WO2021083634A1 - Verfahren zum betreiben eines brennstoffzellensystems, steuergerät - Google Patents

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WO2021083634A1
WO2021083634A1 PCT/EP2020/078353 EP2020078353W WO2021083634A1 WO 2021083634 A1 WO2021083634 A1 WO 2021083634A1 EP 2020078353 W EP2020078353 W EP 2020078353W WO 2021083634 A1 WO2021083634 A1 WO 2021083634A1
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anode gas
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sensor
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Felix Guenther
Ingo Brauer
Michael Schmidt
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Robert Bosch Gmbh
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    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the invention relates to a method for operating a fuel cell system, in particular a PEM fuel cell system.
  • the invention also relates to a control device which enables the method according to the invention to be carried out.
  • the fuel cell system comprises at least one fuel cell with an anode, a cathode and an electrolyte arranged between the anode and the cathode.
  • Electrical energy that is obtained with the aid of a fuel cell system can be used as drive energy, for example to drive a vehicle.
  • the required hydrogen is carried in a suitable tank on board the vehicle.
  • the oxygen that is also required is taken from the ambient air.
  • the fuel cells age, in particular due to thinning of the membranes and / or due to the decrease in the effectiveness of platinum coatings.
  • the amount of nitrogen that diffuses from the cathode side to the anode side increases over the service life of the fuel cells. This changes the ratio of nitrogen to Hydrogen in the anode area, at the expense of the hydrogen content.
  • the efficiency of the fuel cell system decreases accordingly.
  • the present invention is based on the object of increasing the efficiency in the operation of a fuel cell system.
  • a hydrogen-containing anode gas is fed to at least one fuel cell via an anode gas path and anode gas emerging from the fuel cell is returned via a recirculation path.
  • a flushing valve arranged in the recirculation path is opened and the recirculation path is flushed.
  • the actual composition of the anode gas is determined with the help of at least one sensor and the aging of the at least one fuel cell is determined by comparing the determined actual composition with a target composition and / or an actual composition determined at an earlier point in time.
  • the invention makes use of the aforementioned relationship between the aging of the fuel cell and the associated nitrogen enrichment of the anode gas. If the composition of the anode gas is known, conclusions can be drawn about the state of aging of the fuel cell. If it is determined that the aging condition is critical so that efficient operation of the system is no longer possible, an exchange can be made. In this way, the efficiency of the system is increased again.
  • Another advantage of the proposed method is that, knowing the actual composition of the anode gas, the recirculation path can be flushed as required. As a result, the number of flushing processes is reduced and the flushing intervals are longer. Correspondingly, the loss of hydrogen associated with each flush is also reduced. With knowledge of the actual composition of the anode gas, the flushing process can therefore be optimized at the same time, which leads to a further increase in efficiency.
  • a defined operating point is preferably approached to determine the actual composition of the anode gas. This ensures that the values determined are comparable.
  • the operating point to be approached can be defined, for example, via the system performance, the pressure level and / or the gas mass flow in the anode and / or in the cathode area.
  • the actual composition determined in this way can be compared with a target composition and / or an actual composition which has also been determined at an earlier point in time using the method according to the invention.
  • the actual compositions determined during operation of the fuel cell system according to the method are therefore preferably stored in a data memory and made available to an evaluation device. The same applies with regard to a target composition that is to be used for the comparison with the determined actual composition.
  • the hydrogen content of the anode gas is preferably determined with the aid of the sensor.
  • the nitrogen content can be determined on the basis of the hydrogen content, and the aging state of the at least one fuel cell can in turn be derived from the nitrogen content. It is therefore basically sufficient that only the hydrogen content is determined to determine the actual composition.
  • the sensor used in the method is therefore preferably a hydrogen sensor. Such sensors are well known from the prior art. For example, reference is made to the laid-open specifications DE 10 2005 058 830 A1 and DE 10 2005 058832 A1, which are earlier applications by the same applicant. It is also proposed that the actual composition of the anode gas present in the recirculation path be determined with the aid of the sensor. This means that a sensor arranged in the recirculation path is used to determine the actual composition of the anode gas.
  • the actual composition of the anode gas discharged via the flushing valve be determined with the aid of the sensor.
  • the sensor or a sensor is arranged behind the flushing valve and thus outside the anode area.
