielmehr ausreichend Luft eingeblasen werden, um Schäden bei den Komponenten des
Wasserbereitstellungssystems zu vermeiden, die durch Ausdehnen des Wassers bei Gefrieren entstehen können. Auf diese Weise kann die Dauer des Verfahrens auf eine vorteilhafte Weise reduziert werden.
Weiterhin ist es im Rahmen der Erfindung denkbar, dass das Entleeren und/oder Belüften des Wasserbereitstellungssystems solange ausgeführt wird, bis Wasserleitungen sowie sämtliche Aktoren und/oder Sensoren des
Wasserbereitstellungssystems zumindest zu 50%, vorzugsweise zu 75%, bevorzugt zu 90%, oder sogar mehr über 90%, mit Luft gefühlt sind. Auf diese Weise können die Eisdruckschäden in den Komponenten des
Wasserbereitstellungssystems vorteilhafterweise vermieden werden. Das Wasser im Bevorratungstank hat zumeist ausreichend Raum, um die
Gefrierschäden bei dem Bevorratungstank zu vermeiden. Ferner kann hierzu eine Tankentlüftung vorteilhafterweise vorgesehen sein.
Des Weiteren kann die Erfindung bei einem Verfahren zum Betreiben eines Kathodenpfades eines Brennstoffzellensystems vorsehen, dass das Entleeren und/oder Belüften des Wasserbereitstellungssystems beim Abstellen des Brennstoffzellensystems ausgeführt wird. Beim Abstellen des
Brennstoffzellensystems wird die Wasserförderung bzw. Wasserzudosierung unterbrochen, wodurch das Wasser in den dünnen Verbindungsleitungen des Wasserbereitstellungssystems leicht einfrieren kann. Somit kann das
erfindungsgemäße Verfahren seine Vorteile beim Abstellen des
Brennstoffzellensystems entfalten.
Zudem kann die Erfindung bei einem Verfahren zum Betreiben eines
Kathodenpfades eines Brennstoffzellensystems vorsehen, dass das Entleeren und/oder Belüften des Wasserbereitstellungssystems erst dann ausgeführt wird, wenn eine Frostgefahr in der Umgebung des Brennstoffzellensystems sensiert und/oder erfasst und/oder prognostiziert wurde. Auf diese Weise können Ressourcen geschont werden und die Abstellzeiten verkürzt werden, wenn keine Frostgefahr in der Umgebung des Brennstoffzellensystems vorliegt.
Außerdem kann die Erfindung bei einem Verfahren zum Betreiben eines
Kathodenpfades eines Brennstoffzellensystems vorsehen, dass beim Anstellen bzw. Starten des Brennstoffzellensystems nach dem erfolgten Entleeren und/oder Belüften des Wasserbereitstellungssystems die Verbindungsleitungen, Aktoren und/oder Sensoren des Wasserbereitstellungssystems zunächst mit Wasser befüllt und/oder das Wasserbereitstellungssystem in den Kathodenpfad entlüftet werden/wird. Auf diese Weise kann das Wasserbereitstellungssystem für den Normalbetrieb des Brennstoffzellensystems auf eine vorteilhafte Weise vorbereitet werden, um Verzögerungen beim Befeuchten der Kathodenluft, um die Membran feucht zu halten, im Normalbetrieb des Brennstoffzellensystems zu vermeiden.
Ferner ist es denkbar, dass zum Anstellen des Brennstoffzellensystems mindestens ein Einspritzventil des Wasserbereitstellungssystems geöffnet und/oder getaktet betrieben wird. Auf diese Weise können die
Verbindungsleitungen des Wasserbereitstellungssystems zunächst mit Wasser befüllt und/oder das Wasserbereitstellungssystem in den Kathodenpfad entlüftet werden.
Weiterhin stellt die Erfindung gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung ein Brennstoffzellensystem mit einem Kathodenpfad bereit, wobei der Kathodenpfad zum Bereitstellen von Luft an das Brennstoffzellensystem dient, und wobei im Kathodenpfad ein Wasserbereitstellungssystem zum Befeuchten der Luft vorgesehen ist, um eine Membran des Brennstoffzellensystems feucht zu halten. Hierzu sieht die Erfindung vor, dass das Brennstoffzellensystem zur
Durchführung eines Verfahrens gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung ausgebildet ist, um Eisdruckschäden in den Komponenten des
Wasserbereitstellungssystems zu vermeiden. Mithilfe des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems werden die gleichen Vorteile erreicht, die oben im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben wurden. Auf diese Vorteile wird vorliegend vollumfänglich Bezug genommen.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele:
Das erfindungsgemäße Verfahren und das erfindungsgemäße
Brennstoffzellensystem und deren Weiterbildungen sowie deren Vorteile werden nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen jeweils schematisch: Fig. 1 eine beispielhafte Topologie eines Kathoden pfades und eines Wasserbereitstellungssystems im Sinne der Erfindung und
Fig. 2 einen beispielhaften Ablauf eines Verfahrens im Sinne der Erfindung.
