WO2023138828A1 - Verfahren zum betreiben eines brennstoffzellensystems, steuergerät - Google Patents

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WO2023138828A1
WO2023138828A1 PCT/EP2022/084605 EP2022084605W WO2023138828A1 WO 2023138828 A1 WO2023138828 A1 WO 2023138828A1 EP 2022084605 W EP2022084605 W EP 2022084605W WO 2023138828 A1 WO2023138828 A1 WO 2023138828A1
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anode
cell stack
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Tobias FALKENAU
Simon Buehler
Saskia Bostelmann
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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 with the features of the preamble of claim 1.
  • the invention also relates to a control unit that is set up to carry out steps of the method.
  • the method is particularly suitable for operating a mobile fuel cell system.
  • Hydrogen-based fuel cell systems are considered to be the mobility concept of the future because they only emit water as exhaust gas and enable fast refueling times.
  • fuel cells require oxygen to convert the hydrogen into electrical energy, heat and water.
  • Stack a large number of fuel cells are usually combined to form a fuel cell stack, the so-called "stack".
  • the core of a fuel cell is formed by a membrane-electrode assembly (MEA), which comprises a membrane that is coated on both sides with a catalytic material to form electrodes.
  • MEA membrane-electrode assembly
  • one electrode, the anode is supplied with hydrogen and the other electrode, the cathode, with air as an oxygen supplier.
  • the required hydrogen can be stored in a tank.
  • hydrogen is a flammable gas that can form an explosive mixture with air
  • hydrogen must be prevented from escaping from the fuel cell system. This means that leaks in the fuel cell system are avoided or at least detected early must. Leaks can occur when individual cells are damaged due to production, aging and/or external influences.
  • Another reason for leaks can be a valve that is stuck in the open position, for example a shut-off valve that is arranged on the cathode or anode side, is stuck open and leaking, e.g. B. to interrupt the air supply to the cathode.
  • the valve which is stuck in the open position and is therefore leaking can also be a valve for blowing out the nitrogen and the water on the anode.
  • a leak in the system therefore not only has the disadvantage that hydrogen can escape from the area of the anode as a result of the leak, but also that ambient air can penetrate into the fuel cell stack and damage the individual fuel cells.
  • the object of the present invention is to enable leakage detection during operation of a fuel cell system in order to avoid the disadvantages described above. A leak should be detected as early as possible.
  • a method for operating a fuel cell system which comprises a fuel cell stack with a cathode and an anode.
  • Air is supplied to the cathode via an air supply path and exhaust air emerging from the fuel cell stack is discharged via an exhaust air path.
  • the anode is supplied with hydrogen via an anode circuit.
  • the cathode is shut off when the fuel cell system is switched off and the oxygen concentration of the air present in the cathode is minimized.
  • the following steps are then carried out: a) the anode is flushed with hydrogen, b) at least one cell voltage and/or the total voltage of the fuel cell stack is or are measured and used to detect a leak point.
  • the build-up of tension requires the presence of oxygen. However, if the cathode was shut off when it was switched off and the oxygen present in the cathode was removed, for example by converting the oxygen, there will be a lack of oxygen when the engine is started again or during the first flush. However, if a voltage builds up, this is an indication of a leak or a leak in the system.
  • the voltage depends on how much oxygen is present on the cathode side of each fuel cell. This does not presuppose that the leaking point must necessarily be on the cathode side. This is because oxygen can diffuse in the fuel cell stack in both directions, ie from the cathode side to the anode side and vice versa.
  • the leak does not necessarily have to be in the fuel cell stack, but can be anywhere in the system.
  • the voltage can be recorded cell-specifically and/or across the entire stack.
  • the size of a detected leakage point is advantageously estimated on the basis of the at least one measured cell voltage and/or the total voltage. Since the measured voltage is proportional to the amount of oxygen in the cathode, the leakage can be quantified via the measured voltage. In this way a leakage assessment mechanism can be installed.
  • the duration of the previous shutdown phase is preferably taken into account. Because the longer the shutdown phase lasts, the more air and thus oxygen is drawn in via the leakage point. The size of the leak can thus be estimated more accurately.
  • the temperature in the fuel cell stack at the start of the shutdown phase is taken into account when estimating the size of a detected leak point.
  • the negative pressure depends on the temperature. From the temperature at the beginning of the shutdown phase, the pressure or negative pressure in the fuel cell stack and thus the drawn-in quantity can be determined Air or oxygen are closed.
  • the oxygen drawn in with the air spreads through diffusion across the membrane in both the anode and the cathode.
