WO2023135121A2 - Verfahren zum betreiben einer brennstoffzelleneinrichtung und brennstoffzelleneinrichtung - Google Patents

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Definitions

  • the present invention relates to a method for operating a fuel cell device and a fuel cell device.
  • Known fuel cells can be operated on the basis of hydrogen, with these only emitting water as an exhaust gas and enabling fast refueling times, and are therefore considered a mobility concept of the future.
  • the coolant can be heated either outside the stack or by the electrochemical reaction in the stack. In both cases, this can prolong the start-up process (e.g. reaching 50% of the load after 30s at -30°C). Furthermore, it may be necessary to increase the ice tolerance of the cells (and the system) due to the constant cooling below 0°C. This can be achieved, for example, by installing ice buffers in the cells, heaters in the system, DE112006003013B4 describes a tank with a fitting and a valve, the valve being fixed in the fitting.
  • the present invention provides a method for operating a fuel cell device according to claim 1 and a fuel cell device according to claim 10.
  • the idea on which the present invention is based is to specify a method for operating a fuel cell device and a fuel cell device, in which an operating strategy for shutting down a vehicle and thereby reducing internal humidification of a fuel cell stack during the drying process of the fuel cell stack can be achieved.
  • the method according to the invention and the fuel cell device designed for this purpose enable the fuel cell stack to dry more quickly, which can lead to an increase in the energy efficiency of the fuel cell.
  • a comfort behavior can also be achieved in the run-on of the control unit (a fuel cell control unit (FCCU) can have a run-on mode after the vehicle is switched off in order to dry out the fuel cell operation), by reducing the duration of the unmanned operation of components after the vehicle is switched off associated noise level.
  • FCCU fuel cell control unit
  • the reliability of the drying of the cells can be increased, which can lead to a safer and more robust freezing start, especially under extreme outside conditions (low temperatures).
  • a reduction in the costs of the fuel cell device can be achieved since, for example, ice buffer measures in the stack and system can be dispensed with or this effort can be significantly reduced.
  • an increase in the service life of the stack can be achieved by reducing the duration of the drying process with an associated reduction in local drying out of the membrane and preventing or reducing cell icing, which can lead to irreversible damage, during a freeze start.
  • a predetermined hydrogen concentration is ensured in an anode circuit of the fuel cell stack in the method; shutting off hydrogen recirculation in the anode circuit or reducing hydrogen recirculation in the anode circuit to or below a predetermined recirculation flow rate; and drying a cathode of the fuel cell stack.
  • the hydrogen concentration can be increased, e.g. by means of a longer purge process. This can be ensured with a purge process, in which case the hydrogen in the anode circuit can be replaced and attention can be paid to the amount of hydrogen fed out or fed in, and the pressure conditions and/or hydrogen concentration in the anode circuit after the purge process can thus be inferred .
  • the determined hydrogen concentration is compared with a default value or default interval for the hydrogen concentration and the hydrogen concentration in the anode circuit is adjusted at least to the default value or in the default interval; shutting off hydrogen recirculation in the anode circuit or reducing hydrogen recirculation in the anode circuit to or below a predetermined recirculation flow rate; and drying a cathode of the fuel cell stack.
  • the default value or the default interval can be specified by a manufacturer or a user of the fuel cell stack and stored in the control device or can be received by it and set in such a way that an expected functionality and a desired functional framework of the operation of the fuel cell stack can be achieved while complying with this default value or Default interval can be achieved.
  • Adjusting the hydrogen concentration can be accomplished by valves for venting or admitting the hydrogen into the anode circuit, such as from a hydrogen supply or to a hydrogen bleed.
  • the cathode is dried by an air flow through the stack (stack) with clearly over-stoichiometric ratios.
  • the predetermined recirculation volume flow can correspond to such a recirculation volume flow in the anode circuit as is necessary for a normal or average or desired mode of operation/performance of the fuel cell stack and is selected by the manufacturer or user and can be stored in the control device or can be received by it.
  • a correspondingly effective drying process when the vehicle is parked can be decisive.
  • the shutdown phase relates to the cessation of vehicle operation and a subsequent idle time of the vehicle and the drive and a starting phase that follows after a longer period of time, for example at low outside temperatures.
  • the hydrogen concentration is compared with a default value or default interval for the hydrogen concentration and the hydrogen concentration in the anode circuit is adjusted at least to the default value or in the default interval.
  • a need for the drying of the cathode of the fuel cell stack of the fuel cell device is recognized and an operating mode of the fuel cell stack is subsequently assumed with the drying. This can be triggered, for example, by prevailing or expected ambient temperatures below 0°C.
  • the operating mode of the fuel cell stack for drying can relate to drying at the cathode according to the invention with a monitoring method (loop method) for recirculating and/or supplying hydrogen in the anode circuit.
  • an environmental control device is used to determine whether the cathode of the fuel cell stack is to be dried and/or a command is received from a user that the cathode of the fuel cell stack is to be dried.
  • the fuel cell stack after shutting down the operation of the fuel cell stack, starts to freeze during drying.
  • the freezing start corresponds to a start of the operation of the fuel cell stack (the necessary supply of the reaction gases and the operation of the components/parts necessary for this) at or below 0° C. of the environment of the vehicle.
  • a hydrogen supply to the anode circuit is switched off or the hydrogen supply to the anode circuit is reduced to or below a predetermined supply volume flow.
  • an anode pressure of the hydrogen in the anode circuit at the anode is monitored until it reaches or falls below a lower specified value for the anode pressure and it is then determined whether the drying is complete and if it is determined that the drying is completed, subsequently the drying is finished.
