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WO2019243161A1 - Verfahren zum herunterfahren eines brennstoffzellensystems - Google Patents

Verfahren zum herunterfahren eines brennstoffzellensystems Download PDF

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WO2019243161A1
WO2019243161A1 PCT/EP2019/065523 EP2019065523W WO2019243161A1 WO 2019243161 A1 WO2019243161 A1 WO 2019243161A1 EP 2019065523 W EP2019065523 W EP 2019065523W WO 2019243161 A1 WO2019243161 A1 WO 2019243161A1
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WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
line
fuel cell
cathode
cell system
air
Prior art date
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Ceased
Application number
PCT/EP2019/065523
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English (en)
French (fr)
Inventor
Helerson Kemmer
Jan Hendrik OHS
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of WO2019243161A1 publication Critical patent/WO2019243161A1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04223—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids during start-up or shut-down; Depolarisation or activation, e.g. purging; Means for short-circuiting defective fuel cells
    • H01M8/04228—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids during start-up or shut-down; Depolarisation or activation, e.g. purging; Means for short-circuiting defective fuel cells during shut-down
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
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    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
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    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H01M8/04119—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying
    • H01M8/04156—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying with product water removal
    • H01M8/04179—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying with product water removal by purging or increasing flow or pressure of reactants
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    • H01M8/04231—Purging of the reactants
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2250/00—Fuel cells for particular applications; Specific features of fuel cell system
    • H01M2250/20—Fuel cells in motive systems, e.g. vehicle, ship, plane
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    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
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    • Y02E60/50—Fuel cells
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T90/00—Enabling technologies or technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02T90/40—Application of hydrogen technology to transportation, e.g. using fuel cells

Definitions

  • the invention relates to a method for switching off a fuel cell system according to the preamble of the independent method claim.
  • the invention further relates to a corresponding fuel cell system according to the preamble of the independent device claim.
  • Fuel cell systems are chemical energy converters that have different areas of application, for example in the automotive industry.
  • the fuel cell systems are switched off, residual reactants remain in the system, which can lead to undesired tensions, which in turn can lead to a degradation of the fuel cell systems.
  • the fuel cell system is usually connected to an electrical load. The oxygen supply is interrupted for this.
  • the anode remains supplied with fuel until the residual oxygen has been used up.
  • check valves are installed in front of and behind the stack.
  • check valves have the disadvantage that they are not completely tight and lose tightness over time. Furthermore, the check valves in the air path generate a not insignificant pressure loss in normal operation, which must be compensated for by the air compressor, which increases the parasitic performance in the system. Disclosure of the invention
  • the invention provides a method for switching off a fuel cell system with the features of the independent
  • the invention provides a corresponding fuel cell system with the features of the independent one
  • the present invention provides a method for stopping a
  • Fuel cell system in front which is designed with at least one fuel cell or a number of fuel cells that are built into a stack.
  • the fuel cell system (or in the following simply system) comprises a cathode line carrying cathode air, a fuel-carrying anode line and a purge line for flushing the anode line, the purge line opening into an exhaust air line (at a node to a bypass line between a supply air line and the exhaust air line) of the cathode line ,
  • the method according to the invention has the following steps:
  • the idea of the invention is that the cathode air from the cathode line, in particular from the supply air line of the cathode line, is introduced into the anode line and thus into an anode of the fuel cell system after the system has been switched off. This preferably takes place after the oxygen in the cathode of the fuel cell system has been consumed.
  • the pure line to the exhaust air line preferably at a node to a bypass line, and through the bypass line to the supply air line
  • the purge valve can also be opened. Since a purge valve can be used to provide throttling when the cathode air is fed into the anode line, this will be less
  • the air mass flow of the cathode air into the anode line can be controlled by specifically controlling the air compressor and / or a dynamic pressure flap in the cathode line and / or one
  • Recirculation blower in the anode line can be further reduced or controlled. This small amount of oxygen reacts in the anode of the
  • the pure line advantageously remains open only to the exhaust air line of the cathode line during the shutdown process.