  • the voltage distribution over the fuel cell stack can be determined by measuring the cell voltages of individual fuel cells and/or fuel cell groups. In turn, the location of the leakage point can be inferred from the voltage distribution, since the voltage distribution correlates with the distribution of oxygen in the fuel cell stack.
  • a leak point is detected and localized based on the voltage distribution across the individual fuel cells of the fuel cell stack.
  • the voltage distribution shows where air or oxygen enters the system and then spreads out by diffusion.
  • the voltage distribution can be used, for example, to identify whether the leakage point is a leaking cell or a leaking valve.
  • a leaking valve can be identified in the same way. Since the propagation of oxygen in the system depends on the length of the flow path, which extends from the leaking valve to the respective individual cell, there is a characteristic oxygen distribution over the individual fuel cells for each leaking valve. If hydrogen is then blown in on the anode side during the first flush, a voltage proportional to the oxygen present in the cells develops. This results in a characteristic distribution of the cell voltages for each leaking valve, which can be used to identify the leaking valve. If a leaking valve is identified, a corresponding error message can be set and reported. By identifying the leaking valve, the corresponding valve can then be replaced in the workshop in a targeted manner, so that costs and time for the investigations that would otherwise be necessary can be saved.
  • the duration of the previous shutdown phase and/or the temperature at the beginning of the shutdown phase is or are preferably taken into account. Because both parameters have an influence on the oxygen distribution in the fuel cell stack. If they are taken into account, a leak can be localized very precisely.
  • the at least one cell voltage and/or the total voltage is/are preferably monitored with the aid of a control device.
  • This can in particular be the control unit of the fuel cell system. Leakage monitoring can be set up with the aid of the control device, which is activated when the fuel cell system is started after a longer shutdown phase, lasting for example several hours.
  • at least one time-dependent voltage distribution is preferably stored in the control unit, which is characteristic of a specific valve of the fuel cell system when the latter is leaking. If the valve leaks during operation of the fuel cell system, the leaking valve can be identified directly using the characteristic voltage distribution stored in the control unit.
  • method steps a) and b), which serve to detect a leak be carried out repeatedly, preferably each time the fuel cell system is started after a longer shutdown phase, in particular lasting several hours, and the at least one measured cell voltage and/or total voltage is/are stored. Relevant changes can be detected with the stored voltage values, for example whether a leakage point has increased and/or whether a new leakage point has formed. In this way, compliance with a tightness limit value can be monitored. If the limit value is exceeded, countermeasures can be taken.
  • control unit which is set up to carry out steps of the method according to the invention. Leakage monitoring can be automated with the help of the control unit.
  • Figure 1 is a schematic representation of a fuel cell system that can be operated according to the method according to the invention
  • Figure 2 a) Voltage curve over time t during the first flush after a shutdown phase lasting several hours and with a blocked, oxygen-free cathode, b) Voltage distribution over the individual cells three seconds after the start of the first flush,
  • Figure 3 a) Voltage curve over time t during the first flush after a shutdown phase lasting several hours and with the cathode blocked, with a valve being left open to simulate a leakage point, b) voltage distribution over the individual cells three seconds after the start of the first flush,
  • Figure 4 a) Voltage curve over time t during the first flush after a shutdown phase lasting several hours and with the cathode shut off, with another valve left open to simulate a leakage point, b) voltage distribution over the individual cells three seconds after the start of the first flush, and
  • Figure 5 a) Voltage curve over time t during the first flush after a shutdown phase lasting several hours and with the cathode blocked, with two valves left open to simulate leakage points, b) voltage distribution over the individual cells three seconds after the start of the first flush.
  • FIG. 1 shows an example of a fuel cell system 1 with a fuel cell stack 2 which has a cathode 3 and an anode 4 .
  • the fuel cell stack 2 is connected to a cooling circuit 22 in order to dissipate the heat generated in the process.
  • At least one electrical connection 23 is also provided.
  • the cathode 3 When the fuel cell system 1 is in operation, the cathode 3 is supplied with air as an oxygen supplier via an air supply path 5 .
  • An air conveying and air compression system 10 is integrated into the supply air path 5, with the aid of which the air is compressed in advance. Furthermore, a humidifier 11 is provided with which Help the air can be humidified in advance.
  • Exhaust air emerging from the fuel cell stack 2 is discharged via an exhaust air path 6 .
  • a turbine 13 of the air conveyance and air compression system 10 for energy recovery is integrated into the exhaust air path 6 . Before the exhaust air is fed to the turbine 13, liquid water is removed from the exhaust air with the aid of a water separator 12.