  • the sensor can, for example, be arranged in a cathode exhaust gas path, via which the flushing quantity is removed from the system together with the cathode exhaust gas. Since a sensor for determining a gas composition is usually already present in the cathode exhaust gas path, this sensor can optionally be used to determine the hydrogen content, so that carrying out the method does not require any additional sensors.
  • the state of aging of the at least one fuel cell is advantageously determined at regular time intervals. In this way, it is possible to react at an early stage to a change in the actual composition of the anode gas or to an aging of the at least one fuel cell.
  • the aging condition of the flushing valve and / or the sensor is also taken into account. In this way, the accuracy in determining the aging state of the at least one fuel cell can be increased.
  • the hydrogen content of the anode gas discharged via the flushing valve in a defined state A is compared with the hydrogen content in a defined state B. This means that the operating state is changed or two different operating points are approached and compared. A change in the gas composition can then be attributed to a changed function of a component used in determining the hydrogen content.
  • State A is preferably achieved in the no-load state of the fuel cell system by lowering the pressure on the cathode side with respect to the anode side. This prevents nitrogen from diffusing from the cathode side to the anode side.
  • the flush valve can be opened and the anode area flushed.
  • State B is preferably reached during normal operation of the fuel cell system by approaching a defined load point.
  • the hydrogen content in state A and in state B is preferably determined at the time the system is started up and stored as a reference. Both operating points can then be measured again at a later point in time.
  • state A can be set independently of the aging state of the at least one fuel cell, a comparison of the measurements carried out in both operating states allows conclusions to be drawn about the amount of nitrogen that diffuses through the membrane from the cathode side to the anode side.
  • control device which is set up to carry out the method according to the invention described above.
  • the control device in particular the sensor data of the sensor used in the method can be evaluated.
  • the result of the evaluation and / or a reference can be stored in the control device, so that the comparisons necessary to carry out the method are made possible.
  • a target composition and / or an earlier actual composition can be stored in the control device.
  • the control device preferably comprises a data memory.
  • the control device can have an evaluation device in order to enable the necessary evaluation of the sensor data.
  • control device can be connected to the flushing valve via a control line in order to control or open the flushing valve as a function of the result of the evaluation and thus flush the recirculation path.
  • the fuel cell system 1 shown schematically in the drawing is used to drive a vehicle. It merely represents one possible embodiment example of a fuel cell system for carrying out the method according to the invention.
  • the fuel cell system comprises at least one fuel cell 2 or several fuel cells 2 in a stacked arrangement.
  • a cathode 8 of the fuel cell system 1 is supplied with air as cathode gas via a cathode gas path 10, while hydrogen is supplied as an anode gas to an anode 9 of the fuel cell system 1 via an anode gas path 3.
  • the air supplied to the cathode 8 will escape the environment. Before this, the air is compressed with the aid of a compressor 12 arranged in the cathode gas path 10. Via a cooling device 17 also arranged in the cathode gas path 10, the air is cooled down again after compression and is additionally humidified with the aid of a downstream humidifying device 18.
  • the compressor 12, the cooling device 17 and / or the humidifying device 18 is or are optional.
  • Cathode exhaust gas exiting from the at least one fuel cell 2 is discharged via a cathode exhaust gas path 11.
  • the cathode exhaust gas is fed to an exhaust turbine 13 arranged in the cathode exhaust gas path 11, which supports an electric motor 14 for driving the compressor 12 arranged in the cathode gas path 10.
  • the exhaust turbine 13 is also if optional.
  • the cathode gas path 10 and the cathode exhaust gas path 11 can be connected via a bypass path 15 as a function of the switching position of a bypass valve 16.
  • the hydrogen serving as anode gas is stored in tanks 19 and fed to the anode 9 with the aid of a suction jet pump 20 arranged in the anode gas path 3.
  • Anode gas that exits the at least one fuel cell 2 is returned to the anode gas path 3 via a recirculation path 4. so that it is not lost to the system.
  • a recirculation fan 22 is arranged in the recirculation path 4, but it is not absolutely necessary.
  • the recirculation path 4 Since the anode gas is enriched with nitrogen over time, which diffuses from the cathode area into the anode area, the recirculation path 4 must be flushed from time to time.
  • a flushing valve 5 is arranged in the recirculation path 4 upstream of the recirculation fan 22. Liquid water contained in the anode gas can previously be removed with the aid of a water separator 21 arranged upstream of the flushing valve 5 in the recirculation path 4.