  • the pure line has no direct exit to the outside. This happens for the reason that the pure line opens into the cathode line at one end and into the anode line at another end.
  • the Anode lead also has no direct exit to the outside.
  • the method according to the invention is not discharged into the environment. It remains in the anode line and is possibly recirculated in the anode line until there is no more fuel on the anode side or in the anode of the fuel cell system.
  • the invention thus enables a significant reduction or even a complete elimination of an open circuit voltage (OCV) within the
  • Fuel cell system after switching off the fuel cell system advantageously avoids the degradation of the fuel cell system.
  • the invention advantageously does not require any additional structural components to carry out the method. For this, the existing pure line is used, which is operated in both directions. The method according to the invention can thus be carried out with little effort and inexpensively.
  • step 2) the pure line is operated in an opposite direction than to
  • a small air mass flow of the cathode air from the cathode line, in particular from the supply air line of the cathode line, can thus be provided in the anode line.
  • Anode line creates a gas mixture from the cathode air and the remaining fuel remaining in the anode line, which during emergency operation of the
  • Fuel cell system was not consumed. The oxygen and the fuel get into the anode of the fuel cell system and react there when they come into contact with the catalyst.
  • a two-way valve can be used as a purge valve. No conversion measures are required within the fuel cell system, in particular no additional lines are required within the
  • the invention can provide that the method has at least one further step:
  • This step can be carried out after step 1) at the latest.
  • step 1 *) can advantageously be carried out before step 1). So the amount of remaining fuel in the
  • Anode lead is reduced and the time to deplete the fuel, i. H. reduced to perform the procedure.
  • the aim is therefore not to break down the remaining oxygen on the cathode side, but the remaining fuel on the anode side. Without a fuel in the system, the fuel cell system remains electrochemically stable even when the
  • Cathode line is not completed after the system is turned off.
  • the check valves in the anode line can thus be dispensed with. During normal operation of the fuel cell system, it helps to reduce the parasitic power for operating an air compressor.
  • the invention can provide that the method has at least one further step:
  • Cathode line in particular a smaller supply of fresh cathode air than in normal operation of the fuel cell system.
  • Step 2 *) can preferably take place before and / or parallel to step 2).
  • an air compressor can be operated with a low output, in particular with a lower output than in normal operation of the fuel cell system.
  • the invention can provide within the scope of the method that an exhaust air flowing out of the exhaust air line is throttled in the course of the method. This can promote the flow of cathode air in the cathode line. At the same time, the flow of cathode air through the pure line into the anode line can be promoted.
  • the invention can provide within the scope of the method that in the course of the method the fuel which is not used during normal operation of the fuel cell system is recirculated with the cathode air introduced in the anode line. This ensures that the reactants with the
  • Catalyst come into contact in the anode of the fuel cell system.
  • the recirculation of the unused fuel with the introduced cathode air in the anode line can take place until in the anode
  • Fuel cell system that has completely reacted unused fuel with the introduced cathode air.
  • the invention can provide that in step 2) or in step 2 *), the cathode air at least briefly with a high volume flow into the
  • Anode lead is introduced.
  • the fuel present in the anode line can thus be used up quickly. Since the residual oxygen is also quickly consumed, only nitrogen and water remain in the anode of the fuel cell system. This can cause undesirable side reactions within the fuel cell system, which lead to the degradation of the
  • Fuel cell system can be prevented, so that a short-term fuel-air front can be tolerated within the anode.
  • the invention can provide within the scope of the method that a coolant pump of the fuel cell system is operated in the course of the method and / or at least briefly a cooling fan is operated in the course of the method of the method. This has the advantage that the temperature level within the fuel cell system depends on the
  • the invention can provide that the method has at least one further step: 3) Shutting off the supply of fresh cathode air into the cathode line when, in an anode of the fuel cell system, the fuel unused during normal operation of the fuel cell system has completely reacted with the introduced cathode air.
