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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems
nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten
Art.
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Brennstoffzellensysteme
umfassen bekanntermaßen wenigstens eine Brennstoffzelle
die üblicherweise aus mehreren einzelnen Zellen besteht, die
zu einem Brennstoffzellenstapel oder -stack zusammengefasst sind.
Die Brennstoffzelle weist einen Anoderaum und einem Kathodenraum
sowie eine dazwischen angeordnete Membran aufweisen, beispielsweise
eine ionenleitende Membran aus einem Polymerelektrolyten (PEM-Membran),
auf. So genannte PEM-Brennstoffzellen müssen mit Brennstoff betrieben
werden, der eine gewisse Feuchte aufweist, um einen hohen Wirkungsgrad
zu erreichen und in den Brennstoffzellen vorhandenen Membranen feucht
zu halten und hierdurch Schäden zu vermeiden, die mit nicht
ausreichend befeuchteten Membranen auftreten können. Der
Brennstoff ist üblicherweise Wasserstoffgas. Das bei der
Brennstoffzellenreaktion entstehende Produktwasser wird beispielsweise
in einem Wasserabscheider aufgefangen und kann zur Befeuchtung eingesetzt
werden. Es ist außerdem bekannt, dass bei einer Versorgung
der Brennstoffzelleneinheit mit reinem Wasserstoffgas mit Rückführung
des unverbrauchten Wasserstoffs im Abgas in einem Anodenkreislauf
zum Anodeneingang der Anteil von Stickstoff und Wasser im Anodenkreis
allmählich steigt und zu einer Verschlechterung des Wirkungsgrades
der Brennstoffzelleneinheit führt. Dies wird verhindert,
indem entweder ein Teil der strömenden Gase kontinuierlich
abgelassen oder ein Ablassventil diskontinuierlich geöffnet
wird, um von Zeit zu Zeit den anodenseitigen Strömungskreis mit
frischem Wasserstoff zu spülen und den Wirkungsgrad auf
diese Weise auf einem Höhenniveau zu halten, indem die
Wasserstoffkonzentration in dem Rückführkreis
eingestellt und Inertgase aus dem Rückführkreis
entfernt werden. Durch diesen Spülbetrieb (Purgen) gelingt
es, die Leistung der Brennstoffzelleneinheit deutlich zu stabilisieren.
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Aus
der
DE 699 12 918
T2 ist ein Brennstoffzellensystem bekannt, bei dem eine
Rückführung des Wasserstoffs vorgesehen ist. Aus
dem Anodenkreislauf zweigen eine erste und eine zweite Spülleitung
ab, die beim Spülvorgang überwiegend zum Ableiten
von Wasser aus einer Wasserabscheidevorrichtung und von Stickstoff
vorgesehen sind. Üblicherweise werden bei bekannten Systemen
je ein Ventil (Purgeventil und Drainventil) und eine Leitung, einschließlich
eventuell notwendiger Filter, zum Spülen mit Wasserstoff
(Purge) und zum Wasserentfernen (Drain) benötigt, wobei
beim Wasserentfernen abgeschiedenes flüssiges Wasser aus
dem Rückführkreis entfernt wird. Dabei wird das Öffnen
und Schließen des Purgeventils entweder über eine
Wasserstoffkonzentrationsmessung gesteuert oder es wird lastabhängig
zeitgesteuert geöffnet und geschlossen. Die Spülleitung
endet, je nach Konzept, im Kathodenausgang oder im Kathodeneingang.
Das Öffnen und Schließen des Drainventils erfolgt
in der Regel über einen Füllstandssensor, der
einen oberen (Öffnen des Ventils) und einen unteren (Schließen des
Ventils) Füllstand in der Wasserabscheidevorrichtung anzeigt.
Die Drainleitung endet in der Regel am Kathodenausgang des Systems.
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Neben
dem Aufwand, diese Komponenten im System vorzusehen, verursachen
die Komponenten weiteren Aufwand hinsichtlich ihrer Ansteuerung und
einer dafür gegebenenfalls notwendigen Sensorik. Außerdem
müssen entsprechende Leitungselemente von den Ventileinrichtungen
in die jeweiligen Bereiche, in die die Medien ausgetragen werden,
vorhanden sein. Dies erfordert entsprechende Bauteile und entsprechenden
Bauraum. Um auch bei Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts einen
sicheren Start und eine sichere Funktionalität des Systems
gewährleisten zu können, müssen diese
Leitungselemente außerdem entsprechend isoliert und/oder
beheizbar ausgebildet werden. Auch dies erhöht den Aufwand
hinsichtlich Kosten, Komplexität und Gewicht in dem oben
dargestellten Brennstoffzellensystem.
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Aus
der internationalen Anmeldung
WO 2008/052578 A1 ist ebenfalls ein Brennstoffzellensystem
mit einem Anodenkreislauf bekannt, welcher hierin als Brennstoffkreis
bezeichnet wird. Die Besonderheit bei diesem Aufbau besteht nun
darin, dass die Funktionalität des Wasserabscheiders mit
einem Ablassventil zum Ablassen des Wassers und die Funktionalität
des Abblasventils zum Abblasen des stickstoffhaltigen Gases kombiniert
werden. Der Aufbau sieht dabei vor, dass ein Wasserabscheider mit einer
entsprechenden Ventileinrichtung versehen ist. Immer, wenn sich
eine entsprechend große Menge an Wasser angesammelt hat,
wird diese über die Ventileinrichtung aus dem Wasserabscheider
abgelassen. Nachdem das Wasser abgelassen ist, tritt außerdem
Gas aus dem Anodenkreislauf über die Ventileinrichtung
des Wasserabscheiders aus, ehe diese wieder geschlossen wird. Die
Funktionalität, welche bei der oben genannten Schrift auf
zwei eigene Bauteile verteilt war, wird dadurch in einem einzigen
Bauteil integriert.
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Dieser
Aufbau stellt bereits eine deutliche Verbesserung gegenüber
dem oben genannten Aufbau dar. Allerdings ist auch hier weiterhin
ein entsprechender Sensor zur Erfassung des Wasserstands in dem
Abscheider notwendig. Die Erfahrung in der Praxis hat gezeigt, dass
dieser Sensor extrem leicht mit Ablagerungen aus dem Brennstoffzellensystem
verschmutzt wird, und dass dies sehr häufig zu einer Fehlfunktion
des Sensors und damit zu einem zu häufigen oder auch zu
seltenen Ablassen des anfallenden Wassers führt. Dies ist
hinsichtlich der Betriebssicherheit eines solchen Systems entsprechend
problematisch. Außerdem stellt die Verwendung eines derartigen
Sensors immer auch einen gewissen Aufwand dar, da insbesondere ein
Füllstandssensor im Wasserabscheider typischerweise in
Form von zwei einzelnen Sensoren ausgebildet sein muss, was wiederum
mit den entsprechenden Kosten verbunden ist.
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Aus
dem weiteren allgemeinen Stand der Technik ist ferner die
DE 699 20 279 T2 bekannt.
Diese Schrift beschäftigt sich mit der „Entsorgung” von Anodenabgas
in den Bereich der Kathode, ohne dabei einen Anodenkreislauf zu
verwenden. Grundsätzlich ist aus dieser Schrift jedoch
bekannt, dass, wie in Abschnitt 16 der genannten Schrift ausgeführt
wird, die Dosierung von wasserstoffhaltigem Gas in den Bereich der
Kathode nur eine minimale Änderung der Zellenspannung und
der Zellentemperatur hervorruft.
