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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems mit wenigstens einer Brennstoffzelle nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art. Ferner betrifft die Erfindung eine Verwendung des Verfahrens.
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Ein derartiger Aufbau eines Brennstoffzellensystems mit einer Rezirkulationsleitung zum Zurückführen des Anodenabgases in den Anodeneingang ist beispielsweise aus der
DE 101 15 336 A1 bekannt. Bei derartigen Systemen mit einer sogenannten Anodenloop reichert sich im Laufe der Zeit Stickstoff und Wasser in dem rezirkulierten Anodenabgas an. Daher ist es aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt und in der oben genannten Schrift auch so beschrieben, dass im Bereich der Rezirkulationsleitung Ventileinrichtungen angeordnet werden, welche von Zeit zu Zeit geöffnet werden, um den Stickstoff aus dem Bereich der Rezirkulationsleitung und dem Bereich des Anodenraums entsprechend abzublasen. Gemäß der
DE 101 15 336 A1 kann die „Entsorgung” dieses Abgases aus dem Bereich des Anodenloop in verschiedene Bereiche erfolgen, welche typischerweise jeweils über eine katalytische Oberfläche verfügen oder in Verbindung mit einer weiteren Komponente stehen, welche eine solche katalytische Oberfläche aufweist. Dieser Aufbau ist deshalb üblich, weil zusammen mit dem Stickstoff immer auch eine geringe Menge an Wasserstoff in dem abgelassenen Gas sein wird, welche auf diese Art unschädlich gemacht werden kann. Um das im Bereich des Anodenabgases anfallende Produktwasser der Brennstoffzelle abführen zu können, ist in der
DE 101 15 336 A1 ferner ein Wasserabscheider im Bereich der Rezirkulationsleitung beschrieben.
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Aus der internationalen Anmeldung
WO 2008/052578 A1 ist ebenfalls ein Brennstoffzellensystem mit einem Anodenloop 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 (Drain) und die Funktionalität des Abblasventils zum Abblasen des stickstoffhaltigen Gases (Purge) kombiniert werden. Der Aufbau sieht dabei vor, dass ein Wasserabscheider mit einer 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 Anodenloop 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. Der Aufbau ist dabei dennoch vergleichsweise komplex und anfällig, da er eine Vielzahl von Sensoren zur Ansteuerung der gemeinsamen Ventileinrichtung benötigt. Insbesondere die dabei beschriebenen Füllstandssensoren eines Wasserabscheiders sind in der Praxis sehr anfällig gegen Schmutz und verursachen daher häufig Störungen, welche die Verwendung des in der WO-Schrift beschriebenen Verfahrens erschweren.
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Aus dem weiteren allgemeinen Stand der Technik ist ferner die
DE 103 11 785 A1 bekannt. Darin ist eine Verbindung des Kathodenbereichs mit dem Anodenbereich einer Brennstoffzelle beschrieben, insbesondere einer Brennstoffzelle, welche mit einem wasserstoffhaltigen Gas aus einer Gaserzeugungseinrichtung betrieben wird. Derartiger Wasserstoff weist üblicherweise eine gewisse Verunreinigung mit Kohlenmonoxid auf, welche dem Katalysator im Bereich des Anodenraums schadet. Daher wird über die Verbindung bei Bedarf Luft in den Wasserstoff eingebracht, welcher dieses Kohlenmonoxid zu Kohlendioxid oxidiert und damit die Menge des für den Katalysator schädlichen Kohlenmonoxids minimiert. Die Ansteuerung erfolgt dabei über einen entsprechenden Druckunterschied zwischen dem Bereich der Anode und dem Bereich der Kathode, sodass bei geringerem Druck im Bereich der Anode Luft über die Öffnung in den Bereich der Anode strömt (Airbleed). Andersherum kann dieser Aufbau auch dazu genutzt werden, Gas aus dem Bereich der Anode in den Bereich der Kathode strömen zu lassen, nämlich immer dann, wenn die Druckverhältnisse umgekehrt sind (Purge). Auch dies wird in dem Aufbau gemäß der
DE 103 11 785 A1 genutzt, um beispielsweise das entstehende Kohlendioxid, oder im Falle eines Anodenloop den sich anreichernden Stickstoff zusammen mit dem Kohlendioxid in den Bereich der Kathode abzublasen.