  • the process can thus be ended and the fuel cell system can be switched off. In this way, harmful electrochemical potentials are advantageously almost eliminated and preferably completely avoided.
  • the invention provides a second aspect
  • Fuel cell system with at least one fuel cell, in particular a polymer electrolyte fuel cell.
  • the fuel cell system can furthermore have a plurality of fuel cells, in particular polymer electrolyte fuel cells, which can be built into a stack.
  • the fuel cell system is leading with a cathode air
  • Pure line opens into an exhaust air line of the cathode line. According to the invention, it is provided that the pure line can be operated in both directions.
  • the method described above for switching off the fuel cell system is advantageously carried out. In particular that is
  • Fuel cell system designed to carry out a method according to the first aspect of the invention.
  • Fuel cell systems achieve the same advantages that were described above in connection with the method according to the invention according to the first aspect of the invention. These advantages are referred to in full in the present case.
  • Fig. 3 shows an exemplary diagram for turning off a
  • Fuel cell system according to a method in the sense of
  • Fig. 4 is an exemplary diagram for turning off a
  • Fuel cell system according to a method in the sense of
  • FIG. 1 and 2 show an exemplary fuel cell system 100, which is designed with at least one fuel cell 101, a cathode line 10, an anode line 20 and a pure line 30.
  • the exemplary fuel cell system 100 which is designed with at least one fuel cell 101, a cathode line 10, an anode line 20 and a pure line 30.
  • Fuel cell system 100 can be used for mobile applications, for example in
  • a supply air line 10.1 is provided at the input of the cathode line 10.
  • An air filter 11 is arranged in the supply air line 10.1 of the cathode line 10 in order to filter the ambient air in accordance with the requirements of the fuel cell 101.
  • a compressor or an air compressor 12 is provided in the supply air line 10.1 of the cathode line 10.
  • the air compressor 12 serves to suck in the ambient air as fresh cathode air LI and in the compressed state Provide fuel cell 101.
  • the fresh cathode air LI can also be referred to as the supply air.
  • the air compressor 12 when turning off the
  • Fuel cell system 100 Supply of fresh cathode air LI in the
  • a heat exchanger 13 cools the compressed fresh cathode air LI in the supply air line 10.1 of the cathode line 10 again.
  • a humidifier 14 in the supply air line 10.1 of the cathode line 10 supplies the fresh cathode air LI with sufficient moisture. The moisture can be removed from a cathode air L2 carrying waste water from an exhaust air line 10.2 of the cathode line 10 after the passage of the fuel cell system 100
  • Check valves 15, 16 are provided. According to an advantage of the invention, these check valves 15, 16 can be dispensed with.
  • the embodiment of the fuel cell system 100 without the check valves 15, 16 is shown in FIG. 2.
  • a bypass line 10.3 is provided between the supply air line 10.1 and the exhaust air line 10.2 of the cathode line 10.
  • a bypass valve 17 is arranged, which in the pressure regulation
  • Cathode line 10 can help.
  • the bypass valve 17 can serve in the sense of the invention to provide the cathode air LI, L2, in particular the fresh cathode air LI from the supply air line 10.1, via the bypass line 10.3 into the anode line 20.
  • an exhaust air valve 19 is provided, which can also help with pressure regulation in the cathode line 10.
  • the exhaust valve 19 when executing the The inventive method help that an exhaust air L3 flowing out of the exhaust air line 10.2 is throttled in the course of the method.
  • a turbine 18 can optionally be provided at the outlet of the exhaust air line 10.2 of the cathode line 10 in order to control the internal energy of the flowing
  • the mechanical power can be added to the air compressor 12 in order to reduce energy losses when operating the air compressor 12.
  • a high-pressure tank 21 At the entrance to the anode line 20 there is a high-pressure tank 21, a shut-off valve 22 and at least one further valve 23 as a further one
  • a purge valve 31 is provided in the purge line 30, which opens into the exhaust air line 10.2 of the cathode line 10, preferably at a node with a bypass line 10.3.
