WO2023232591A1 - Brennstoffzellensystem und verfahren zum starten eines brennstoffzellensystems - Google Patents

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WO2023232591A1
WO2023232591A1 PCT/EP2023/063932 EP2023063932W WO2023232591A1 WO 2023232591 A1 WO2023232591 A1 WO 2023232591A1 EP 2023063932 W EP2023063932 W EP 2023063932W WO 2023232591 A1 WO2023232591 A1 WO 2023232591A1
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space
pressure
cathode
fuel cell
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PCT/EP2023/063932
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Tobias FALKENAU
Simon Buehler
Gregory Rewers
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Robert Bosch Gmbh
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    • H01M8/04746—Pressure; Flow
    • H01M8/04783—Pressure differences, e.g. between anode and cathode

Definitions

  • the present invention relates to a fuel cell system and a method for starting or starting up a fuel cell system.
  • Oxygen is usually supplied to the cathode of a fuel cell by supplying ambient air to a flow space connected to the cathode.
  • Ambient air is known to contain nitrogen.
  • nitrogen flows through the electrolyte membrane into an anode space connected to the anode diffuses.
  • the nitrogen acts as an inert gas and in particular reduces the surface area of the anode that is available for reaction with fuel.
  • the anode side therefore typically first flushed with fuel to set an appropriate concentration of fuel gas at the anode. This slows down the fuel cell starting process.
  • the anode compartment When the operation of the fuel cell is stopped, the anode compartment is usually isolated from the fuel supply by a valve and the cathode compartment is isolated from the environment via shut-off valves. It can therefore happen, particularly as a result of temperature changes, that pressures that deviate from the ambient pressure arise in the anode space and in the cathode space. If the pressure on the anode side or the cathode side is above the ambient pressure, the flushing process requires a significant build-up of pressure in the anode space. This can lead to a pressure difference between the anode side and cathode side, which results in high mechanical stress on the electrolyte membrane.
  • EP 2 026 396 B1 a fuel cell system is disclosed, wherein in a shutdown process the oxidation gas supply is interrupted and the cathode is separated from the environment, while the anode continues to be supplied with fuel at a pressure that is greater than or equal to the ambient pressure and greater than or equal to the pressure is on the cathode side, and current is taken from the fuel cell by means of an electrical consumer in order to consume the oxidation gas at the cathode and to supply fuel to the cathode via the membrane.
  • the aim of this procedure is to prevent the entry of oxidation gas on the cathode side during standstill.
  • a method for starting a fuel cell system comprises determining a first pressure difference between a first pressure that prevails in an anode space of the fuel cell system connected to an anode of at least one fuel cell, and an ambient pressure, determining a second pressure difference between a second pressure that prevails in a cathode space of the fuel cell system connected to a cathode of the at least one fuel cell and the ambient pressure, comparing the first pressure difference with a first threshold value, comparing the second pressure difference with a second threshold value and, if the first pressure difference is higher than the ambient pressure by more than the first threshold value and / or if the second pressure difference is higher than the ambient pressure by more than the second threshold value, carrying out a pressure equalization between the anode space and the cathode space.
  • fuel is fed into the anode compartment and preferably also oxidation gas
  • One idea underlying the invention is to record the pressure in the anode space and in the cathode space and to compare it with the ambient pressure in preparation for the start, i.e. before electricity is produced with the fuel cell system. If one of the partial pressures deviates upwards from the ambient pressure by more than a limit value or threshold value, a pressure equalization is carried out between the anode space and the cathode space.
  • the pressures in the anode compartment and the cathode compartment are thus set to the same or substantially the same value before fuel is supplied into the anode compartment in order to purge it.
  • An advantage of the invention is that by carrying out the pressure equalization, if at least one of the partial pressures deviates upwards from the ambient pressure by more than a limit value or threshold value, when supplying the fuel for flushing the anode compartment, a pressure difference between the anode compartment and the electrolytic membrane is excessively stressful Cathode space is avoided. Furthermore, the pressure that is built up in the anode space for flushing by supplying the fuel is reduced. This advantageously speeds up the starting process.
  • the anode space and the cathode space are each fluidly connected to the environment.
  • the pressure equalization between the anode space and the cathode space is therefore achieved by setting ambient pressure in both spaces. This offers the advantage that the pressure equalization avoids pressures above the ambient pressure. This further facilitates and accelerates the supply of fuel and additionally reduces the load on the membrane.
  • the anode space is connected directly to the environment by opening a flushing valve or to an inlet of the anode space, which is connected to the environment by opening at least one shut-off valve.
  • the flushing valve can, for example, establish a fluidly conductive connection with an outlet section that connects the cathode space with the environment.
  • the gas discharged from the anode space is passed into the environment via the outlet section or the anode space assumes the pressure in the outlet section which corresponds to the ambient pressure by opening the flushing valve.
  • the flushing valve can establish a fluidly conductive connection with the inlet or a supply line of the cathode space, and the cathode space can be connected to the environment through at least one shut-off valve, so that the anode space assumes the pressure in the cathode space by opening the flushing valve corresponds to the ambient pressure after opening the respective shut-off valve.
  • control device is set up to open the flushing valve and at least one of the shut-off valves in order to carry out the pressure equalization between the anode space and the cathode space in order to connect the anode space and the cathode space to the environment in a fluidly conductive manner.
  • the fuel supply has a fuel source and at least one fuel supply valve, through which the fuel source can be connected to the anode space and which is connected to the control device in a signal-conducting manner, the control device being set up to open the at least one fuel supply valve, to supply gaseous fuel to the anode space.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a hydraulic circuit diagram of a fuel cell system according to an exemplary embodiment of the invention.
  • the fuel cell 1 is only shown schematically in FIG Cathode 14 a reduction of oxygen contained in an oxidizing gas such as air.
  • a proton exchange takes place between the anode 12 and cathode 14 via the electrolyte membrane.
  • the electrons released during the chemical reaction at the anode 12 are used to provide an electrical voltage.
  • Fig. 1 for reasons of clarity, only one fuel cell 1 is shown purely schematically. Of course, a plurality of fuel cells 1 can be provided, which are preferably arranged as a so-called stack and are electrically connected in series. For the sake of simplicity, reference will only be made below to a fuel cell 1. Of course, the statements also apply in the event that several fuel cells 1 are provided.
  • the fuel supply 4 is generally designed to supply gaseous fuel to the anode space 12A and thus to the anode 12.
  • the fuel supply 4 can in particular have a fuel source 41, for example in the form of a gas tank, and at least one supply valve 42, 43, through which the fuel source 41 can be connected to the anode space 12A.
  • 1 shows an example of a fuel supply 4 with a recirculation system, which has a suction jet pump 44, a recirculation blower 45 and a fuel metering valve 43A, which forms a fuel supply valve 43.
  • a pressure output of the suction jet pump 44 is connected to the anode inlet 15A, and a high pressure inlet of the suction jet pump 44 is connected to the fuel source 41, with the fuel metering valve 43A being arranged between the high pressure inlet of the suction jet pump 44.
  • a shut-off valve 42A which also forms a fuel supply valve 42, may be disposed between the tank 41 and the fuel metering valve 43A.
  • the recirculation blower 45 is arranged in a recirculation line 48, which connects the output 15B of the anode space 12A with a suction inlet of the suction jet pump 44.
  • the recirculation blower 45 is set up to convey gas, in particular unused fuel, from the outlet 15B of the anode chamber 12A to the suction inlet of the suction jet pump 44.
