WO2020223754A1 - Brennstoffzellensystem und verfahren zum entfernen von wasser aus dem brennstoffzellensystem - Google Patents

Brennstoffzellensystem und verfahren zum entfernen von wasser aus dem brennstoffzellensystem Download PDF

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Definitions

  • the present invention relates to a fuel cell system and a method for removing water from the fuel cell system.
  • the invention also relates to a computer program product for carrying out a flushing process in a fuel cell system and to a storage means with a device thereon
  • the international patent application WO 2017/089466 A1 discloses a method for flushing a fuel cell system while the fuel cell system is operating in power generation. More precisely, a rinsing chamber for rinsing the fuel cell system on an anode side and / or a
  • the cathode side can be rinsed. It will be described. If the fuel cell system is used as an electrolyzer, the cathode side can be rinsed. It will be described.
  • Fuel cell system used to generate electricity the anode side can be rinsed.
  • Rinsing processes during the rinsing and drying operation are carried out in particular to avoid icing in the fuel cell system and to prepare for a starting process of the fuel cell system, since water remaining in the fuel cell system can damage the system, especially during a cold start
  • HFR high-frequency membrane resistance
  • the object of the present invention is that described above
  • a method for removing water from a fuel cell system comprising a fuel cell stack with a
  • Anode section and a cathode section, a purge valve downstream of the anode section for controlling a purge pressure in the anode section and a Back pressure valve comprises downstream of the cathode section for controlling a back pressure in the cathode section.
  • the method has the following steps: a) Increasing the flushing pressure in the anode section to a predefined one
  • the volumes in and around the fuel cell stack in the fuel cell system are first pressurized by the respective pressure increase and then suddenly released through a common valve opening.
  • the volumes in question have a relatively constant, stoichiometric pressure or the pressure changes only relatively slowly, even with pulsed rinsing processes.
  • Pulse-like flushing processes are carried out, for example, by a compressor
  • Air supply Air supply
  • a pressure valve hydrogen supply
  • a drain valve can optionally be opened on one anode side. This makes it possible to achieve even faster relaxation, whereby it is important not to allow maximum hydrogen emission during the flushing process
  • the cathode path can be from a
  • Compressor up to the backflow valve contain more than 5 liters of air volume, for example.
  • the compressed air can have a correspondingly high amount of energy.
  • the flushing or drying process according to the invention is therefore less due to the fluids flowing in, but rather due to the sudden relaxation of the
  • the energy stored in the fluid pressure can be converted into a flushing surge with temporarily high air speeds in a short time
  • Fuel cell system can be removed.
  • the desired pressure increase can be carried out by at least one compressor of the fuel cell system. This can be realized in a minimum load point or in another, low load point of the fuel cell system. A conventional drying process can then be carried out.
  • the flushing pressure setpoint can correspond to a nominal system pressure or operating pressure or a corresponding operating pressure value with which the
  • Fuel cell system is operated to generate electricity. That is to say, the flushing pressure and / or the back pressure can be increased to the nominal operating pressure or essentially to the nominal operating pressure.
  • the method is preferably carried out in a fuel cell vehicle, in particular after the fuel cell vehicle which has the
  • Fuel cell system contains carried out. This can prevent damaging ice in the ambient temperature below 0 ° C
  • Fuel cell system arises, which can impair the function of various components of the fuel cell system.
  • the flush valve can be arranged immediately downstream of the anode section.
  • the backflow valve can be immediately downstream of the
  • valve units in a flow direction between the respective electrode section and the flushing valve or the Backflow valve are arranged. It is advantageous if the valves that are already present on the anode side are used for the flushing process.
  • the pulse-like reduction in the increased pressures can be understood to mean a sudden reduction that is triggered by the opening of the flushing valve and the backflow valve.
  • Closing a valve or a closed valve can be understood to mean a valve in a blocking division in which a fluid flow through a fluid line in which the valve is located is prevented or essentially prevented.
  • the opening of a valve or an open valve can be understood to mean a valve in an open position in which a
  • Fluid flow through a fluid line in which the valve is located is made possible or in which the fluid line is or is released for fluid flow at least in the region of the respective valve.
  • Steps a) and b) are preferably carried out simultaneously or substantially
  • the flushing valve and the backflow valve are also preferably opened simultaneously or essentially simultaneously for the same reason in order to reduce the increased flushing pressure and the increased backflow pressure in a pulse-like manner.
  • steps a), b) and c) are carried out several times in succession to remove water from the fuel cell system. That is to say, the volumes in and on the anode section as well as in and on the cathode section are pressurized and relaxed at regular intervals. This allows the water to be removed from the fuel cell system particularly effectively.
  • flushing pressure in the anode section is reduced to a maximum permissible or approximately maximum permissible flushing pressure in the anode section is increased and the back pressure in the cathode section is increased to the maximum permissible or approximately maximum permissible back pressure in the cathode section.
  • This can be used for the impulse of the fluid surge for rinsing or drying the fuel cell system
  • a correspondingly large value can be achieved at which no damage or destruction of the fuel cell system has to be feared.
  • the fact that the flushing pressure in the anode section is increased to the maximum permissible or approximately maximum permissible flushing pressure in the anode section can be understood to mean that the flushing pressure is increased to a maximum flushing pressure value, which corresponds to a maximum permissible system pressure or operating pressure in the anode section during power generation.
  • the fact that the back pressure in the cathode section is increased to the maximum permissible or approximately maximum permissible back pressure in the anode section can be understood to mean that the back pressure is increased to a maximum back pressure value which corresponds to a maximum permissible system pressure or operating pressure in the cathode section during a
  • the flushing pressure in the anode section and the back pressure in the cathode section to a value between 2 bar and 5 bar.