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Zum weiteren allgemeinen Stand der Technik ist außerdem noch die
WO 2008/052577 A1 bekannt. In dieser ist ein Aufbau beschrieben, bei dem aus dem Bereich der Anodenrezirkulation ein Gasstrom in den Bereich des Kathodeneingangs eingebracht wird. Dabei kann die Zufuhr an verschiedenen Stellen und/oder über verschiedene Arten von Aufbereitungseinrichtungen erfolgen.
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Es ist nun die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 zu schaffen, bei welchem mit minimalem Aufwand sicher und zuverlässig der Austrag von Wasser und Gas aus dem Bereich der Rezirkulationsleitung realisiert werden kann.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst. Die abhängigen Ansprüche beschreiben vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung.
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Das erfindungsgemäße Verfahren stellt dabei sicher, dass die Ventileinrichtung immer nur dann geöffnet werden kann, wenn vorbestimmte Betriebsbedingungen des Brennstoffzellensystems vorliegen. Die Ventileinrichtung nimmt also ihren geöffneten Zustand nur dann ein, wenn das Brennstoffzellensystem in Betrieb ist und über der Ventileinrichtung keine oder eine in Richtung der Anodenseite abfallende Druckdifferenz gegeben ist. Damit wird sicher und zuverlässig verhindert, dass in den Bereich der Rezirkulationsleitung und damit letztlich in den Anodenbereich Sauerstoff gelangt, welcher dann zu entsprechenden Reaktionen mit dem Brennstoff, typischerweise Wasserstoff, führen würde. Eine solche Reaktion würde die Lebensdauer der Brennstoffzelle gegebenenfalls negativ beeinflussen. Außerdem wechselt die Ventileinrichtung nur dann in ihren geöffneten Zustand, wenn zusätzlich zu den bereits beschriebenen Bedingungen ein Massenstrom des Oxydationsmittels zu dem Kathodenbereich vorliegt, welcher über einem vorgegebenen Grenzwert liegt. Der Grenzwert ist dabei so vorzugeben, dass der gesamte in dem ausgetragenen Gas verbleibende Brennstoff, typischerweise also Wasserstoff, mit dem Sauerstoff überstöchiometrisch oder zumindest stöchiometrisch reagieren kann, sodass sichergestellt ist, dass kein Brennstoff durch den Kathodenraum mit dem Abgas aus dem Kathodenraum an die Umgebung gelangt. Nur wenn alle drei Bedingungen erfüllt sind, wird der Ventileinrichtung gestattet, in den geöffneten Zustand zu wechseln. Damit lassen sich unerwünschte Emissionen und die Brennstoffzelle gegebenenfalls schädigende Gasströme sicher und zuverlässig vermeiden.
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In einer sehr günstigen und vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Aufbaus ist es dabei so, dass die Ventileinrichtung im geöffneten Zustand ständig offen gehalten wird.
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Immer dann, wenn die oben genannten drei Bedingungen vorliegen, wird die Ventileinrichtung also im geöffneten Zustand gehalten. Dies bedeutet, dass anfallendes Wasser über die Ventileinrichtung aus dem Bereich der Rezirkulationsleitung um den Anodenbereich abgeführt werden kann. Sobald dieses Wasser abgeführt ist, wird außerdem eine geringe Menge an Gas mit abgeführt werden, bis sich neues Wasser angesammelt hat. Dies führt zu einem kontinuierlichen oder quasi kontinuierlichen Abströmen von Gasen aus dem Bereich der Rezirkulationsleitung. Damit werden inerte Gase sicher und zuverlässig ausgetragen, sodass die Konzentration des Brennstoffs nicht unter einen für den Betrieb der Brennstoffzelle sinnvollen Wert absinkt.