  • the amount of nitrogen that diffuses from the cathode area into the anode area depends on the aging condition of the at least one fuel cell 2, so that over time, that is, with increasing age of the fuel cell 2, the nitrogen content of the anode gas also increases, namely at the expense of the hydrogen content. As a result, the efficiency of the fuel cell 2 decreases.
  • the aging condition of the fuel cell 2 is determined according to the invention based on the composition of the anode gas. If necessary, the fuel cell 2 can be exchanged.
  • the recirculation path 4 is flushed as a function of the state of aging of the at least one fuel cell 2. This means that flushing is not carried out at model-based time intervals - as is usually the case - but as required. This extends the flushing intervals and increases the efficiency of the system.
  • the state of aging of the at least one fuel cell 2 is determined by comparing the actual composition, that is to say the currently determined anode gas composition, with a target composition. If the comparison results in a change in the composition, conclusions can be drawn about aging or the aging state of the at least one fuel cell 2. To determine the actual composition, a defined operating point is approached so that comparability is guaranteed. The actual composition is then determined with the aid of a sensor 6, which in the present case is arranged in the cathode exhaust gas path 11. The comparison of the actual composition with the target composition is carried out with the aid of a control device 7 in which the target composition is stored as a reference. As an alternative to the arrangement of the sensor 6 shown in the figure, this (sensor 6 ′) can also be placed directly in the recirculation path 4.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems (1), insbesondere eines PEM-Brennstoffzellensystems, bei dem mindestens einer Brennstoffzelle (2) über einen Anodengaspfad (3) ein wasserstoffhaltiges Anodengas zugeführt und aus der Brennstoffzelle (2) austretendes Anodengas über einen Rezirkulationspfad (4) rückgeführt wird, wobei zur Reduzierung eines im Anodengas enthaltenen Stickstoffanteils ein im Rezirkulationspfad (4) angeordnetes Spülventil (5) geöffnet und der Rezirkulationspfad (4) gespült wird. Erfindungsgemäß wird mit Hilfe mindestens eines Sensors (6) die IstZusammensetzung des Anodengases ermittelt und durch Vergleich der ermittelten Ist-Zusammensetzung mit einer Soll-Zusammensetzung und/oder einer zu einem früheren Zeitpunkt ermittelten Ist-Zusammensetzung wird der Alterungszustand der mindestens einen Brennstoffzelle (2) bestimmt. Die Erfindung betrifft ferner ein Steuergerät (7) zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Description

Beschreibung
Titel:
Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems, Steuergerät
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensys tems, insbesondere eines PEM-Brennstoffzellensystems. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Steuergerät, das die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ermöglicht.
Stand der Technik
Mit Hilfe eines Brennstoffzellensystems der vorstehend genannten Art kann unter Verwendung von Wasserstoff und Sauerstoff chemische in elektrische Energie umgewandelt werden. Das Brennstoffzellensystem umfasst hierzu mindestens eine Brennstoffzelle mit einer Anode, einer Kathode und einem zwischen der Anode und der Kathode angeordneten Elektrolyt. Wird eine Polymermembran (PEM = „Proton Exchange Membran“) als Elektrolyt verwendet, handelt es sich um eine PEM- Brennstoffzelle bzw. um ein PEM-Brennstoffzellensystem.
Elektrische Energie, die mit Hilfe eines Brennstoffzellensystems gewonnen wird, kann als Antriebsenergie, beispielsweise zum Antreiben eines Fahrzeugs, ge nutzt werden. Der benötigte Wasserstoff wird in diesem Fall in einem geeigneten Tank an Bord des Fahrzeugs mitgeführt. Der ferner benötigte Sauerstoff wird der Umgebungsluft entnommen.
Im Betrieb eines Brennstoffzellensystems altern die Brennstoffzellen, insbeson dere durch Dünnung der Membranen und/oder durch Abnahme der Wirksamkeit von Platin-Belegungen. Dies hat zur Folge, dass sich über die Lebensdauer der Brennstoffzellen die Menge an Stickstoff, die von der Kathodenseite auf die Ano denseite diffundiert, erhöht. Damit ändert sich das Verhältnis von Stickstoff zu Wasserstoff im Anodenbereich, und zwar zu Lasten des Wasserstoffgehalts. Entsprechend sinkt die Effizienz des Brennstoffzellensystems.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Effizienz im Betrieb eines Brennstoffzellensystems zu steigern.