  • the hydrogen supply is switched on again or increased and thereafter the anode pressure is monitored until the anode pressure exceeds or reaches an upper set value for the anode pressure and subsequently the hydrogen circulation reducing or turning off again and reducing or turning off the hydrogen supply and monitoring the anode pressure until the anode pressure is less than or equal to the low anode pressure set point and thereafter determining again whether the drying is complete and when it is determined that the drying is complete, subsequently stopping the drying and if it is determined that the drying is not yet complete, increasing or turning on the hydrogen supply again and repeating the regulation of the anode pressure between the upper and lower set points until the drying is complete.
  • the method can be in a loop process as long as the drying has not yet been completed, in other words as long as a corresponding parameter for the drying has not yet reached or exceeded/below its target value.
  • the anode pressure can be regulated between the upper and lower preset values during the control of the recirculation and/or supply of hydrogen.
  • the operation can be time-controlled, for example, it being possible to interrupt after a certain drying time and to check whether the next freezing start is successful.
  • a measurement of the cathode or anode outlet moisture, a visual observation of the water in the exhaust, the impedance of the membrane, or other things can be done, and conclusions can be drawn about the degree of drying.
  • the hydrogen recirculation is also increased or switched on immediately after the hydrogen supply has been increased or switched on.
  • the hydrogen recirculation can thus also be increased or switched on each time the hydrogen supply is increased or switched on.
  • This can be particularly useful for systems with passive or partially passive hydrogen recirculation, since recirculation can be maintained as long as the hydrogen supply can remain on.
  • the hydrogen supply and/or the hydrogen circulation is reduced and/or increased according to a sawtooth pattern.
  • the fuel cell device comprises a fuel cell stack with an anode and a cathode; a hydrogen recirculation circuit at the anode; a hydrogen supply connected to the anode and/or to the hydrogen recirculation circuit; a water drain at the cathode; a control device which is connected to the hydrogen supply and/or to the hydrogen recirculation circuit and/or to the water outlet and is set up to carry out a method according to the invention.
  • this includes a pressure sensor on the anode, with which an anode pressure can be determined by the control device and the anode pressure can be compared with an upper default value and/or with a lower default value for the anode pressure.
  • the fuel cell device can also be characterized by the features and advantages mentioned in connection with the method and vice versa.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a fuel cell device according to an exemplary embodiment of the present invention
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a course of the method according to an exemplary embodiment of the present invention
  • FIG. 3 shows a block diagram of method steps of the method for operating a fuel cell device according to one Embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a fuel cell device according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • the fuel cell device 10 includes a fuel cell stack BS with an anode A and a cathode K; a hydrogen recirculation circuit WZK at the anode A; a hydrogen supply WZ, which is connected to the anode and/or to the hydrogen recirculation circuit WZK; a water drain WA at the cathode K; a control device SE, which is connected to the hydrogen supply WZ (e.g. a valve for the hydrogen supply) and/or to the hydrogen recirculation circuit WZK and/or to the water outlet WA for draining water and thus for drying the cathode and is set up to do so Procedure to carry out and to control the affected components in such a way.
  • a hydrogen supply WZ e.g. a valve for the hydrogen supply
  • WZK e.g. a valve for the hydrogen supply
  • the fuel cell device 10 can include a pressure sensor DS on the anode A, with which an anode pressure can be determined by the control device, the anode pressure can be determined with an upper default value and/or with a lower default value for the anode pressure.
  • the control device SE can also be connected to other valves and sensors and pumps in the fuel cell device.
  • a component of the water drain WA can also be present on the anode side in the hydrogen recirculation circuit WZK, for this purpose a water separator on the anode side can include a first valve VI for hydrogen and a second valve V2 (each for draining) for water or multiple valves.
  • the hydrogen supply can be connected to a circulation pump ZP.
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a course of the method according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 A loop method is shown in FIG. 2, it being possible for the method according to the invention to be carried out in accordance with this or a similar loop form.
  • the drying process of the fuel cells can generally be divided into a number of operating and method steps between switching on (starting) drying ST and ending drying EN.
  • the end of the drying EN can be achieved when a predetermined degree of moisture has been removed from the cells and/or the exhaust gas on the cathode side below a predetermined tolerable residual moisture value or residual water content on the cathode side.
  • an environmental control device sensor, interface with a user or an optical or electronic monitoring device
  • a command is received from a user
  • This can advantageously be done in conjunction with knowledge of an imminent longer standstill time of the vehicle when the fuel cell device is switched off.
  • the fuel cell stack can be started to freeze.
  • a hydrogen concentration can be ensured (S1) in an anode circuit (for example in the feed and recirculation run to the anode) of the fuel cell stack and then or at the same time the determined hydrogen concentration can be compared (S2) with a default value or default interval for the hydrogen concentration and an adjustment (S3) the hydrogen concentration in the anode circuit is brought to at least the default value or in the default interval and the hydrogen concentration is raised, lowered or maintained in this default value or default interval.
  • This step can advantageously represent the provision SL1 of the necessary hydrogen concentration in the anode circuit, which can be necessary for a drying process and/or for operating the fuel cell.
  • hydrogen recirculation in the anode circuit can be switched off or reduced (S4, S4a) to or below a predetermined recirculation volume flow.
  • a hydrogen supply to the anode circuit can now be switched off or the hydrogen supply to the anode circuit can be reduced to or below a predetermined supply volume flow.
  • an anode pressure of the hydrogen in the anode circuit at the anode can be monitored until this one reaches or falls below the lower specified value for the anode pressure and if the anode pressure is in this value range, it is then determined in a next step SL4 whether the drying is complete, and if it is determined that the drying is complete (condition j), then the drying is ended in step EN, and if it is determined that the drying is not yet complete (condition n), the hydrogen supply is switched on again or increased in the subsequent step SL5 and then optionally in the next step SL5a the hydrogen recirculation can be switched on or increased.