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Aufgabe
der hier vorliegenden Erfindung ist es nun, ein Verfahren zum Betreiben
eines Brennstoffzellensystems mit einem Anodenkreislauf zu schaffen,
welches einfach und effizient aufgebaut werden kann, und bei welchem
ein sicherer und zuverlässiger Betrieb auch ohne den Einsatz
aufwendiger Sensorik ermöglicht wird.
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Erfindungsgemäß wird
diese Aufgabe durch das Verfahren mit den im kennzeichnenden Teil
von Anspruch 1 genannten Merkmalen gelöst. Die abhängigen
Ansprüche beschreiben vorteilhafte Ausgestaltungen und
Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Gegenüber
den Ausführungen in der oben zum weiteren Stand der Technik
genannten Schrift hat sich den Erfindern in unerwarteter und überraschender
Weise gezeigt, dass der Eintrag von Wasserstoff in den Bereich der
Kathode durchaus einen starken Einfluss auf die Zellspannung hat.
Entsprechende Untersuchungen haben gezeigt, dass die Zellspannung
selbst bei kleinen Mengen an Wasserstoff in der Kathodenzuluft,
insbesondere Mengen unterhalb von 10%, mit einem Einbruch der Spannung
in der Brennstoffzelle einhergeht. Dieser Effekt des Spannungseinbruchs,
sobald Wasserstoff auf der Kathodenseite der Brennstoffzelle auftaucht,
ließ sich in den Untersuchungen nicht unmittelbar klären. Eine
erste Vermutung, dass dies mit der verringerten Luftstöchiometrie
zusammenhängen könnte, hat sich nicht bewahrheitet,
da auch Versuche mit stark überstöchiometrischen
Bedingungen den Spannungseinbruch gezeigt haben. Der mittlerweile
vermutete Grund liegt in einer Absenkung der Spannung aufgrund einer
Verringerung des Kathodenpotentials durch die Beimischung des Wasserstoffs.
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In
jedem Fall tritt dieser Spannungseinbruch in allen Betriebssituationen
der Brennstoffzelle immer dann auf, wenn Wasserstoff in den Bereich
der Kathode bzw. des Kathodenraums gelangt. Um nun bei einem üblichen
Brennstoffzellensystem mit Anodenkreislauf das Ablassen von Wasser
und Inertgasen aus dem Anodenkreislauf zu kontrollieren, ist es möglich,
bei einer Einleitung dieser beiden Medien in den Bereich der Kathodenzuluft über
den Spannungseinbruch zu detektieren, dass Wasserstoff in der Kathodenzuluft
anlangt. Zu diesem Zeitpunkt sind also die Inertgase und/oder das
Wasser entsprechend abgelassen und die Ventileinrichtung zum Ablassen
dieser Medien kann wieder geschlossen werden. Das erfindungsgemäße
Verfahren nutzt diesen Spannungseinbruch also zur Steuerung des
Drains und/oder des Purges, sodass auf weitere Sensoren, wie beispielsweise
Wasserstandssensoren im Bereich eines Wasserabscheiders oder Wasserstoffsensoren
im Bereich der Kathodenzuluft verzichtet werden kann. Das Verfahren
ermöglicht es damit, ein entsprechendes Brennstoffzellensystem
deutlich einfacher und kostengünstiger aufzubauen, da nun
lediglich ein Einbruch in der ohnehin gemessenen Spannung detektiert
werden muss, um festzustellen, dass der Drain bzw. der Purge entsprechend
beendet werden kann. Dies ermöglicht einen sehr einfachen und
kostengünstigen Aufbau, welcher außerdem unabhängig
von gegebenenfalls störungsanfälligen Sensoren
funktioniert und daher sicher und zuverlässig arbeitet.
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In
einer besonders günstigen und vorteilhaften Weiterbildung
des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es vorgesehen,
dass nach dem öffnen der Ventileinrichtung für
eine maximale vorgegebene Zeit auf einen Spannungseinbruch gewartet
wird, und falls dieser nicht erfolgt, die Ventileinrichtung wieder geschlossen
wird. Wenn bei geöffneter Ventileinrichtung kein Spannungseinbruch
im Bereich der Brennstoffzelle selbst erfolgt, dann ist dies ein
Zeichen dafür, dass kein Wasserstoff im Bereich der Anode
ankommt. Dies kann im Prinzip, wie oben bereits dargelegt, bedeuten,
dass der Purge, also der Austrag von Wasser und inerten Gas aus
dem Anodenbereich, weiterhin erfolgt. Sofern eine entsprechende
maximale Zeit abgewartet wird, sodass nicht mehr damit zu rechnen
ist, dass noch Inertgas und Wasser aus dem Bereich der Anode über
die Ventileinrichtung in der Kathode ankommt, dann spricht der immer
noch nicht aufgetretene Spannungseinbruch für einen Fehler
im Bereich der Ventileinrichtung. Ein solcher Fehler kann beispielsweise
eine mangelnde Funktionalität der Ventileinrichtung sein.
Insbesondere nach dem Start eines Brennstoffzellensystems bei Temperaturen
unterhalb des Gefrierpunkts kann dies auch bedeuten, dass im Bereich
der Ventileinrichtung oder der Leitungen Wasser vorhanden war, welches
jetzt gefroren ist und die Verbindung zur Kathode entsprechend behindert.
Das Ausbleiben des Spannungseinbruchs kann entsprechend der erfinderischen Grundidee
also auch genutzt werden, um die Funktionalität der Ventileinrichtungen
und der Leitungselemente zu überprüfen.
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In
einer besonders günstigen und vorteilhaften Weiterbildung
hiervon ist es daher vorgesehen, dass ein Schließen der
Ventileinrichtung ohne Spannungseinbruch ein Fehlersignal generiert. Über
dieses Fehlersignal kann dann erfasst werden, dass ein Problem vorliegt.
Dies kann beispielsweise einen erneuten Versuch nach Ablauf einer
vorgegebenen Zeit oder auch eine Wartung des Systems auslösen.
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In
einer besonders günstigen Weiterbildung hiervon ist es
dann vorgesehen, dass das Brennstoffzellensystem während
des Vorliegens eines Fehlersignals mit erhöhtem Anodendruck
betrieben wird. Wenn ein solches Fehlersignal vorliegt, hat beispielsweise
aufgrund einer gefrorenen Leitung, eines Defekts des Ventils oder
dergleichen kein Purge aus dem Anodenbereich stattgefunden. Damit
verringert sich die Wasserstoffkonzentration im Anodenbereich und
die Performance des Brennstoffzellensystems lässt nach.
Durch den erhöhten Anodendruck kann ein solcher Performanceeinbruch
zumindest für eine gewisse Zeit ausgeglichen werden. Wenn
ein Fehlersignal einen fehlenden Purge-Vorgang signalisiert, wird
also durch den erhöhten Anodendruck einem Performanceeinbruch
der Brennstoffzelle entgegengewirkt.
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Wie
bereits eingangs erwähnt, ist eine Abhängigkeit
der Brennstoffzellenspannung zu eventuell im Bereich der Kathode
anlangendem Wasserstoff in sämtlichen Betriebssituationen
der wenigstens einen Brennstoffzelle des Brennstoffzellensystems
vorhanden. Je nach Betriebssituation kann der Einbruch der Spannung
jedoch vergleichsweise schwer zu erfassen sein, da durch dynamischen
Betrieb und entsprechende Lastsprünge ohnehin verschiedene Spannungswerte
detektiert werden. Aus diesem gegebenenfalls stark schwankenden
Spannungswerten denjenigen herauszufiltern, welcher zur Ansteuerung und/oder Überwachung
der Ventileinrichtung genutzt werden soll, kann vergleichsweise
aufwändig sein.