  • several valves 8 , 9 are provided on the cathode side for shutting off the cathode 3 when it is switched off, as well as a bypass valve 14 integrated into a bypass path 15 for bypassing the fuel cell stack 2 .
  • the anode 4 is supplied with hydrogen from a high-pressure tank (not shown) via an anode circuit 7 and by means of recirculation.
  • a high-pressure tank not shown
  • the pressure is first reduced with the aid of a pressure reducer 16 .
  • the hydrogen is then metered into the anode circuit 7 with the aid of a metering valve 17 in the area of a jet pump 18 .
  • the jet pump 18 is activated via the metered quantity of hydrogen. It is used for the passive recirculation of depleted hydrogen that emerges from the fuel cell stack 2 .
  • a blower 19 is also provided for active recirculation.
  • the blower 19 is preceded by a further water separator 20 which can discharge the separated water via a drain valve 21 .
  • a further water separator 20 which can discharge the separated water via a drain valve 21 .
  • the anode circuit 7 has to be flushed from time to time.
  • another valve can be opened, the so-called purge valve (not shown), so that part of the anode gas is discharged from the anode circuit 7 and replaced with fresh hydrogen.
  • the purge function can be integrated into the drain valve 21 so that a separate purge valve is not required.
  • the hydrogen-carrying area or sealing area 24 is identified in FIG. 1 by a dashed line. Valves that are stuck in the open position can lead to a leak. In addition, leaks can form due to aging or wear and/or damage. These must be recognized and, if necessary, eliminated.
  • the proposed method according to the invention serves this purpose. In order to detect a leak or leak, the voltage is measured after a lengthy shut-down phase of several hours during the first flush, i.e. when restarting with the cathode blocked. If a voltage can be measured, this is an indication that oxygen is present on the cathode side. Since the cathode should be properly shut off, only leakage can be the reason for the presence of oxygen. Since the voltage distribution correlates with the oxygen distribution in the stack, it can also be used to localize the leakage point.
  • FIGS. 2b) to 5b various voltage curves are shown as examples, which were each measured after a seven-hour shutdown phase during the first flush, with the valves closed ( Figures 2a)) and with one or more valves open ( Figures 3a) to 5a)) to simulate a leak.
  • the shaded area represents the time period of the first flush.
  • the respective voltage distribution is shown in FIGS. 2b) to 5b), specifically at time tM. This is three seconds after the start of the first flush. It can be seen that the stress distribution differs depending on which valve or valves are open. As a result, the respective leaky valve can be identified via the voltage distribution.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems (1), umfassend einen Brennstoffzellenstapel (2) mit einer Kathode (3) und einer Anode (4), wobei der Kathode (3) über einen Zuluftpfad (5) Luft zugeführt wird und aus dem Brennstoffzellenstapel (2) austretende Abluft über einen Abluftpfad (6) abgeführt wird, und wobei die Anode (4) über einen Anodenkreis (7) mit Wasserstoff versorgt wird. Erfindungsgemäß werden beim Abstellen des Brennstoffzellensystems (1) die Kathode (3) abgesperrt und die Sauerstoffkonzentration der in der Kathode (3) vorhandenen Luft minimiert werden, beim darauffolgenden erneuten Starten und bei weiterhin abgesperrter Kathode (3) werden dann die folgenden Schritte ausgeführt: a) die Anode (4) wird mit Wasserstoff gespült, b) mindestens eine Zellspannung und/oder die Gesamtspannung des Brennstoffzellenstapels (2) wird bzw. werden gemessen und zur Detektion einer Leckagestelle genutzt. Die Erfindung betrifft ferner ein Steuergerät zur Ausführung von Schritten eines erfindungsgemäßen Verfahrens.

Description

Beschreibung
Verfahren zum Betreiben eines
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Steuergerät, das zur Ausführung von Schritten des Verfahrens eingerichtet ist.
Das Verfahren eignet sich insbesondere zum Betreiben eines mobilen Brennstoffzellensystems.
Stand der Technik
Wasserstoffbasierte Brennstoffzellensysteme gelten als Mobilitätskonzept der Zukunft, da sie nur Wasser als Abgas emittieren und schnelle Betankungszeiten ermöglichen. Neben Wasserstoff benötigen Brennstoffzellen Sauerstoff, um den Wasserstoff in elektrische Energie, Wärme und Wasser zu wandeln. Zur Steigerung der elektrischen Leistung werden üblicherweise eine Vielzahl von Brennstoffzellen zu einem Brennstoffzellenstapel, dem sogenannten „Stack“, zusammengefasst.