  • the purge valve 31 can be operated in both directions or can be designed as a two-way valve.
  • the purge line 30 is used to rinse the anode line 20.
  • the purge line 30 is used to introduce a cathode air LI, L2, in particular the fresh cathode air LI, into the anode line 20.
  • a drain line 50 can branch off from the anode line 20 and can be designed with a water separator 51 and a water reservoir 52 for the separated water.
  • a cooling line 40 ensures that the fuel cell system 100 is tempered to an advantageous operating temperature during normal operation.
  • the cooling line 40 includes a coolant pump 42, which coolant after the Passage of the fuel cell system 100 is conveyed to a vehicle radiator 41.
  • the fuel cell system 100 can be connected to an anode A and a cathode K using a DC / DC converter 1 to an electrical system 2 of a vehicle.
  • a bleed-down circuit 60 is provided between the electrical system 2 and the fuel cell system 100.
  • the bleed-down circuit 60 comprises a bleed-down resistor 61 and a bleed-down switch 62.
  • safety circuits 63, 64 can be provided at the transition to the electrical system 2 of the vehicle.
  • the safety circuits 63, 64 can separate the fuel cell system 100 from the electrical system 2 of the vehicle.
  • the bleed-down circuit 60 can be connected to the fuel cell system 100.
  • the bleed-down switch 62 can be closed.
  • the remaining reactants, preferably without a supply of the fresh cathode air LI, can be consumed and the current at the bleed-down resistor 61 can be dissipated.
  • the method according to the invention provides the following steps:
  • step 2) the cathode air LI, L2, in particular the fresh cathode air LI, in the anode line 20 and above in an anode A of
  • the pure line 30 is connected to the supply air line 10.1 of the cathode line 10, preferably via the bypass line 10.3, connected and then used in a reverse direction.
  • the purge valve 31 is opened in the direction of the anode line 20.
  • the purge valve 31 can be used to provide throttling for the cathode air LI, L2 as it flows from the supply air line 10.1 of the cathode line 10 into the anode line 20.
  • the method can then have at least one further step:
  • the air compressor 12 can be operated at a low speed.
  • a higher pressure in the cathode line 10 compared to the pressure in the anode line 20 and thus a lower air mass flow in the anode line 20 can occur.
  • the fresh cathode air LI cannot get into the cathode K at all.
  • the air mass flow can also be controlled by the targeted control of the
  • Bypass valve 17 of the bypass line 10.3 of the cathode line 10 and / or the recirculation pump 25 of the anode line 20 can be further reduced or controlled.
  • Fuel cell system 100 leads. Also harmful electrochemical potentials between the anode A and cathode K do not arise because there is no oxygen in the cathode K. The process is carried out until the fuel in the anode A has completely reacted. Thereafter, the fuel cell system 100 can actually be turned off, i.e. the above
  • Actuators air compressor 12, recirculation pump 25
  • air compressor 12, recirculation pump 25 can be switched off. There is then air in the anode A and nitrogen with steam in the cathode K, which do not cause any harmful potentials.
  • the Fuel cell system 100 remains electrochemically stable even when air diffuses into cathode line 10. It is thus even possible to dispense with complex check valves 15, 16 upstream and downstream of the fuel cell system 100, as shown in FIG. 2.
  • the pure line 30 extends between the cathode line 10 and the anode line 20. In other words, the pure line 30 has no direct exit to the outside.
  • the gas mixture composed of the
  • cathode air LI, L2 and the residual fuel in the anode line 20 are not released into the environment. It remains in the anode line 20 and is possibly recirculated in the anode line 20 until there is no more fuel in the anode line 20 of the fuel cell system 100.
  • the method can also have at least one further step:
  • shut-off valve 22 can be closed.
  • FIG. 3 shows an exemplary flowchart of the processes when the fuel cell system 100 is switched off using the method according to the invention.
  • step 200 the shutdown phase is initiated.
  • the supply of the reactants can be switched off.
  • step 201 the coolant pump 42 can be operated at a high speed.