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Daher
ist es in einer besonders günstigen und vorteilhaften Weiterbildung
des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen, dass
die Brennstoffzelle nach dem Öffnen der Ventileinrichtung
zumindest zyklisch in einem Bereich geringerer Stromdichte betrieben
wird. Damit wird eine Detektion des durch den Wasserstoff verursachten
Spannungseinbruchs noch leichter und zuverlässiger möglich.
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In
einer alternativen und/oder ergänzenden Ausgestaltung hiervon
ist es vorgesehen, dass das Öffnen der Ventileinrichtung
nur dann erfolgt, wenn ein stationärer Betriebszustand
der Brennstoffzellen detektiert wurde. Ein solcher stationärer
Betriebszustand kann insbesondere ein Leerlaufbetrieb der Brennstoffzellen
sein. Aber auch im regulären Betrieb des Brennstoffzellensystems
ergeben sich immer wieder für einen bestimmten Zeitabschnitt
stationäre Betriebszustände der Brennstoffzelle,
sodass auch während solcher stationärer Betriebszustände
ein Öffnen der Ventileinrichtung erfolgen kann und anschließend
eine sehr sichere und zuverlässige Detektion einer eventuellen
Reaktion der Brennstoffzellenspannung auf den durch die geöffnete
Ventileinrichtung im Bereich der Kathode ankommenden Wasserstoff
gewährleistet ist.
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Da
das erfindungsgemäße Verfahren die Anzahl der
notwendigen Sensoren reduziert, und so kostengünstig einen
sicheren und zuverlässigen Betrieb eines Brennstoffzellensystems
ermöglicht, liegt seine bevorzugte Anwendung im Bereich
von Brennstoffzellensystemen, wie sie in Transportmitteln auf dem
Lande, im Wasser oder in der Luft eingesetzt werden. Insbesondere
hier ist ein kompakter, einfacher und zuverlässiger Aufbau
notwendig, da die Systeme im Vergleich zu stationären Anlagen
weitaus höheren Belastungen wie Vibrationen, Temperaturschwankungen
und dergleichen ausgesetzt sind, und eingesetzte Sensoren unter
diesen Bedingungen schneller versagen könnten, als beispielsweise
in stationären Systemen.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den
restlichen Unteransprüchen und werden anhand des Ausführungsbeispiels
deutlich, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher
erläutert wird.
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Dabei
zeigen:
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1 einen
Ausschnitt aus einem Brennstoffzellensystem zum Betreiben mit dem
erfindungsgemäßen Verfahren;
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2 ein
Diagramm mit den zeitlichen Verläufen von Spannung U, Wasserstoffkonzentration c(H2)
und Ventilstellung eines Ventils für den Purge;
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3 ein
mögliches Ablaufschema für das erfindungsgemäße
Verfahren zur Steuerung eines Drain/Purge; und
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4 ein
mögliches Ablaufschema für das erfindungsgemäße
Verfahren zur Überwachung der Ventileinrichtung.
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In
der Darstellung gemäß 1 ist ein Brennstoffzellensystem 1 in
einem für die hier vorliegende Erfindung relevanten Ausschnitt
stark schematisiert angedeutet. Wichtigster Bestandteil des Brennstoffzellensystems 1 ist
dabei eine Brennstoffzelle 2, welche typischerweise als
Stapel von einzelnen Brennstoffzellen, als sogenannter Brennstoffzellenstack,
ausgebildet ist. Die Brennstoffzelle 2 weist einen Anodenraum 3 und
einen Kathodenraum 4 auf, welche in dem hier dargestellten
Ausführungsbeispiel durch eine protonenleitende Membran
voneinander getrennt sein sollen. Bei der Brennstoffzelle 2 handelt
es sich also um einen sogenannten PEM-Brennstoffzellenstack.
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Der
Anodenraum 3 der Brennstoffzelle 2 wird aus einer
Wasserstoffspeichereinrichtung 5 über ein Dosierventil 6 sowie
ein Leitungselement mit Wasserstoff aus der Wasserstoffspeichereinrichtung 5 versorgt.
Im Bereich des Anodenraums 3 nicht umgesetzter Wasserstoff
gelangt über eine Rezirkulationsleitung 7 zurück
in den Bereich, in dem der frische Wasserstoff über das
Dosierventil 6 zu dem Anodenraum 3 strömt.
Diese Kreislaufführung des Abgases aus der Anode wird insgesamt
als Anodenkreislauf 8 oder Anodenloop bezeichnet. Die Rezirkulationsleitung 7 führt
damit in an sich bekannter Weise unverbrauchtes Gas aus dem Bereich
des Anodenraums 3 zurück in den Anodenraum 3,
wobei sich das Gas mit frischem Wasserstoff aus der Wasserstoffspeichereinrichtung 5 vermischt.
Um den Druckverlust im Anodenraum 3 und der Rezirkulationsleitung 7 auszugleichen,
ist im Bereich der Rezirkulationsleitung 7 eine Rezirkulationsfördereinrichtung 9 angeordnet, welche
für die Rückführung des unverbrauchten
Gases aus dem Anodenraum 3 sorgt. Die Rezirkulationsfördereinrichtung 9 kann
als Wasserstoffrezirkulationsgebläse ausgebildet sein,
so wie dies in 1 angedeutet ist. Ergänzend
oder alternativ hierzu wäre auch eine Gasstrahlpumpe denkbar,
welche durch den Wasserstoff aus der Wasserstoffspeichereinrichtung 5 angetrieben
wird, und das Gas aus dem Bereich der Rezirkulationsleitung 7 ansaugt
und mit dem frischen Wasserstoff vermischt und dem Anodenraum 3 zuführt.
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Der
Kathodenraum 4 der Brennstoffzelle 2 wird im hier
dargestellten Ausführungsbeispiel mit Luft versorgt. Der
in der Luft enthaltende Sauerstoff dient als Oxidationsmittel für
die chemische Reaktion im Inneren der Brennstoffzelle 2 und
bildet zusammen mit dem Wasserstoff in an sich bekannter Weise Wasser,
wobei elektrische Leistung frei wird, welche an der Brennstoffzelle 2 entsprechend
abgegriffen werden kann. Die Luft für den Kathodenraum 4 wird über
eine Luftfördereinrichtung 10 verdichtet und dem
Kathodenraum 4 zugeführt. Zur Aufbereitung der
Luft können dabei weitere Komponenten, wie beispielsweise
Luftfilter, Ladeluftkühler, Befeuchter oder dergleichen
vorhanden sein, auf deren Darstellung hier zur Vereinfachung verzichtet
wurde. Die Luftfördereinrichtung 10 kann beispielsweise
als Schraubenkompressor oder als Strömungsverdichter ausgebildet
sein. Im Bereich der Rezirkulationsleitung 7 ist außerdem
ein Wasserabscheider 11 vorgesehen, in welchem sich während
des Betriebs der Brennstoffzelle 2 flüssiges Wasser
aus dem Anodenkreislauf 8 sammelt. Im Bereich des Wasserabscheiders 11 ist
zum Ablassen dieses Wassers eine Ventileinrichtung 12 im
Auslassbereich des Wasserabscheiders 11, typischerweise
also in Richtung der Schwerkraft unten, vorgesehen. Über
eine Leitung 13 ist die Ventileinrichtung 12 mit
der Zuluft zum Kathodenraum 4 verbunden.
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Das
Brennstoffzellensystem 1 weist außerdem eine Steuerungselektronik 14 auf,
welche in derartigen Systemen allgemein üblich und gebräuchlich ist.