Den Kern einer Brennstoffzelle bildet eine Membran-Elektroden-Anordnung (MEA), die eine Membran umfasst, die zur Ausbildung von Elektroden beidseits mit einem katalytischen Material beschichtet ist. Im Betrieb wird die eine Elektrode, die Anode, mit Wasserstoff und die andere Elektrode, die Kathode, mit Luft als Sauerstofflieferant versorgt. Der benötigte Wasserstoff kann in einem Tank bevorratet werden.
Da Wasserstoff ein brennbares Gas ist, das zusammen mit Luft ein explosives Gemisch bilden kann, muss verhindert werden, dass Wasserstoff aus dem Brennstoffzellensystem austritt. Das heißt, dass Leckagen des Brennstoffzellensystems vermieden oder zumindest frühzeitig erkannt werden müssen. Leckagen können auftreten, wenn einzelne Zellen produktionsbedingt, durch Alterung und/oder durch äußere Einflüsse beschädigt sind. Ein weiterer Grund für Leckagen kann ein in Offenstellung klemmendes Ventil sein, beispielsweise ein kathoden- oder anodenseitig angeordnetes, offen klemmendes und undichtes Absperrventil z. B. zur Unterbrechung der Luftzufuhr zur Kathode. Das in Offenstellung klemmende und damit undichte Ventil kann auch ein Ventil zum Ausblasen des Stickstoffs und des Wassers auf der Anode sein.
Die meisten Brennstoffzellensysteme werden beim Abstellen durch Ventile luftdicht verschlossen, um zu vermeiden, dass Sauerstoff in die Anode übertritt und beim erneuten Starten die Membran schädigt. In der Regel wird zudem beim Abschalten des Brennstoffzellensystems möglichst viel Sauerstoff, der noch in der Kathode ist, umgesetzt, so dass im abgeschalteten System kein oder nur sehr wenig Sauerstoff vorhanden ist. Beim erneuten Starten wird dann zunächst die Anode mit Wasserstoff gespült, während die Kathode bei geschlossenen Ventilen weiterhin dichtgehalten wird. Dieser Prozess wird „First Flush“ genannt.
Ist das System undicht, beispielsweise aufgrund eines nicht dichtschließenden Ventils, wird während des Abstellens Luft und damit auch Sauerstoff in den Brennstoffzellenstapel eingezogen. Der Sauerstoff kann sich bei einer länger andauernden Abstellphase durch Diffusion über die Membran sowohl in der Anode als auch in der Katode ausbreiten. Je größer die undichte Stelle ist, desto größer ist die Menge an Sauerstoff, die in den Brennstoffzellenstapel gelangt.
Eine undichte Stelle im System weist somit nicht nur den Nachteil auf, dass im Wege der Leckage Wasserstoff aus dem Bereich der Anode nach außen gelangen kann, sondern auch Umgebungsluft in den Brennstoffzellenstapel eindringen und die einzelnen Brennstoffzellen beschädigen kann.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Leckageerkennung im Betrieb eines Brennstoffzellensystems zu ermöglichen, um die vorstehend beschriebenen Nachteile zu vermeiden. Eine Leckage soll dabei möglichst frühzeitig erkannt werden.
Zur Lösung der Aufgabe wird das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausführungsformen sind den Unteransprüchen zu entnehmen. Ferner wird ein Steuergerät zur Ausführung von Schritten des Verfahrens angegeben.
Offenbarung der Erfindung
Vorgeschlagen wird ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems, das einen Brennstoffzellenstapel mit einer Kathode und einer Anode umfasst.
Der Kathode wird über einen Zuluftpfad Luft zugeführt und aus dem Brennstoffzellenstapel austretende Abluft wird über einen Abluftpfad abgeführt. Die Anode wird über einen Anodenkreis mit Wasserstoff versorgt.
Erfindungsgemäß werden beim Abstellen des Brennstoffzellensystems die Kathode abgesperrt und die Sauerstoffkonzentration der in der Kathode vorhandenen Luft minimiert. Beim darauffolgenden erneuten Starten und bei weiterhin abgesperrter Kathode werden dann die folgenden Schritte ausgeführt: a) die Anode wird mit Wasserstoff gespült, b) mindestens eine Zellspannung und/oder die Gesamtspannung des Brennstoffzellenstapels wird bzw. werden gemessen und zur Detektion einer Leckagestelle genutzt.