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Dabei hat die ständig offen gehaltene Ventileinrichtung den entscheidenden Vorteil, dass diese für einen kontinuierlichen Drain und Purge sorgt, ohne dass zu ihrer Ansteuerung Sensoren, beispielsweise ein Brennstoffkonzentrationssensor im Bereich der Rezirkulationsleitung und/oder sehr anfällige Wasserstandssensoren im Bereich eines Wasserabscheiders oder dergleichen, notwendig sind. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht also ein sehr einfaches und damit kostengünstiges und zuverlässiges Brennstoffzellensystem.
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In einer besonders günstigen und vorteilhaften alternativen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es dagegen vorgesehen, dass die Ventileinrichtung im geöffneten Zustand getaktet geöffnet wird.
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Dieser Aufbau, bei dem durch die drei eingangs genannten Bedingungen ebenfalls geprüft werden, bevor die Ventileinrichtung in den geöffneten Zustand wechselt, ist nun so ausgestaltet, dass immer dann, wenn der geöffnete Zustand erlaubt ist, die Ventileinrichtung getaktet geöffnet und damit auch wieder geschlossen wird. Dieser getaktete Betrieb der Ventileinrichtung erlaubt den Einsatz einer einfachen und kostengünstigen Ventileinrichtung, welche lediglich einen offenen und einen geschlossenen Zustand kennt. Durch eine entsprechende Taktung lassen sich dennoch Volumen beziehungsweise Massenströme der durch die Ventileinrichtung strömenden Medien einstellen, indem diese für einen vorgegebenen Zeitraum strömen und dann wieder für einen vorgegebenen Zeitraum nicht strömen können. Dieser Aufbau erlaubt es dann, den Drain und den Purge über eine weitere Abhängigkeit zu steuern beziehungsweise zu regeln, beispielsweise durch die Modulation einer Pulsweite der Taktung in Abhängigkeit des aktuellen Lastzustandes des Brennstoffzellensystems.
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Unabhängig davon, wie die Ventileinrichtung im geöffneten Zustand betrieben wird, kann die Menge an Wasser und Gas, die über die Ventileinrichtung ausgetragen wird, in einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens anhand des Drucks im Anodenbereich gesteuert werden.
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Durch eine entsprechende Steuerung des Drucks im Anodenbereich oder auch des Differenzdrucks zwischen dem Anodenbereich und dem Kathodenbereich lässt sich so der Massenstrom der ausgetragenen Medien durch eine Steuerung der Drücke entsprechend beeinflussen.
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In einer sehr günstigen und vorteilhaften Alternative zu einer solchen Steuerung kann es auch vorgesehen sein, dass beispielsweise die Konzentration des im Gas enthaltenen Brennstoffs im Eingangsbereich des Kathodenbereiches anhand des Drucks im Anodenbereich geregelt wird.
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Hierfür kann über einen vergleichsweise einfachen Sensor eine sehr detaillierte Regelung realisiert werden, sodass über eine Nachführung des Anodendruckes oder des Differenzdrucks zwischen Kathode und Anode sehr konstante Betriebsbedingungen einstellbar sind.
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In einer weiteren sehr vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann es außerdem vorgesehen sein, dass ein Durchflussfaktor der Ventileinrichtung im geöffneten Zustand anhand der Größe des Brennstoffzellensystems vorgegeben wird.
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Durch eine gezielte Auslegung der Ventileinrichtung hinsichtlich ihres Durchflussfaktors beziehungsweise Durchflusskoeffizienten (kv-Wert) kann ein zu dem jeweiligen Brennstoffzellensystem passender Durchfluss realisiert werden, sodass sich ansammelndes Wasser und sich ansammelndes inertes Gas (quasi-)kontinuierlich abströmen können. Durch die Wahl des geeigneten zum System und zu dem dort umgesetzten Volumen an Edukten passenden kv-Werts kann ein Verlust an Brennstoff auf ein tolerierbares Minimum begrenzt werden.