Durch diese Steuerungselektronik 14 werden eine Vielzahl
von Funktionen in dem Brennstoffzellensystem überwacht
und gesteuert. Da für die hier vorliegende Erfindung lediglich
zwei Funktionen von Interesse sind, ist nur eine Verbindung der
Steuerungselektronik 14 mit der Brennstoffzelle 2 angedeutet,
welche zur Messung bzw. Überwachung der Spannung U der
Brennstoffzelle 2 dienen soll. Eine andere Steuerungsleitung
verbindet die Steuerungselektronik 14 mit der Ventileinrichtung 12,
sodass die Ventileinrichtung 12, welche beispielsweise
als Magnetventil ausgeführt ist, über einen Teil
der Steuerungselektronik 14 entsprechend angesteuert werden
kann.
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Dieser
Aufbau entspricht dabei dem entsprechenden Teil eines Brennstoffzellensystems 1,
wie es auch aus dem Stand der Technik bekannt ist. Aufgrund der
Tatsache, dass dem Kathodenraum 4 Luft zugeführt
wird, und dass der Wasserstoff in dem Anodenkreislauf 8 um
den Anodenraum 3 geführt wird, kommt es mit der
Zeit zu einer Anreicherung von Stickstoff im Bereich des Anodenkreislaufs 8,
da Stickstoff durch die Membran hindurch aus der Luft im Kathodenraum 4 in
den Bereich des Anodenraums 3 diffundiert. Um dennoch eine
ausreichende Menge an Wasserstoff bzw. eine ausreichend hohe Wasserstoffkonzentration
im Anodenraum 3 der Brennstoffzelle 2 sicherstellen
zu können, muss dieser Stickstoff in herkömmlichen
Systemen von Zeit zu Zeit abgeblasen werden (Purge). Auch das anfallende
Wasser muss von Zeit zu Zeit abgelassen werden (Drain). In dem vorliegenden
Ausführungsbeispiel erfolgt sowohl der Drain als auch der
Purge über den Wasserabscheider 11 und die Ventileinrichtung 12. Wie
es aus dem Stand der Technik bekannt ist, wären auch alternative
Aufbauten denkbar, insbesondere Aufbauten, bei denen für
den Drain und für den Purge jeweils eine eigene Ventileinrichtung
vorgesehen ist. Im Wesentlichen gilt hierfür das nachfolgend
beschriebene Verfahren ebenso, wobei dann die Ansteuerung von zwei
Ventileinrichtungen anstelle der Ansteuerung der einen Ventileinrichtung 12 entsprechend
vorgenommen werden muss.
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Nun
ist es so, dass das Öffnen der Ventileinrichtung 12 beispielsweise
zeitgesteuert erfolgen kann, da aufgrund entsprechender Erfahrungswerte bekannt
ist, wann sich eine entsprechend große Menge an Stickstoff
in dem Anodenkreislauf 8 angereichert hat, und wann in
dem Wasserabscheider 11 so viel Wasser gesammelt wurde,
dass dieses abgelassen werden muss, um ein Überlaufen bzw.
insbesondere ein Überschwappen des Wasserabscheiders 11 bei
Bewegungen, wie sie beispielsweise in einem Kraftfahrzeug auftreten,
zu vermeiden. Dadurch würde nämlich Wasser zurück
in den Bereich des Anodenkreislaufs 8 gelangen und gegebenenfalls
aktive Oberflächen im Bereich des Anodenraums 3 blockieren.
Die Öffnung der Ventileinrichtung 12 kann also entsprechend
zeitgesteuert erfolgen. Eine alternative Ausführungsform
kann es auch vorsehen, dass in der Steuerungselektronik 14 die
Menge an anfallendem Wasser durch eine Berechnung entsprechend abgeschätzt
wird. Da weitgehend bekannt ist, wie viel Wasser bei welcher Leistung
pro Zeiteinheit in dem Anodenkreislauf 8 anfällt,
kann durch eine einfache Berechnung und ein Aufsummieren der Wassermenge
in jeweils kurzen Zeitabschnitten einer bestimmten Leistung vergleichsweise
einfach und effizient die Menge an anfallendem Wasser berechnet
werden. Hierfür ist dabei keine ausgesprochen exakte Berechnung
notwendig, da aufgrund des unweigerlich auftretenden Schwappens
immer ein gewisser Sicherheitsabstand zwischen der Oberkante des
Wasserabscheiders 11 und dem maximalen Wasserstand vorgesehen
werden muss. Aufgrund dieser ohnehin notwendigen Sicherheit können
die Berechnung und das Aufsummieren des anfallenden Volumens an Wasser
eher grob und damit entsprechend einfach erfolgen.
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Neben
der alternativen Nutzung eines zeitgesteuerten Öffnens
der Ventileinrichtung 12 oder dem Öffnen der Ventileinrichtung 12 anhand
einer berechneten Wassermenge, und hier insbesondere beim Erreichen
einer maximal zulässigen Wassermenge, kann auch eine Kombination
dieser beiden Methoden angedacht werden. So kann beispielsweise
die Wassermenge entsprechend berechnet werden. Wenn nach Ablauf
einer vorgegebenen Zeit noch keine ausreichend große Menge
angefallen ist, sodass über diese Methode das Öffnen
der Ventileinrichtung 12 ausgelöst werden würde,
kann diese zeitgesteuert zwangsausgelöst werden, um beispielsweise
den anfallenden Stickstoff abzuführen, um eine Verschlechterung
der Performance der Brennstoffzelle 2 zu verhindern. Gleichzeitig
wird dabei immer auch das Wasser mit abgeführt, da ja beide
Medien über den Wasserabscheider 11 und die eine
Ventileinrichtung 12 abgeführt werden. Ebenso
wäre ein Aufbau denkbar, bei dem dies anders herum erfolgt, also
regulär das zeitgesteuerte Öffnen der Ventileinrichtung 12 erfolgt,
während die Steuerungselektronik 14 die Ventileinrichtung 12 nur
dann anhand des errechneten Wasserwerts öffnet, wenn zu
befürchten steht, dass der Wasserabscheider 11 überlaufen könnte,
bevor ein zeitgesteuertes Öffnen der Ventileinrichtung 13 erfolgt.
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Nachdem
die Ventileinrichtung 12 geöffnet ist, wird in
dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel der 1 zuerst
das Wasser über das Leitungselement 13 abfließen
und sich mit der heißen Zuluft zum Kathodenraum 4 entsprechend
mischen und typischerweise in dieser verdampfen. Erst nachdem die
gesamte Wassermenge abgelassen ist, wird aus dem Gaspolster in dem
Wasserabscheider 11 über dem Wasser eine gewisse
Menge an Gas aus dem Bereich des Anodenkreislaufs 8 über
die Ventileinrichtung 12 und das Leitungselement 13 in
den Bereich der Zuluft zum Kathodenraum 4 strömen.
Dieses Gas wird typischerweise Stickstoff und eine geringe Menge
an Wasserstoff enthalten.