  • the anode pressure can be monitored in a subsequent step SL6 until the anode pressure exceeds or reaches an upper default value for the anode pressure and then step SL2 is carried out again and the hydrogen circulation is reduced again or switched off and the steps SL2 to SL4 already mentioned can be repeated and, in the case of the completed drying process, the drying in EN can be ended after step SL4, or else the loop with steps SL5 to SL6 can be carried out again and back to Switching off or reducing the recirculation can be achieved and carried out with step SL2 and the subsequent loop.
  • the drying process After the drying process has started, it can therefore first be ensured that there is a sufficiently high hydrogen concentration in the anode circuit, which can be done by introducing sufficient hydrogen and/or a so-called detailed “purge” and measuring the hydrogen concentration accordingly.
  • the recirculation can then be switched off, for example by switching off the recirculation fan or by greatly reducing it.
  • the internal humidification of the cells can be switched off or greatly reduced and water can be efficiently removed from the cells by drying the cathode.
  • An additional, optional measure can be to switch off or reduce the hydrogen supply. This is particularly useful for systems with passive or partially passive hydrogen recirculation, since recirculation can be maintained as long as the hydrogen supply remains on.
  • the hydrogen supply can be switched on again or increased or becomes optional the hydrogen recirculation increased again.
  • a certain threshold for example the lower preset value of for example 1.1 bar
  • the drying process has not yet been completed
  • the hydrogen supply can be switched on again or increased or becomes optional the hydrogen recirculation increased again.
  • the switching on and off of the hydrogen recirculation or supply can be time-based during the loop or independently of it. Furthermore, it can be regulated with the aid of direct or indirect detection of the hydrogen concentration in the anode circuit. Furthermore, the reduction or increase in hydrogen recirculation or supply can be sawtooth-like.
  • FIG. 3 shows a block diagram of method steps of the method for operating a fuel cell device according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • a predetermined hydrogen concentration is ensured S1 in an anode circuit of the fuel cell stack; switching off S4 a hydrogen recirculation in the anode circuit or reducing S4a the hydrogen recirculation in the anode circuit to or below a predetermined recirculation volume flow; and drying S5 of a cathode of the fuel cell stack.
  • the hydrogen concentration can be compared S2 with a default value or default interval for the hydrogen concentration and the hydrogen concentration in the anode circuit can be adjusted S3 at least to the default value or in the default interval.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung schafft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzelleneinrichtung (10), umfassend ein Sicherstellen (S1) einer vorbestimmten Wasserstoffkonzentration in einem Anodenkreis des Brennstoffzellenstapels (BS); ein Abschalten (S4) einer Wasserstoffrezirkulation im Anodenkreis oder Reduzieren (S4a) der Wasserstoffrezirkulation im Anodenkreis auf oder unter einen vorbestimmten Rezirkulationsvolumenstrom und ein Trocknen (S5) einer Kathode des Brennstoffzellenstapels (BS).

Description

Beschreibung
Titel
Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzelleneinrichtung und
Brennstoffzelleneinrichtung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzelleneinrichtung und eine Brennstoffzelleneinrichtung.
Stand der Technik
Bekannte Brennstoffzellen können auf Basis von Wasserstoff betrieben werden, wobei diese nur Wasser als Abgas emittieren und eine schnelle Betankungszeiten ermöglichen, und folglich als ein Mobilitätskonzept der Zukunft gelten.
Bekannte Brennstoffzellensysteme brauchen Luft und Wasserstoff für die chemische Reaktion, wobei üblicherweise die Abwärme des Brennstoffzellenstapels mittels eines Kühlkreises abgeführt werden kann und an dem Hauptfahrzeugkühler an die Umgebung abgegeben werden kann. Dabei kann es von Vorteil sein, dass bei einem Start des Brennstoffzellensystems, insbesondere unter 0°C, der Stapel so schnell wie möglich aufgeheizt werden kann. Diesbezüglich kann eine schnelle Aufheizung dafür sorgen, dass keine oder nahezu keine Wasser- oder Eisansammlung stattfindet, wodurch eine Fortführung des Starts erschwert oder verhindern werden würde. Die Gefahr für eine Vereisung kann allerdings erst verringert oder vermieden werden, wenn das Kühlmittel über 0°C erwärmt worden ist, wodurch Gefrierbedingungen verringert oder vermieden werden können, wenn das Kühlmittel in den Stack hineingepumpt wird.
Bei solchen Gefrierstarts unter 0°C nach dem üblichen Vorgehen kann das Kühlmittel entweder außerhalb des Stapels oder durch die elektrochemische Reaktion im Stapel aufgeheizt werden. In beiden Fällen kann dadurch der Startprozess in die Länge gezogen werden (beispielsweise eine Erreichung von 50% der Last nach 30s bei -30°C). Ferner kann es dabei notwendig sein, die Eistoleranz der Zellen (und des Systems) auf Grund der ständigen Abkühlung unter 0°C zu erhöhen. Dies kann beispielsweise durch Einbau von Eispuffern in den Zellen, Heizer im System, erzielt werden, In der DE112006003013B4 wird ein Tank mit einer Armatur und einem Ventil beschrieben, wobei das Ventil in der Armatur befestigt ist.
Offenbarung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung schafft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzelleneinrichtung nach Anspruch 1 und eine Brennstoffzelleneinrichtung nach Anspruch 10.
Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Vorteile der Erfindung
Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Idee besteht darin, ein Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzelleneinrichtung und eine Brennstoffzelleneinrichtung anzugeben, wobei eine Betriebsstrategie zum Abstellen eines Fahrzeugs und dabei eine Reduzierung einer inneren Befeuchtung eines Brennstoffzellenstapels während des Trocknungsvorganges des Brennstoffzellenstapels erzielt werden kann.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren und die dazu ausgelegte Brennstoffzelleneinrichtung kann ein schnellerer Trocknungsvorgang des Brennstoffzellenstapels erreicht werden, was zu einer Erhöhung der Energieeffizienz der Brennstoffzelle führen kann. Dabei kann auch ein Komfortverhalten im Nachlauf des Steuergerätes erreicht werden (eine Kontrolleinheit der Brennstoffzelle (FCCU) kann nach Abstellen des Fahrzeuges einen Nachlaufbetrieb haben, um den Brennstoffzellen betrieb zu trocknen), durch Reduzierung der Dauer des unbemannten Betriebes von Komponenten nach Abstellung des Fahrzeuges mit einhergehendem Geräuschpegel.
Des Weiteren kann eine Zuverlässigkeit der Trocknung der Zellen erhöht werden, was zu einem sichereren und robusteren Gefrierstart führen kann, insbesondere auch bei extremen Außenbedingungen (niedrigen Temperaturen).
Des Weiteren kann eine Reduzierung der Kosten der Brennstoffzelleneinrichtung erzielt werden, da beispielsweise auf Eispuffermaßnahmen im Stapel und System verzichtet werden kann oder dieser Aufwand deutlich reduziert werden kann.
Des Weiteren kann eine Erhöhung der Lebensdauer des Stapels durch Reduzierung der Dauer des Trocknungsvorganges mit einhergehender Reduzierung der lokalen Austrocknung der Membran und Verhinderung oder Verminderung von Zellvereisungen, die zu irreversiblen Schäden führen können, während eines Gefrierstarts, erzielt werden. Erfindungsgemäß erfolgt bei dem Verfahren ein Sicherstellen einer vorbestimmten Wasserstoffkonzentration in einem Anodenkreis des Brennstoffzellenstapels; ein Abschalten einer Wasserstoffrezirkulation im Anodenkreis oder Reduzieren der Wasserstoffrezirkulation im Anodenkreis auf oder unter einen vorbestimmten Rezirkulationsvolumensstrom; und ein Trocknen einer Kathode des Brennstoffzellenstapels.
Nach dem Verfahren kann zum Betreiben einer Brennstoffzelleneinrichtung eine Erhöhung der Wasserstoffkonzentration z.B. durch einen längeren Purgeprozess erfolgen. Das Sicherstellen kann dabei mit einem Purgeprozess erfolgen, wobei ein Austauschen des Wasserstoffs im Anodenkreis erfolgen kann und dabei auf die herausgeleitete oder auf die hineingeleitete Menge des Wasserstoffs geachtet werden kann und dadurch auf die Druckverhältnisse und/oder Wasserstoffkonzentration im Anodenkreis nach dem Purgeprozess rückgeschlossen werden kann. Bei gegebener Messmöglichkeit einer Wasserstoffkonzentration erfolgt während dieser Erhöhung/Sicherstellen ein Vergleichen der ermittelten Wasserstoffkonzentration mit einem Vorgabewert oder Vorgabeintervall für die Wasserstoffkonzentration und Angleichen der Wasserstoffkonzentration im Anodenkreis zumindest an den Vorgabewert oder in das Vorgabeintervall; ein Abschalten einer Wasserstoffrezirkulation im Anodenkreis oder Reduzieren der Wasserstoffrezirkulation im Anodenkreis auf oder unter einen vorbestimmten Rezirkulationsvolumensstrom; und ein Trocknen einer Kathode des Brennstoffzellenstapels.
Der Vorgabewert oder das Vorgabeintervall kann von einem Hersteller oder einem Nutzer des Brennstoffzellenstapels vorgeben sein und in der Steuereinrichtung gespeichert sein oder von dieser empfangbar sein und derart gesetzt sein, dass eine zu erwartende Funktionsweise und ein gewünschter Funktionsrahmen des Betriebs des Brennstoffzellenstapels unter Einhaltung dieses Vorgabewerts oder Vorgabeintervalls erreicht werden kann. Das Angleichen der Wasserstoffkonzentration kann durch Ventile zum Ablassen oder Einlassen des Wasserstoffs in den Anodenkreis erzielt werden, etwa von einer Wasserstoffzufuhr oder an einen Wasserstoffablass.
Das Trocknen der Kathode erfolgt durch eine Luftströmung durch den Stack (Stapel) mit deutlich überstöchiometrischen Verhältnissen.
Der vorbestimmte Rezirkulationsvolumensstrom kann einem solchen Rezirkulationsvolumensstrom im Anodenkreis entsprechen, wie er zu einer üblichen oder durchschnittlichen oder erwünschten Betriebsweise/Leistung des Brennstoffzellenstapels notwendig ist und vom Hersteller oder Nutzer gewählt wird und derart in der Steuereinrichtung hinterlegt sein kann oder von dieser empfangen werden kann. Es kann ein entsprechend wirksamer Trocknungsvorgang in der Abstellphase des Fahrzeugs ausschlaggebend sein. Die Abstellphase betrifft das Einstellen des Fahrzeugbetriebs und eine nachfolgende Standzeit des Fahrzeugs und des Antriebs und eine nach längerer Zeit nachfolgende Startphase, etwa bei niedrigen Außentemperaturen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens erfolgt für das Sicherstellen ein Vergleichen der Wasserstoffkonzentration mit einem Vorgabewert oder Vorgabeintervall für die Wasserstoffkonzentration und ein Angleichen der Wasserstoffkonzentration im Anodenkreis zumindest an den Vorgabewert oder in das Vorgabeintervall.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens erfolgt ein Erkennen einer Notwendigkeit für das Trocknen der Kathode des Brennstoffzellenstapels der Brennstoffzelleneinrichtung und ein nachfolgendes Einnehmen einer Betriebsart des Brennstoffzellenstapels mit dem Trocknen. Das kann z.B. durch vorherrschende oder erwarteten Umgebungstemperaturen unter 0°C angetriggert werden.