Zur Lösung der Aufgabe wird das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 angegeben. Vorteilhafte Ausführungsformen sind den Unteransprüchen zu ent nehmen. Ferner wird das Steuergerät mit den Merkmalen des Anspruchs 10 an gegeben.
Offenbarung der Erfindung
Bei dem vorgeschlagenen Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensys tems, insbesondere eines PEM-Brennstoffzellensystems, wird mindestens einer Brennstoffzelle über einen Anodengaspfad ein wasserstoffhaltiges Anodengas zugeführt und aus der Brennstoffzelle austretendes Anodengas wird über einen Rezirkulationspfad rückgeführt. Zur Reduzierung eines im Anodengas enthalte nen Stickstoffanteils wird ein im Rezirkulationspfad angeordnetes Spülventil ge öffnet und der Rezirkulationspfad wird gespült. Erfindungsgemäß wird mit Hilfe mindestens eines Sensors die Ist-Zusammensetzung des Anodengases ermittelt und durch Vergleich der ermittelten Ist-Zusammensetzung mit einer Soll- Zusammensetzung und/oder einer zu einem früheren Zeitpunkt ermittelten Ist- Zusammensetzung wird der Alterungszustand der mindestens einen Brennstoff zelle bestimmt.
Die Erfindung macht sich den zuvor erwähnten Zusammenhang zwischen der Al terung der Brennstoffzelle und der damit einhergehenden Stickstoffanreicherung des Anodengases zunutze. Ist die Zusammensetzung des Anodengases be kannt, kann hierüber auf den Alterungszustand der Brennstoffzelle schlossen werden. Wird festgestellt, dass der Alterungszustand bedenklich ist, so dass ein effizienter Betrieb des Systems nicht mehr möglich ist, kann ein Austausch vor genommen werden. Auf diese Weise wird die Effizienz des Systems wieder ge steigert. Ein weiterer Vorteil des vorgeschlagenen Verfahrens ist darin zu sehen, dass in Kenntnis der Ist-Zusammensetzung des Anodengases das Spülen des Rezirkula- tionspfads nach Bedarf vorgenommen werden kann. In der Folge reduziert sich die Anzahl der Spülvorgänge bzw. die Spülintervalle werden länger. Entspre chend verringert sich auch der mit jedem Spülen einhergehende Verlust an Was serstoff. In Kenntnis der Ist-Zusammensetzung des Anodengases kann demnach zugleich der Spülvorgang optimiert werden, was zu einer weiteren Effizienzstei gerung führt.
Zur Ermittlung der Ist-Zusammensetzung des Anodengases wird vorzugsweise ein definierter Betriebspunkt angefahren. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass die ermittelten Werte vergleichbar sind. Der anzufahrende Betriebspunkt kann beispielsweise über die Systemleistung, das Druckniveau und/oder den Gasmassenstrom im Anoden- und/oder im Kathodenbereich definiert sein.
Die derart ermittelte Ist-Zusammensetzung kann mit einer Soll- Zusammensetzung und/oder einer Ist-Zusammensetzung verglichen werden, die zu einem früheren Zeitpunkt ebenfalls nach dem erfindungsgemäßen Verfahren ermittelt worden ist. Die im Betrieb des Brennstoffzellensystems nach dem Ver fahren ermittelten Ist-Zusammensetzungen werden daher bevorzugt in einem Datenspeicher abgelegt und einer Auswerteeinrichtung zur Verfügung gestellt. Gleiches gilt in Bezug auf eine Soll-Zusammensetzung, die für den Vergleich mit der ermittelten Ist-Zusammensetzung herangezogen werden soll.
Bei dem vorgeschlagenen Verfahren wird vorzugsweise mit Hilfe des Sensors der Wasserstoffgehalt des Anodengases ermittelt. Anhand des Wasserstoffge halts kann der Stickstoffgehalt bestimmt werden und aus dem Stickstoffgehalt kann wiederum der Alterungszustand der mindestens einen Brennstoffzelle ab geleitet werden. Somit reicht es grundsätzlich aus, dass zur Ermittlung der Ist- Zusammensetzung lediglich der Wasserstoffgehalt ermittelt wird. Der bei dem Verfahren eingesetzte Sensor ist daher bevorzugt ein Wasserstoffsensor. Derar tige Sensoren sind aus dem Stand der Technik hinlänglich bekannt. Beispielhaft wird auf die Offenlegungsschriften DE 10 2005 058 830 Al und DE 10 2005 058832 Al verwiesen, bei denen es sich um frühere Anmeldungen derselben Anmelderin handelt. Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass mit Hilfe des Sensors die Ist- Zusammensetzung des im Rezirkulationspfad vorhandenen Anodengases ermit telt wird. Das heißt, dass zur Ermittlung der Ist-Zusammensetzung des Anoden gases ein im Rezirkulationspfad angeordneter Sensor verwendet wird.