  • the flushing valve 6 can, for example, be arranged in a flushing line 61 connected to the dehumidifier 46, as shown purely by way of example in FIG.
  • the flushing line 61 can be connected to the recirculation line 48 or in another way in a fluidly conductive manner to the outlet 15B of the anode space 12A.
  • the flushing line 61 can also be connected to an outlet line 3 opening into the environment E.
  • the flushing valve 6 can, for example, be designed as a switchable valve, in particular as a solenoid valve, and can be switched between an open state, in which it allows gas to flow through the flushing line 61, and a closed state, in which it closes the flushing line 61.
  • the anode space 12A can therefore be connected to the environment E through the flushing valve 6.
  • the oxidation gas supply 9 is generally designed to supply oxidation gas, in particular air, to the cathode space 14A.
  • the oxidation gas supply 9 can have a blower 91A, which is arranged in a supply line 95 connected to the inlet 16A of the cathode space 14A and sucks in air from the environment E.
  • the outlet 16B of the cathode compartment 14A is connected to the outlet line 3 through a discharge line 96.
  • a recuperation turbine 91B may be disposed in conjunction with the exhaust line 96 to assist in driving the blower 91A.
  • the first shut-off valve 51 can be arranged in the supply line 95, in particular between the blower 91A and the optional one, as shown in FIG Humidifier 92.
  • the first shut-off valve 51 can be designed, for example, as a switchable valve, in particular as a solenoid valve, and can be switched between an open state in which it allows gas to flow through the supply line 95 and a closed state in which it closes the supply line 95. be switchable.
  • the cathode space 14A can therefore be connected to the environment E through the first shut-off valve 51.
  • the second shut-off valve 52 can be arranged in the discharge line 96, as shown in FIG allows a flow towards environment E, as shown as an example in Fig. 1.
  • the second shut-off valve 52 can also be designed as a switchable valve, for example as a solenoid valve.
  • the cathode space 14A can therefore be connected to the environment E through the second shut-off valve 52.
  • the sensor system 7 can have several pressure sensors 71, 72, 73.
  • a first pressure sensor 71 can be provided on the anode space 12A in order to detect a first pressure prevailing in the anode space 12A. 1 shows by way of example that the first pressure sensor 71 detects the first pressure directly in the anode space 12A.
  • the first pressure sensor 71 can also detect the first pressure in the recirculation line 48, for example between the outlet 15B of the anode compartment 12A and the dehumidifier 46, or between the suction jet pump 44 and the inlet 15A of the anode compartment 12A.
  • pressure sensors can also measure the pressure in the recirculation line 48, for example between the outlet 15B of the anode compartment 12A and the dehumidifier 46, and between the suction jet pump 44 and the inlet 15A of the anode compartment 12A and/or in Detect anode space 12A itself, whereby the first pressure is approximated by averaging the detected pressures.
  • a second pressure sensor 72 may be provided on the cathode compartment 14A to detect a second pressure existing in the cathode compartment 14A.
  • 1 shows by way of example that the second pressure sensor 71 detects the first pressure directly in the cathode space 14A.
  • the second pressure sensor 72 can also detect the second pressure in the supply line 95, for example at the inlet 16A of the cathode compartment 14A, or in the discharge line 96, for example at the outlet 16B of the cathode compartment 14A.
  • Several pressure sensors can also detect the pressure at the input 16A, at the output 16B and/or in the anode space 12A itself, with an average value of the detected pressures being formed as the second pressure.
  • a third pressure sensor 73 detects the ambient pressure prevailing in the area E.
  • the sensor system 7 is thus designed to detect a first pressure in the anode space 12A, a second pressure in the cathode space 14A and an ambient pressure.
  • the control device 8 is shown only symbolically as a block in FIG.
  • the control device 8 is in particular designed as an electronic control device 8 and is therefore set up to generate and output output or control signals based on input signals.
  • the control device 8 can have a computing device, in particular a processor, such as a CPU, an FPGA, an ASIC or similar, and a data memory that can be read by the processor.
  • the data memory can in particular have a non-volatile data storage medium, for example in the form of a hard drive, a flash memory, an SD memory or the like, and store software that can be executed by the processor and causes the control device to output output signals.
  • the control device 8 is signal-conducting, for example via wire via a bus system or wirelessly via WiFi, Bluetooth or similar, with the sensor system 7, the fuel supply 4, in particular the fuel supply valves 42, 43, the flushing valve 6 and the first and/or the second Shut-off valve 51, 52 connected.
  • the control device 8 is set up to switch the valves 42, 43, the flushing valve 6, the first shut-off valve 51 and, if switchable, the second shut-off valve 52 of the fuel cell system 100.
  • the control device 8 may be connected to the drive of the blower 91A and the drive of the recirculation fan 45 to control the operation of these components. If present, the control device 8 can also be connected to the bypass valves 93A, 94A and the drain valve 47 and set up to switch these valves 93A, 94A, 47.
  • the anode compartment 12A is usually first flushed with gaseous fuel in order to remove nitrogen or other undesirable substances that have collected in the anode compartment 12A during standstill.
  • the control device 8 opens the flushing valve 6 and the fuel supply valves 42, 43, so that fuel flows from the tank 41 into the anode space 12A and gas therein is discharged from this into the environment E via the flushing line 61.
  • this process can lead to significant pressure differences between the anode chamber 12A and cathode chamber 14A.
  • step M2 the control device 8 determines a second pressure difference between the second pressure prevailing in the cathode space 14A of the fuel cell system 100 and the ambient pressure.
  • the control device 8 uses, for example, the first pressure detected by the second pressure sensor 72 and the ambient pressure detected by the third pressure sensor 73.
  • step M3 the control device 8 compares the determined first pressure difference with a first threshold value for the first pressure. If the first pressure difference is higher than the ambient pressure by more than the first threshold value, as shown in Fig. 2 by the symbol “+”, the method M can either go directly to step M5, or first to step M4. If the first pressure difference is higher than the ambient pressure by less than or exactly by the first threshold value, as shown by the symbol in FIG. 2, the method M proceeds to step M4.
  • Step M4 is a further comparison step in which the control device 8 carries out a comparison between the second pressure difference and a second threshold value.
  • the second threshold may be equal to the first threshold or may be a different value.
  • the first and second threshold values can each be in a range between 10 mbar and 700 mbar.
  • step M4 If it is determined in step M4 that the second pressure difference is higher than the ambient pressure by more than the second threshold value, as shown by the symbol “+” in FIG. 2, method M proceeds to step M5. If it is determined in step M4 that the second pressure difference is higher than the ambient pressure by less than or exactly the second threshold value, as shown by the symbol in FIG. 2, method M proceeds to step M6. As already explained above and as can also be seen in FIG. 2, step M5 can also be carried out independently of the comparison result from step M4. Step M5 is therefore carried out when the first Pressure difference higher than the first threshold value
  • step M5 pressure equalization is carried out between the anode space 12A and the cathode space 14A.
  • the anode space 12A and the cathode space 14A can each be fluidically connected to the environment E.
  • the control device 8 can switch the flushing valve 6 and at least one of the shut-off valves 51, 52, for example the first shut-off valve 51 in FIG. 1, into an open state.
  • the anode space 12A is thereby connected to the environment E via the flushing line 61 and the outlet line 3, the cathode space 14A via the inlet line 95.