Die Betriebsart des Brennstoffzellenstapels zum Trocknen kann ein erfindungsgemäßes Trocknen an der Kathode mit einem Überwachungsverfahren (Schleifenverfahren) zur Rezirkulation und/oder Zufuhr von Wasserstoff im Anodenkreis betreffen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird vor dem Abschalten des Brennstoffzellenprozesses über eine Umgebungskontrolleinrichtung ermittelt, ob das Trocknen der Kathode des Brennstoffzellenstapels erfolgen soll und/oder von einem Nutzer ein Befehl empfangen wird, dass das Trocknen der Kathode des Brennstoffzellenstapels erfolgen soll.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens erfolgt nach dem Abstellen des Betriebs des Brennstoffzellenstapels mit dem Trocknen ein Gefrierstart des Brennstoffzellenstapels.
Der Gefrierstart entspricht dabei einem Start des Betriebs des Brennstoffzellenstapels (der notwendigen Zuführung der Reaktionsgase und der Betrieb dazu notwendiger Komponenten/Bauteile) an oder unterhalb von 0°C der Umgebung des Fahrzeugs.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens erfolgt nach dem Abschalten oder Reduzieren der Wasserstoffrezirkulation oder zum Reduzieren der Wasserstoffrezirkulation ein Abschalten einer Wasserstoffzufuhr in den Anodenkreis oder Reduzieren der Wasserstoffzufuhr in den Anodenkreis auf oder unter einen vorbestimmten Zufuhrvolumensstrom. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird nach dem Abschalten oder Verringern der Wasserstoffzufuhr ein Anodendruck des Wasserstoffs im Anodenkreis an der Anode überwacht bis dieser einen unteren Vorgabewert für den Anodendruck erreicht oder unterschreitet und nachfolgend wird ermittelt, ob das Trocknen abgeschlossen ist, und wenn ermittelt wird, dass das Trocknen abgeschlossen ist, nachfolgend das Trocknen beendet wird.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird wenn ermittelt wird, dass das Trocknen noch nicht abgeschlossen ist, die Wasserstoffzufuhr wieder eingeschaltet oder erhöht wird und danach der Anodendruck überwacht wird, bis der Anodendruck einen oberen Vorgabewert für den Anodendruck überschreitet oder erreicht und nachfolgend wird die Wasserstoffzirkulation wieder reduziert oder abgeschaltet und die Wasserstoffzufuhr reduziert oder abgeschaltet und der Anodendruck überwacht, bis der Anodendruck den unteren Vorgabewert für den Anodendruck unterschreitet oder erreicht und nachfolgend wieder ermittelt wird, ob das Trocknen abgeschlossen ist, und wenn ermittelt wird, dass das Trocknen abgeschlossen ist, nachfolgend das Trocken eingestellt wird und wenn ermittelt wird, dass das Trocknen noch nicht abgeschlossen ist, die Wasserstoffzufuhr wieder erhöht oder eingeschaltet wird und die Regulierung des Anodendrucks zwischen dem oberen und unteren Vorgabewert wiederholt wird bis das Trocknen abgeschlossen ist.
Das Verfahren kann sich in einem Schleifenprozess befinden, solange des Trocknen noch nicht abgeschlossen ist, solange mit anderen Worten ein entsprechender Parameter für die Trocknung noch nicht dessen Zielwert erreicht oder überschritten/unterschritten hat. Die Regulierung des Anodendrucks zwischen dem oberen und unteren Vorgabewert kann erfindungsgemäß während der Steuerung der Rezirkulation und/oder Zufuhr von Wasserstoff erfolgen. Es kann zum Erkennen, ob das Trocknen noch nicht abgeschlossen ist, beispielsweise der Betrieb zeitgesteuert erfolgen, wobei nach einer bestimmten Trocknungszeit unterbrochen werden kann und geprüft werden kann, ob der nächste Gefrierstart gelingt. Andererseits kann eine Messung der Kathoden- bzw. Anodenaustrittsfeuchte, eine visuelle Beobachtung vom Wasser im Auspuff, Impedanz der Membran, oder Weiteres erfolgen, und auf den Trocknungsgrad rückgeschlossen werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird unmittelbar nach dem Erhöhen oder Einschalten der Wasserstoffzufuhr auch die Wasserstoffrezirkulation erhöht oder eingeschaltet.
In dem Schleifenprozess kann so nach jedem Erhöhen oder Einschalten der Wasserstoffzufuhr auch die Wasserstoffrezirkulation erhöht oder eingeschaltet werden. Dis kann insbesondere für Systeme mit passiver oder teilweise passiver Wasserstoffrezirkulation sinnvoll sein, da die Rezirkulation solange aufrechterhalten werden kann, wie die Wasserstoffzufuhr eingeschaltet bleiben kann. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens erfolgt ein Reduzieren und/oder Erhöhen der Wasserstoffzufuhr und/oder der Wasserstoffzirkulation nach einem Sägezahnmuster. Dadurch kann der Vorteil des Verfahrens z.B. bei niedriger Wasserstoffzirkulation mit der Möglichkeit kombiniert werden, in Phasen mit großer Wasserstoffzirkulation Wasser aus dem Anodenkreis auszutragen.
Erfindungsgemäß umfasst die Brennstoffzelleneinrichtung einen Brennstoffzellenstapel mit einer Anode und einer Kathode; einen Wasserstoffrezirkulationskreis an der Anode; eine Wasserstoffzufuhr, welche mit der Anode und/oder mit dem Wasserstoffrezirkulationskreis verbunden ist; einen Wasserablass an der Kathode; eine Steuereinrichtung, welche mit der Wasserstoffzufuhr und/oder mit dem Wasserstoffrezirkulationskreis und/oder mit dem Wasserablass verbunden ist und dazu eingerichtet ist, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Brennstoffzelleneinrichtung umfasst diese einen Drucksensor an der Anode, mit welchem ein Anodendruck durch die Steuereinrichtung ermittelbar ist und der Anodendruck mit einem oberen Vorgabewert und/oder mit einem unteren Vorgabewert für den Anodendruck vergleichbar ist.