Der Aufbau einer Spannung erfordert die Anwesenheit von Sauerstoff. Wurde jedoch beim Abstellen die Kathode abgesperrt und in der Kathode vorhandener Sauerstoff entfernt, beispielsweise durch Umsetzen des Sauerstoffs, fehlt es beim erneuten Starten bzw. beim First Flush an Sauerstoff. Baut sich dennoch eine Spannung auf, ist dies ein Indiz für eine Leckage bzw. eine im System vorhandene undichte Stelle.
Der Nachteil, dass bei einer undichten Stelle Luft und damit Sauerstoff eingezogen wird, erweist sich für das vorgeschlagene Verfahren als Vorteil. Denn ist das System undicht, wird während der Abstellphase Luft und damit Sauerstoff eingezogen, so dass beim First Flush der Anode über den Brennstoffzellen eine Spannung anliegt. Die anliegende Spannung ist dabei proportional zur vorhandenen Sauerstoffmenge. Da sich selbst kleine Mengen an Sauerstoff anhand der Spannung detektieren lassen, können Leckagestellen frühzeitig erkannt werden. Einer zusätzlichen Messtechnik bedarf es dabei nicht. Da im Abstellfall die Wasserstoffversorgung der Anode unterbrochen bzw. die Anode ebenfalls „abgesperrt“ ist, bauen sich die auf eine Leckage hinweisenden Spannungen erst beim Neustart des Systems, das heißt beim First Flush auf.
Beim ersten Spülen der Anode mit Wasserstoff hängt die Spannung davon ab, wie viel Sauerstoff jeweils auf der Kathodenseite der einzelnen Brennstoffzellen vorhanden ist. Dies setzt nicht voraus, dass die undichte Stelle zwingend kathodenseitig liegen muss. Denn Sauerstoff kann sich im Wege der Diffusion im Brennstoffzellenstapel ausbreiten, und zwar in beide Richtungen, das heißt von der Kathodenseite auf die Anodenseite und umgekehrt. Die undichte Stelle muss auch nicht zwingend im Brennstoffzellenstapel liegen, sondern kann sich irgendwo im System befinden.
Da jegliche gemessene Spannung auf eine Leckage schließen lässt, kann bei der Durchführung des vorgeschlagenen Verfahrens die Spannung zellenindividuell und/oder über dem gesamten Stack erfasst werden.
Vorteilhafterweise wird anhand der mindestens einen gemessenen Zellspannung und/oder der Gesamtspannung die Größe einer detektierten Leckagestelle geschätzt. Da die gemessene Spannung proportional zur Sauerstoffmenge in der Kathode ist, kann über die gemessene Spannung die Leckage quantifiziert werden. Auf diese Weise kann ein Leckagebewertungsmechanismus installiert werden.
Bei der Schätzung der Größe einer detektierten Leckagestelle wird vorzugsweise die Dauer der vorhergehenden Abstellphase berücksichtigt. Denn je länger die Abstellphase dauert, desto mehr Luft und damit Sauerstoff wird über die Leckagestelle eingezogen. Die Größe der Leckagestelle kann somit genauer geschätzt werden.
Alternativ oder ergänzend wird vorgeschlagen, dass bei der Schätzung der Größe einer detektierten Leckagestelle die Temperatur im Brennstoffzellenstapel zu Beginn der Abstellphase berücksichtigt wird. Während des Abstellens des Brennstoffzellensystems kommt es zu einem Unterdrück, der das Einziehen von Luft über eine undichte Stelle fördert. Der Unterdrück ist temperaturabhängig. Von der Temperatur zu Beginn der Abstellphase kann somit auf den Druck bzw. Unterdrück im Brennstoffzellenstapel und damit auf die eingezogene Menge an Luft bzw. Sauerstoff geschlossen werden. Durch Berücksichtigung der Temperatur zu Beginn der Abstellphase und damit des Drucks bzw. Unterdrucks im Brennstoffzellenstapel kann somit die Größe der detektierten Leckagestelle noch genauer geschätzt werden.
Bei längeren Abstellphasen breitet sich der mit der Luft eingezogene Sauerstoff durch Diffusion über die Membran sowohl in der Anode als auch in der Kathode aus. Durch Messen der Zellspannungen einzelner Brennstoffzellen und/oder Brennstoffzellengruppen kann die Spannungsverteilung über den Brennstoffzellenstapel ermittelt werden. Aus der Spannungsverteilung kann wiederum auf den Ort der Leckagestelle geschlossen werden, da die Spannungsverteilung mit der Verteilung von Sauerstoff im Brennstoffzellenstapel korreliert.