  • ambient pressure or at least approximately ambient pressure is set relatively quickly in both the anode space 12A and the cathode space 14A.
  • the fluidically conductive connection of the anode space 12A with the environment E can be separated again after a predetermined period of time has elapsed from the start of the pressure equalization, for example by the control device 8 closing the flushing valve 6 and the at least one open check valve 51, 52 again after the time has elapsed.
  • the control device 8 can continuously determine at least the first pressure difference and, when this reaches a predetermined third threshold value, switch the flushing valve 6 and the at least one open check valve 51, 52 back into the closed state.
  • step M6 fuel is fed into the anode space 12A in order to flush it.
  • the control device 8 can, for example, switch the at least one fuel supply valve 42, 43 in such a way that a fluidly conductive connection is created between the fuel source and the anode space 12A.
  • a flow or a pressure that is generated by the fuel in the anode space 12A can be controlled or regulated, for example, via an opening degree of the metering valve 43A. If pressure equalization is performed in step M5, step M6 is executed only after pressure equalization.
  • the fuel cell system 100 is not exactly limited to the hydraulic circuit shown in FIG. 1.
  • the flushing line 61 can also be connected to the entrance 16A of the cathode compartment 14A. In this way, via a switchable second shut-off valve 52
  • Anode chamber 12A can also be connected to the environment E through the flushing line 61, the discharge line 96 and the drain line 3.
  • the anode space 12 can thus generally be connected to the environment E via the cathode space 14A or directly via the flushing valve 6.

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Abstract

Ein Verfahren zum Starten eines Brennstoffzellensystems ein Ermitteln einer ersten Druckdifferenz zwischen einem ersten Druck, der in einem mit einer Anode zumindest einer Brennstoffzelle verbundenen Anodenraum des Brennstoffzellensystems herrscht, und einem Umgebungsdruck, ein Ermitteln einer zweiten Druckdifferenz zwischen einem zweiten Druck, der in einem mit einer Kathode der zumindest einen Brennstoffzelle verbundenen Kathodenraum des Brennstoffzellensystems herrscht, und dem Umgebungsdruck, ein Vergleichen der ersten Druckdifferenz mit einem ersten Schwellwert, ein Vergleichen der zweiten Druckdifferenz mit einem zweiten Schwellwert, ein Ausführen eines Druckausgleichs zwischen dem Anodenraum und dem Kathodenraum, wenn die erste Druckdifferenz um mehr als den ersten Schwellwert höher als der Umgebungsdruck liegt und/oder wenn die zweite Druckdifferenz um mehr als den zweiten Schwellwert höher als der Umgebungsdruck liegt, und ein Zuführen von Brennstoff in den Anodenraum.

Description

Beschreibung
Titel
Brennstoffzellensystem und Verfahren zum Starten eines Brennstoffzellensystems
Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem und ein Verfahren zum Starten oder Hochfahren eines Brennstoffzellensystems.
Stand der Technik
Brennstoffzellen kommen zunehmend als Energiewandler, unter anderem auch in Fahrzeugen, zum Einsatz, um in einem Brennstoff, wie z.B. Wasserstoff, gespeicherte chemische Energie zusammen mit Sauerstoff direkt in elektrische Energie umzuwandeln. Brennstoffzellen weisen eine Anode, eine Kathode und eine zwischen Anode und Kathode angeordnete elektrolytische Membrane auf. An der Anode erfolgt eine Oxidation des Brennstoffs und an der Kathode eine Reduktion des Sauerstoffs.
Der Kathode einer Brennstoffzelle wird Sauerstoff üblicherweise zugeführt, indem einem mit der Kathode verbundenen Strömungsraum Umgebungsluft zugeführt wird. Umgebungsluft enthält bekanntermaßen Stickstoff. Insbesondere, wenn die Brennstoffzelle außer Betrieb ist bzw. sich im Stillstand befindet, wenn also der Anode und der Kathode keine Edukte zugeführt werden und die Zelle keine elektrische Spannung bereitstellt, kann es vorkommen, dass Stickstoff durch die Elektrolytmembrane in einen mit der Anode verbundenen Anodenraum diffundiert. An der Anode wirkt der Stickstoff als Inertgas und reduziert insbesondere die Oberfläche der Anode, die zur Reaktion mit Brennstoff bereitsteht. Beim Starten des Betriebs der Brennstoffzelle wird die Anodenseite daher typischerweise zunächst mit Brennstoff gespült, um eine passende Konzentration an Brennstoffgas an der Anode einzustellen. Dies verlangsamt den Startprozess der Brennstoffzelle.
Wenn der Betrieb der Brennstoffzelle gestoppt wird, wird der Anodenraum üblicherweise durch ein Ventil von der Brennstoffzufuhr und der Kathodenraum über Absperrventile von der Umgebung getrennt. Daher kann es insbesondere in Folge von Temperaturänderungen vorkommen, dass sich im Anodenraum und im Kathodenraum vom Umgebungsdruck abweichende Drücke einstellen. Wenn der Druck auf der Anodenseite oder der Kathodenseite oberhalb des Umgebungsdrucks liegt, erfordert der Spülvorgang einen erheblichen Druckaufbau im Anodenraum. Dies kann zu einer Druckdifferenz zwischen Anodenseite und Kathodenseite führen, die hohe mechanische Belastung der Elektrolytmembrane zur Folge hat.
In der EP 2 026 396 Bl wird ein Brennstoffzellensystem offenbart, wobei in einem Abschaltverfahren die Oxidationsgaszufuhr unterbrochen und die Kathode von der Umgebung getrennt wird, während der Anode weiterhin Brennstoff mit einem Druck zugeführt, der größer oder gleich dem Umgebungsdruck und größer oder gleich dem Druck auf der Kathodenseite ist, und mittels eines elektrischen Verbrauchers der Brennstoffzelle Strom entnommen wird, um das Oxidationsgas an der Kathode zu verbrauchen und der Kathode Brennstoff über die Membrane Brennstoff zuzuführen. Ziel dieses Vorgehens ist es, den Eintritt von Oxidationsgas an der Kathodenseite während des Stillstands zu verhindern.
Offenbarung der Erfindung
Vor diesem Hintergrund stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Starten eines Brennstoffzellensystems mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Anspruchs 7 bereit.
Nach einem ersten Aspekt der Erfindung umfasst ein Verfahren zum Starten eines Brennstoffzellensystems ein Ermitteln einer ersten Druckdifferenz zwischen einem ersten Druck, der in einem mit einer Anode zumindest einer Brennstoffzelle verbundenen Anodenraum des Brennstoffzellensystems herrscht, und einem Umgebungsdruck, ein Ermitteln einer zweiten Druckdifferenz zwischen einem zweiten Druck, der in einem mit einer Kathode der zumindest einen Brennstoffzelle verbundenen Kathodenraum des Brennstoffzellensystems herrscht, und dem Umgebungsdruck, ein Vergleichen der ersten Druckdifferenz mit einem ersten Schwellwert, ein Vergleichen der zweiten Druckdifferenz mit einem zweiten Schwellwert und, wenn die erste Druckdifferenz um mehr als den ersten Schwellwert höher als der Umgebungsdruck liegt und/oder wenn die zweite Druckdifferenz um mehr als den zweiten Schwellwert höher als der Umgebungsdruck liegt, ein Ausführen eines Druckausgleichs zwischen dem Anodenraum und dem Kathodenraum. In einem weiteren Schritt, der, wenn ein Druckausgleich zwischen Anodenraum und Kathodenraum erforderlich ist, nach dem Druckausgleich ausgeführt wird, erfolgt ein Zuführen von Brennstoff in den Anodenraum sowie vorzugsweise auch von Oxidationsgas in den Kathodenraum.