Die Figur 1 zeigt schematisch ein Brennstoffzellensystem 100 im Sinne der Erfindung, welches mindestens eine Brennstoffzelle 1 oder einen
Brennstoffzellenstack 1 und einen Kathodenpfad 10 mit einem
Wasserbereitstellungssystem 20 aufweist.
Am Eingang des Kathodenpfades 10 ist ein Luftfilter 11 angeordnet, um die sauerstoffhaltige Luft L aus der Umgebung entsprechend den Erfordernissen des Brennstoffzellensystems 100 zu filtern.
Nach dem Luftfilter 11 ist im Kathodenpfad ein Kompressor bzw. ein Verdichter 12 vorgesehen. Der Verdichter 12 dient im Normalbetrieb des
Brennstoffzellensystems 100 dazu, die Luft L aus der Umgebung des
Brennstoffzellensystems 100 anzusaugen und im verdichteten Zustand dem Brennstoffzellensystem 100 bereitzustellen.
Ein Wärmetauscher 16 kann optional vorgesehen sein, um die verdichtete Zuluft wieder abzukühlen.
Nach dem Durchgang des Brennstoffzellensystems 100 ist ein Druckregelventil 17 vorgesehen, welches zur Druckregulierung im Kathodenpfad 10 dient.
Zwischen einer Zuluftleitung 10.1 und einer Abluftleitung 10.2 kann ferner optional eine Bypassleitung mit einem Bypassventil 15 vorgesehen sein, welches bei Druckregulierung und/oder Massenstrom- Einstellung der
Sauerstoffversorgung 10 helfen kann.
In der Abluftleitung 10.2 kann weiterhin ggf. eine Turbine 14 vorgesehen sein, um die innere Energie der strömenden Abluft des Brennstoffzellensystems 100 in eine mechanische Leistung umzuwandeln. Die mechanische Leistung kann dabei dem Verdichter 12 zugefügt werden, um energetische Verluste beim Betreiben des Verdichters 12 zu reduzieren.
Im Kathodenpfad 10 ist im Rahmen der Erfindung das
Wasserbereitstellungssystem 20 vorgesehen. Das Wasserbereitstellungssystem 20 weist dabei einen Kondensator bzw. einen Wasserabscheider 21 auf, welches in der Abluftleitung 10.2 nach dem Durchgang des Brennstoffzellensystems 100 angeordnet ist. Der Wasserabscheider 21 dient im Normalbetrieb des
Brennstoffzellensystems 100 dazu, Wasser aus der feuchten Abluft des
Brennstoffzellensystems 100 zu entnehmen.
Das entnommene Wasser wird in einem Bevorratungstank 22 des
Wasserbereitstellungssystems 20 zwischengespeichert, um bei Bedarf zur Befeuchtung der Luft L bzw. der Kathodenluft L und somit einer Membran des Brennstoffzellensystems 100 verwendet zu werden.
Zum Einspritzen des Wassers in die Zuluftleitung 10.1 ist ein Dosierventil bzw. ein Einspritzventil 24 und ggf. eine Einspritzeinheit 25 mit mehreren
Einspritzventilen 24 vorgesehen. Für die Wassereinspritzung in den
Kathodenpfad 10 wird das Einspritzventil 24 (bzw. die Einspritzventile 24, falls mehrere Einspritzstellen vorhanden sind) in den Kathodenpfad 10 geöffnet.
Nach dem Bevorratungstank 22 ist im Wasserbereitstellungssystem 20 ein Aktuator 23, bspw. in Form einer Förderpumpe, vorgesehen, um das
zwischengespeicherte Wasser wieder der Zuluft zum Brennstoffzellensystem 100 zuzuführen.
Die Erfindung sieht vor, dass ein Entleeren und/oder Belüften des
Wasserbereitstellungssystems 20 vorgenommen wird, vorzugsweise beim Abstellen des Brennstoffzellensystems 10, bspw. wenn die Einfriergefahr besteht, um Eisdruckschäden in den Komponenten des
Wasserbereitstellungssystems 20 zu vermeiden, wie den Verbindungsleitungen, der Aktorik, der Sensorik, sowie der Einspritzventile des
Wasserbereitstellungssystems (ausgenommen des Bevorratungstanks für Wasser). Zur Vorbereitung der Entleerung des Wasserbereitstellungssystems 20 werden folgende Maßnahmen getroffen:
- das Druckregelventil 17 im Kathodenpfad 10 wird ganz oder teilweise geschlossen und ggf.