  • step 202 there is a
  • step 203 the bypass valve 17 can be opened and the exhaust air L3 can be throttled using the exhaust air valve 19.
  • step 204 the purge valve 31 can be opened and then the recirculation pump 25 can be switched on.
  • step 205 the
  • Air compressor 12 are operated at a low speed (compared to the normal operation of the fuel cell system 100).
  • step 206 a certain time interval At can be waited for, which is required until the fuel in the anode A can react safely and completely.
  • step 207 the fuel cell system 100 can be switched off in step 207. For this the air compressor 12 and the recirculation pump 25 can be switched off.
  • FIG. 4 shows a further possible flow chart of the processes when the fuel cell system 100 is switched off using the method according to the invention.
  • Steps 200 to 207 remain the same as in FIG. 3.
  • a step 201 * can also be provided.
  • a vehicle radiator 41 can be switched on.
  • step 202 * it can be checked whether the temperature T of the coolant has fallen below a predetermined value T *. If so, then step 203 can be continued.
  • step 202 oxygen depletion continues in cathode K during steps 201 * and 202 *.
  • Fuel cell system 100 can react.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abstellen eines Brennstoffzellensystems (100), welches mit mindestens einer Brennstoffzelle (101) ausgeführt ist. Ferner ist das Brennstoffzellensystem (100) mit einer Kathodenluft führenden Kathodenleitung (10), einer Brennstoff führenden Anodenleitung (20) und einer Purgeleitung (30) zum Freispülen der Anodenleitung (20)ausgeführt, wobei die Purgeleitung (30) in eine Abluftleitung (10.2) der Kathodenleitung (10) mündet. Das erfindungsgemäße Verfahren weist folgende Schritte auf: 1) Betreiben des Brennstoffzellensystems (100) ohne eine Zufuhr einer frischen Kathodenluft (L1), 2) Einführen einer Kathodenluft (L1, L2) in die Anodenleitung (20) mithilfe der Purgeleitung (30).

Description

Beschreibung
Titel
VERFAHREN ZUM HERUNTERFAHREN EINES BRENNSTOFFZELLENSYSTEMS
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abstellen eines Brennstoffzellensystems nach dem Oberbegriff des unabhängigen Verfahrensanspruches. Ferner betrifft die Erfindung ein entsprechendes Brennstoffzellensystem nach dem Oberbegriff des unabhängigen Vorrichtungsanspruches.
Stand der Technik
Brennstoffzellensysteme sind chemische Energiewandler, die unterschiedliche Anwendungsgebiete, bspw. in der Automobilindustrie, aufweisen. Beim Abstellen der Brennstoffzellensysteme verbleiben Restreaktanten im System, die zu ungewollten Spannungen führen können, die wiederum eine Degradation der Brennstoffzellensysteme nach sich ziehen können. Um die Spannungen abzubauen, wird das Brennstoffzellensystem zumeist an eine elektrische Last angeschlossen. Die Sauerstoffversorgung wird hierzu unterbrochen. Die Anode bleibt jedoch weiterhin mit Brennstoff versorgt, bist der Restsauerstoff verbraucht ist. Dies führt jedoch dazu, dass Restbrennstoff im System verbleibt. Diffundiert nun Luft in die Kathode, erhöhen sich die ungewollten Spannungen und verbleiben im System für mehrere Stunden, was schädigende elektrochemische Reaktionen hervorruft. Um das zu verhindern bzw. zu verzögern, werden Rückschlagventile vor und hinter dem Stack eingebaut. Diese Rückschlagventile weisen jedoch den Nachteil auf, dass sie nicht vollständig dicht sind und mit der Zeit an Dichtheit verlieren. Ferner erzeugen die Rückschlagventile im Luftpfad einen nicht unwesentlichen Druckverlust im Normalbetrieb, der durch den Luftverdichter ausgeglichen werden muss, was die parasitäre Leistung im System erhöht. Offenbarung der Erfindung
Die Erfindung sieht gemäß einem ersten Aspekt ein Verfahren zum Abstellen eines Brennstoffzellensystems mit den Merkmalen des unabhängigen
Verfahrensanspruches, insbesondere aus dem kennzeichnenden Teil, vor.