Nach einem zweiten Aspekt der Erfindung umfasst ein Brennstoffzellensystem zumindest eine Brennstoffzelle mit einer Anode, einer Kathode und einer zwischen Anode und Kathode gelegenen Elektrolytmembrane, einen mit der Anode der zumindest einen Brennstoffzelle fluidisch leitend verbundenen Anodenraum zum Durchleiten von gasförmigem Brennstoff mit einem Einlass und einem Auslass, eine mit dem Einlass des Anodenraums verbundene Brennstoffzufuhr, einen mit der Kathode der zumindest einen Brennstoffzelle fluidisch leitend verbundenen Kathodenraum zum Durchleiten von Oxidationsgas mit einem mit einem Einlass und einem Auslass, ein erstes Absperrventil, über welches der Einlass des Kathodenraums mit der Umgebung verbindbar ist, ein zweites Absperrventil, über welches der Auslass des Kathodenraums mit der Umgebung verbindbar ist, ein Spülventil, über welches der Anodenraum mit der Umgebung verbindbar ist, ein Sensorsystem, welches dazu ausgebildet ist, einen ersten Druck im Anodenraum, einen zweiten Druck im Kathodenraum und einen Umgebungsdruck zu erfassen, und eine Steuerungsvorrichtung, welche signalleitend mit dem Sensorsystem, der Brennstoffzufuhr, dem Spülventil und dem ersten und/oder dem zweiten Absperrventil verbunden ist. Die Steuerungsvorrichtung ist dazu eingerichtet, das Brennstoffzellensystem zur Ausführung des Verfahrens nach dem ersten Aspekt der Erfindung zu veranlassen. Die hierin im Zusammenhang mit dem Verfahren offenbarten Merkmale und Vorteile sind somit auch für das Brennstoffzellensystem offenbart und umgekehrt.
Eine der Erfindung zugrundeliegende Idee besteht darin, zur Startvorbereitung, also bevor mit dem Brennstoffzellensystem Strom produziert wird, den Druck im Anodenraum und im Kathodenraum zu erfassen und mit dem Umgebungsdruck abzugleichen. Wenn einer der Teildrücke um mehr als einen Grenzwert oder Schwellwert nach oben vom Umgebungsdruck abweicht, wird ein Druckausgleich zwischen dem Anodenraum und dem Kathodenraum ausgeführt. Die Drücke im Anodenraum und dem Kathodenraum werden somit auf denselben oder im Wesentlichen denselben Wert eingestellt, bevor eine Brennstoffzufuhr in den Anodenraum erfolgt, um diesen zu spülen.
Ein Vorteil der Erfindung liegt darin, dass durch das Ausführen des Druckausgleichs, wenn zumindest einer der Teildrücke um mehr als einen Grenzwert oder Schwellwert nach oben vom Umgebungsdruck abweicht, beim Zuführen des Brennstoffs zum Spülen des Anodenraums ein die elektrolytische Membrane übermäßig belastende Druckdifferenz zwischen Anodenraum und Kathodenraum vermieden wird. Ferner wird der Druck, der im Anodenraum zum Spülen durch das Zuführen des Brennstoffs aufgebaut wird, verringert. Dies beschleunigt vorteilhaft den Startvorgang.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den weiteren Unteransprüchen sowie aus der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnung.
Gemäß manchen Ausführungsformen kann vorgesehen sein, dass zum Ausführen des Druckausgleichs zwischen dem Anodenraum und dem Kathodenraum der Anodenraum und dem Kathodenraum jeweils fluidisch leitend mit der Umgebung verbunden werden. Der Druckausgleich zwischen dem Anodenraum und dem Kathodenraum erfolgt demnach dadurch, dass in beiden Räumen Umgebungsdruck eingestellt wird. Dies bietet den Vorteil, dass durch den Druckausgleich Drücke oberhalb des Umgebungsdrucks vermieden werden. Dies erleichtert und beschleunigt das Zuführen des Brennstoffs weiter und verringert die Belastung der Membrane zusätzlich. Gemäß manchen Ausführungsformen kann vorgesehen sein, dass der Anodenraum durch Öffnen eines Spülventils direkt mit der Umgebung verbunden wird oder mit einem Einlass des Anodenraums, welcher durch Öffnen von zumindest einem Absperrventil mit der Umgebung verbunden wird. Das Spülventil kann z.B. eine fluidisch leitende Verbindung mit einer Auslassstrecke herstellen, die den Kathodenraum mit der Umgebung verbindet. Das aus dem Anodenraum ausgeleitete Gas wird hierbei über die Auslassstrecke in die Umgebung geleitet bzw. der Anodenraum nimmt durch das Öffnen des Spülventils den Druck in der Auslassstrecke an, der dem Umgebungsdruck entspricht. Alternativ kann das Spülventil eine fluidisch leitende Verbindung mit dem Einlass bzw. einer Zufuhrleitung des Kathodenraums herstellen, und der Kathodenraum kann durch zumindest ein Absperrventil mit der Umgebung verbunden werden, so dass der Anodenraum durch das Öffnen des Spülventils den Druck in dem Kathodenraum annimmt, der nach dem Öffnen des jeweiligen Absperrventils dem Umgebungsdruck entspricht.
Gemäß manchen Ausführungsformen kann vorgesehen sein, dass das Zuführen von Brennstoff in den Anodenraum gestartet wird, wenn der Anodenraum fluidisch leitend mit der Umgebung verbunden ist, so dass Gas aus dem Anodenraum in die Umgebung ausgespült wird.
Gemäß manchen Ausführungsformen kann vorgesehen sein, dass die fluidisch leitende Verbindung des Anodenraums mit der Umgebung nach Ablauf einer vorbestimmten Zeitspanne ab Beginn des Druckausgleichs getrennt wird. Somit kann der Druckausgleich z.B. gesteuert werden. Alternativ kann vorgesehen sein, dass die fluidisch leitende Verbindung des Anodenraums mit der Umgebung getrennt wird, wenn die erste Druckdifferenz einen vorbestimmten dritten Schwellwert erreicht. Demnach kann der Druckausgleich z.B. geregelt erfolgen. Der dritte Schwellwert kann z.B. dem Umgebungsdruck oder einem Druck etwas oberhalb des Umgebungsdrucks entsprechen.
Gemäß manchen Ausführungsformen kann vorgesehen sein, dass der erste und der zweite Schwellwert jeweils in einem Bereich zwischen 10 mbar und 700 mbar liegen. Der Schwellwert repräsentiert im Wesentlichen eine maximal zulässige Abweichung vom Umgebungsdruck. Unabhängig von dem konkreten Wert des ersten und des zweiten Schwellwerts können der erste und der zweite Schwellwert z.B. gleich sein.
Gemäß manchen Ausführungsformen kann vorgesehen sein, dass die Steuerungsvorrichtung dazu eingerichtet ist, zum Ausführen des Druckausgleichs zwischen dem Anodenraum und dem Kathodenraum das Spülventil und zumindest eines der Absperrventile zu öffnen, um den Anodenraum und den Kathodenraum jeweils fluidisch leitend mit der Umgebung zu verbinden.