Alternativ oder ergänzend wird vorgeschlagen, dass mit Hilfe des Sensors die Ist- Zusammensetzung des über das Spülventil abgeführten Anodengases ermittelt wird. In diesem Fall ist der Sensor bzw. ein Sensor hinter dem Spülventil und damit außerhalb des Anodenbereichs angeordnet. Der Sensor kann beispiels weise in einem Kathodenabgaspfad angeordnet sein, über den die Spülmenge zusammen mit dem Kathodenabgas aus dem System entfernt wird. Da in der Regel im Kathodenabgaspfad bereits ein Sensor zur Bestimmung einer Gaszu sammensetzung vorhanden ist, kann ggf. dieser Sensor zur Ermittlung des Was serstoffgehalts genutzt werden, so dass die Durchführung des Verfahrens keine zusätzliche Sensorik erfordert.
Vorteilhafterweise wird der Alterungszustand der mindestens einen Brennstoff zelle in regelmäßigen zeitlichen Abständen bestimmt. Auf diese Weise kann frühzeitig auf eine Änderung der Ist-Zusammensetzung des Anodengases bzw. auf eine Alterung der mindestens einen Brennstoffzelle reagiert werden.
In Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass bei der Überwachung des Alterungszustands der mindestens einen Brennstoffzelle auch der Alterungs zustand des Spülventils und/oder des Sensors berücksichtigt wird. Auf diese Weise kann die Genauigkeit bei der Bestimmung des Alterungszustands der mindestens einen Brennstoffzelle erhöht werden.
Zur Bestimmung des Alterungszustands des Spülventils und/oder des Sensors wird vorzugsweise der Wasserstoffgehalt des über das Spülventil abgeführten Anodengases in einem definierten Zustand A mit dem Wasserstoffgehalt in ei nem definierten Zustand B verglichen. Das heißt, dass der Betriebszustand ge ändert wird bzw. zwei unterschiedliche Betriebspunkte angefahren und vergli chen werden. Eine Änderung der Gaszusammensetzung kann dann auf eine veränderte Funktion einer bei der Bestimmung des Wasserstoffgehalts verwen deten Komponente zurückgeführt werden. Der Zustand A wird vorzugsweise im lastfreien Zustand des Brennstoffzellensys tems durch Absenken des Drucks auf der Kathodenseite gegenüber der Anoden seite erreicht. Dadurch wird verhindert, das Stickstoff von der Kathodenseite auf die Anodenseite diffundiert. Ergänzend kann das Spülventil geöffnet und der Anodenbereich gespült werden.
Der Zustand B wird vorzugsweise im Normalbetrieb des Brennstoffzellensystems durch Anfahren eines definierten Lastpunkts erreicht.
Bevorzugt wird der Wasserstoffgehalt in Zustand A und in Zustand B zum Zeit punkt der Inbetriebnahme des Systems ermittelt und als Referenz hinterlegt. Zu einem späteren Zeitpunkt können dann beide Betriebspunkte erneut vermessen werden.
Da sich der Zustand A unabhängig vom Alterungszustand der mindestens einen Brennstoffzelle einstellen lässt, kann über den Vergleich der in beiden Betriebs zuständen durchgeführten Messungen auf die Stickstoffmenge geschlossen wer den, die über die Membran von der Kathodenseite auf die Anodenseite diffun diert.