- das Bypassventil 15 (falls vorhanden) des Kathoden pfades 10 wird ganz oder teilweise geschlossen.
Parallel dazu, danach oder auch davor wird der Verdichter 11 in der Zuluftleitung 10.1 des Kathodenpfades 10 eingeschaltet, um mittels des Verdichters 11 Druck in der Kathodenleitung 10 aufzubauen.
Für die Entleerung und/oder Belüftung des Wasserbereitstellungssystems 20 wird das Einspritzventil 24 des Wasserbereitstellungssystems 20 geöffnet. Durch das Druckgefälle zwischen Einspritzventil 24 und dem Bevorratungstank 22 wird das verbliebene Wasser in den Verbindungsleitungen des
Wasserbereitstellungssystems 20 in den Bevorratungstank 22 gedrängt. Auch das Einspritzventil 24 und Förderpumpe 23 werden ausreichend entleert, um Eisdruckschäden zu vermeiden.
Optional kann das Einspritzventil 24 oder die Einspritzventil 24 getaktet werden, um eine pulsierende Strömung und eine bessere Entleerung zu erreichen.
Eine komplette Entleerung/Trocknung des Wasserbereitstellungssystems 20 ist im Rahmen der Erfindung zumeist nicht notwendig. Es ist in der Regel ausreichend, wenn genügend Gas/Luft in den Bauteilen vorhanden ist, um ein Ausdehnen des Wassers beim Gefrieren zu ermöglichen.
Die Förderpumpe 23 des Wasserbereitstellungssystems 20 kann
unterschiedliche Förderprinzipien aufweisen und mit verschiedenen Antrieben, wie z. B. Rotationsmotor, Hubmagnet usw., ausgeführt sein. Die Förderpumpe 23 kann vorteilhafterweise mit einem Rücklaufventil ausgeführt sein. Ein
Rücklaufventil ist vorteilhaft für die Entleerung in den Bevorratungstanks 22.
Dafür reicht bereits eine kleine Rücklauf-Drossel. Ist ein Rücklaufventil der Förderpumpe vorhanden, so kann dies auch getaktet angesteuert werden, um eine bessere Entleerung durch eine pulsierende Strömung zu erreichen. Die Taktung kann auch entsprechend der Taktung der Einspritzventils 24 synchronisiert oder auch zeitlich versetzt vorgenommen werden.
Die Figur 2 zeigt schematisch einen Ablauf eines erfindungsgemäßen
Verfahrens. Wie in der Figur 2 zu erkennen ist, kann zunächst im Schritt 101 mithilfe von lokalen Daten und/oder im Schritt 102 mithilfe von externen Daten überprüft werden, ob eine Frostgefahr in der Umgebung des
Brennstoffzellensystems 100 besteht. Externe Daten können bspw. von den Wetterdiensten und/oder von verbundenen Fahrzeugen bezogen werden. Die Daten können bspw. Temperaturwerte umfassen.
Im Schritt 103 kann die Frostgefahr ausgewertet werden. Wenn im Schritt 104 keine Frostgefahr festgestellt wurde, dann braucht das
Wasserbereitstellungssystem 20 nicht entleert und/oder belüftet werden. Wenn im Schritt 104 eine Frostgefahr festgestellt wurde, dann wird das
Wasserbereitstellungssystem 20 gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren entleert und/oder belüftet
Im Bereich 200 sind Schritte 201, 202, 203 angedeutet, die zum Ausführen des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen sein können.
Im Schritt 201 wird das System zum Entleeren und/oder Belüften des
Wasserbereitstellungssystems vorbereitet. Im Schritt a) kann der Verdichter 12 im Kathodenpfad 10 eingeschaltet werden. Im Schritt b) kann die Abluftleitung 10.2 des Kathoden pfades 10 nach außen ganz oder teilweise abgeschlossen werden. Hierzu können das Druckregelventil 17 und/oder das Bypassventil 15 ganz oder teilweise geschlossen werden.
Im Schritt 202 wird das Wasserbereitstellungssystem 20 entleert und/oder belüftet. Hierzu können das Einspritzventil 24 und/oder das Rücklaufventil der Förderpumpe 23 geöffnet werden. Im Schritt 203 wird das Entleeren und/oder Belüften des
Wasserbereitstellungssystems 20 abgeschlossen. Hierzu wird der Verdichter 12 im Schritt e) ausgeschaltet. Im Schritt f) werden das Druckregelventil 17 und das Bypassventil 15 im Kathodenpfad entsprechend für das Abstellen des
Brennstoffzellensystems 100 angesteuert. Im Schritt g) können das
Einspritzventil 24 und das Rücklaufventil der Förderpumpe 23 geschlossen werden.