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Es
hat sich nun gezeigt, dass beim Einbringen von Wasserstoff, auch
bei bereits sehr geringen Mengen an Wasserstoff, ein Einbruch der
Spannung U an der Brennstoffzelle 2 erfolgt. Dieser Einbruch der
Spannung U kann nun genutzt werden, um festzustellen, ob und gegebenenfalls
wie viel Wasserstoff über die Ventileinrichtung 12 in
den Bereich des Kathodenraums 4 abgelassen wurde. Insbesondere kann
der Spannungseinbruch dabei genutzt werden um festzustellen, dass
jetzt kein Wasser mehr kommt, sondern ein Gas, welches aus dem Anodenkreislauf 8 stammt
und immer eine gewisse Menge an Wasserstoff enthalten wird. Mit
dem Einbruch des Spannungswerts weiß man also, dass der
Wasserabscheider 11 zuverlässig entleert ist,
und dass eine gewisse Menge an Gas aus dem Bereich des Anodenkreislaufs 8 abgelassen
wurde. Dementsprechend kann das Erfassen des Spannungseinbruchs
an der Brennstoffzelle 2 durch die Steuerungselektronik 14 dazu
genutzt werden, die Ventileinrichtung 12 anzusteuern, hier
also wieder zu schließen. Auf einen Wasserstoffkonzentrationssensor,
beispielsweise im Bereich der Zuluft zum Kathodenraum 4 oder
im Bereich des Leitungselements 13 oder auch im Bereich des
Anodenkreislaufs 8 kann daher verzichtet werden. Ebenso
kann auf aufwendige und störanfällig Wasserstandssensoren
zur Erfassung des Wasserstands in dem Wasserabscheider 11 verzichtet
werden. Dadurch wird der Aufbau einfacher, kompakter und kostengünstiger.
Außerdem sind insbesondere die Wasserstandssensoren vergleichsweise
anfällig gegen Verschmutzung und neigen daher zur Generierung
fehlerhafter Signale. Durch den Verzicht auf derartige Sensoren
kann das Brennstoffzellensystem 1 also sicherer betrieben
werden.
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In
der Darstellung der 2 ist der Verlauf einer Spannung
U an der Brennstoffzelle 2 über der Zeit t dargestellt.
Darunter findet sich der Verlauf der Wasserstoffkonzentration c(H2)
im Bereich des Kathodeneingangs, welcher hier zu Versuchszwecken mittels
eines extern angeschlossenen Wasserstoffsensors gemessen wurde.
Darunter ist in einem dritten Diagramm die Stellung eines Ventils
für den Purge dargestellt, wobei mit 1 die Geschlossenstellung und
mit 0 die Offenstellung bezeichnet ist. Anders als im Aufbau gemäß 1 wurde
zu Versuchszwecken lediglich ein Purgeventil verwendet, welches
nach dem Öffnen unmittelbar Gase, insbesondere wasserstoffhaltige
Gase, ablässt, da das abgelassene Wasser keinen Einfluss
auf die Spannung und den Strom der Brennstoffzelle 2 hat,
da das Wasser lediglich die Zuluft entsprechend befeuchtet. Das
untere Diagramm zeigt nun zu einem Zeitpunkt t0,
dass das Purgeventil zu diesem Zeitpunkt geöffnet wird.
Damit erreicht ein wasserstoffhaltiges Gas den Bereich des Kathodenraums 4.
Dies führt, wie in dem oberen Diagramm zu erkennen ist,
unmittelbar zu einem Einbruch der Spannung U an der Brennstoffzelle 2.
Im mittleren Diagramm ist zu Test- und Kontrollzwecken die Wasserstoffkonzentration
C(H2) am Eingang des Kathodenraums 4 gemessen. Es ist zu
erkennen, dass der Einbruch der Spannung U jeweils mit einem Ansteigen
der Wasserstoffkonzentration c(H2) einhergeht.
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Über
den Spannungseinbruch der Spannung U an der Brennstoffzelle 2 kann
also sehr einfach festgestellt werden, dass wasserstoffhaltiges
Gas im Bereich des Kathodenraums 4 vorliegt, im oben dargestellten
Aufbau also die Ventileinrichtung 12 geöffnet
ist und das in dem Wasserabscheider 11 gesammelte Wasser
bereits vollständig abgelassen wurde. Da die Spannung U
der Brennstoffzelle 2 in der Steuerungselektronik 14 ohnehin
erfasst und zum Zwecke der Leistungsregelung genutzt wird, stellt
die Messung der Spannung U keinen zusätzlichen Aufwand
dar. Damit kann mit minimalen Änderungen in der Software
der Steuerungselektronik 14 ein entsprechendes Signal generiert
werden, sobald der Spannungseinbruch erfasst wird, welches dann
zum Schließen der Ventileinrichtung 12 wieder
genutzt werden kann. Um neben dem Ablassen des Wassers auch ein
sicheres Ablassen des stickstoffhaltigen Gases aus dem Anodenkreislauf 8 zu
realisieren, muss entweder eine ausreichende Länge der
Leitung 13 gewählt werden, sodass eine entsprechende
Verzögerung zwischen dem Messwert des Spannungseinbruchs
und dem Abströmen des Gases im Bereich der Ventileinrichtung 12 erreicht
wird. Damit kann sichergestellt werden, dass nicht nur das Wasser
abgelassen wird, sondern auch eine ausreichend große Gasmenge
aus dem Anodenkreislauf 8 abgeblasen wird, um die Stickstoffkonzentration
entsprechend abzubauen. Alternativ oder ergänzend zu einer
entsprechenden Anpassung der Leitungslänge 13 kann außerdem
eine Zeitverzögerung zwischen dem Erfassen des Spannungseinbruchs
an der Brennstoffzelle 2 und dem Schließen der
Ventileinrichtung 12 eingebaut werden. Insbesondere kann
die Zeitverzögerung dabei so groß gewählt
werden, wie die bisher übliche Öffnungszeit eines
zeitgesteuerten reinen Purgeventils in einem Brennstoffzellensystem 1 vergleichbarer
Leistung.
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Die
Versuche der Erfinder haben gezeigt, dass die Erfassung eines Spannungsabfalls
an der Brennstoffzelle 2 grundsätzlich immer auftritt,
wenn wasserstoffhaltiges Gas in den Bereich des Kathodenraums 4 gelangt.
Dabei ist der Zusammenhang in etwa proportional, sodass anhand des
Spannungswerts, um den die Spannung U einbricht, auch auf die Konzentration
des Wasserstoffs im Bereich des Kathodenraums 4 zurückgeschlossen
werden kann. Auch dies kann zur Ansteuerung der Ventileinrichtung 12 entsprechend
genutzt werden, ist gegenüber den oben dargelegten Ausführungsbeispielen
jedoch etwas komplizierter, da über entsprechende Kennfelder
oder dergleichen dieser Zusammenhang abgelegt und mit berechnet
werden muss. Es ist dabei jedoch möglich, die Ventileinrichtung 12 beim
Erreichen einer bestimmten Wasserstoffkonzentration im Bereich des
Kathodenraums zu schließen, also insbesondere beim Unterschreiten
eines vorgegebenen Spannungswerts. Damit kann sichergestellt werden, dass
zu 100 Prozent Wasserstoff durch das Leitungselement 13 im
Bereich des Kathodenraums 4 ankommt, sodass in jedem Fall
sämtlicher Stickstoff aus dem Bereich des Anodenkreislaufs 8 abgelassen wurde.
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Besonders
günstig für das Erkennen eines Spannungseinbruchs
ist der Betrieb der Brennstoffzelle bei geringer Stromdichte. Unter
geringer Stromdichte im Sinne der Erfindung ist dabei eine Stromdichte
in der Größenordnung von 10% oder weniger als
der maximalen Stromdichte zu verstehen. Je geringer die Stromdichte
ist, desto augenfälliger ist der Spannungseinbruch zu erkennen,
und dementsprechend leichter zu detektieren. Um mit einem einfachen
Aufbau dennoch sicher und zuverlässig arbeiten zu können,
kann es daher vorgesehen werden, die Brennstoffzelle nach dem Öffnen
der Ventileinrichtung 12 in einem Betriebszustand mit geringer Stromdichte
zu betreiben. Damit kann die Brennstoffzelle 2 allerdings
für den Zeitraum des Drains und des anschließenden
Purge gegebenenfalls nicht die geforderte Leistung bereitstellen.