Des Weiteren wird ein Steuergerät vorgeschlagen, das dazu eingerichtet ist, das zuvor beschriebene erfindungsgemäße Verfahren auszuführen. Mit Hilfe des Steuergeräts können insbesondere die Sensordaten des bei dem Verfahren ein gesetzten Sensors ausgewertet werden. Ferner kann das Ergebnis der Auswer tung und/oder eine Referenz im Steuergerät hinterlegt werden, so dass die zur Durchführung des Verfahrens notwendigen Vergleiche ermöglicht werden. Insbe sondere kann bzw. können eine Soll-Zusammensetzung und/oder frühere Ist- Zusammensetzung in dem Steuergerät abgelegt werden. Das Steuergerät um fasst hierzu bevorzugt einen Datenspeicher. Zugleich kann das Steuergerät eine Auswerteeinrichtung aufweisen, um die erforderliche Auswertung der Sensorda ten zu ermöglichen. Ferner kann das Steuergerät über eine Steuerleitung mit dem Spülventil verbunden sein, um in Abhängigkeit vom Ergebnis der Auswer tung das Spülventil anzusteuern bzw. zu öffnen und somit den Rezirkulationspfad zu spülen. Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnung näher erläu tert. Diese zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnung
Das in der Zeichnung schematisch dargestellte Brennstoffzellensystem 1 dient dem Antrieb eines Fahrzeugs. Es stellt lediglich ein mögliches Ausführungsbei spiel eines Brennstoffzellensystems zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens dar.
Das Brennstoffzellensystem umfasst mindestens eine Brennstoffzelle 2 bzw. mehrere Brennstoffzellen 2 in einer gestapelten Anordnung. Einer Kathode 8 des Brennstoffzellensystems 1 wird über einen Kathodengaspfad 10 Luft als Katho dengas zugeführt, während einer Anode 9 des Brennstoffzellensystems 1 über einen Anodengaspfad 3 Wasserstoff als Anodengas zugeführt wird.
Die der Kathode 8 zugeführte Luft wird der Umgebung entkommen. Zuvor wird die Luft mit Hilfe eines im Kathodengaspfads 10 angeordneten Verdichters 12 verdichtet. Über eine ebenfalls im Kathodengaspfad 10 angeordnete Kühleinrich tung 17 wird die Luft nach dem Verdichten wieder heruntergekühlt und mit Hilfe einer nachgeschalteten Befeuchtungseinrichtung 18 zusätzlich befeuchtet. Der Verdichter 12, die Kühleinrichtung 17 und/oder die Befeuchtungseinrichtung 18 ist bzw. sind optional. Aus der mindestens einen Brennstoffzelle 2 austretendes Kathodenabgas wird über einen Kathodenabgaspfad 11 abgeführt. Das Katho denabgas wird dabei einer im Kathodenabgaspfad 11 angeordneten Abgasturbi ne 13 zugeführt, die einen Elektromotor 14 zum Antreiben des im Kathodengas pfad 10 angeordneten Verdichters 12 unterstützt. Die Abgasturbine 13 ist eben falls optional. Der Kathodengaspfad 10 und der Kathodenabgaspfad 11 sind vor liegend in Abhängigkeit von der Schaltstellung eines Bypassventils 16 über einen Bypasspfad 15 verbindbar.
Der als Anodengas dienende Wasserstoff wird in Tanks 19 bevorratet und mit Hilfe einer im Anodengaspfad 3 angeordneten Saugstrahlpumpe 20 der Anode 9 zugeführt. Anodengas, das aus der mindestens einen Brennstoffzelle 2 wieder austritt, wird über einen Rezirkulationspfad 4 in den Anodengaspfad 3 rückge- führt, so dass es dem System nicht verloren geht. Im Rezirkulationspfad 4 ist hierzu ein Rezirkulationsgebläse 22 angeordnet, das jedoch nicht zwingend er forderlich ist.
Da sich das Anodengas über die Zeit mit Stickstoff anreichert, das aus dem Ka thodenbereich in den Anodenbereich diffundiert, muss von Zeit zu Zeit der Rezir kulationspfad 4 gespült werden. Hierzu ist im Rezirkulationspfad 4 stromaufwärts des Rezirkulationsgebläses 22 ein Spülventil 5 angeordnet. Im Anodengas ent haltenes flüssiges Wasser kann zuvor mit Hilfe eines stromaufwärts des Spülven tils 5 im Rezirkulationspfad 4 angeordneten Wasserabscheiders 21 entfernt.
Die Menge an Stickstoff, die aus dem Kathodenbereich in den Anodenbereich diffundiert, ist abhängig vom Alterungszustand der mindestens einen Brennstoff zelle 2, so dass über die Zeit, das heißt mit zunehmendem Alter der Brennstoff zelle 2, auch der Stickstoffanteil des Anodengases steigt, und zwar zu Lasten des Wasserstoffgehalts. Im Ergebnis sinkt die Effizienz der Brennstoffzelle 2.