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Eine besonders geeignete Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht es dabei vor, dass das Verfahren zum Betreiben des Brennstoffzellensystems in einem Transportmittel auf dem Land, im Wasser oder in der Luft eingesetzt wird. Insbesondere bei derartigen Transportmitteln, wie beispielweise Fahrzeugen, Schiffen, Flugzeugen oder dergleichen, ist es wichtig, einen einfachen, kompakten und leichten Aufbau des Brennstoffzellensystems realisieren sowie sicher und zuverlässig Betreiben zu können, da zusätzliches Gewicht immer auch zusätzlichen, im Allgemeinen nur schwer verfügbaren Bauraum benötigt, und da zusätzliches Gewicht immer auch zusätzliche Energie zur Fortbewegung erforderlich macht. Außerdem kann bei entsprechend hohen Stückzahlen, wie sie beispielsweise für Kraftfahrzeuge angedacht sein können, ein entscheidender Vorteil darin gesehen werden, dass das erfindungsgemäße das Verfahren mit einem minimalen Aufwand hinsichtlich der Steuerung/Regelung auskommt. Insbesondere ist dabei ein sehr sicherer und zuverlässiger Betrieb möglich, da keine Sensorik notwendig ist, welche unter extremen Bedingungen, wie zum Beispiel Stöße, Vibrationen, Temperaturschwankungen, wie sie bei derartigen Transportmitteln sehr häufig auftreten, gegebenenfalls versagen könnte.
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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 anhand der Figuren näher erläutert wird.
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Dabei zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems in einer ersten Ausführungsform zur Nutzung mit dem erfindungsgemäßen Verfahren;
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2 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems in einer zweiten Ausführungsform zur Nutzung mit dem erfindungsgemäßen Verfahren; und
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3 einen Logikplan zum Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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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 Anodenbereich 3 und einen Kathodenbereich 4 auf, welche in den hier dargestellten Ausführungsbeispielen jeweils durch eine protonenleitende Membran voneinander getrennt sein sollen. Bei der Brennstoffzelle 2 handelt es sich also um einen sogenannten PEM-Brennstoffzellenstack. Die Brennstoffzelle 2 in Form eines PEM-Brennstoffzellenstacks wird nun mit Brennstoff, hier beispielsweise Wasserstoff, und einem Oxydationsmittel, hier insbesondere Luft, versorgt. Die Erfindung wird in den Ausführungsbeispielen anhand einer solchen mit Luft und Wasserstoff betriebenen PEM-Brennstoffzelle 2 beschrieben, ohne dass das erfindungsgemäße Verfahren auf den Betrieb einer solchen Brennstoffzelle 2 mit den genannten Stoffströmen eingeschränkt werden soll.
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Der Anodenbereich 3 der Brennstoffzelle 2 wird nun mit Wasserstoff als Brennstoff aus einer Speichereinrichtung 5 versorgt. Dabei ist ein Ventil 6 vorgesehen, welches den Zustrom an Wasserstoff zum Anodenbereich 3 regelt beziehungsweise steuert, und welches im Allgemeinen auch den in der Speichereinrichtung 5 unter einem sehr hohen Druck gespeicherten Wasserstoff auf einen für den Anodenbereich 3 geeigneten Druck mindert. In der Brennstoffzelle 2 reagiert dieser Wasserstoff dann mit einem Massenstrom an Oxydationsmittel, welcher über eine Fördereinrichtung 7 dem Kathodenbereich 4 der Brennstoffzelle 2 zugeführt wird. Ein Abgasstrom des Oxydationsmittels, in diesem Fall also ein Abgasstrom an hinsichtlich des Sauerstoffgehalts abgereicherter Luft, wird dann über eine Abgasleitung 8 an die Umgebung des Brennstoffzellensystems 1 abgegeben. Das Abgas aus dem Kathodenbereich 4 führt dabei außerdem einen Teil des in der Brennstoffzelle 2 entstehenden Produktwassers mit sich. Es handelt sich also um einen typischerweise feuchten Abgasstrom. Um nun ein Austrocknen der PEM-Membranen der Brennstoffzelle 2 zu vermeiden, kann es optional vorgesehen sein, dass dieser feuchte Abgasstrom in einem Gas-Gas-Befeuchter 9, welcher hier optional angedeutet ist, den zum Kathodenbereich 4 strömenden Massenstrom der Luft befeuchtet. Ein solcher Befeuchter 9 kann dabei aus Membranen bestehen, welche für dampfförmiges Wasser, nicht jedoch für den Gasstrom selbst, durchgängig sind. Strömt auf der einen Seite der Membran nun der heiße trockene Massenstrom der Luft zu dem Kathodenbereich 4 und auf der anderen Seite der Membran der feuchte Abgasstrom, so wird die Feuchte vom Abgasstrom auf den Massenstrom des Oxydationsmittels übertragen und ein Austrocknen der Membranen kann verhindert werden.