Die Brennstoffzelleneinrichtung kann sich auch durch die in Verbindung mit dem Verfahren genannten Merkmale und Vorteile auszeichnen und umgekehrt.
Weitere Merkmale und Vorteile von Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren der Zeichnung angegebenen Ausführungsbeispiele näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Brennstoffzelleneinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Verlaufs des Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
Fig. 3 eine Blockdarstellung von Verfahrensschritten des Verfahrens zum Betreiben einer Brennstoffzelleneinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente.
Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Brennstoffzelleneinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Die Brennstoffzelleneinrichtung 10 umfasst einen Brennstoffzellenstapel BS mit einer Anode A und einer Kathode K; einen Wasserstoffrezirkulationskreis WZK an der Anode A; eine Wasserstoffzufuhr WZ, welche mit der Anode und/oder mit dem Wasserstoffrezirkulationskreis WZK verbunden ist; einen Wasserablass WA an der Kathode K; eine Steuereinrichtung SE, welche mit der Wasserstoffzufuhr WZ (beispielsweise einem Ventil für die Wasserstoffzufuhr) und/oder mit dem Wasserstoffrezirkulationskreis WZK und/oder mit dem Wasserablass WA zum Ablassen von Wasser und damit zum Trocknen der Kathode verbunden ist und dazu eingerichtet ist, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen und die betroffenen Komponenten derart zu steuern. Die Brennstoffzelleneinrichtung 10 kann einen Drucksensor DS an der Anode A umfassen, mit welchem ein Anodendruck durch die Steuereinrichtung ermittelbar ist der Anodendruck mit einem oberen Vorgabewert und/oder mit einem unteren Vorgabewert für den Anodendruck ermittelbar ist. Die Steuereinrichtung SE kann auch mit weiteren Ventilen und Sensoren und Pumpen in der Brennstoffzelleneinrichtung verbunden sein.
Eine Komponente des Wasserablasses WA kann auch an der Anodenseite im Wasserstoffrezirkulationskreis WZK vorhanden sein, dazu kann ein Wasserabscheider an der Anodenseite ein erstes Ventil VI für Wasserstoff und ein zweites Ventil V2 (jeweils zum Ablassen) für Wasser oder mehrere Ventile umfassen. Die Wasserstoffzufuhr kann an einer Zirkulationspumpe ZP anschließen.
Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung eines Verlaufs des Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
In der Figur 2 wird ein Schleifenverfahren gezeigt, wobei das erfindungsgemäße Verfahren gemäß einer solchen oder ähnlichen Schleifenform durchgeführt werden kann.
Nach dem Verfahren der Fig. 2 kann allgemein der Trocknungsprozess der Brennstoffzellen vor einem Abstellen des Fahrzeugs und vor einem Einstellen des Betriebs der Brennstoffzelle in mehrere Betriebs- und Verfahrensschritte zwischen einem Einschalten (Beginn) des Trocknens ST und einem Beenden des Trocknens EN aufgeteilt werden. Das Beenden des Trocknens EN kann dabei dann erreicht werden, wenn ein vorbestimmter Feuchtigkeitsgrad aus den Zellen und/oder dem Abgas an der Kathodenseite abgeführt wurde oder ein vorbestimmter tolerabler Restfeuchtewert oder Restwassergehalt an der Kathodenseite unterschritten wurde.
Es kann vor dem Abschalten oder Einschalten des Brennstoffzellen prozesses über eine Umgebungskontrolleinrichtung (Sensor, Schnittstelle mit einem Nutzer oder einer optischen oder elektronischen Überwachungseinrichtung) ermittelt werden, ob das Trocknen der Kathode des Brennstoffzellenstapels erfolgen soll und/oder von einem Nutzer ein Befehl empfangen wird, dass das Trocknen der Kathode des Brennstoffzellenstapels erfolgen soll. Dies kann vorteilhaft in Verbindung mit einer Kenntnis über eine bevorstehende längere Standzeit des Fahrzeugs im abgeschalteten Zustand der Brennstoffzelleneinrichtung geschehen. Nach einem derartigen Trocknungsvorgang kann nach dem Abstellen des Betriebs des Brennstoffzellenstapels ein Gefrierstart des Brennstoffzellenstapels erfolgen.
Zuerst kann ein Sicherstellen (Sl) einer Wasserstoffkonzentration in einem Anodenkreis (beispielsweise im Zulauf und Rezirkulationslauf zur Anode) des Brennstoffzellenstapels erfolgen und anschließend oder dabei ein Vergleichen (S2) der ermittelten Wasserstoffkonzentration mit einem Vorgabewert oder Vorgabeintervall für die Wasserstoffkonzentration und ein Angleichen (S3) der Wasserstoffkonzentration im Anodenkreis zumindest an den Vorgabewert oder in das Vorgabeintervall erfolgen und die Wasserstoffkonzentration in diesen Vorgabewert oder Vorgabeintervall angehoben, abgesenkt oder beibehalten werden. Dieser Schritt kann vorteilhaft das Bereitstellen SL1 der notwendigen Wasserstoffkonzentration im Anodenkreis darstellen, welche für einen Trocknungsvorgang und/oder zum Betrieb der Brennstoffzelle notwendig sein kann.
In einem nachfolgenden Schritt SL2 kann ein Abschalten oder Reduzieren (S4, S4a) einer Wasserstoffrezirkulation im Anodenkreis auf oder unter einen vorbestimmten Rezirkulationsvolumenstrom erfolgen.