Um dies zu verhindern, wird erfindungsgemäß der Alterungszustand der Brenn stoffzelle 2 anhand der Zusammensetzung des Anodengases bestimmt. Bei Be darf kann die Brennstoffzelle 2 ausgetauscht werden. Zudem wird in Abhängig keit vom Alterungszustand der mindestens einen Brennstoffzelle 2 der Rezirkula tionspfad 4 gespült. Das heißt, dass nicht - wie sonst üblich - in modellbasierten zeitlichen Abständen gespült wird, sondern bedarfsgerecht. Dadurch verlängern sich die Spülintervalle und die Effizienz des Systems steigt.
Der Alterungszustand der mindestens einen Brennstoffzelle 2 wird durch Ver gleich der Ist-Zusammensetzung, das heißt der aktuell ermittelten Anodengaszu sammensetzung, mit einer Soll-Zusammensetzung bestimmt. Ergibt der Ver gleich eine Änderung der Zusammensetzung, kann hierüber auf eine Alterung bzw. den Alterungszustand der mindestens einen Brennstoffzelle 2 geschlossen werden. Zur Ermittlung der Ist-Zusammensetzung wird ein definierter Betriebs punkt angefahren, so dass die Vergleichbarkeit gewährleistet ist. Mit Hilfe eines Sensors 6, der vorliegend im Kathodenabgaspfad 11 angeordnet ist, wird dann die Ist-Zusammensetzung ermittelt. Der Vergleich der Ist-Zusammensetzung mit der Soll-Zusammensetzung wird mit Hilfe eines Steuergeräts 7 durchgeführt, in dem die Soll-Zusammensetzung als Referenz hinterlegt ist. Alternativ zu der in der Figur dargestellten Anordnung des Sensors 6 kann dieser (Sensor 6‘) auch direkt im Rezirkulationspfad 4 platziert werden.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems (1), insbesondere eines PEM-Brennstoffzellensystems, bei dem mindestens einer Brennstoffzel le (2) über einen Anodengaspfad (3) ein wasserstoffhaltiges Anodengas zuge führt und aus der Brennstoffzelle (2) austretendes Anodengas über einen Rezir- kulationspfad (4) rückgeführt wird, wobei zur Reduzierung eines im Anodengas enthaltenen Stickstoffanteils ein im Rezirkulationspfad (4) angeordnetes Spülven til (5) geöffnet und der Rezirkulationspfad (4) gespült wird, dadurch gekennzeichnet, dass mit Hilfe mindestens eines Sensors (6) die Ist- Zusammensetzung des Anodengases ermittelt wird und durch Vergleich der er mittelten Ist-Zusammensetzung mit einer Soll-Zusammensetzung und/oder einer zu einem früheren Zeitpunkt ermittelten Ist-Zusammensetzung der Alterungszu stand der mindestens einen Brennstoffzelle (2) bestimmt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittlung der Ist-Zusammensetzung des Anodengases ein definierter Betriebspunkt angefahren wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mit Hilfe des Sensors (6) der Wasserstoffgehalt des Anodengases ermittelt wird, anhand des Wasserstoffgehalts der Stickstoff gehalt bestimmt wird und aus dem Stickstoffgehalt der Alterungszustand der mindestens einen Brennstoffzelle (2) abgeleitet wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mit Hilfe des Sensors (6) die Ist- Zusammensetzung des im Rezirkulationspfad (4) vorhandenen Anodengases ermittelt wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mit Hilfe des Sensors (6) die Ist- Zusammensetzung des über das Spülventil (4) abgeführten Anodengases ermit telt wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Alterungszustand der mindestens einen Brennstoffzelle (2) in regelmäßigen zeitlichen Abständen bestimmt wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Alterungszustand des Spülventils (5) und/oder des Sensors (6) berücksichtigt wird und zur Bestimmung des Alte rungszustands des Spülventils (5) und/oder des Sensors (6) der Wasserstoff gehalt des über das Spülventil (5) abgeführten Anodengases in einem definierten Zustand A mit dem Wasserstoffgehalt in einem definierten Zustand B verglichen wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Zustand A im lastfreien Zustand des Brenn stoffzellensystems (1) durch Absenken des Drucks auf der Kathodenseite ge genüber der Anodenseite erreicht wird.
9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Zustand B im Normalbetrieb des Brenn stoffzellensystems (1) durch Anfahren eines definierten Lastpunkts erreicht wird.
10. Steuergerät (7), das dazu eingerichtet ist, ein Verfahren nach einem der vor hergehenden Ansprüche auszuführen.
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