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Auf der Seite des Anodenbereichs 3 ist es nun so, dass der Wasserstoff aus der Speichereinrichtung 5 im Anodenbereich 3 nicht vollständig umgesetzt wird. Typischerweise verbleibt Abgasstrom, welcher neben Restwasserstoff auch im Anodenbereich 3 anfallendes Produktwasser und durch die Membranen hindurchdiffundiertes inertes Gas, insbesondere Stickstoff, enthält. Dieser Abgasstrom wird zur Nutzung des in ihm verbleibenden Restwasserstoffs über eine Rezirkulationsleitung 10 und eine Rezirkulationsfördereinrichtung 11 rezirkuliert und gelangt zusammen mit frischem Wasserstoff aus der Speichereinrichtung 5 zurück in den Anodenbereich 3. Im Bereich der Rezirkulationsleitung 10 anfallendes Wasser kann dabei über einen Wasserabscheider 12 abgeschieden und gesammelt werden.
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In dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel des Brennstoffzellensystems 1 ist es nun so, dass dieser Wasserabscheider 12 über eine Verbindungsleitung 13 und eine darin befindliche Ventileinrichtung 14 mit dem Zustrom des Luftmassenstroms entsprechend verbunden ist. Wasser, welches sich in dem Wasserabscheider 12 sammelt, wird bei geöffneter Ventileinrichtung 14 also über die Verbindungsleitung 13 in den Bereich des Luftmassenstroms eingebracht und gelangt zusammen mit diesem über die Fördereinrichtung 7 in den Kathodenbereich 4. Sobald in dem Wasserabscheider 12 kein flüssiges Wasser mehr vorliegt, wird außerdem eine gewisse Menge an Gas aus dem Bereich der Rezirkulationsleitung 10, und hier liegt als Gas überwiegend Stickstoff mit einem gewissen Anteil an Restwasserstoff vor, in den Bereich des Luftmassenstroms und damit in den Kathodenbereich 4 gelangen. Restwasserstoff wird dann an den Elektrokatalysatoren des Kathodenbereichs 4 mit Sauerstoff aus dem Luftmassenstrom reagieren, sodass keine Emissionen an Wasserstoff über die Abgasleitung 8 aus dem Brennstoffzellensystem 1 heraus auftreten.
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In der Darstellung der 2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel zu erkennen, bei dem der einzige Unterschied zu dem Ausführungsbeispiel des Brennstoffzellensystems 1 gemäß 1 darin besteht, dass die Verbindungsleitung 13 zwischen der Luftfördereinrichtung 7 und dem Kathodenbereich 4 in den Luftmassenstrom mündet, und nicht vor der Fördereinrichtung 7. Außerdem wurde auf die Darstellung des optionalen Befeuchters 9 verzichtet.
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Ergänzend zu diesen hier beiden dargestellten Ausführungsbeispielen wäre es selbstverständlich auch denkbar, einen Aufbau zu realisieren, bei dem die Verbindungsleitung 13 zwischen zwei Luftfördereinrichtungen beziehungsweise zwischen den Stufen einer zweistufigen Luftfördereinrichtung mündet und zuvor gegebenenfalls noch weitere Komponenten, wie beispielsweise ein Gehäuse der Brennstoffzelle 2, durchströmt.