  • This value or these values have proven to be particularly suitable in tests within the scope of the present invention in order to realize an effective and nevertheless component-friendly flushing process.
  • the pressures can also be higher or lower. It can be of further advantage if, in a method according to the invention, the flushing pressure in the
  • Anode section and the back pressure in the cathode section can be increased to the same or approximately the same value. This means that the process can be operated in a particularly gentle manner on the membrane. In particular, it must be ensured here that the back pressure and the flushing pressure are always kept the same or essentially the same or do not have any major differences during the increase to the respective target pressure or the maximum pressure. Due to the maximum hydrogen emissions in the exhaust gas path (usually less than 8
  • volume percent but it may also be necessary to let the cathode pressure escape faster than the anode pressure. Especially when the flush valves are smaller Having opening cross-sections than the backflow valve on the cathode side, this is advantageous.
  • the desired back pressure or a corresponding cathode pressure is set by a compressor with the back pressure valve closed and the flushing pressure or a corresponding anode pressure is adjusted to the back pressure.
  • care can be taken to ensure that the flushing pressure, for example in the form of a hydrogen pressure, is always set to a minimum, for example by 100 mbar, higher in the anode section than in the cathode section.
  • the method should, if possible, only be used in the rinsing and drying operation and not during the power generation operation of the fuel cell system
  • the steps according to the invention are preferably carried out separately from the power generation operation. This means that the power generation operation remains unaffected.
  • the fuel cell system can be operated at a minimum load point or at another low load point of the fuel cell system. As soon as both sides of the vehicle are flushed, there is voltage on the fuel cell stack. But since the fuel cell stack does not have an open-circuit voltage (OCV)
  • Fuel cell system made available, comprising a
  • Fuel cell stack with an anode section and a cathode section, a purge valve downstream of the anode section for controlling a purge pressure in the anode section and a back pressure valve downstream of the cathode section for controlling a back pressure in the cathode section.
  • the Fuel cell system further comprises a controller with a
  • Pressure increasing unit for increasing the flushing pressure in the anode section to a predefined flushing pressure setpoint value when the flushing valve is closed and for increasing the back pressure in the cathode section to a predefined back pressure setpoint value when the backflow pressure valve is closed and a pressure reducing unit for pulsed, in particular sudden, reduction of the increased
  • a storage means with a computer program product stored thereon is also provided.
  • the storage means can be provided in the form of a controller in which the computer program is installed.
  • the computer program product and the storage means thus also have the advantages described above.
  • the controller can be understood as a computer, or a computer to run the
  • the computer program product can be implemented as computer-readable instruction code in any suitable programming language, such as, for example, JAVA, PYTHON, C ++ and / or C #.
  • the computer program product can be stored on a computer-readable storage medium such as a data disc, a removable drive, a volatile or non-volatile memory or a built-in
  • the instruction code can program a computer or other programmable device such as the controller to perform the desired functions.
  • the Computer program product in a network, such as, for example, the Internet, to be provided or to be, from which it can be accessed by a user when required
  • the computer program product can both by means of a computer program, i. H. software, as well as by means of one or more special electronic circuits, i.e. in hardware, or in any hybrid form, d. H. by means of software components and hardware components.
  • Figure 1 shows a fuel cell system according to a preferred embodiment of the present invention
  • FIG. 2 shows a diagram for explaining a method according to the invention
  • FIG. 3 shows a flow diagram for explaining a method according to the invention.
  • a fuel cell system 1 is shown schematically in the form of a PEM system.
  • the fuel cell system 1 has a fuel cell stack 2 with an anode section 3, a cathode section 4 and an electrolyte membrane 15 arranged between the anode section 3 and the cathode section 4.
  • the fuel cell system 1 furthermore has a flushing valve 5 downstream of the anode section 3 for controlling a flushing pressure in the anode section 3, a backflow valve 6 downstream of the cathode section 4 for controlling a backflow pressure in the cathode section 4, and a controller 7.
  • the controller 7 has a pressure increasing unit 8 for increasing the flushing pressure in the
  • Anode section 3 to a predefined flushing pressure setpoint value AP1 shown in FIG. 2 with the flushing valve 5 closed and to increase the back pressure in the cathode section 4 to a predefined value also shown in FIG.
  • controller 7 has a pressure reduction unit 9 for pulse-like
  • the exemplary embodiment shown in FIG. 1 also has a fuel source 11 in the form of a hydrogen tank and a control valve 12 for metered supply of hydrogen to an injector-ejector 13 of the fuel cell system 1.
  • the injector-ejector 13 is configured upstream of the anode section 3 for supplying fuel to the anode section 3.
  • Anode exhaust gas in the form of a secondary fluid can be sucked in from the injector-ejector 13 via a recirculation path 16, which in turn can be fed to the anode section 3.
  • a compressor 14 Upstream of the cathode section 4 is a compressor 14 for conveying air to the cathode section 4 and for pressurizing the
  • the fuel cell system 1 can also have other BOP components such as
  • the controller 7 has a computer program product 10 installed therein, which includes commands which, when the computer program product 10 is executed by the controller 7, cause the controller 7, as described below,
  • Fuel cell system 1 to run.
  • a first step S1 with the flushing valve 5 closed, the flushing pressure in the anode section 3 is increased to a flushing pressure setpoint AP1 which, according to the example shown, corresponds to an approximately maximum permissible system pressure of approximately 3 bar.
  • a second step S2 with the backflow valve 6 closed, the backflow pressure in the cathode section 4 is increased to a backflow pressure setpoint KP1 which, according to the example shown, corresponds to an approximately maximum permissible system pressure of, for example, approx. 3 bar or approx. 2.5 bar, whereby the back pressure is always kept approx. 100 mbar lower than the flushing pressure.