Da in den meisten Systemen Pufferbatterien oder Supercaps eingesetzt werden,
um parallel zur Brennstoffzelle 2 Leistungsspitzen abzufedern,
dürfte dies in herkömmlichen Systemen jedoch kein
Problem darstellen, da für diese kurzen Zeiträume
die Leistung aus diesem Speicherelement entnommen werden kann. Anstelle
des Betriebs der Brennstoffzelle 2 während der
gesamten Öffnungszeit der Ventileinrichtung 12 im
Bereich geringer Stromdichte, könnte es auch vorgesehen
werden, den Bereich geringer Stromdichte jeweils zyklisch anzufahren.
Allerdings müssen die Zyklen dann in jedem Fall so gewählt
werden, dass ein Erkennen des recht dynamischen Spannungseinbruchs sicher
erfolgen kann.
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Alternativ
hierzu wäre es auch möglich, die Brennstoffzelle 2 so
auszubilden, dass sie einen entsprechenden Bereich geringerer Stromdichte
aufweist, an welchem dann eine Messspannung abgegriffen werden kann,
deren Einbruch an die Stelle des Spannungseinbruchs der Brennstoffzelle
tritt. Ein solcher Aufbau könnte beispielsweise so realisiert
werden, dass eine bestimmte Anzahl an Einzelzellen in der typischerweise
als Brennstoffzellenstapel ausgebildeten Brennstoffzelle 2 über
eine Variation im Bereich ihrer Gasdiffusionselektrode so ausgebildet sind,
dass sie immer mit entsprechend geringer Stromdichte betrieben werden.
Durch ein Abgreifen der Spannung dieser einzelnen „Sensorzellen” in
der Brennstoffzelle 2 könnte dann das oben geschilderte Verfahren
realisiert werden, ohne dass über entsprechende Speicherelemente
Leistung bereitgestellt werden muss, während die Brennstoffzelle 2 selbst
in einem „Messmodus” mit geringerer Stromdichte
arbeitet.
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Alternativ
oder ergänzend hierzu wäre es auch denkbar, jede
der Einzelzellen so zu modifizieren, dass diese im Bereich ihres
Lufteinlasses einen Bereich niedriger Stromdichte aufweist. Dann
müsste allerdings die Spannung U entsprechend im Inneren der
Zelle abgegriffen werden, was grundsätzlich möglich,
hinsichtlich Aufwand und Dichtheit der Brennstoffzelle 2 jedoch
vergleichsweise aufwändig ist.
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Eine
weitere Möglichkeit besteht darin, eine eigens als Sensorzelle
ausgebildete Einzelzelle, oder gegebenenfalls auch eine Gruppe von
Einzelzellen bereitzustellen, welche parallel zur Brennstoffzelle 2 von
derselben Zuluft angeströmt wird. Diese parallel Brennstoffzelle,
welche dennoch in den Brennstoffzellenstapel der Brennstoffzelle 2 mit
integriert und zusammen mit dieser gekühlt werden kann,
würde dann als reine Sensorzelle genutzt, welche zur Detektion
des Spannungseinbruchs beim Einströmen des wasserstoffhaltigen
Purgegases in den Kathodenraum dieser Brennstoffzelle dient.
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Alternativ
zu dem Aufbau mit der einen „echten” Brennstoffzelle 2 und
einer reinen Sensorzelle kann der Aufbau auch so ausgebildet werden,
dass die Brennstoffzelle 2 als modulare Brennstoffzelle aufgebaut
ist. Die einzelnen Module der Brennstoffzelle 2 können
dann parallel von der Zuluft angeströmt werden. Wenn nur
eine der Brennstoffzellen 2 in den Betrieb mit geringer
Stromdichte wechselt, kann über die andere Brennstoffzelle 2 ein
entsprechender Ausgleich der benötigten Leistung bis zu
einem gewissen Grad erfolgen, sodass aus den Speichereinrichtungen
lediglich eine geringe Menge an Leistung zugespeist werden müsste,
während sich das eine Modul der Brennstoffzelle 2 im
Betrieb mit geringer Stromdichte befindet, um den Einbruch der Spannung
U feststellen zu können.
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Die
einzelnen Verfahren können dabei beliebig untereinander
kombiniert werden, wobei mit dem Verfahren insbesondere die Kombination
aus Drain und Purge gemäß der Ausgestaltung nach 1 realisiert
werden kann. Alternativ dazu ist selbstverständlich auch
der Aufbau mit getrennten Drain- und Purgeventilen denkbar, wobei
der Aufbau für das Purgeventil analog dem oben gesagten
ist, wobei hier auf eine entsprechende Zeitverzögerung
oder eine definierte Leitungslänge des Leitungselements 13 verzichtet
werden kann. Bei einem reinen Purgeventil würde der Spannungseinbruch
unmittelbar bzw. nach dem Durchströmen des Leitungselements 13 auftreten,
sodass für diesen Fall eine Zeitverzögerung oder
eine entsprechend lange Leitung des Leitungselements 13 notwendig
wäre.
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Anhand
eines Ablaufdiagramms in 3 soll beispielhaft eine mögliche
Ausführungsform des Verfahrens näher erläutert
werden, ohne die einzelnen Punkte des Verfahrens auf exakt diese
Ablaufschritte einzuschränken.
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Das
Verfahren startet an der hier mit Start gekennzeichneten Box. Danach
werden Werte zurückgesetzt, insbesondere die Werte eines
Rechners bzw. Summierers, welcher das Volumen an anfallendem Wasser
aufsummiert. Danach startet zusammen mit der Brennstoffzelle 2 die
Berechnung des Volumens an anfallendem Wasser in einzelnen Zeitabschnitten
jeweils in Abhängigkeit der mittleren Leistung der Brennstoffzelle 2 in
diesem Zeitabschnitt. Die generierten Werte werden entsprechend
aufsummiert. Sobald der aufsummierte Wert des Volumens ein maximales
vorgegebenes Volumen erreicht hat, wird diese Schleife verlassen
und die Ventileinrichtung 12 geöffnet. Gleichzeitig
oder unmittelbar nach dem Öffnen der Ventileinrichtung 12 wird
auf einen Betrieb der Brennstoffzelle 2 mit geringer Stromdichte
gewechselt. Spätestens dann setzt die Messung der Spannung
U der Brennstoffzelle 2 ein. Üblicherweise erfolgt
die Messung der Spannung ohnehin kontinuierlich, sodass hier nur
eine entsprechende Überwachung auf einen Spannungseinbruch
einsetzt. Wenn die Spannung U eingebrochen ist, ist dies ein Zeichen
dafür, dass wasserstoffhaltiges Gas im Bereich des Kathodenraums 4angekommen
ist, das gesamte Wasser aus dem Wasserabscheider 11 also
sicher abgelassen ist. Dann wird unmittelbar in den regulären
Betrieb der Brennstoffzelle 2 mit normaler Stromdichte
zurückgewechselt, um wieder die volle verfügbare
Leistung zur Verfügung stellen zu können. Dann
wird eine Zeitverzögerung abgewartet, bis sicher eine ausreichend
große Menge an Gas die Ventileinrichtung 12 passiert
hat, sodass kein Stickstoff im Anodenkreislauf 8 verbleibt.