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Der Kern des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt nun in der Ansteuerung der Ventileinrichtung 14. Diese wird gemäß dem in 3 dargestellten Logikplan angesteuert. Zuerst wird dabei geprüft, ob das Brennstoffzellensystem 1 (BZS) in Betrieb ist. Nur wenn diese Prüfung eine wahre Aussage ergibt, gelangt ein wahrer Wert zu einer ersten UND-Verknüpfung 15. Außerdem wird ständig der Massenstrom dm/dt der Luft als Oxydationsmittel überwacht. Dies kann beispielsweise mittels eines Luftmassensensor oder sehr einfach anhand der Drehzahl der Luftfördereinrichtung 7 sowie gegebenenfalls einem Kennfeld erfolgen. Der so erfasste Luftmassenstrom dm/dt wird dann mit einem vorgegebenen Wert eines Luftmassenstroms dm/dt verglichen. Sobald der aktuelle Luftmassenstrom über diesem vorgegebenen Wert liegt, entsteht ein wahrer Wert, welcher weiter zu einem zweiten UND-Gatter 16 gelangt.
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Außerdem wird ein Druckgefälle über der Ventileinrichtung 14 beziehungsweise die Druckdifferenz zwischen dem Druck pA im Anodenbereich 3 und dem Druck pK im Kathodenbereich 4 entsprechend überwacht. Nur wenn eine Druckdifferenz vorliegt, welche 0 oder größer ist, entsteht aus dieser Überwachung ein wahrer Wert. Die beiden Werte aus der Überwachung des Massenstroms dm/dt und des Drucks pK gelangen nach der UND-Verknüpfung im UND-Gatter 16 ebenfalls zu dem UND-Gatter 15 und werden mit dem Test, ob das Brennstoffzellensystem 1 in Betrieb ist, ebenfalls mit einer UND-Verknüpfung verknüpft. Sobald alle drei Werte einen wahren Wert ergeben, erfolgt dann die Erlaubnis an die Ventileinrichtung 14, in einen geöffneten Zustand zu wechseln.
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Dieser Aufbau stellt sicher, dass die Ventileinrichtung 14 nur dann geöffnet wird, wenn das Brennstoffzellensystem 1 in Betrieb ist. Dies ist wichtig, um beispielsweise eine geöffnete Ventileinrichtung 14 dann zu verhindern, wenn das Brennstoffzellensystem nicht in Betrieb ist und über die Ventileinrichtung Sauerstoff in den Bereich der Rezirkulationsleitung 10 und damit in den Anodenbereich 3 eindringen könnte. Beim Wiederstart des Brennstoffzellensystems würde dies zu einer Mischung von Brennstoff und Sauerstoff im Anodenbereich 3 führen, welcher beim Abreagieren die Lebensdauer der Brennstoffzelle 2 nachteilig beeinflusst und im Extremfall zum Entstehen explosionsfähiger Gemische von Wasserstoff und Sauerstoff führen könnte.
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Außerdem wird durch den Vergleich der Massenströme dm/dt und dm0/dt sichergestellt, dass ein ausreichender Luftmassenstrom zu dem Kathodenbereich 4 strömt, bevor die Ventileinrichtung 14 geöffnet wird. Dies hat den Vorteil, dass immer eine ausreichende Menge an Luft und damit eine ausreichende Menge an Sauerstoff im Kathodenbereich 4 vorliegt, um mit über die Ventileinrichtung 14 ausgetragenen Gas und darin befindlichen Restwasserstoff abreagieren zu können. Der Wert des Massenstroms dm0/dt wird deshalb so vorgegeben, dass immer in allen Betriebszuständen eine zumindest stöchiometrische – insbesondere überstöchiometrische – Menge an Sauerstoff im Verhältnis zum eingetragenen Wasserstoff vorhanden ist. Der so vorgegebene Wert des Luftmassenstroms dm0/dt wird dazu typischerweise in einer Größenordnung von ca. 30–60% des Luftmassenstroms im Leerlaufbetrieb des Brennstoffzellensystems 1 gewählt. Bei einem Brennstoffzellensystem in einer elektrischen Nennleistung von 80 kW und einem Luftmassenstrom von ca. 17 kg/h im Leerlaufbetrieb würde dies zu einem Wert dm0/dt von weniger als 10 kg/h führen.