  • the flushing valve 5 and the backflow valve 6 are opened to reduce the increased flushing pressure and the increased backflow pressure to or approximately ambient pressure in a pulsed or abrupt manner. This can be seen in FIG. 2 by the steep drop in pressure curve A1 in
  • Cathode section 4 after reaching the respective maximum setpoint AP1 or KP1 be recognized.
  • the sequence explained in FIG. 3 is repeated two times, additional repetitions of course also being possible.
  • the method explained with reference to FIGS. 2 and 3 is carried out during a flushing and drying operation of the fuel cell system 1.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Entfernen von Wasser aus einem Brennstoffzellensystem (1), das einen Brennstoffzellenstapel (2) mit einem Anodenabschnitt (3) und einem Kathodenabschnitt (4), ein Spülventil (5) stromabwärts des Anodenabschnitts (3) zum Kontrollieren eines Spüldrucks im Anodenabschnitt (3), sowie ein Rückstauventil (6) stromabwärts des Kathodenabschnitts (4) zum Kontrollieren eines Rückstaudrucks im Kathodenabschnitt (4) umfasst, aufweisend die Schritte: Erhöhen des Spüldrucks im Anodenabschnitt (3) auf einen vordefinierten Spüldruck-Sollwert (AP1) bei geschlossenem Spülventil (5), Erhöhen des Rückstaudrucks im Kathodenabschnitt (4) auf einen vordefinierten Rückstaudruck-Sollwert (KP1) bei geschlossenem Rückstauventil (6), und anschließend impulsartiges Reduzieren des erhöhten Spüldrucks sowie des erhöhten Rückstaudrucks durch Öffnen des Spülventils (5) und des Rückstauventils (6). Ferner betrifft die Erfindung ein Brennstoffzellensystem (1) und ein Computerprogrammprodukt (10) zum Durchführen eines erfindungsgemäßen Verfahrens sowie ein Speichermittel mit einem darauf gespeicherten Computerprogrammprodukt (10).

Description

Brennstoffzellensystem und Verfahren zum Entfernen von Wasser aus dem
Brennstoffzellensystem
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem sowie ein Verfahren zum Entfernen von Wasser aus dem Brennstoffzellensystem. Ferner betrifft die Erfindung ein Computerprogrammprodukt zum Ausführen eines Spülvorgangs in einem Brennstoffzellensystem sowie ein Speichermittel mit einem darauf
gespeicherten Computerprogrammprodukt.
Im Stand der Technik sind verschiedene Verfahren zum Entfernen von Wasser aus einem Brennstoffzellensystem bekannt. Das Entfernen von Wasser wird in der Regel im Rahmen eines Spülvorgangs durchgeführt, in welchem Leitungsabschnitte des Brennstoffzellensystems mit Hilfe von wenigstens einem Spülfluid gespült und dadurch von Wasserrückständen befreit werden. Derartige Spülvorgänge können während eines dezidierten Spül- und Trocknungsbetriebs und/oder während eines Stromerzeugungsbetriebs des Brennstoffzellensystems durchgeführt werden.
Aus der internationalen Patentanmeldung WO 2017/089466 A1 geht ein Verfahren zum Spülen eines Brennstoffzellensystems während eines Stromerzeugungsbetriebs des Brennstoffzellensystems hervor. Genauer gesagt wird eine Spülkammer zum Spülen des Brennstoffzellensystems auf einer Anodenseite und/oder einer
Kathodenseite beschrieben. Wird das Brennstoffzellensystem als Elektrolyseur verwendet, kann die Kathodenseite gespült werden. Wird das
Brennstoffzellensystem zur Stromerzeugung genutzt, kann die Anodenseite gespült werden.
Spülvorgänge während des Spül- und Trocknungsbetriebs werden insbesondere zur Vermeidung von Vereisung im Brennstoffzellensystem sowie zur Vorbereitung eines Startprozesses des Brennstoffzellensystems durchgeführt, da verbleibendes Wasser im Brennstoffzellensystem insbesondere beim Kaltstart Systemschäden und
Probleme beim Starten des Brennstoffzellensystems verursachen kann. Derartige Vorgänge sind insbesondere beim Kaltstart vorgesehen, wodurch dieser Teil einer Kaltstopprozedur sein kann. Anodenseitig wird das Spülen und Trocknen
üblicherweise durch ein Wasserstoffgas bei geöffnetem Spülventil durchgeführt. Im Gegensatz dazu erfolgt ein Spül- und Trockenvorgang kathodenseitig mit Luft. Dazu wird der Kathodenseite für gewöhnlich ein hoher Luftstrom mit niedriger Feuchte bei niedrigem Luftdruck zugeführt. Häufig wird der Spül- und Trocknungsvorgang so lange durchgeführt, bis ein signifikanter Abfall eines Hochfrequenz- Membranwiderstandes (HFR) feststellbar ist. Dazu ist einerseits entsprechende Messtechnik notwendig, andererseits kann es bei Messfehlern zu unerwünschtem Austrocknen der Membran kommen. Bei zu starker Trocknung kann sich eine mechanische Spannung an der Elektrolytmembran aufbauen, welche einer verkürzten Lebensdauer der Membran führen kann. Daher ist es wünschenswert, eine Austrocknung der Elektrolytmembran zu minimieren und einen gesamten Trocknungsprozess zu beschleunigen beschleunigen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, der voranstehend beschriebenen
Problematik zumindest teilweise Rechnung zu tragen. Insbesondere ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Brennstoffzellensystem sowie ein Verfahren zum beschleunigten und/oder effektiven Entfernen von Wasser aus dem
Brennstoffzellensystem zur Verfügung zu stellen. Außerdem ist es eine Aufgabe, ein Computerprogrammprodukt zum Durchführen eines solchen Verfahrens sowie ein Speichermittel, auf welchem ein solches Computerprogrammprodukt gespeichert ist, zu schaffen.