Im Bereich 300 wird schematisch angedeutet, wie das Brennstoffzellensystem 100 nach dem erfolgten Entleeren und/oder Belüften des
Wasserbereitstellungssystems 20 wieder angestellt werden kann. Hierzu können im Schritt 301 Verbindungsleitungen des Wasserbereitstellungssystems 20 zunächst mit Wasser befüllt werden, indem die Förderpumpe 23 eingeschaltet wird. Im Schritt 302 kann das Wasserbereitstellungssystem 20 in den
Kathodenpfad 10 entlüftet werden, indem das Einspritzventil 24 ggf. getaktet betrieben wird.
Die voranstehende Beschreibung der Figuren 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 Betreiben eines Brennstoffzellensystems (100) mit einem Kathodenpfad (10),
wobei der Kathodenpfad (10) zum Bereitstellen von Luft (L) an das Brennstoffzellensystem (100) dient,
und wobei im Kathodenpfad (10) ein Wasserbereitstellungssystem (20) zum Befeuchten der Luft (L) vorgesehen ist, um eine Membran des Brennstoffzellensystems (100) feucht zu halten,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Verfahren mindestens einen folgenden Schritt aufweist:
- Entleeren und/oder Belüften des Wasserbereitstellungssystems (20).
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass zum Entleeren und/oder Belüften des Wasserbereitstellungssystems (20) ein Verdichter (12) des Kathodenpfades (10) genutzt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass zum Entleeren und/oder Belüften des Wasserbereitstellungssystems (20) eine Abluftleitung (10.2) des Kathodenpfades (10), insbesondere ein Druckregelventil (17) am Ende des Kathodenpfades (10) und/oder By- Pass-Ventil (15) in einer By-Pass-Leitung des Kathoden pfades (10), nach außen ganz oder teilweise geschlossen wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass zum Entleeren und/oder Belüften des Wasserbereitstellungssystems (20) das Wasserbereitstellungssystem (20) in eine umgekehrte Richtung als im Normalbetrieb des Wasserbereitstellungssystems (20) betrieben wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass zum Entleeren und/oder Belüften des Wasserbereitstellungssystems (20) mindestens ein Einspritzventil (24) des Wasserbereitstellungssystems (20) und/oder ein Rücklaufventil einer Förderpumpe des
Wasserbereitstellungssystems (20) geöffnet und/oder getaktet betrieben werden/wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass beim Entleeren und/oder Belüften des Wasserbereitstellungssystems (20) ein Wassertank (22) des Wasserbereitstellungssystems befüllt wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Entleeren und/oder Belüften des Wasserbereitstellungssystems (20) für eine bestimmte Zeitdauer, insbesondere für mindestens 2sek, vorzugsweise 5sek, ausgeführt wird,
und/oder dass das Entleeren und/oder Belüften des
Wasserbereitstellungssystems (20) solange ausgeführt wird, bis
Wasserleitungen, Aktoren und/oder Sensoren des
Wasserbereitstellungssystems (20) zumindest zu 50%, vorzugsweise zu 75%, bevorzugt zu 90%, mit Luft gefühlt sind.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass das Entleeren und/oder Belüften des Wasserbereitstellungssystems (20) beim Abstellen des Brennstoffzellensystems (100) ausgeführt wird, und/oder dass das Entleeren und/oder Belüften des
Wasserbereitstellungssystems (20) erst dann ausgeführt wird, wenn eine Frostgefahr in der Umgebung des Brennstoffzellensystems (100) sensiert und/oder erfasst und/oder prognostiziert wurde.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass beim Anstellen und/oder Starten des Brennstoffzellensystems (100) nach dem erfolgten Entleeren und/oder Belüften des
Wasserbereitstellungssystems (20) die Verbindungsleitungen, Aktoren und/oder Sensoren des Wasserbereitstellungssystems (20) zunächst mit Wasser befüllt und/oder das Wasserbereitstellungssystem (20) in den Kathodenpfad (10) entlüftet werden/wird,
und/oder dass zum Anstellen und/oder Starten des
Brennstoffzellensystems (100) mindestens ein Einspritzventil (24) des Wasserbereitstellungssystems (20) geöffnet und/oder getaktet betrieben wird.
10. Brennstoffzellensystem (100) mit einem Kathodenpfad (10),
wobei der Kathodenpfad (10) zum Bereitstellen von Luft (L) an das Brennstoffzellensystem (100) dient,
und wobei im Kathodenpfad (10) ein Wasserbereitstellungssystem (20) zum Befeuchten der Luft (L) vorgesehen ist, um eine Membran des Brennstoffzellensystems (100) feucht zu halten,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Brennstoffzellensystem (100) zum Durchführen eines Verfahrens gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche ausgebildet ist.
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