Ferner sieht die Erfindung gemäß einem zweiten Aspekt ein entsprechendes Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des unabhängigen
Vorrichtungsanspruches, insbesondere aus dem kennzeichnenden Teil, vor. Weitere Vorteile, Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.
Die vorliegende Erfindung sieht ein Verfahren zum Abstellen eines
Brennstoffzellensystems vor, welches mit mindestens einer Brennstoffzelle oder einer Reihe an Brennstoffzellen ausgeführt ist, die zu einem Stack verbaut sind. Das Brennstoffzellensystem (oder im Weiteren einfach System) umfasst eine Kathodenluft führende Kathodenleitung, eine Brennstoff führende Anodenleitung und eine Purgeleitung zum Freispülen der Anodenleitung, wobei die Purgeleitung in eine Abluftleitung (in einem Knotenpunkt zu einer Bypassleitung zwischen einer Zuluftleitung und der Abluftleitung) der Kathodenleitung mündet. Das erfindungsgemäße Verfahren weist folgende Schritte auf:
1) Betreiben des Brennstoffzellensystems ohne eine Zufuhr einer frischen Kathodenluft,
2) Einführen einer Kathodenluft in die Anodenleitung (und somit in die Anode des Brennstoffzellensystems) mithilfe der Purgeleitung.
Der Erfindungsgedanke liegt darin, dass in die Anodenleitung und somit in eine Anode des Brennstoffzellensystems nach dem Abstellen des Systems die Kathodenluft aus der Kathodenleitung, insbesondere aus der Zuluftleitung der Kathodenleitung, eingeführt wird. Dies geschieht vorzugsweise nachdem der Sauerstoff in der Kathode des Brennstoffzellensystems verbraucht wurde. Hierzu wird die Purgeleitung an die Abluftleitung, vorzugsweise in einem Knotenpunkt zu einer Bypassleitung, und durch die Bypassleitung an die Zuluftleitung
angeschlossen und danach in einer umgekehrten Richtung genutzt als im Normalbetrieb des Brennstoffzellensystems zum Freispülen der Anodenleitung. Danach kann ein Luftverdichter am Eingang in die Kathodenleitung bzw. in der Zuluftleitung der Kathodenleitung mit einer geringen Drehzahl betrieben werden, die kleiner ist als im Normalbetrieb des Brennstoffzellensystems. Somit kann ein größerer Druck in der Kathodenleitung eingestellt werden als der Druck in der Brennstoffleitung. Zudem kann das Purgeventil geöffnet werden. Da mithilfe eines Purgeventils eine Drosselung beim Zuführen der Kathodenluft in die Anodenleitung bereitgestellt werden kann, wird sich ein geringer
Luftmassenstrom der Kathodenluft in die Anodenleitung und somit in die Anode des Brennstoffzellensystems einstellen. Der Luftmassenstrom der Kathodenluft in die Anodenleitung kann durch eine gezielte Ansteuerung des Luftverdichters und/oder einer Staudruckklappe in der Kathodenleitung und/oder eines
Rezirkulationsgebläses in der Anodenleitung weiter reduziert oder gesteuert werden. Diese geringe Sauerstoffmenge reagiert in der Anode des
Brennstoffzellensystems mit dem restlichen Brennstoff ab, sobald die Reaktanten in Kontakt mit dem Katalysator kommen. Dadurch bildet sich innerhalb der Anode keine Brennstoff/Luft- Front aus, die zu schädlich hohen Potentialen führt. Das Verfahren im Sinne der Erfindung wird solange ausgeführt, bis der Brennstoff in der Anode vollständig abreagiert hat. Danach kann das System tatsächlich abgestellt werden. Hierzu können die o. g. Aktuatoren (Luftverdichter,
Rezirkulationsgebläse) ausgeschaltet werden. Es liegt danach nur noch Luft in der Anode und Stickstoff samt Dampf in der Kathode vor, die keine schädlichen Potentiale hervorrufen. Das Brennstoffzellensystem bleibt nach dem Ausführen des erfindungsgemäßen Verfahrens sogar dann elektrochemisch stabil, wenn Luft in die Kathodenleitung reindiffundiert. Somit kann sogar auf aufwendige Rückschlagventile vor und hinter dem Stack verzichtet werden.