Die voranstehende Aufgabe wird durch die Patentansprüche gelöst. Insbesondere wird die voranstehende Aufgabe durch das Verfahren gemäß Anspruch 1 , das Brennstoffzellensystem gemäß Anspruch 7, das Com puterprogramm produkt gemäß Anspruch 9 sowie das Speichermittel gemäß Anspruch 10 gelöst. Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem Verfahren beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem, dem erfindungsgemäßen
Com puterprogramm produkt, dem erfindungsgemäßen Speichermittel und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Entfernen von Wasser aus einem Brennstoffzellensystem zur Verfügung gestellt, wobei das Brennstoffzellensystem einen Brennstoffzellenstapel mit einem
Anodenabschnitt und einem Kathodenabschnitt, ein Spülventil stromabwärts des Anodenabschnitts zum Kontrollieren eines Spüldrucks im Anodenabschnitt sowie ein Rückstauventil stromabwärts des Kathodenabschnitts zum Kontrollieren eines Rückstaudrucks im Kathodenabschnitt umfasst. Das Verfahren weist die folgenden Schritte auf: a) Erhöhen des Spüldrucks im Anodenabschnitt auf einen vordefinierten
Spüldruck-Sollwert, b) Erhöhen des Rückstaudrucks im Kathodenabschnitt auf einen vordefinierten Rückstaudruck-Sollwert und anschließend c) impulsartiges Reduzieren des erhöhten Spüldrucks sowie des erhöhten
Rückstaudrucks durch Öffnen des Spülventils und des Rückstauventils.
D. h., erfindungsgemäß werden die Volumina in und um den Brennstoffzellenstapel im Brennstoffzellensystem durch die jeweilige Druckerhöhung zunächst unter Druck gesetzt und anschließend durch gemeinsame Ventilöffnung schlagartig entspannt.
Bei herkömmlichen Spül- und/oder Trocknungsverfahren liegt in den in Rede stehenden Volumina ein relativ konstanter, stöchiometrischer Druck vor oder der Druck verändert sich selbst bei impulsartigen Spülvorgängen nur relativ langsam. Impulsartige Spülvorgänge werden beispielsweise durch einen Kompressor
(Luftzufuhr) oder ein Druckventil (Wasserstoffzufuhr) erzeugt. Durch das
erfindungsgemäße Vorgehen kommt es zu einer schlagartigen Entspannung, sprich kann ein (negativer) Druckimpuls erzeugt werden, welcher zu deutlich höheren Strömungsgeschwindigkeiten und entsprechenden Maximalscherkräften führt, als dies bisher möglich oder effizient realisierbar war. Dadurch kann Wasser,
insbesondere in flüssiger Form, das sich in verschiedenen Leitungsabschnitten und/oder in Funktionsbauteilen wie einem Befeuchter, Absperrklappen und/oder Auslassventilen des Brennstoffzellensystems befindet, von dort effektiv in die Umgebung des Brennstoffzellensystems befördert werden. Damit kann die Zeit zum Trocknen und/oder Spülen des Brennstoffzellensystems erheblich verkürzt werden.
Gleicheizeitig zum Öffnen des Spülventils und des Rückstauventils gemäß Schritt c) kann gegebenenfalls auf einer Anodenseite ein Drainventil geöffnet werden. Dadurch ist es möglich, eine noch schnellere Entspannung zu erreichen, wobei es wichtig ist, eine maximale Wasserstoffemission während des Spülvorganges nicht zu
überschreiten. Die erfindungsgemäße Vorgehensweise entspricht einem„Aufblasen“ bzw.
Druckbeaufschlagen und Entspannen der im System enthaltenen Volumina. Bei einem PEM-System im Automobilbereich kann der Kathodenpfad von einem
Kompressor bis zum Rückstauventil beispielsweise mehr als 5 Liter Luftvolumen enthalten. Entsprechend viel Energie kann die komprimierte Luft aufweisen. Der erfindungsgemäße Spül- bzw. Trocknungsvorgang wird also weniger durch einströmende Fluide, sondern vielmehr durch die plötzliche Entspannung des
Systems erreicht. Dadurch kann die im Fluiddruck gespeicherte Energie in kurzer Zeit in einen Spülstoß mit vorrübergehend hohen Luftgeschwindigkeiten
umgewandelt werden, wodurch Wasser effektiv und schnell aus dem
Brennstoffzellensystem entfernt werden kann.
Die gewünschte Druckerhöhung kann durch wenigstens einen Kompressor des Brennstoffzellensystems durchgeführt werden. Dies kann in einem Minimallastpunkt oder in einem anderen, niedrigen Lastpunkt des Brennstoffzellensystems realisiert werden. Anschließend kann ein herkömmlicher Trocknungsprozess durchgeführt werden.
Der Spüldruck-Sollwert kann einem nominalen Systemdruck oder Betriebsdruck bzw. einem entsprechenden Betriebsdruckwert entsprechen, mit welchem das
Brennstoffzellensystem zur Stromerzeugung betrieben wird. D. h., der Spüldruck und/oder der Rückstaudruck können auf den nominalen Betriebsdruck oder im Wesentlichen auf den nominalen Betriebsdruck erhöht werden.
Das Verfahren wird vorzugsweise in einem Brennstoffzellenfahrzeug, insbesondere nach einem Abstellen des Brennstoffzellenfahrzeugs, welches das
Brennstoffzellensystem enthält, durchgeführt. Damit kann verhindert werden, dass bei einer Umgebungstemperatur von unter 0°C schädliches Eis im
Brennstoffzellensystem entsteht, welches die Funktion verschiedener Komponenten des Brennstoffzellensystems beeinträchtigen kann.