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Die letzte Abfrage hinsichtlich des Drucks P stellt nochmals sicher, dass im Anodenbereich 3 und im Kathodenbereich 4 zumindest derselbe Druck P herrscht, sodass zumindest sichergestellt, dass kein Sauerstoff beziehungsweise keine Luft aus dem zum Kathodenbereich 4 geförderten Luftmassenstrom in den Anodenbereich 3 eindringt. Ein solches Eindringen von Luft und insbesondere ein Vermischen dieser Luft mit dem Wasserstoff im Anodenbereich 3 hätte ähnliche nachteilige Folgen auf die Lebensdauer der Brennstoffzelle 2 und würde im Extremfall zum Entstehen explosionsfähiger Gemische von Wasserstoff und Sauerstoff führen, wie das oben schon beschriebene Eindringen von Luft in den Anodenbereich 3 im Fall des Stillstands.
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Erst wenn alle diese Bedingungen vorliegen und ein Öffnen der Ventileinrichtung 14 für einen kombinierten Drain/Purge möglich ist, erlaubt das erfindungsgemäße Verfahren einen geöffneten Zustand der Ventileinrichtung 14.
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In einer besonders einfachen und günstigen Variante kann es dabei vorgesehen sein, dass die Ventileinrichtung
14 ständig offen gehalten wird. Dann erfolgt ein kontinuierlicher Drain, also eine kontinuierliche Abfuhr des sich ansammelnden Wassers. Sobald im Bereich der Ventileinrichtung
14 und der Verbindungsleitung
13 kein Wasser mehr vorliegt, erfolgt außerdem eine Abfuhr von Gas aus dem Bereich der Rezirkulationsleitung
10, der Purge. Dieser Aufbau hat den Vorteil, dass er ohne weitere Sensoren auskommen kann. Die abströmende Rate des Gases aus dem Bereich der Rezirkulationsleitung lässt sich dabei durch eine geeignete Wahl des Durchflussfaktors, des sogenannten kv-Werts, je nach Leistung und Größe des Brennstoffzellensystems festlegen. Damit lässt sich ein optimaler Drain und Purge realisieren, ohne dass weitere Sensoren, wie beispielsweise Füllstandssensoren im Bereich des Wasserabscheiders
12, notwendig wären. Eine solche Funktionalität ist auch in der älteren Anmeldung mit dem Aktenzeichen
DE 10 2009 014 592.3 der Anmelder beschrieben.
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Da in dieser Ausgestaltung der Durchflussfaktor der Ventileinrichtung 14 als Wert einmal anhand der Größe des Brennstoffzellensystems 1 bei dessen Planung und Dimensionierung vorgegeben wird, ist hierüber prinzipiell keine Variation der über den Purge abgeführten Menge an Gas möglich. Um dennoch die Menge während des Betriebs unterschiedlich beeinflussen zu können, kann es vorgesehen sein, dass der im Anodenbereich 3 zum Beispiel über die Ventileinrichtung 6 eingestellte Druck entsprechend variiert wird. Damit ergibt sich eine veränderliche Druckdifferenz zwischen der dem Anodenbereich 3 zugewandten Seite der Ventileinrichtung 14 und der dem Kathodenbereich 4 zugewandten Seite der Ventileinrichtung 14. Über diese Druckdifferenz beziehungsweise den Druck im Anodenbereich 3 lässt sich dann die Menge an gepurgtem Gas entsprechend steuern.