In einem weiteren nachfolgenden optionalen Schritt SL2a kann nun ein Abschalten einer Wasserstoffzufuhr in den Anodenkreis oder Reduzieren der Wasserstoffzufuhr in den Anodenkreis auf oder unter einen vorbestimmten Zufuhrvolumenstrom erfolgen.
In einem weiteren nachfolgenden Schritt SL3 kann nach dem Abschalten oder Verringern der Wasserstoffzufuhr, oder falls der Schritt SL2a des Abschaltens der Wasserstoffzufuhr nicht erfolgte und nur eine Reduzierung oder Abschaltung der Rezirkulation erfolgte, ein Anodendruck des Wasserstoffs im Anodenkreis an der Anode überwacht werden bis dieser einen unteren Vorgabewert für den Anodendruck erreicht oder unterschreitet und wenn sich der Anodendruck in diesem Wertebereich befindet nachfolgend in einem nächsten Schritt SL4 ermittelt werden, ob das Trocknen abgeschlossen ist, und wenn ermittelt wird, dass das Trocknen abgeschlossen ist (Bedingung j), nachfolgend das Trocknen im Schritt EN beendet wird, und wenn ermittelt wird, dass das Trocknen noch nicht (Bedingung n) abgeschlossen ist, die Wasserstoffzufuhr im nachfolgenden Schritt SL5 wieder eingeschaltet oder erhöht wird und danach optional im nächsten Schritt SL5a ein Einschalten oder Erhöhen der Wasserstoffrezirkulation erfolgen kann.
Nach dem Erhöhen oder Einschalten der Wasserstoffzufuhr oder auch der optionalen Einschaltung oder Erhöhung der Rezirkulation im Schritt SL5a kann in einem nachfolgenden Schritt SL6 der Anodendruck überwacht werden, bis der Anodendruck einen oberen Vorgabewert für den Anodendruck überschreitet oder erreicht und nachfolgend wird der Schritt SL2 erneut ausgeführt und die Wasserstoffzirkulation wieder reduziert oder abgeschaltet und es können die bereits genannten Schritte SL2 bis SL4 wiederholt werden und im Falle des abgeschlossenen Trocknungsvorgangs nach dem Schritt SL4 das Trocknen in EN beendet werden oder ansonsten die Schleife mit den Schritten SL5 bis SL6 erneut erfolgen und wieder zum Abschalten oder Verringern der Rezirkulation mit dem Schritt SL2 und der nachfolgenden Schleife erreicht und durchgeführt werden.
Es kann demnach, nachdem der Trocknungsvorgang gestartet wird, zunächst sichergestellt werden, dass eine ausreichend hohe Wasserstoffkonzentration im Anodenkreis vorherrscht, was durch eine ausreichende Einleitung von Wasserstoff und/oder ein sogenanntes ausführliches „Purgen“ und eine entsprechende Messung der Wasserstoffkonzentration erfolgen kann. In weiterer Folge kann die Rezirkulation abgeschaltet werden, etwa durch Abschaltung des Rezirkulationsgebläses bzw. stark reduziert werden. Dadurch kann die innere Befeuchtung der Zellen abgeschaltet bzw. stark reduziert werden und durch die Trocknung der Kathode kann Wasser aus den Zellen effizient entfernt werden. Eine zusätzliche, optionale Maßnahme kann die Abschaltung bzw. Reduzierung der Wasserstoffzufuhr sein. Das ist insbesondere für Systeme mit passiver oder teilweise passiver Wasserstoffrezirkulation sinnvoll, da die Rezirkulation solange aufrechterhalten werden kann, wie die Wasserstoffzufuhr eingeschaltet bleibt.
Falls die Wasserstoffzufuhr vollständig abgeschaltet wird und der Anodendruck unter eine bestimmte Schwelle fällt oder diese erreicht, beispielsweise den unteren Vorgabewert von beispielsweise 1,1 bar, und der Trocknungsvorgang noch nicht abgeschlossen worden ist, kann die Wasserstoffzufuhr wieder eingeschaltet bzw. erhöht werden oder optional wird die Wasserstoffrezirkulation wieder erhöht. Diese Maßnahmen können erforderlich sein um sicherzustellen, dass keine Wasserstoffarmut und somit Zellendegradation stattfindet oder die Gefahr dazu zumindest verringert ist. Steigt der Anodendruck über eine Schwelle, also den oberen Vorgabewert von z.B. 1,4 bar an oder erreicht diesen, kann die Wasserstoffrezirkulation bzw. -Zufuhr wieder abgeschaltet werden. Durch diese Regelung kann ebenfalls sichergestellt sein, dass die Druckdifferenzen zur Kathode nicht zu hoch (z.B. über 0,5 bar) werden kann oder die Gefahr dazu zumindest verringert werden. Alternativ zu dieser genannten Betriebsstrategie kann die Ab- und Einschaltung der Wasserstoffrezirkulation bzw. -Zufuhr, während der Schleife oder unabhängig von dieser zeitbasiert sein. Ferner kann sie mit Hilfe einer mittelbaren oder unmittelbaren Erfassung der Wasserstoffkonzentration im Anodenkreis geregelt werden. Ferner kann die Reduzierung bzw. Erhöhung der Wasserstoffrezirkulation bzw. -Zufuhr sägezahnartig sein.