Das Spülventil kann unmittelbar stromabwärts des Anodenabschnitts angeordnet sein. Ebenso kann das Rückstauventil unmittelbar stromabwärts des
Kathodenabschnitts angeordnet sein. Gleichwohl ist es möglich, dass weitere
Funktionsbauteile, insbesondere weitere Ventileinheiten, in einer Strömungsrichtung zwischen dem jeweiligen Elektrodenabschnitt und dem Spülventil bzw. dem Rückstauventil angeordnet sind. Es ist günstig, wenn anodenseitig die sowieso vorhandenen Ventile für den Spülvorgang verwendet werdne.
Wie vorstehend bereits beschrieben, kann unter der impulsartigen Reduzierung der erhöhten Drücke eine schlagartige Reduzierung verstanden werden, die durch das Öffnen des Spülventils sowie des Rückstauventils ausgelöst wird. Unter dem
Schließen eines Ventils bzw. unter einem geschlossenen Ventil kann ein Ventil in einer Sperrsteilung verstanden werden, in welcher eine Fluidströmung durch eine Fluidleitung, in welcher sich das Ventil befindet, verhindert oder im Wesentlichen verhindert wird. Unter dem Öffnen eines Ventils bzw. unter einem geöffneten Ventil kann ein Ventil in einer Durchlassstellung verstanden werden, in welcher eine
Fluidströmung durch eine Fluidleitung, in welcher sich das Ventil befindet, ermöglicht wird bzw. in welcher die Fluidleitung für eine Fluidströmung zumindest im Bereich des jeweiligen Ventils freigegeben wird bzw. ist.
Die Schritte a) und b) werden bevorzugt gleichzeitig oder im Wesentlichen
gleichzeitig durchgeführt. Damit können Spannungen in einer Elektrolytmembran zwischen dem Anodenabschnitt und dem Kathodenabschnitt verhindert werden. Das Spülventil und das Rückstauventil werden zum impulsartigen Reduzieren des erhöhten Spüldrucks sowie des erhöhten Rückstaudrucks aus demselben Grund ebenfalls bevorzugt gleichzeitig oder im Wesentlichen gleichzeitig geöffnet.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es möglich, dass bei einem Verfahren die Schritte a), b) und c) zum Entfernen von Wasser aus dem Brennstoffzellensystem mehrmals hintereinander durchgeführt werden. D. h., die Volumina im und am Anodenabschnitt sowie im und am Kathodenabschnitt werden in regelmäßigen Intervallen druckbeaufschlagt und entspannt. Dadurch kann das Wasser besonders effektiv aus dem Brennstoffzellensystem entfernt werden. Bei Versuchen im Rahmen der vorliegenden Erfindung hat sich überraschend
herausgestellt, dass dieses Vorgehen keine Beschädigungsgefahr für
Funktionskomponenten des Brennstoffzellensystems darstellt. Vielmehr kann
Wasser durch die hohe Impulsstärke der verwendeten Prozessfluide schnell, zuverlässig und bauteilschonend aus dem Brennstoffzellensystem gespült werden.
Ferner ist es möglich, dass bei einem erfindungsgemäßen Verfahren der Spüldruck im Anodenabschnitt auf einen maximal zulässigen oder annähernd maximal zulässigen Spüldruck im Anodenabschnitt erhöht wird und der Rückstaudruck im Kathodenabschnitt auf den maximal zulässigen oder annähernd maximal zulässigen Rückstaudruck im Kathodenabschnitt erhöht wird. Damit kann für den Impuls des Fluidstoßes zum Spülen bzw. Trocknen des Brennstoffzellensystems ein
entsprechend großer Wert erzielt werden, bei welchem keine Beschädigung oder Zerstörung des Brennstoffzellensystems befürchtet werden muss. Darunter, dass der Spüldruck im Anodenabschnitt auf den maximal zulässigen oder annähernd maximal zulässigen Spüldruck im Anodenabschnitt erhöht wird kann verstanden werden, dass der Spüldruck auf einen Spüldruck-Maximalwert erhöht wird, welcher einem maximal zulässigen Systemdruck bzw. Betriebsdruck im Anodenabschnitt während einer Stromerzeugung entspricht. Darunter, dass der Rückstaudruck im Kathodenabschnitt auf den maximal zulässigen oder annähernd maximal zulässigen Rückstaudruck im Anodenabschnitt erhöht wird kann verstanden werden, dass der Rückstaudruck auf einen Rückstaudruck-Maximalwert erhöht wird, welcher einem maximal zulässigen Systemdruck bzw. Betriebsdruck im Kathodenabschnitt während einer
Stromerzeugung entspricht.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltungsvariante der vorliegenden Erfindung ist es möglich, dass bei einem Verfahren der Spüldruck im Anodenabschnitt und der Rückstaudruck im Kathodenabschnitt jeweils auf einen Wert zwischen 2 bar und 5 bar erhöht werden. Dieser Wert bzw. diese Werte haben sich bei Versuchen im Rahmen der vorliegenden Erfindung als besonders geeignet herausgestellt, um einen effektiven und trotzdem bauteilschonenden Spülvorgang zu realisieren. Die Drücke können jedoch auch höher oder niedriger sein. Von weiterem Vorteil kann es sein, wenn bei einem erfindungsgemäßen Verfahren der Spüldruck im
Anodenabschnitt und der Rückstaudruck im Kathodenabschnitt auf den gleichen oder annähernd den gleichen Wert erhöht werden. Damit kann das Verfahren besonders membranschonend betrieben werden. Insbesondere ist hierbei darauf zu achten, dass der Rückstaudruck und der Spüldruck während der Erhöhung auf den jeweiligen Solldruck bzw. den Maximaldruck stets gleich oder im Wesentlichen gleich gehalten werden bzw. keine großen Differenzen aufweisen. Es kann aus Gründen der maximalen Wasserstoffemissionen im Abgaspfad (üblicherweise kleiner 8
Volumsprozent) aber auch notwendig sein, den Kathodendruck schneller entweichen zu lassen als den Anodendruck. Insbesondere wenn die Spülventile kleinere Öffnungsquerschnitte aufweisen als das Rückstauventil auf der Kathodenseite ist dies vorteilhaft.