Als weiterbildende Maßnahme wird daher vorgeschlagen, dass anhand der Spannungsverteilung über den einzelnen Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels eine Leckagestelle detektiert und lokalisiert wird. Die Spannungsverteilung lässt erkennen, wo Luft bzw. Sauerstoff in das System eintritt und sich dann durch Diffusion ausbreitet. Anhand der Spannungsverteilung kann beispielsweise erkannt werden, ob die Leckagestelle eine undichte Zelle oder ein undichtes Ventil ist.
In gleicher Weise kann ein undichtes Ventil identifiziert werden. Da die Ausbreitung von Sauerstoff im System von der Länge des Strömungswegs abhängt, der sich vom undichten Ventil bis zur jeweiligen Einzelzelle erstreckt, ergibt sich für jedes undichte Ventil eine charakteristische Sauerstoffverteilung über den einzelnen Brennstoffzellen. Wird dann beim First Flush anodenseitig Wasserstoff eingeblasen, bildet sich in den entsprechenden Zellen eine zum dort vorhandenen Sauerstoff proportionale Spannung aus. Es ergibt sich damit für jedes undichte Ventil eine charakteristische Verteilung der Zellspannungen, die zum Identifizieren des undichten Ventils verwendet werden kann. Im Fall eines identifizierten undichten Ventils kann eine entsprechende Fehlermeldung gesetzt und rückgemeldet werden. Durch die Identifikation des undichten Ventils kann dann in der Werkstatt zielgerichtet das entsprechende Ventil ausgetauscht werden, so dass Kosten und Zeit für die sonst nötigen Untersuchungen eingespart werden. Vorzugsweise wird bzw. werden bei der Lokalisierung einer Leckagestelle die Dauer der vorhergehenden Abstellphase und/oder die Temperatur zu Beginn der Abstellphase berücksichtigt. Denn beide Parameter haben Einfluss auf die Sauerstoffverteilung im Brennstoffzellenstapel. Finden sie Berücksichtigung, kann eine Leckagestelle sehr genau lokalisiert werden.
Bevorzugt wird bzw. werden die mindestens eine Zellspannung und/oder die Gesamtspannung mit Hilfe eines Steuergeräts überwacht. Hierbei kann es sich insbesondere um das Steuergerät des Brennstoffzellensystems handeln. Mit Hilfe des Steuergeräts kann eine Leckageüberwachung eingerichtet werden, die beim Starten des Brennstoffzellensystems nach einer längeren, beispielsweise mehrere Stunden dauernden, Abstellphase aktiviert wird. Weiterhin vorzugsweise ist im Steuergerät mindestens eine zeitabhängige Spannungsverteilung hinterlegt, die für ein bestimmtes Ventil des Brennstoffzellensystems charakteristisch ist, wenn dieses undicht ist. Sollte das Ventil im Betrieb des Brennstoffzellensystems undicht werden, kann anhand der im Steuergerät hinterlegten charakteristischen Spannungsverteilung das undichte Ventil direkt identifiziert werden.
Ferner wird vorgeschlagen, dass die der Detektion einer Leckage dienenden Verfahrensschritte a) und b) wiederholt durchgeführt werden, vorzugsweise bei jedem Starten des Brennstoffzellensystems nach einer längeren, insbesondere mehrere Stunden dauernden Abstellphase, und die mindestens eine gemessene Zellspannung und/oder Gesamtspannung gespeichert wird bzw. werden. Mit den gespeicherten Spannungswerten können relevante Veränderungen erfasst werden, beispielsweise, ob sich eine Leckagestelle vergrößert hat und/oder sich eine neue Leckagestelle gebildet hat. Auf diese Weise kann die Einhaltung eines Dichtheitsgrenzwertes überwacht werden. Sollte der Grenzwert überschritten werden, können Gegenmaßnahmen ergriffen werden.
Darüber hinaus wird ein Steuergerät vorgeschlagen, das dazu eingerichtet ist, Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens auszuführen. Mit Hilfe des Steuergeräts kann die Leckageüberwachung automatisiert werden.