Gemäß manchen Ausführungsformen kann vorgesehen sein, dass die Brennstoffzufuhr eine Brennstoffquelle und zumindest ein Brennstoffzufuhrventil aufweist, durch welches die Brennstoffquelle mit dem Anodenraum verbindbar ist und welches signalleitend mit der Steuerungsvorrichtung verbunden ist, wobei die Steuerungsvorrichtung dazu eingerichtet ist, das zumindest eine Brennstoffzufuhrventil zu öffnen, um dem Anodenraum gasförmigen Brennstoff zuzuführen.
Im Folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnungen erläutert. Von den Figuren zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines hydraulischen Schaltbildes eines Brennstoffzellensystems gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung; und
Fig. 2 den Ablauf eines Verfahrens zum Starten eines Brennstoffzellensystems gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
In den Figuren bezeichnen dieselben Bezugszeichen gleiche oder funktionsgleiche Komponenten, soweit nichts Gegenteiliges angegeben ist.
Fig. 1 zeigt beispielhaft ein Brennstoffzellensystem 100. Wie in Fig. 1 gezeigt, umfasst das Brennstoffzellensystem 100 zumindest eine Brennstoffzelle 1, eine Brennstoffzufuhr 4, ein Spülventil 6, eine Oxidationsgaszufuhr 9, ein erstes Absperrventil 51, ein zweites Absperrventil 52, ein Sensorsystem 7 und eine Steuerungsvorrichtung 8.
Die Brennstoffzelle 1 ist in Fig. 1 lediglich schematisch dargestellt und umfasst eine Anode 12, eine Kathode 14 und einer zwischen Anode 12 und Kathode 14 gelegenen Elektrolytmembrane 14. An der Anode 12 erfolgt eine Oxidation von gasförmigem Brennstoff, wie z.B. Wasserstoff, und an der Kathode 14 eine Reduktion von Sauerstoff, der in einem Oxidationsgas, wie z.B. Luft, enthalten ist. Über die Elektrolytmembran erfolgt ein Protonenaustausch zwischen Anode 12 und Kathode 14. Die bei der chemischen Reaktion an der Anode 12 abgegebenen Elektronen werden zur Bereitstellung einer elektrischen Spannung genutzt.
In Fig. 1 ist aus Gründen der Übersichtlichkeit rein schematisch lediglich eine Brennstoffzelle 1 dargestellt. Selbstverständlich kann eine Mehrzahl an Brennstoffzellen 1 vorgesehen sein, die vorzugsweise als sogenannter Stack angeordnet und elektrisch in Reihe geschaltet sind. Im Folgenden wird zur Vereinfachung lediglich auf eine Brennstoffzelle 1 Bezug genommen. Die Ausführungen gelten natürlich auch für den Fall, dass mehrere Brennstoffzellen 1 vorgesehen sind.
Die Anode 12 der Brennstoffzelle 1 ist fluidisch leitend mit einem Anodenraum 12A verbunden, der zum Durchleiten von gasförmigem Brennstoff vorgesehen ist. Wenn mehrere Brennstoffzellen 1 vorgesehen sind, sind alle mit dem Anodenraum 12A verbunden. Der Anodenraum 12A bildet somit eine Art Strömungsraum, in dem die Anode 12 angeordnet ist. Wie in Fig. 1 schematisch gezeigt, weist der Anodenraum 12A einen Einlass 15A, durch welchen dem Anodenraum 12A mittels der nachfolgend noch erläuterten Brennstoffzufuhr 4 gasförmiger Brennstoff zuführbar ist, und einen Auslass 15B auf, durch welchen nicht verbrauchter Brennstoff oder allgemein Gas aus dem Anodenraum 12A abführbar ist.
Die Kathode 14 der Brennstoffzelle 1 ist fluidisch leitend mit einem Kathodenraum 14A verbunden, der zum Durchleiten von Oxidationsgas, wie z.B. Luft, vorgesehen ist. Wenn mehrere Brennstoffzellen 1 vorgesehen sind, sind alle Brennstoffzellen 1 mit dem Kathodenraum 14A verbunden. Der Kathodenraum 14A bildet somit eine Art Strömungsraum, in dem die Kathode 14 angeordnet ist. Wie in Fig. 1 schematisch gezeigt, weist der Kathodenraum 14A einen Einlass 16A, durch welchen dem Kathodenraum 14A mittels der nachfolgend noch erläuterten Oxidationsgaszufuhr 9 gasförmiger Brennstoff zuführbar ist, und einen Auslass 16B auf, durch welchen Gas und Reaktionsprodukte, insbesondere Wasser, aus dem Kathodenraum 14A abführbar ist.
Die Brennstoffzufuhr 4 ist allgemein dazu ausgebildet, dem Anodenraum 12A und damit der Anode 12 gasförmigen Brennstoff zuzuführen. Wie in Fig. 1 beispielhaft gezeigt, kann die Brennstoffzufuhr 4 hierzu insbesondere eine Brennstoffquelle 41, z.B. in Form eines Gastanks, und zumindest ein Zufuhrventil 42, 43 aufweisen, durch welches die Brennstoffquelle 41 mit dem Anodenraum 12A verbindbar ist. In Fig. 1 ist beispielhaft ein Brennstoffzufuhr 4 mit einem Rezirkulationssystem dargestellt, welches eine Saugstrahlpumpe 44, ein Rezirkulationsgebläse 45 und ein Brennstoffdosierventil 43A aufweist, welches ein Brennstoffzufuhrventil 43 bildet. Wie in Fig. 1 schematisch gezeigt, ist ein Druckausgang der Saugstrahlpumpe 44 mit dem Anodeneingang 15A, und ein Hochdruckeingang der Saugstrahlpumpe 44 ist mit der Brennstoffquelle 41 verbunden, wobei das Brennstoffdosierventil 43A zwischen dem Hochdruckeingang der Saugstrahlpumpe 44 angeordnet ist. Ein Absperrventil 42A, welches ebenfalls ein Brennstoffzufuhrventil 42 bildet, kann zwischen dem Tank 41 und dem Brennstoffdosierventil 43A angeordnet sein.
Das Rezirkulationsgebläse 45 ist in einer Rezirkulationsleitung 48 angeordnet, welche den Ausgang 15B des Anodenraums 12A mit einem Saugeingang der Saugstrahlpumpe 44 verbindet. Das Rezirkulationsgebläse 45 ist dazu eingerichtet, Gas, insbesondere nicht verbrauchten Brennstoff, vom Ausgang 15B des Anodenraums 12A zum Saugeingang der Saugstrahlpumpe 44 zu fördern.
Wie in Fig. 1 weiterhin gezeigt, kann ein Entfeuchter 46 in der Rezirkulationsleitung 48 zwischen dem Ausgang 15B des Anodenraums 12A und dem Rezirkulationsgebläse 45 angeordnet sein. Der Entfeuchter 46 ist dazu ausgebildet, dem rezirkulierten Gas Wasser zu entziehen. Sich in dem Entfeuchter 46 ansammelndes Wasser kann z.B. über ein Ablassventil 47 aus dem Entfeuchter 46 abgeleitet werden.