In der Praxis hat es sich ferner als vorteilhaft herausgestellt, wenn durch einen Kompressor bei geschlossenem Rückstauventil der gewünschte Rückstaudruck bzw. ein entsprechender Kathodendruck eingestellt wird und der Spüldruck bzw. ein entsprechender Anodendruck dem Rückstaudruck nachgeführt wird. Hierbei kann aus sicherheitstechnischen Gründen darauf geachtet werden, dass der Spüldruck, beispielsweise in Form eines Wasserstoffdrucks, im Anodenabschnitt stets minimal, beispielsweise um 100 mbar, höher als im Kathodenabschnitt eingestellt bzw.
geregelt wird.
Darüber hinaus ist es möglich, dass bei einem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung das Brennstoffzellensystem in einem Stromerzeugungsbetrieb zur
Stromerzeugung sowie in einem Spül- und Trocknungsbetrieb zum Spülen und Trocknen des Brennstoffzellensystems betrieben werden kann, wobei die Schritte a), b) und c) während des Spül- und Trocknungsbetriebs durchgeführt werden. D. h., das Verfahren soll möglichst ausschließlich im Spül- und Trocknungsbetrieb und nicht während des Stromerzeugungsbetriebs des Brennstoffzellensystems
durchgeführt werden. Mit anderen Worten, die erfindungsgemäßen Schritte werden bevorzugt separat vom Stromerzeugungsbetrieb durchgeführt. Damit bleibt der Stromerzeugungsbetrieb unbeeinflusst. Während des Spül- und Trocknungsbetriebs kann das Brennstoffzellensystem in einem Minimallastpunkt bzw. in einem anderen niedrigen Lastpunkts des Brennstoffzellensystems betrieben werden. Sobald beide Seiten im Fahrzeug gespült werden, herrscht Spannung am Brennstoffzellenstapel. Da aber der Brennstoffzellenstapel bei Leelaufspannung (OCV) ohne
Strombelastung Schaden nimmt, ist es günstig, wenn zumindest der
Minimallastpunkt angefahren wird, d. h. es wird so viel Strom gezogen, bis die Zellspannung unter etwa 0,85 V DC gesunken ist
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein
Brennstoffzellensystem zur Verfügung gestellt, aufweisend einen
Brennstoffzellenstapel mit einem Anodenabschnitt und einem Kathodenabschnitt, ein Spülventil stromabwärts des Anodenabschnitts zum Kontrollieren eines Spüldrucks im Anodenabschnitt und ein Rückstauventil stromabwärts des Kathodenabschnitts zum Kontrollieren eines Rückstaudrucks im Kathodenabschnitt. Das Brennstoffzellensystem weist ferner einen Controller mit einer
Druckerhöhungseinheit zum Erhöhen des Spüldrucks im Anodenabschnitt auf einen vordefinierten Spüldruck-Sollwert bei geschlossenem Spülventil und zum Erhöhen des Rückstaudrucks im Kathodenabschnitt auf einen vordefinierten Rückstaudruck- Sollwert bei geschlossenem Rückstauventil sowie einer Druckreduzierungseinheit zum impulsartigen, insbesondere schlagartigen, Reduzieren des erhöhten
Spüldrucks sowie des erhöhten Rückstaudrucks durch Öffnen des Spülventils und des Rückstauventils.
Damit bringt ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem die gleichen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit Bezug auf das erfindungsgemäße Verfahren
beschrieben worden sind. Dies kann insbesondere dadurch gewährleistet werden, dass die Druckerhöhungseinheit und die Druckreduzierungseinheit zum Durchführen eines, wie vorstehend im Details beschriebenen Verfahrens, konfiguriert und ausgestaltet sind.
Weiterhin wird im Rahmen der Erfindung ein Com puterprogramm produkt
vorgeschlagen, das Befehle umfasst, die bei der Ausführung des
Com puterprogramm produkts durch einen Computer diesen veranlassen, ein, wie vorstehend beschriebenes, Verfahren auszuführen. Hierfür wird außerdem ein Speichermittel mit einem darauf gespeicherten Computerprogrammprodukt gemäß dieser Ausführungsform zur Verfügung gestellt. Das Speichermittel kann in Form eines Controllers bereitgestellt sein, in welchem das Com puterprogramm produkt installiert ist. Damit bringen das Computerprogrammprodukt und das Speichermittel ebenfalls die vorstehend beschriebenen Vorteile mit sich. Der Controller kann als Computer verstanden werden, oder einen Computer zum Ausführen des
Com puterprogramm produkts aufweisen.
Das Computerprogrammprodukt kann als computerlesbarer Anweisungscode in jeder geeigneten Programmiersprache, wie beispielsweise in JAVA, PYTHON, C++ und/oder C#, implementiert sein. Das Com puterprogramm produkt kann auf einem computerlesbaren Speichermedium wie einer Datendisk, einem Wechsellaufwerk, einem flüchtigen oder nichtflüchtigen Speicher oder einem eingebauten
Speicher/Prozessor abgespeichert sein. Der Anweisungscode kann einen Computer oder andere programmierbare Geräte wie den Controller derart programmieren, dass die gewünschten Funktionen ausgeführt werden. Ferner kann das Computerprogramm produkt in einem Netzwerk, wie beispielsweise dem Internet, bereitgestellt werden bzw. sein, von dem es bei Bedarf von einem Nutzer
heruntergeladen werden kann. Das Computerprogrammprodukt kann sowohl mittels eines Computerprogramms, d. h. einer Software, als auch mittels einer oder mehrerer spezieller elektronischer Schaltungen, d.h. in Hardware, oder in beliebig hybrider Form, d. h. mittels Software-Komponenten und Hardware-Komponenten, realisiert werden bzw. sein.
Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen ergeben sich aus der
nachfolgenden Beschreibung zu verschiedenen Ausführungsbeispielen der
Erfindung, welche in den Figuren schematisch dargestellt sind.
Es zeigen jeweils schematisch:
Figur 1 ein Brennstoffzellensystem gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
Figur 2 ein Diagramm zum Erläutern eines erfindungsgemäßen Verfahrens, und
Figur 3 ein Flussdiagramm zum Erläutern eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
In Fig. 1 ist schematisch ein Brennstoffzellensystem 1 in Form eine PEM-Systems dargestellt. Das Brennstoffzellensystem 1 weist einen Brennstoffzellenstapel 2 mit einem Anodenabschnitt 3, einem Kathodenabschnitt 4 sowie einer zwischen dem Anodenabschnitt 3 und dem Kathodenabschnitt 4 angeordneten Elektrolytmembran 15 auf. Das Brennstoffzellensystem 1 weist ferner ein Spülventil 5 stromabwärts des Anodenabschnitts 3 zum Kontrollieren eines Spüldrucks im Anodenabschnitt 3, ein Rückstauventil 6 stromabwärts des Kathodenabschnitts 4 zum Kontrollieren eines Rückstaudrucks im Kathodenabschnitt 4, sowie einen Controller 7 auf. Der Controller 7 weist eine Druckerhöhungseinheit 8 zum Erhöhen des Spüldrucks im
Anodenabschnitt 3 auf einen in Fig. 2 dargestellten, vordefinierten Spüldruck-Sollwert AP1 bei geschlossenem Spülventil 5 und zum Erhöhen des Rückstaudrucks im Kathodenabschnitt 4 auf einen ebenfalls in Fig. 2 dargestellten, vordefinierten
Rückstaudruck-Sollwert KP1 bei geschlossenem Rückstauventil 6 auf. Außerdem weist der Controller 7 eine Druckreduzierungseinheit 9, zum impulsartigen
Reduzieren des erhöhten Spüldrucks sowie des erhöhten Rückstaudrucks durch Öffnen des Spülventils 5 und des Rückstauventils 6, auf. Das in Fig. 1 dargestellte Ausführungsbeispiel weist ferner eine Brennstoffquelle 11 in Form eines Wasserstofftanks sowie ein Stellventil 12 zum dosierten Zuführen von Wasserstoff zu einem Injektor-Ejektor 13 des Brennstoffzellensystems 1 auf. Der Injektor-Ejektor 13 ist stromaufwärts des Anodenabschnitts 3 zum Zuführen von Brennstoff zum Anodenabschnitt 3 ausgestaltet. Über einen Rezirkulationspfad 16 kann vom Injektor-Ejektor 13 Anodenabgas in Form eines Sekundärfluids angesaugt werden, welches wiederum dem Anodenabschnitt 3 zugeführt werden kann.
Stromaufwärts des Kathodenabschnitts 4 ist ein Kompressor 14 zum Fördern von Luft zum Kathodenabschnitt 4 sowie zur Druckbeaufschlagung des
Kathodenabschnitts 4 angeordnet. Das Brennstoffzellensystem 1 kann zusätzlich zu den dargestellten Funktionsbauteilen noch weitere BOP-Bauteile wie
Wärmetauscher, Befeuchter und/oder zusätzliche Schaltventile aufweisen.
Der Controller 7 weist ein darin installiertes Com puterprogramm produkt 10 auf, das Befehle umfasst, die bei der Ausführung des Computerprogrammprodukts 10 durch den Controller 7 diesen veranlassen, ein, wie anschließend beschriebenes,
Verfahren zum Entfernen von Wasser aus einem, wie in Fig. 1 dargestellten,
Brennstoffzellensystem 1 , auszuführen.
Das Verfahren wird anschließend mit Bezug auf die Figuren 2 und 3 erläutert. In einem ersten Schritt S1 wird zunächst bei geschlossenem Spülventil 5 der Spüldruck im Anodenabschnitt 3 auf einen Spüldruck-Sollwert AP1 erhöht, der gemäß dem dargestellten Beispiel einem annähernd maximal zulässigen Systemdruck von ca. 3bar entspricht.
In einem zweiten Schritt S2 wird bei geschlossenem Rückstauventil 6 gleichzeitig der Rückstaudruck im Kathodenabschnitt 4 auf einen Rückstaudruck-Sollwert KP1 erhöht, der gemäß dem dargestellten Beispiel einem annähernd maximal zulässigen Systemdruck von beispielsweise ca. 3 bar oder ca. 2,5 bar entspricht, wobei der Rückstaudruck stets ca. 100 mbar niedriger als der Spüldruck gehalten wird. In einem dritten Schritt S3 werden das Spülventil 5 und das Rückstauventil 6 zum impulsartigen bzw. schlagartigen Reduzieren des erhöhten Spüldrucks sowie des erhöhten Rückstaudrucks auf Umgebungsdruck oder annähernd Umgebungsdruck geöffnet. Dies kann in Fig. 2 am steilen Abfall des Druckverlaufs A1 im
Anodenabschnitt 3 sowie am steilen Abfall des Druckverlaufs K1 im
Kathodenabschnitt 4 nach erreichen des jeweils maximalen Sollwerts AP1 bzw. KP1 erkannt werden. Wie in Fig. 2 dargestellt, wird der in Fig. 3 erläuterte Ablauf noch zwei Mal wiederholt, wobei selbstverständlich auch zusätzliche Wiederholungen möglich sind. Das mit Bezug auf die Figuren 2 und 3 erläuterte Verfahren wird während eines Spül- und Trocknungsbetriebs des Brennstoffzellensystems 1 durchgeführt.