Die Erfindung und ihre Vorteile werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen: Figur 1 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems, das nach dem erfindungsgemäßen Verfahren betrieben werden kann,
Figur 2 a) Spannungsverlauf über der Zeit t beim First Flush nach einer mehrstündigen Abstellphase und bei abgesperrter, sauerstofffreier Kathode, b) Spannungsverteilung über den Einzelzellen drei Sekunden nach dem Start des First Flush,
Figur 3 a) Spannungsverlauf über der Zeit t beim First Flush nach einer mehrstündigen Abstellphase und bei abgesperrter Kathode, wobei ein Ventil offengelassen wurde, um eine Leckagestelle zu simulieren, b) Spannungsverteilung über den Einzelzellen drei Sekunden nach dem Start des First Flush,
Figur 4 a) Spannungsverlauf über der Zeit t beim First Flush nach einer mehrstündigen Abstellphase und bei abgesperrter Kathode, wobei ein anderes Ventil offengelassen wurde, um eine Leckagestelle zu simulieren, b) Spannungsverteilung über den Einzelzellen drei Sekunden nach dem Start des First Flush, und
Figur 5 a) Spannungsverlauf über der Zeit t beim First Flush nach einer mehrstündigen Abstellphase und bei abgesperrter Kathode, wobei zwei Ventile offengelassen wurden, um Leckagestellen zu simulieren, b) Spannungsverteilung über den Einzelzellen drei Sekunden nach dem Start des First Flush.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
Figur 1 zeigt beispielhaft ein Brennstoffzellensystem 1 mit einem Brennstoffzellenstapel 2, der eine Kathode 3 und eine Anode 4 aufweist. Der Brennstoffzellenstapel 2 ist an einen Kühlkreis 22 angeschlossen, um die im Prozess anfallende Wärme abzuführen. Ferner ist mindestens ein elektrischer Anschluss 23 vorgesehen.
Der Kathode 3 wird im Betrieb des Brennstoffzellensystems 1 über einen Zuluftpfad 5 Luft als Sauerstofflieferant zugeführt. In den Zuluftpfad 5 ist ein Luftförderungs- und Luftverdichtungssystems 10 integriert, mit dessen Hilfe die Luft vorab verdichtet wird. Ferner ist ein Befeuchter 11 vorgesehen, mit dessen Hilfe die Luft vorab befeuchtet werden kann. Aus dem Brennstoffzellenstapel 2 austretende Abluft wird über einen Abluftpfad 6 abgeführt. In den Abluftpfad 6 ist eine Turbine 13 der Luftförderungs- und Luftverdichtungssystems 10 zur Energierückgewinnung integriert. Bevor die Abluft der Turbine 13 zugeführt wird, wird mit Hilfe eines Wasserabscheiders 12 flüssiges Wasser aus der Abluft entfernt. Darüber hinaus sind kathodenseitig mehrere Ventile 8, 9 zum Absperren der Kathode 3 im Abstellfall sowie ein in einen Bypasspfad 15 integriertes Bypassventil 14 zur Umgehung des Brennstoffzellenstapels 2 vorgesehen.
Der Anode 4 wird über einen Anodenkreis 7 Wasserstoff aus einem Hochdrucktank (nicht dargestellt) sowie mittels Rezirkulation zugeführt. Bei der Entnahme von Wasserstoff aus dem Hochdrucktank wird mit Hilfe eines Druckminderers 16 zunächst der Druck gesenkt. Der Wasserstoff wird dann mit Hilfe eines Dosierventils 17 im Bereich einer Strahlpumpe 18 in den Anodenkreis 7 eindosiert. Über die eindosierte Wasserstoffmenge wird die Strahlpumpe 18 aktiviert. Sie dient der passiven Rezirkulation von abgereichertem Wasserstoff, der aus dem Brennstoffzellenstapel 2 austritt. Zur aktiven Rezirkulation ist ferner ein Gebläse 19 vorgesehen. Um flüssiges Wasser aus dem Rezirkulat zu entfernen, ist dem Gebläse 19 ein weiterer Wasserabscheider 20 vorgeschaltet, der das abgeschiedene Wasser über ein Drainventil 21 ausleiten kann. Da sich das Rezirkulat über die Zeit mit Stickstoff anreichert, muss der Anodenkreis 7 von Zeit zu Zeit gespült werden. Hierzu kann ein weiteres Ventil geöffnet werden, das sogenannte Purgeventil (nicht dargestellt), so dass ein Teil des Anodengases aus dem Anodenkreis 7 ausgeleitet und durch frischen Wasserstoff ersetzt wird. Die Purgefunktion kann alternativ in das Drainventil 21 integriert werden, so dass ein separates Purgeventil entbehrlich ist.