Die Ventileinrichtung 12 wird dann geschlossen und das
Verfahren startet von Neuem, indem die Werte zur Berechnung des
anfallenden Volumens an Wasser zurückgesetzt werden.
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Alternativ
oder ergänzend zur bisher beschriebenen Nutzung des Spannungseinbruchs,
um die Ventileinrichtung 12 entsprechend anzusteuern, lässt
sich die erfindungsgemäße Erkenntnis, dass durch
geringste Mengen an Wasserstoff auf der Kathodenseite 4 der
Brennstoffzelle 2 ein Spannungseinbruch erfolgt, auch anderweitig
nutzen. Eine weitere bevorzugte Nutzung kann beispielsweise in der Überwachung
der Funktionalität der Ventileinrichtung 12 liegen.
Hierzu wird gezielt ein Öffnen der Ventileinrichtung 12 durch
die Steuerungselektronik 14 ausgelöst, dann ist
zu erwarten, dass nach einer vorgegebenen Zeit Wasserstoff im Kathodenbereich 4 ankommt,
sofern die Brennstoffzelle 2 betrieben wird und die Ventileinrichtung 12 sowie
das Leitungselement 13 durchgängig sind. Sind
sie dies nicht, so wird der erwartete Spannungseinbruch ausbleiben.
Somit lässt sich also die Funktionalität der Ventileinrichtung 12 sowie
die freie Durchströmbarkeit des Leitungselements 13 entsprechend überprüfen.
Dies kann insbesondere dann von Vorteil sein, wenn das Brennstoffzellensystem 1 bei
Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts gestartet wird. In dem
Wasserabscheider 11 und gegebenenfalls auch im Bereich
des Leitungselements 13 verbliebenes Wasser kann unter diesen
Umständen eingefroren sein. Durch den sehr einfachen Aufbau
mit einem Verzicht auf Wasserstandssensoren im Bereich des Wasserabscheiders 11 sowie
Wasserstoffkonzentrationssensoren im Anodenbereich 3 lässt
sich dieser Zustand so nicht ohne weiteres detektieren. Allerdings
lässt sich durch den zuvor beschriebenen Aufbau beim Ausbleiben eines
Spannungseinbruchs auf eine solche Fehlfunktion zurückschließen,
sodass von einer fehlerhaften Ventileinrichtung 12 oder
eingefrorenen Elementen 11, 12 oder 13 ausgegangen
werden kann.
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Im
Detail wird dies nachfolgend anhand eines weiteren Ablaufschemas
prinzipiell beschrieben. Das Ablaufschema der 4 umfasst
dabei neben dieser Detektion außerdem eine alternative
Möglichkeit, den Einbruch der Spannung U zu detektieren.
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Anders
als beim zuvor beschriebenen Betrieb der Brennstoffzelle 2 mit
geringer Stromdichte wird bei dem in 4 beispielhaft
beschriebenen Betrieb die gezielte Überwachung der Ventileinrichtung 12 oder
auch der Drain/Purge in einen stationären Betriebszustand
der Brennstoffzelle 2 verlegt. Dementsprechend beginnt
das Ablaufschema der 4 mit dem Prüfen auf
einen stationären Zustand der Brennstoffzelle 2.
Eine solche Überprüfung kann beispielsweise so
erfolgen, dass fortlaufend sowohl die von der Brennstoffzelle 2 geforderten
Stromwerte als auch die von der Brennstoffzelle 2 gelieferten
Stromwerte erfasst werden. Für eine jeweils parametrierbare
Laufzeit werden diese Werte dann entsprechend auf stationäre
Zustände überwacht. Dies kann beispielsweise durch
eine gleitende Mittelwertbildung erfolgen. Auch ein Vergleich der
erfassten Werte mit tiefpassgefilterten Werten oder Ähnliches
wäre denkbar. Sofern die Werte Abweichungsgradienten, welche
zuvor anhand von geeigneten Messungen, Kennfeldern oder dergleichen
festgelegt werden können, nicht überschreiten,
dann kann von einem stationären Zustand ausgegangen werden.
Sofern nun sowohl für die Vorgabewerte des geforderten
Sollstroms von der Brennstoffzelle 2 als auch für
die erfassten Werte des Iststroms von der Brennstoffzelle 2 diese
Bedingungen für einen stationären Betrieb erfüllt
sind, kann insgesamt von einem stationären Betrieb der
Brennstoffzelle 2 ausgegangen werden.
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Mit
dieser Möglichkeit lassen sich vorübergehend anhaltende
stationäre Betriebszustände nutzen, um beispielsweise
das bisher beschriebene Verfahren zur Überwachung des Drain/Purge über
den Spannungseinbruch an der Brennstoffzelle 2 zu ermöglichen.
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Damit
lassen sich also sowohl in dem als stationären Betrieb
bekannten Leerlaufbetrieb des Brennstoffzellensystems als auch während
des regulären Betriebs in kurzfristig andauernden stationären Zuständen
sehr einfach durch Wasserstoff auf der Kathodenseite 4 verursachte
Spannungseinbrüche detektieren. Dies bedeutet, dass das
Verfahren nicht auf den Betrieb der Brennstoffzelle 2 mit
geringer Stromdichte eingeschränkt ist, wie beim zuvor
beschriebenen Ausführungsbeispiel dargelegt.
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Im
Ablaufdiagramm des Ausführungsbeispiels gemäß 4 wird
nun, sobald ein solcher stationärer Zustand vorliegt, die
Ventileinrichtung 12 entsprechend geöffnet, sodass
der Drain/Purge startet. Gleichzeitig wird ein Zeitlauf für
eine maximale vorgegebene Zeit gestartet. Sobald die Spannung eingebrochen
ist, ist in bereits erläuterter Art und Weise der Drain/Purge
soweit abgeschlossen, dass unmittelbar oder nach einer gewissen
Zeitverzögerung die Ventileinrichtung wieder geschlossen
werden kann. Bricht die Spannung nicht ein, so wird die Zeit weiterhin überwacht.
Sobald die maximale Zeit erreicht ist, ohne dass die Spannung eingebrochen ist,
kann auf einen Fehler beispielsweise der Ventileinrichtung 12,
ein verstopftes Leitungselement 13 oder dergleichen zurückgeschlossen
werden. Das System beziehungsweise die Steuereinrichtung 14 generiert
dann ein Fehlersignal. Dieses kann gemäß der prinzipmäßigen
Darstellung der 4 dann andersweitig weiter verwendet
werden, was durch die mit X gekennzeichnete Box angedeutet ist und
später noch näher beschrieben werden wird. Nachdem
das Fehlersignal generiert ist, macht es Sinn auch hier die Ventileinrichtung 12 wieder
zu schließen, um beispielsweise nach einem eventuellen
Auftauen der Leitung 13 keine Fehlfunktion zu generieren.
Gleichzeitig kann dann ein Zeitlauf für eine erneute Prüfung gestartet
werden. Insbesondere, wenn die Ventileinrichtung 12 oder
das Leitungselement 13 lediglich eingefroren sind, macht
dies Sinn, da nach einer gewissen Zeit damit zu rechnen ist, dass
die Elemente auftauen und dann wieder die gewünschte Funktionalität
gegeben ist. Sobald der Zeitablauf erreicht ist, startet das System
von neuem, indem es beispielsweise auf einen stationären
Zustand der Brennstoffzelle 2 prüft.