Gemäß der Erfindung bleibt die Purgeleitung während des Abstellvorganges vorteilhafterweise nur zur Abluftleitung der Kathodenleitung hin offen. . Mit anderen Worten hat die Purgeleitung keinen direkten Ausgang nach draußen. Dies geschieht aus dem Grund, dass die Purgeleitung an einem Ende in die Kathodenleitung und an einem anderen Ende in die Anodenleitung mündet. Die Anodenleitung hat ebenfalls keinen direkten Ausgang nach außen. Das
Gasgemisch in der Anodenleitung wird also beim Ausführen des
erfindungsgemäßen Verfahrens nicht in die Umgebung abgelassen. Es verbleibt solange in der Anodenleitung und wird ggf. solange in der Anodenleitung rezirkuliert, bis kein Brennstoff mehr auf der Anodenseite bzw. in der Anode des Brennstoffzellensystems vorhanden ist.
Die Erfindung ermöglicht somit eine erhebliche Reduzierung oder sogar eine vollständige Eliminierung einer Leerlaufspannung (OCV) innerhalb des
Brennstoffzellensystems nach dem Abstellen des Brennstoffzellensystems. Dadurch wird die Degradation des Brennstoffzellensystems auf eine vorteilhafte Weise vermieden. Vorteilhafterweise benötigt die Erfindung keine zusätzlichen baulichen Komponenten zum Ausführen des Verfahrens. Hierzu wird die vorhandene Purgeleitung genutzt, die in beide Richtungen betrieben wird. Somit kann das erfindungsgemäße Verfahren mit wenig Aufwand und kostengünstig ausgeführt werden.
Ferner kann die Erfindung im Rahmen des Verfahrens vorsehen, dass im Schritt 2) die Purgeleitung in eine umgekehrte Richtung betrieben wird als zum
Freispülen der Anodenleitung (d. h. als im Normalbetrieb des
Brennstoffzellensystems). Somit kann ein geringer Luftmassenstrom der Kathodenluft aus der Kathodenleitung, insbesondere aus der Zuluftleitung der Kathodenleitung, in die Anodenleitung bereitgestellt werden. In der
Anodenleitung entsteht ein Gasgemisch aus der Kathodenluft und dem restlichen in der Anodenleitung verbliebenen Brennstoff, der im Notmalbetrieb des
Brennstoffzellensystems nicht verbraucht wurde. Der Sauerstoff und der Brennstoff gelangen in die Anode des Brennstoffzellensystems und reagieren dort ab, wenn sie in Kontakt mit dem Katalysator kommen. Zum Betreiben der Purgeleitung in eine umgekehrte Richtung als zum Freispülen der Anodenleitung kann ein Zweiwegeventil als ein Purgeventil verwendet werden. Innerhalb des Brennstoffzellensystems werden hierzu keine Umbaumaßnahmen benötigt, insbesondere werden keine zusätzlichen Leitungen innerhalb des
Brennstoffzellensystems benötigt. Weiterhin kann die Erfindung vorsehen, dass das Verfahren mindestens einen weiteren Schritt aufweist:
1*) Abstellen der Brennstoffzufuhr in der Anodenleitung.
Dieser Schritt kann spätestens nach dem Schritt 1) ausgeführt werden.