Da aus dem Brennstoffzellensystem 1 austretender Wasserstoff ein explosives Gasgemisch bilden kann, werden an den wasserstoffführenden Bereich erhöhte Dichtheitsanforderungen gestellt. Der wasserstoffführende Bereich bzw. Dichtbereich 24 ist in der Figur 1 durch eine gestrichelte Linie kenntlich gemacht. Zu einer Undichtigkeit können insbesondere in Offenstellung klemmende Ventile führen. Darüber hinaus können sich undichte Stellen aufgrund von Alterung bzw. Verschleiß und/oder einer Beschädigung ausbilden. Diese gilt es zu erkennen und ggf. zu beseitigen. Diesem Zweck dient das vorgeschlagene erfindungsgemäße Verfahren. Zur Detektion einer undichten Stelle bzw. Leckage wird nach einer längeren Abstellphase von mehreren Stunden beim First Flush, das heißt beim erneuten Starten mit abgesperrter Kathode, die Spannung gemessen. Ist eine Spannung messbar, ist dies ein Indiz dafür, dass kathodenseitig Sauerstoff vorhanden ist. Da die Kathode ordnungsgemäß abgesperrt sein sollte, kann nur eine Leckage der Grund für die Anwesenheit von Sauerstoff sein. Da die Spannungsverteilung mit der Sauerstoffverteilung im Stack korreliert, kann anhand dieser die Leckagestelle zugleich lokalisiert werden.
In den Figuren 2a) bis 5a) sind beispielhaft verschiedene Spannungsverläufe dargestellt, die jeweils nach einer siebenstündigen Abstellphase beim First Flush gemessen wurden, und zwar bei geschlossenen Ventilen (Figuren 2a)) sowie bei einem oder mehreren geöffneten Ventilen (Figuren 3a) bis 5a)) zur Simulation einer undichten Stelle. Der gerasterte Bereich stellt jeweils den Zeitraum des First Flush dar. Die jeweilige Spannungsverteilung ist in den Figuren 2b) bis 5b) dargestellt, und zwar jeweils zum Zeitpunkt tM. Dieser liegt jeweils drei Sekunden nach Beginn des First Flush. Zu sehen ist, dass sich die Spannungsverteilung, je nachdem welches Ventil oder welche Ventile offen ist bzw. sind, unterscheidet. Demzufolge kann über die Spannungsverteilung das jeweils undichte Ventil identifiziert werden.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems (1), umfassend einen Brennstoffzellenstapel (2) mit einer Kathode (3) und einer Anode (4), wobei der Kathode (3) über einen Zuluftpfad (5) Luft zugeführt wird und aus dem Brennstoffzellenstapel (2) austretende Abluft über einen Abluftpfad (6) abgeführt wird, und wobei die Anode (4) über einen Anodenkreis (7) mit Wasserstoff versorgt wird, dadurch gekennzeichnet, dass beim Abstellen des Brennstoffzellensystems (1) die Kathode (3) abgesperrt und die Sauerstoffkonzentration der in der Kathode (3) vorhandenen Luft minimiert werden, beim darauffolgenden erneuten Starten und bei weiterhin abgesperrter Kathode (3) werden dann die folgenden Schritte ausgeführt: a) die Anode (4) wird mit Wasserstoff gespült, b) mindestens eine Zellspannung und/oder die Gesamtspannung des Brennstoffzellenstapels (2) wird bzw. werden gemessen und zur Detektion einer Leckagestelle genutzt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass anhand der mindestens einen gemessenen Zellspannung und/oder der Gesamtspannung die Größe einer detektierten Leckagestelle geschätzt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Schätzung der Größe einer detektierten Leckagestelle die Dauer der vorhergehenden Abstellphase und/oder die Temperatur im Brennstoffzellenstapel (2) zu Beginn der Abstellphase berücksichtigt wird bzw. werden.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass anhand der Spannungsverteilung über den einzelnen Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels (2) eine Leckagestelle detektiert und lokalisiert wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Lokalisierung einer Leckagestelle die Dauer der vorhergehenden Abstellphase und/oder die Temperatur im Brennstoffzellenstapel (2) zu Beginn der Abstellphase berücksichtigt wird bzw. werden.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Zellspannung und/oder die Gesamtspannung mit Hilfe eines Steuergeräts überwacht wird bzw. werden, wobei vorzugsweise im Steuergerät mindestens eine zeitabhängige Spannungsverteilung hinterlegt ist, die für ein bestimmtes Ventil (8, 9) charakteristisch ist, wenn dieses undicht ist.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Verfahrensschritte a) und b) zur Detektion einer Leckage wiederholt durchgeführt werden, vorzugsweise bei jedem Starten des Brennstoffzellensystems nach einer mehrere Stunden dauernden Abstellphase, und die mindestens eine gemessene Zellspannung und/oder Gesamtspannung gespeichert wird bzw. werden.
8. Steuergerät, das dazu eingerichtet ist, Schritte eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche auszuführen.
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