Das Spülventil 6 kann z.B. in einer mit dem Entfeuchter 46 verbundenen Spülleitung 61 angeordnet sein, wie dies in Fig. 1 rein beispielhaft gezeigt ist. Allgemein kann die Spülleitung 61 mit der Rezirkulationsleitung 48 oder in anderer Weise fluidisch leitend mit dem Ausgang 15B des Anodenraums 12A verbunden sein. Wie in Fig. 1 beispielhaft gezeigt, kann die Spülleitung 61 ferner mit einer in die Umgebung E mündenden Auslassleitung 3 verbunden sein. Das Spülventil 6 kann z.B. als schalbares Ventil, insbesondere als Magnetventil, ausgebildet und zwischen einem geöffneten Zustand, in dem es einen Durchfluss von Gas durch die Spülleitung 61 ermöglicht, und einem geschlossenen Zustand, in dem es die Spülleitung 61 verschließt, schaltbar sein. Somit ist der Anodenraum 12A durch das Spülventil 6 mit der Umgebung E verbindbar.
Die Oxidationsgaszufuhr 9 ist allgemein dazu ausgebildet, dem Kathodenraum 14A Oxidationsgas, insbesondere Luft zuzuführen. Wie in Fig. 1 rein beispielhaft gezeigt, kann die Oxidationsgaszufuhr 9 hierzu ein Gebläse 91A aufweisen, das in einer mit dem Einlass 16A des Kathodenraums 14A verbundenen Zufuhrleitung 95 angeordnet ist und Luft aus der Umgebung E ansaugt. Der Auslass 16B des Kathodenraums 14A ist durch eine Abfuhrleitung 96 mit der Auslassleitung 3 verbunden. Wie in Fig. 1 gezeigt ist, kann eine Rekuperationsturbine 91B in einer mit dem Abfuhrleitung 96 angeordnet sein, um einen Antrieb des Gebläses 91A zu unterstützen.
Wie in Fig. 1 weiterhin beispielhaft gezeigt, kann ein mit der Zufuhrleitung 95 und der Abfuhrleitung 96 verbundener Befeuchter 92 vorgesehen sein, welcher dazu ausgebildet ist, dem in der Abfuhrleitung 96 strömenden Gas Wasser zu entziehen und dem in der Zufuhrleitung 95 strömenden Oxidationsgas zuzuführen. Der Befeuchter 92 kann in der Zufuhrleitung 95 optional über eine erste Bypassleitung 93, die durch ein erstes Bypassventil 93A absperrbar ist, umgangen werden.
Das erste Absperrventil 51 kann, wie in Fig. 1 gezeigt in der Zufuhrleitung 95 angeordnet sein, insbesondere zwischen dem Gebläse 91A und dem optionalen Befeuchter 92. Das erste Absperrventil 51 kann z.B. als schalbares Ventil, insbesondere als Magnetventil, ausgebildet und zwischen einem geöffneten Zustand, in dem es einen Durchfluss von Gas durch die Zufuhrleitung 95 ermöglicht, und einem geschlossenen Zustand, in dem es die Zufuhrleitung 95 verschließt, schaltbar sein. Somit ist der Kathodenraum 14A durch das erste Absperrventil 51 mit der Umgebung E verbindbar.
Das zweite Absperrventil 52 kann, wie in Fig. 1 gezeigt in der Abfuhrleitung 96 angeordnet sein, insbesondere zwischen der Auslassleitung 3 bzw. der gegebenenfalls vorgesehenen Turbine 91B und dem optionalen Befeuchter 92. Das zweite Absperrventil 52 kann z.B. als Rückschlagventil ausgebildet sein, welches nur einen Durchfluss in Richtung Umgebung E zulässt, wie in Fig. 1 beispielhaft gezeigt. Alternativ kann das zweite Absperrventil 52 auch als schaltbares Ventil, z.B. als Magnetventil, ausgebildet sein. Somit ist der Kathodenraum 14A durch das zweite Absperrventil 52 mit der Umgebung E verbindbar.
Wie in Fig. 1 weiterhin dargestellt, kann optional außerdem eine zweite Bypassleitung 94 vorgesehen sein, welche die Zufuhrleitung 95 und die Abfuhrleitung 96 verbindet und durch ein zweites Bypassventil 94A absperrbar ist.
Das Sensorsystem 7 kann mehrere Drucksensoren 71, 72, 73 aufweisen. Wie in Fig. 1 schematisch dargestellt, kann ein erster Drucksensor 71 an dem Anodenraum 12A vorgesehen sein, um einen ersten Druck, der im Anodenraum 12A herrscht, zu erfassen. In Fig. 1 ist beispielhaft gezeigt, dass der erste Drucksensor 71 den ersten Druck direkt im Anodenraum 12A erfasst. Selbstverständlich kann der erste Drucksensor 71 den ersten Druck auch in der Rezirkulationsleitung 48, z.B. zwischen dem Ausgang 15B des Anodenraums 12A und dem Entfeuchter 46, oder zwischen der Saugstrahlpumpe 44 und dem Eingang 15A des Anodenraums 12A erfassen. Auch können mehrere Drucksensoren den Druck in der Rezirkulationsleitung 48, z.B. zwischen dem Ausgang 15B des Anodenraums 12A und dem Entfeuchter 46, und zwischen der Saugstrahlpumpe 44 und dem Eingang 15A des Anodenraums 12A und/oder im Anodenraum 12A selbst erfassen, wobei der erste Druck angenähert wird, indem ein Mittelwert der erfassten Drücke gebildet wird.
Ein zweiter Drucksensor 72 kann an dem Kathodenraum 14A vorgesehen sein, um einen zweiten Druck, der im Kathodenraum 14A herrscht, zu erfassen. In Fig. 1 ist beispielhaft gezeigt, dass der zweite Drucksensor 71 den ersten Druck direkt im Kathodenraum 14A erfasst. Selbstverständlich kann der zweite Drucksensor 72 den zweiten Druck auch in Zufuhrleitung 95, z.B. am Eingang 16A des Kathodenraums 14A, oder in der Abfuhrleitung 96, z.B. am Ausgang 16B des Kathodenraums 14A erfassen. Auch können mehrere Drucksensoren den Druck am Eingang 16A, am Ausgang 16B und/oder im Anodenraum 12A selbst erfassen, wobei als zweiter Druck ein Mittelwert der erfassten Drücke gebildet wird.
Ein dritter Drucksensor 73 erfasst den in der Umgebung E herrschenden Umgebungsdruck.
Allgemein ist das Sensorsystem 7 somit dazu ausgebildet, einen ersten Druck im Anodenraum 12A, einen zweiten Druck im Kathodenraum 14A und einen Umgebungsdruck zu erfassen.