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Anders
als in der 4 dargestellt wäre
es natürlich auch denkbar, die Prüfung auf den
stationären Zustand sowie die Zeitprüfung bis
zu einer erneuten Prüfung ineinandergeschachtelt beziehungsweise
parallel zueinander aufzubauen. Anstelle oder ergänzend
zum Zeitablauf für eine neue Prüfung wäre auch
hier der im Rahmen der 3 beschriebene Weg zur Erfassung
einer möglichen Wassermenge denkbar. Neben der Prüfung
auf einen stationären Zustand der Brennstoffzelle 2 wäre
es alternativ oder ergänzend natürlich auch denkbar,
bei dieser Art der Verfahrensführung die Brennstoffzelle 2 zumindest vorübergehend
in einem Bereich geringerer Stromdichte zu betreiben, um die Qualität
der Detektion des Spannungseinbruchs zu erhöhen.
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Neben
der reinen Detektion und Überwachung der Funktionalität
der Ventileinrichtung 12 kann ein Verfahren, wie es in
der beispielhaften Darstellung der 4 beschrieben
ist, selbstverständlich auch herangezogen werden, um einen
Startvorgang, insbesondere einen Kaltstartvorgang des Brennstoffzellensystems 1 aus
Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts zu verbessern. Im Allgemeinen
ist es so, dass der Betrieb eines Brennstoffzellensystems nach dem
Start davon ausgeht, dass beispielsweise aufgrund von eingefrorenen
Leitungen oder dergleichen noch kein Drain/Purge möglich
ist. Um dennoch eine Wasserstoffkonzentration auf der Anodenseite 3 der
Brennstoffzelle 2 bereitzustellen, welche einen annähernd
regulären Betrieb der Brennstoffzelle 2 ermöglicht,
wird in diesen Situationen mit einem entsprechend erhöhten
Anodendruck gefahren. Dies führt jedoch insgesamt zu einer
Beeinträchtigung der Performance der Brennstoffzelle, wenn
diese über einen längeren Zeitraum hinweg erfolgt.
Erfolgt außerdem bei erhöhtem Anodendruck ein
Drain/Purge, so wird aufgrund des höheren Drucks mehr Wasserstoff von
der Anodenseite 3 entfernt, als eigentlich gewünscht
ist. Dieser Wasserstoff gelangt dann auf die Kathodenseite 4 und
kann dort aufgrund der Menge eventuell nicht vollständig
umgesetzt werden. Dies führt zu entsprechenden Wasserstoffemissionen
sowie insgesamt zu einem zu hohen Verbrauch an Wasserstoff in dem
Brennstoffzellensystem 1.
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Nun
besteht die Möglichkeit das Brennstoffzellensystem 1 ab
dem Start mit dem erhöhten Anodendruck zu betreiben. Startet
dann das in dem Ablaufdiagramm der 4 beschriebene
System, so wird in regelmäßigen Zeiträumen
immer wieder überprüft, ob die Ventileinrichtungen 12 sowie
das Leitungselement 13 und der Wasserabscheider 11 frei durchgängig
oder noch gefroren sind. Solange kein Spannungseinbruch detektiert
wird, liegt eine derartige Situation vor. Es wird also immer dann,
wenn ab dem Start noch kein erster Spannungseinbruch erfasst wurde
und/oder wenn ein Fehlersignal vorliegt, ein Betrieb des Brennstoffzellensystems 1 mit
erhöhtem Anodendruck gewählt. Erst nachdem die
Spannung U ein erstes Mal eingebrochen ist und also eine volle Funktionalität
des Drain/Purge gewährleistet ist, wird der Anodendruck
entsprechend abgesenkt und das Brennstoffzellensystem 1 kann
in den regulären Betrieb wechseln. Sollte es während
des Betriebs erneut zu Problemen kommen, so wird auch hier gemäß dem
in 4 beschriebenen Ablauf wieder ein Fehlersignal
generiert und der Anodendruck lässt sich entsprechend diesem
Fehlersignal erhöhen.
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Insbesondere
im Startzustand eines Brennstoffzellensystems 1, vor allem
wenn dieses in einem Fahrzeug eingesetzt wird, kann sehr häufig
mit stark dynamischen Betriebszuständen gerechnet werden. Ist
deshalb außer dem Leerlauf kein stationärer Betriebszustand
des Brennstoffzellensystems 2 zu erkennen, so muss in diesen
Situationen ein in einem solchen Fahrzeug typischerweise vorhandenes Start/Stopp-System,
welches das Brennstoffzellensystem 1 während Stopp-Phasen
des Fahrzeugs entweder abschaltet oder in einen Standby-Modus stellt, solange
unterdrückt werden, bis das erste Mal ein Spannungseinbruch
auf der Kathodenseite 4 der Brennstoffzelle 2detektiert
worden ist. In diesen Situationen ist zur Detektion des Spannungseinbruchs dann
nämlich der Leerlauf ein besonders geeigneter und günstiger
Betrieb. Wenn im Leerlauf das System abgestellt wird, wird die oben
beschriebene Funktionalität jedoch gestört. Daher
ist in solchen Situationen nach dem Start des Brennstoffzellensystems 1 die
Start/Stopp-Funktionalität so lange zu unterdrücken,
bis sicher ist, dass die Ventileinrichtung 12 und das Leitungselement 13 sowie
der Wasserabscheider 11 sicher funktionieren und frei von
beispielsweise durch Eis verursachten Verstopfungen sind.
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Wie
aus der Darstellung der 4 zu erkennen ist, hat das Verfahren
dabei die Möglichkeit, selbsttätig nach Ablauf
einer vorgegebenen Zeit die Prüfung immer wieder durchzuführen.
Nur wenn über einen sehr langen Zeitraum hinweg jeweils
nur Fehlersignale generiert werden, was beispielsweise durch eine
Zählung der einzelnen Fehlersignale erfolgen kann, dann
liegt eine Störung beispielsweise der Ventileinrichtung 12 vor,
welche durch einen längeren Betrieb, also beispielsweise
ein Auftauen von gefrorenen Verstopfungen, nicht behoben werden kann.
Dann kann über die generierten Fehlersignale beispielsweise
eine Warnmeldung oder eine Wartungsempfehlung für das Brennstoffzellensystem 1 ausgegeben
werden geben. Außerdem kann das Brennstoffzellensystem 1 über
eine zu hohe Zahl an generierten Fehlersignalen auch abgeschaltet
werden.
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Das
Verfahren erlaubt es dabei mit geringfügiger Modifikation
der Software in der Steuerungselektronik 14 ein herkömmliches
Brennstoffzellensystem einfach und effizient zu betreiben. Aufgrund
dieses Betriebsverfahrens kann in dem Brennstoffzellensystem 1 außerdem
auf den Einsatz von Sensoren, insbesondere auf den Einsatz von Füllstandssensoren
im Wasserabscheider 11 und Wasserstoffkonzentrationssensoren
im Bereich der Zuluft zum Kathodenraum 4 und/oder im Bereich
des Anodenkreislaufs 8 verzichtet werden. Der Aufbau kann
daher vereinfacht werden und kann den sicheren und zuverlässigen
Betrieb eines Brennstoffzellensystems 1 gewährleisten.
Das Verfahren kann insbesondere in Brennstoffzellensystemen 1 angewandt
werden, welche in Transportmitteln auf dem Land, im Wasser oder
in der Luft elektrische Energie bereitstellen. Die elektrische Energie
kann dabei insbesondere zu Vortriebszwecken, aber auch alternativ
oder ergänzend für Hilfsaggregate, Unterhaltungselektronik
oder dergleichen eingesetzt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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-
Zitierte Patentliteratur
-
- - DE 69912918
T2 [0003]
- - WO 2008/052578 A1 [0005]
- - DE 69920279 T2 [0007]