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Um die Funktionalität noch weiter zu verbessern kann es außerdem vorgesehen sein, dass im Eingangsbereich des Kathodenbereichs 4 ein Sensor für den Wasserstoff angebracht wird. Dann ist es denkbar, über eine entsprechende Veränderung des Drucks im Anodenbereich 3 beziehungsweise der Druckdifferenz zwischen Anodenbereich 3 und Kathodenbereich 4 den Durchfluss durch die Ventileinrichtung 14 zu regeln. So könnte beispielsweise auf eine konstante Konzentration von Wasserstoff im Eingangsbereich des Kathodenbereichs 4 geregelt werden. Dann wäre immer sichergestellt, dass aufgrund der konstanten Konzentration ein quasi-kontinuierlicher Purge erfolgt, welcher die Regelung und Steuerung des Systems ansonsten unbeeinflusst lässt.
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In einer alternativen oder ergänzend eingesetzten Variante kann der geöffnete Zustand der Ventileinrichtung 14 durch einen getakteten Betrieb der Ventileinrichtung 14 gestaltet werden. Die Ventileinrichtung 14 wird auch dann nur in diesen getakteten Betrieb wechseln, wenn über die oben erläuterte Logik signalisiert worden ist, dass ein geöffneter Zustand der Ventileinrichtung 14 erlaubt wird. Die Ventileinrichtung 14 wird dann aber nicht gänzlich geöffnet und offen gehalten, so lang die Bedingungen vorliegen, sondern wird, während die Bedingungen vorliegen, getaktet betrieben. Damit lässt sich, ohne dass ein Proportionalventil eingesetzt werden müsste, der durch die Ventileinrichtung 14 strömende Volumenstrom beziehungsweise Massenstrom beeinflussen. Die Taktung kann dabei durch eine Steuerung mit modulierbarer Pulsweite vorgegeben werden. Über diese modulierte Pulsweite werden also unterschiedliche Zeiten von geöffneten und geschlossenen Zuständen der Ventileinrichtung 14 in schneller Abfolge zueinander realisiert. Die Modulation der Pulsweite kann beispielsweise in Abhängigkeit der Leistung des Brennstoffzellensystems beziehungsweise in Abhängigkeit der von der Brennstoffzelle 2 abgerufenen und ohnehin gemessenen elektrischen Leistung erfolgen. Da die Leistung in etwa mit dem Verbrauch an Wasserstoff und Sauerstoff einhergeht, wird durch die Leistung auch in etwa die Menge an anfallendem Wasser und/oder anfallenden inerten Gasen im Anodenbereich 3 vorhersagbar. Wird nun der Massenstrom durch die Ventileinrichtung 14 anhand der Leistung gesteuert, so kann auch hier ohne weitere Sensorik oder dergleichen sichergestellt werden, dass nicht mehr Wasserstoff als notwendig beim Purge verloren geht und das andererseits das anfallende Wasser sicher und zuverlässig abgeführt wird. Auch diesem getakteten Betrieb der Ventileinrichtung 14 ist dabei, wie bereits erwähnt, die in 3 dargestellte Logik vorgeschaltet beziehungsweise übergeordnet, sodass auch beim getakteten Betrieb keine Betriebszustände auftreten können, welche die Performance und die Lebensdauer der Brennstoffzelle 2 nachteilig beeinflussen würden.
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Mit den erfindungsgemäßen Verfahren kann der Betrieb eines Brennstoffzellensystems 1 so realisiert werden, dass dieses hinsichtlich der Sensorik minimiert und hinsichtlich der Zuverlässigkeit maximiert werden kann. Ein solches System eignet sich nun besonders gut, um in Transportmitteln, beispielsweise in Kraftfahrzeugen, eingesetzt zu werden, um elektrische Antriebsenergie zu erzeugen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10115336 A1 [0002, 0002, 0002]
- WO 2008/052578 A1 [0003]
- DE 10311785 A1 [0004, 0004]
- WO 2008/052577 A1 [0005]
- DE 102009014592 [0038]