Die Erfindung lässt neben den dargestellten Ausführungsformen weitere
Gestaltungsgrundsätze zu. D. h. die Erfindung soll nicht auf die mit Bezug auf die Figuren erläuterten Ausführungsbeispiele beschränkt betrachtet werden.
Bezugszeichenliste
1 Brennstoffzellensystem
2 Brennstoffzellenstapel
3 Anodenabschnitt
4 Kathodenabschnitt
5 Spülventil
6 Rückstauventil
7 Controller
8 Druckerhöhungseinheit
9 Druckreduzierungseinheit
10 Computerprogrammprodukt
11 Brennstoffquelle
12 Stellventil
13 Injektor-Ejektor
14 Kompressor
15 Elektrolytmembran
16 Rezirkulationspfad
A1 Druckverlauf im Anodenabschnitt
AP1 Spüldruck-Sollwert (maximaler Spüldruck)
K1 Druckverlauf im Kathodenabschnitt
KP1 Rückstaudruck-Sollwert (maximaler Rückstaudruck)

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Entfernen von Wasser aus einem Brennstoffzellensystem (1 ), das einen Brennstoffzellenstapel (2) mit einem Anodenabschnitt (3) und einem Kathodenabschnitt (4), ein Spülventil (5) stromabwärts des Anodenabschnitts (3) zum Kontrollieren eines Spüldrucks im Anodenabschnitt (3), sowie ein Rückstauventil (6) stromabwärts des Kathodenabschnitts (4) zum Kontrollieren eines Rückstaudrucks im Kathodenabschnitt (4) umfasst, aufweisend die Schritte: a) Erhöhen des Spüldrucks im Anodenabschnitt (3) auf einen vordefinierten Spüldruck-Sollwert (AP1 ) bei geschlossenem Spülventil (5), b) Erhöhen des Rückstaudrucks im Kathodenabschnitt (4) auf einen
vordefinierten Rückstaudruck-Sollwert (KP1 ) bei geschlossenem Rückstauventil (6), und anschließend c) impulsartiges Reduzieren des erhöhten Spüldrucks sowie des erhöhten Rückstaudrucks durch Öffnen des Spülventils (5) und des Rückstauventils (6).
2. Verfahren nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Schritte a), b) und c) zum Entfernen von Wasser aus dem
Brennstoffzellensystem (1 ) mehrmals hintereinander durchgeführt werden.
3. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Spüldruck im Anodenabschnitt (3) auf einen maximal zulässigen oder annähernd maximal zulässigen Spüldruck im Anodenabschnitt (3) erhöht wird und der Rückstaudruck im Kathodenabschnitt (4) auf den maximal zulässigen oder annähernd maximal zulässigen Rückstaudruck im Kathodenabschnitt (4) erhöht wird.
4. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Spüldruck im Anodenabschnitt (3) und der Rückstaudruck im Kathodenabschnitt (4) jeweils auf einen Wert zwischen 2bar und 5bar erhöht werden.
5. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Spüldruck im Anodenabschnitt (3) und der Rückstaudruck im
Kathodenabschnitt (4) auf den gleichen oder annähernd den gleichen Wert erhöht werden.
6. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Brennstoffzellensystem (1 ) in einem Stromerzeugungsbetrieb zur
Stromerzeugung sowie in einem Spül- und Trocknungsbetrieb zum Spülen und Trocknen des Brennstoffzellensystems (1 ) betrieben werden kann, wobei die Schritte a), b) und c) während des Spül- und Trocknungsbetriebs durchgeführt werden.
7. Brennstoffzellensystem (1 ), aufweisend einen Brennstoffzellenstapel (2) mit einem Anodenabschnitt (3) und einem Kathodenabschnitt (4), ein Spülventil (5) stromabwärts des Anodenabschnitts (3) zum Kontrollieren eines Spüldrucks im Anodenabschnitt (3), ein Rückstauventil (6) stromabwärts des
Kathodenabschnitts (4) zum Kontrollieren eines Rückstaudrucks im
Kathodenabschnitt (4), sowie einen Controller (7) mit einer
Druckerhöhungseinheit (8) zum Erhöhen des Spüldrucks im Anodenabschnitt (3) auf einen vordefinierten Spüldruck-Sollwert (AP1 ) bei geschlossenem Spülventil (5) und zum Erhöhen des Rückstaudrucks im Kathodenabschnitt (4) auf einen vordefinierten Rückstaudruck-Sollwert (KP1 ) bei geschlossenem Rückstauventil (6) sowie einer Druckreduzierungseinheit (9) zum impulsartigen Reduzieren des erhöhten Spüldrucks sowie des erhöhten Rückstaudrucks durch Öffnen des Spülventils (5) und des Rückstauventils (6).
8. Brennstoffzellensystem (1 ) nach Anspruch 7, wobei die Druckerhöhungseinheit (8) und die Druckreduzierungseinheit (9) zum Durchführen eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6 konfiguriert und ausgestaltet sind.
9. Computerprogramm produkt (10) umfassend Befehle, die bei der Ausführung des Computerprogrammprodukts (10) durch einen Computer diesen
veranlassen, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6 auszuführen.
10. Speichermittel mit einem darauf gespeicherten Computerprogrammprodukt (10) nach Anspruch 9.
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