Die Steuerungsvorrichtung 8 ist in Fig. 1 lediglich symbolisch als Block dargestellt. Die Steuerungsvorrichtung 8 ist insbesondere als elektronische Steuerungsvorrichtung 8 ausgebildet und somit dazu eingerichtet, basierend auf Eingangssignalen Ausgangs- bzw. Steuersignale zu erzeugen und auszugeben. Beispielsweise kann die Steuerungsvorrichtung 8 eine Recheneinrichtung, insbesondere einen Prozessor, wie z.B. eine CPU, einen FPGA, einen ASIC oder ähnliches, und einen Datenspeicher, der durch den Prozessor lesbar ist, aufweisen. Der Datenspeicher kann insbesondere ein nicht-flüchtiges Datenspeichermedium aufweisen, z.B. in Form einer Festplatte, eines Flash- Speichers, eines SD-Speichers oder ähnlichem, und Software speichern, die durch den Prozessor ausführbar ist und die Steuerungsvorrichtung zur Ausgabe von Ausgangssignalen veranlasst. Die Steuerungsvorrichtung 8 ist signalleitend, z.B. über drahtgebunden über ein Bus-System oder drahtlos über WiFi, Bluetooth oder ähnliches, mit dem Sensorsystem 7, der Brennstoffzufuhr 4, insbesondere den Brennstoffzufuhrventilen 42, 43, dem Spülventil 6 und dem ersten und/oder dem zweiten Absperrventil 51, 52 verbunden. Insbesondere ist die Steuerungsvorrichtung 8 dazu eingerichtet, die Ventile 42, 43, das Spülventil 6, das erste Absperrventil 51 und, falls schaltbar, das zweite Absperrventil 52 des Brennstoffzellensystems 100 zu schalten. Ebenso kann die Steuerungsvorrichtung 8 mit dem Antrieb des Gebläses 91A und dem Antrieb des Rezirkulationsgebläses 45 verbunden sein, um den Betrieb dieser Komponenten zu steuern. Falls vorhanden kann die Steuerungsvorrichtung 8 auch mit den Bypassventilen 93A, 94A und dem Ablassventil 47 verbunden und dazu eingerichtet sein, diese Ventile 93A, 94A, 47 zu schalten.
Beim Starten des Brennstoffzellensystems 100 erfolgt üblicherweise zunächst ein Spülen des Anodenraums 12A mit gasförmigem Brennstoff, um Stickstoff oder andere unerwünschte Stoffe, die sich im Anodenraum 12A während des Stillstands gesammelt haben, zu entfernen. Hierzu öffnet die Steuerungsvorrichtung 8 das Spülventil 6 und die Brennstoffzufuhrventile 42, 43, sodass Brennstoff aus dem Tank 41 in den Anodenraum 12A strömt und darin befindliches Gas aus diesem über die Spülleitung 61 in die Umgebung E abgeführt wird. Dieser Vorgang kann, je nach Druck im Anodenraum 12A und im Kathodenraum 14A zu erheblichen Druckdifferenzen zwischen Anodenraum 12A und Kathodenraum 14A führen.
In Fig. 2 ist beispielhaft der Ablauf eines Verfahrens M zum Starten eines Brennstoffzellensystems 100 dargestellt, das nachfolgend beispielhaft unter Bezugnahme auf das in Fig. 1 gezeigte Brennstoffzellensystem 100 erläutert wird.
In Schritt Ml ermittelt die Steuerungsvorrichtung 8 eine erste Druckdifferenz zwischen dem ersten Druck, der in dem Anodenraum 12A des Brennstoffzellensystems 100 herrscht, und einem Umgebungsdruck. Hierzu verwendet die Steuerungsvorrichtung 8 z.B. den vom ersten Drucksensor 71 erfassten ersten Druck und den vom dritten Drucksensor 73 erfassten Umgebungsdruck.
In Schritt M2 ermittelt die Steuerungsvorrichtung 8 eine zweite Druckdifferenz zwischen dem zweiten Druck, der in dem Kathodenraum 14A des Brennstoffzellensystems 100 herrscht, und dem Umgebungsdruck. Hierzu verwendet die Steuerungsvorrichtung 8 z.B. den vom zweiten Drucksensor 72 erfassten ersten Druck und den vom dritten Drucksensor 73 erfassten Umgebungsdruck.
In Schritt M3 vergleicht die Steuerungsvorrichtung 8 die ermittelte erste Druckdifferenz mit einem ersten Schwellwert für den ersten Druck. Wenn die erste Druckdifferenz um mehr als den ersten Schwellwert höher als der Umgebungsdruck liegt, wie dies in Fig. 2 durch das Symbol „+“ dargestellt ist, kann das Verfahren M entweder direkt zu Schritt M5 übergehen, oder zunächst zu Schritt M4. Wenn die erste Druckdifferenz um weniger als oder genau um den ersten Schwellwert höher als der Umgebungsdruck liegt, wie dies in Fig. 2 durch das Symbol dargestellt ist, geht das Verfahren M zu Schritt M4 über.
Schritt M4 ist ein weiterer Vergleichsschritt, in dem die Steuerungsvorrichtung 8 einen Vergleich zwischen der zweiten Druckdifferenz und einem zweiten Schwellwert durchführt. Der zweite Schwellwert kann gleich dem ersten Schwellwert sein oder kann ein anderer Wert sein. Allgemein können der erste und der zweite Schwellwert jeweils in einem Bereich zwischen 10 mbar und 700 mbar liegen.
Wenn in Schritt M4 festgestellt wird, dass die zweite Druckdifferenz um mehr als den zweiten Schwellwert höher als der Umgebungsdruck liegt, wie dies in Fig. 2 durch das Symbol „+“ dargestellt ist, geht das Verfahren M zu Schritt M5 über. Wenn in Schritt M4 festgestellt wird, dass die zweite Druckdifferenz um weniger als oder genau um den zweiten Schwellwert höher als der Umgebungsdruck liegt, wie dies in Fig. 2 durch das Symbol dargestellt ist, geht das Verfahren M zu Schritt M6 über. Wie oben bereits erläutert und wie in Fig. 2 ebenfalls erkennbar, kann Schritt M5 auch unabhängig vom Vergleichsergebnis aus Schritt M4 ausgeführt werden. Schritt M5 wird somit dann ausgeführt, wenn die erste Druckdifferenz um mehr als den ersten Schwellwert höher als der
Umgebungsdruck liegt und/oder wenn die zweite Druckdifferenz um mehr als den zweiten Schwellwert höher als der Umgebungsdruck liegt
In Schritt M5 wird ein Druckausgleich zwischen dem Anodenraum 12A und dem Kathodenraum 14A durchgeführt. Hierzu können beispielsweise der Anodenraum 12A und der Kathodenraum 14A jeweils fluidisch leitend mit der Umgebung E verbunden werden. Insbesondere kann die Steuerungsvorrichtung 8 das Spülventil 6 und zumindest eines der Absperrventile 51, 52, in Fig. 1 z.B. das erste Absperrventil 51, in einen geöffneten Zustand schalten. Der Anodenraum 12A wird dadurch über die Spülleitung 61 und die Auslassleitung 3 mit der Umgebung E verbunden, der Kathodenraum 14A über die Einlassleitung 95. Auf diese Weise wird sowohl im Anodenraum 12A als auch im Kathodenraum 14A relativ zügig Umgebungsdruck oder zumindest annähernd Umgebungsdruck eingestellt. Die fluidisch leitende Verbindung des Anodenraums 12A mit der Umgebung E kann nach Ablauf einer vorbestimmten Zeitspanne ab Beginn des Druckausgleichs wieder getrennt werden, z.B. indem die Steuerungsvorrichtung 8 nach Zeitablauf das Spülventil 6 und das zumindest eine geöffnete Sperrventil 51, 52 wieder schließt. Alternativ kann die Steuerungsvorrichtung 8 kontinuierlich zumindest die erste Druckdifferenz ermitteln und, wenn diese einen vorbestimmten dritten Schwellwert erreicht, das Spülventil 6 und das zumindest eine geöffnete Sperrventil 51, 52 wieder in den geschlossenen Zustand schalten.