Fig. 3 zeigt eine Blockdarstellung von Verfahrensschritten des Verfahrens zum Betreiben einer Brennstoffzelleneinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Bei dem Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzelleneinrichtung erfolgt ein Sicherstellen S1 einer vorbestimmten Wasserstoffkonzentration in einem Anodenkreis des Brennstoffzellenstapels; ein Abschalten S4 einer Wasserstoffrezirkulation im Anodenkreis oder Reduzieren S4a der Wasserstoffrezirkulation im Anodenkreis auf oder unter einen vorbestimmten Rezirkulationsvolumenstrom; und ein Trocknen S5 einer Kathode des Brennstoffzellenstapels. Für das Sicherstellen S1 kann ein Vergleichen S2 der Wasserstoffkonzentration mit einem Vorgabewert oder Vorgabeintervall für die Wasserstoffkonzentration und ein Angleichen S3 der Wasserstoffkonzentration im Anodenkreis zumindest an den Vorgabewert oder in das Vorgabeintervall erfolgen.
Obwohl die vorliegende Erfindung anhand des bevorzugten Ausführungsbeispiels vorstehend vollständig beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Art und Weise modifizierbar.

Claims

Ansprüche Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzelleneinrichtung (10), umfassend die Schritte:
- Sicherstellen (Sl) einer vorbestimmten Wasserstoffkonzentration in einem Anodenkreis des Brennstoffzellenstapels (BS);-
- Abschalten (S4) einer Wasserstoffrezirkulation im Anodenkreis oder Reduzieren (S4a) der Wasserstoffrezirkulation im Anodenkreis auf oder unter einen vorbestimmten Rezirkulationsvolumenstrom;
- Trocknen (S5) einer Kathode des Brennstoffzellenstapels (BS). Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem für das Sicherstellen (Sl) ein Vergleichen (S2) der Wasserstoffkonzentration mit einem Vorgabewert (VW) oder Vorgabeintervall für die Wasserstoffkonzentration (WK) und/oder ein Angleichen (S3) der Wasserstoffkonzentration im Anodenkreis zumindest an den Vorgabewert (VW) oder in das Vorgabeintervall erfolgt. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei welchem vor dem Abschalten oder Einschalten des Brennstoffzellenprozesses über eine Umgebungskontrolleinrichtung ermittelt wird, ob das Trocknen der Kathode des Brennstoffzellenstapels erfolgen soll und/oder von einem Nutzer ein Befehl empfangen wird, dass das Trocknen der Kathode des Brennstoffzellenstapels erfolgen soll. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem nach dem Abstellen des Betriebs des Brennstoffzellenstapels (BS) mit dem Trocknen ein Gefrierstart des Brennstoffzellenstapels erfolgt. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem nach dem Abschalten oder Reduzieren der Wasserstoffrezirkulation oder zum Reduzieren der Wasserstoffrezirkulation ein Abschalten einer Wasserstoffzufuhr in den Anodenkreis oder Reduzieren der Wasserstoffzufuhr in den Anodenkreis auf oder unter einen vorbestimmten Zufuhrvolumensstrom erfolgt. Verfahren nach Anspruch 5, bei welchem nach dem Abschalten oder Verringern der Wasserstoffzufuhr ein Anodendruck des Wasserstoffs im Anodenkreis an der Anode überwacht wird bis dieser einen unteren Vorgabewert für den Anodendruck erreicht oder unterschreitet und nachfolgend ermittelt wird, ob das Trocknen abgeschlossen ist, und wenn ermittelt wird, dass das Trocknen abgeschlossen ist, nachfolgend das Trocknen beendet wird. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, bei welchem wenn ermittelt wird, dass das Trocknen noch nicht abgeschlossen ist, die Wasserstoffzufuhr wieder eingeschaltet oder erhöht wird und danach der Anodendruck überwacht wird, bis der Anodendruck einen oberen Vorgabewert für den Anodendruck überschreitet oder erreicht und nachfolgend wird die Wasserstoffzirkulation wieder reduziert oder abgeschaltet und die Wasserstoffzufuhr reduziert oder abgeschaltet und der Anodendruck überwacht, bis der Anodendruck den unteren Vorgabewert für den Anodendruck unterschreitet oder erreicht und nachfolgend wieder ermittelt wird, ob das Trocknen abgeschlossen ist, und wenn ermittelt wird, dass das Trocknen abgeschlossen ist, nachfolgend das Trocken eingestellt wird und wenn ermittelt wird, dass das Trocknen noch nicht abgeschlossen ist, die Wasserstoffzufuhr wieder erhöht oder eingeschaltet wird und die Regulierung des Anodendrucks zwischen dem oberen und unteren Vorgabewert wiederholt wird bis das Trocknen abgeschlossen ist. Verfahren nach Anspruch 7, bei welchem unmittelbar nach dem Erhöhen oder Einschalten der Wasserstoffzufuhr auch die Wasserstoffrezirkulation erhöht oder eingeschaltet wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8, bei welcher ein Reduzieren und/oder Erhöhen der Wasserstoffzufuhr und/oder der Wasserstoffzirkulation nach einem Sägezahnmuster erfolgt. Brennstoffzelleneinrichtung (10) umfassend:
- einen Brennstoffzellenstapel (BS) mit einer Anode (A) und einer Kathode (K) ;
- einen Wasserstoffrezirkulationskreis (WZK) an der Anode (A);
- eine Wasserstoffzufuhr (WZ), welche mit der Anode und/oder mit dem Wasserstoffrezirkulationskreis (WZK) verbunden ist;
- einen Wasserablass (WA) an der Kathode (K);
- eine Steuereinrichtung (SE), welche mit der Wasserstoffzufuhr (WZ) und/oder mit dem Wasserstoffrezirkulationskreis (WZK) und/oder mit dem Wasserablass (WA) verbunden ist und dazu eingerichtet ist, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9 durchzuführen. Brennstoffzelleneinrichtung (10) nach Anspruch 10, welche einen Drucksensor an der Anode (A) umfasst, mit welchem ein Anodendruck durch die Steuereinrichtung ermittelbar ist und der Anodendruck mit einem oberen Vorgabewert und/oder mit einem unteren Vorgabewert für den Anodendruck vergleichbar ist.
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