In Schritt M6 erfolgt ein Zuführen von Brennstoff in den Anodenraum 12A, um diesen zu spülen. Hierzu kann die Steuerungsvorrichtung 8 z.B. das zumindest eine Brennstoffzufuhrventil 42, 43 derart schalten, dass eine fluidisch leitende Verbindung zwischen der Brennstoffquelle und dem Anodenraum 12A entsteht. Ein Durchfluss bzw. ein Druck, der durch den Brennstoff im Anodenraum 12A erzeugt wird, kann z.B. über einen Öffnungsgrad des Dosierventils 43A gesteuert oder geregelt werden. Wenn in Schritt M5 ein Druckausgleich vorgenommen wird, wird Schritt M6 erst nach dem Druckausgleich ausgeführt. Optional kann das Zuführen M6 von Brennstoff in den Anodenraum 12A durch die Steuerungsvorrichtung 8 gestartet werden, wenn der Anodenraum 12A fluidisch leitend mit der Umgebung E verbunden ist, so dass Gas aus dem Anodenraum 12A in die Umgebung E ausgespült wird. Obwohl die vorliegende Erfindung vorstehend anhand von Ausführungsbeispielen exemplarisch erläutert wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Weise modifizierbar. Insbesondere sind auch Kombinationen der voranstehenden Ausführungsbeispiele denkbar.
Insbesondere ist das Brennstoffzellensystem 100 nicht exakt auf die in Fig. 1 dargestellte hydraulische Verschaltung beschränkt. Beispielsweise kann die Spülleitung 61 auch mit dem Eingang 16A des Kathodenraums 14A verbunden sein. Über ein schaltbares zweites Absperrventil 52 ist auf diese Weise der
Anodenraum 12A durch die Spülleitung 61, die Abfuhrleitung 96 und die Ablassleitung 3 ebenfalls mit der Umgebung E verbindbar. Über das Spülventil 6 ist der Anodenraum 12 somit allgemein über den Kathodenraum 14A oder direkt mit der Umgebung E verbindbar.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren (M) zum Starten eines Brennstoffzellensystems (100), umfassend:
Ermitteln (Ml) einer ersten Druckdifferenz zwischen einem ersten Druck, der in einem mit einer Anode (12) zumindest einer Brennstoffzelle (1) verbundenen Anodenraum (12A) des Brennstoffzellensystems (100) herrscht, und einem Umgebungsdruck;
Ermitteln (M2) einer zweiten Druckdifferenz zwischen einem zweiten Druck, der in einem mit einer Kathode (14) der zumindest einen Brennstoffzelle (1) verbundenen Kathodenraum (14A) des Brennstoffzellensystems (100) herrscht, und dem Umgebungsdruck;
Vergleichen (M3) der ersten Druckdifferenz mit einem ersten Schwellwert;
Vergleichen (M4) der zweiten Druckdifferenz mit einem zweiten Schwellwert;
Ausführen (M5) eines Druckausgleichs zwischen dem Anodenraum (12A) und dem Kathodenraum (14A), wenn die erste Druckdifferenz um mehr als den ersten Schwellwert höher als der Umgebungsdruck liegt und/oder wenn die zweite Druckdifferenz um mehr als den zweiten Schwellwert höher als der Umgebungsdruck liegt; und
Zuführen (M6) von Brennstoff in den Anodenraum (12A).
2. Verfahren (M) nach Anspruch 1, wobei zum Ausführen (M5) des Druckausgleichs zwischen dem Anodenraum (12A) und dem Kathodenraum (14A) der Anodenraum (12A) und dem Kathodenraum (14A) jeweils fluidisch leitend mit der Umgebung (E) verbunden werden.
3. Verfahren (M) nach Anspruch 2, wobei der Anodenraum (12A) durch Öffnen eines Spülventils (6) direkt mit der Umgebung (E) verbunden wird oder mit einem Einlass (16A) des Anodenraums (14A), welcher durch Öffnen von zumindest einem Absperrventil mit der Umgebung (E) verbunden wird. Verfahren (M) nach Anspruch 2 oder 3, wobei das Zuführen (M6) von Brennstoff in den Anodenraum (12A) gestartet wird, wenn der Anodenraum (12A) fluidisch leitend mit der Umgebung (E) verbunden ist, so dass Gas aus dem Anodenraum (12A) in die Umgebung (E) ausgespült wird. Verfahren (M) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei die fluidisch leitende Verbindung des Anodenraums (12A) mit der Umgebung (E) nach Ablauf einer vorbestimmten Zeitspanne ab Beginn des Druckausgleichs getrennt wird, oder wenn die erste Druckdifferenz einen vorbestimmten dritten Schwellwert erreicht. Verfahren (M) nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei der erste und der zweite Schwellwert jeweils in einem Bereich zwischen 10 mbar und 700 mbar liegen. Brennstoffzellensystem (100), aufweisend: zumindest eine Brennstoffzelle (1) mit einer Anode (12), einer Kathode (14) und einer zwischen Anode (12) und Kathode (3) gelegenen Elektrolytmembrane (14); einen mit der Anode (12) der zumindest einen Brennstoffzelle (12) fluidisch leitend verbundenen Anodenraum (12A) zum Durchleiten von gasförmigem Brennstoff mit einem Einlass (15A) und einem Auslass (15B); eine mit dem Einlass (15A) des Anodenraums (12A) verbundene Brennstoffzufuhr (4); einen mit der Kathode (14) der zumindest einen Brennstoffzelle (12) fluidisch leitend verbundenen Kathodenraum (14A) zum Durchleiten von Oxidationsgas mit einem mit einem Einlass (16A) und einem Auslass (16B); ein erstes Absperrventil (51), über welches der Einlass (16A) des Kathodenraums (14A) mit der Umgebung (E) verbindbar ist; ein zweites Absperrventil (52), über welches der Auslass (16B) des Kathodenraums (14A) mit der Umgebung (E) verbindbar ist; ein Spülventil (6), über welches der Anodenraum (12A) mit der Umgebung (E) verbindbar ist; ein Sensorsystem (7), welches dazu ausgebildet ist, einen ersten Druck im Anodenraum (12A), einen zweiten Druck im Kathodenraum (14A) und einen Umgebungsdruck zu erfassen; und eine Steuerungsvorrichtung (8), welche signalleitend mit dem Sensorsystem (7), der Brenn Stoff zufuhr (4), dem Spülventil (6) und dem ersten und/oder dem zweiten Absperrventil (51, 52) verbunden und dazu eingerichtet ist, das Brennstoffzellensystem (100) zur Ausführung eines Verfahrens (M) nach einem der voranstehenden Ansprüche zu veranlassen. Brennstoffzellensystem (100) nach Anspruch 7, wobei die Steuerungsvorrichtung (8) dazu eingerichtet ist, zum Ausführen (M5) des Druckausgleichs zwischen dem Anodenraum (12A) und dem Kathodenraum (14A) das Spülventil (6) und zumindest eines der Absperrventile (51, 52) zu öffnen, um den Anodenraum (12A) und den Kathodenraum (14A) jeweils fluidisch leitend mit der Umgebung (E) zu verbinden. Brennstoffzellensystem (100) nach Anspruch 7 oder 8, wobei die Brennstoffzufuhr (4) eine Brennstoffquelle (41) und zumindest ein Brennstoffzufuhrventil (42, 43) aufweist, durch welches die Brennstoffquelle (41) mit dem Anodenraum (12A) verbindbar ist und welches signalleitend mit der Steuerungsvorrichtung (8) verbunden ist, wobei die Steuerungsvorrichtung (8) dazu eingerichtet ist, das zumindest eine Brennstoffzufuhrventil (41, 42) zu öffnen, um dem Anodenraum (12A) gasförmigen Brennstoff zuzuführen.
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