Vorteilhafterweise kann jedoch der Schritt 1*) schon vor dem Schritt 1) ausgeführt werden. So wird die Menge des restlichen Brennstoffs in der
Anodenleitung reduziert und die Zeit zum Abbauen des Brennstoffes, d. h. zum Ausführen des Verfahrens reduziert. Somit wird das Ziel verfolgt, nicht den restlichen Sauerstoff auf der Kathodenseite abzubauen, sondern den restlichen Brennstoff auf der Anodenseite. Ohne einen Brennstoff im System bleibt das Brennstoffzellensystem sogar dann elektrochemisch stabil, wenn die
Kathodenleitung nach dem Abstellen des Systems nicht abgeschlossen wird. Somit kann auf die Rückschlagventile in der Anodenleitung verzichtet werden. Im Normalbetrieb des Brennstoffzellensystems hilft es, die parasitäre Leistung zum Betreiben eines Luftverdichters zu reduzieren.
Weiterhin kann die Erfindung vorsehen, dass das Verfahren mindestens einen weiteren Schritt aufweist:
2*) Einstellen einer geringen Zufuhr der frischen Kathodenluft in die
Kathodenleitung, insbesondere einer geringeren Zufuhr der frischen Kathodenluft als im Normalbetrieb des Brennstoffzellensystems.
Der Schritt 2*) kann vorzugsweise vor und/oder parallel zu dem Schritt 2) erfolgen. Hierzu kann ein Luftverdichter mit einer geringen Leistung betrieben werden, insbesondere mit einer geringeren Leistung als im Normalbetrieb des Brennstoffzellensystems. Durch die Zufuhr der frischen Kathodenluft in die Kathodenleitung gelangt ausreichend Restsauerstoff aus der Kathodenleitung, insbesondere aus einer Zuluftleitung über die Purgeleitung, in die Anodenleitung. Mit anderen Worten wird eine geringe Menge Sauerstoff solange in die
Anodenleitung bereitgestellt bis der Restbrennstoff in der Anodenleitung vollständig verbraucht ist. .
Zudem kann die Erfindung im Rahmen des Verfahrens vorsehen, dass im Laufe des Verfahrens eine aus der Abluftleitung ausfließenden Abluft gedrosselt wird. Dies kann den Durchfluss der Kathodenluft in der Kathodenleitung begünstigen. Zugleich kann somit der Fluss der Kathodenluft durch die Purgeleitung in die Anodenleitung begünstigt werden.
Außerdem kann die Erfindung im Rahmen des Verfahrens vorsehen, dass im Laufe des Verfahrens der im Normalbetrieb des Brennstoffzellensystems unverbrauchte Brennstoff mit der eingeführten Kathodenluft in der Anodenleitung rezirkuliert wird. Somit wird sichergestellt, dass die Reaktanten mit dem
Katalysator in der Anode des Brennstoffzellensystems in Kontakt kommen. Die Rezirkulation des unverbrauchten Brennstoffes mit der eingeführten Kathodenluft in der Anodenleitung kann solange erfolgen, bis in der Anode des
Brennstoffzellensystems der unverbrauchte Brennstoff mit der eingeführten Kathodenluft vollständig abreagiert hat.
Ferner kann die Erfindung vorsehen, dass im Schritt 2) oder im Schritt 2*) die Kathodenluft zumindest kurzzeitig mit einem hohen Volumenstrom in die
Anodenleitung eingeführt wird. Somit kann der in der Anodenleitung vorhandene Brennstoff schnell verbraucht werden. Da hierbei der Restsauerstoff ebenfalls schnell verbraucht wird, verbleibt in der Anode des Brennstoffzellensystems nur Stickstoff und Wasser. Dadurch können unerwünschte Nebenreaktionen innerhalb des Brennstoffzellensystems, die zur Degradation des
Brennstoffzellensystems führen können, stark unterbunden werden, sodass eine kurzzeitige Brennstoff-Luft-Front innerhalb der Anode toleriert werden kann.
Weiterhin kann die Erfindung im Rahmen des Verfahrens vorsehen, dass im Laufe des Verfahrens eine Kühlmittelpumpe des Brennstoffzellensystems betrieben wird, und/oder zumindest kurzzeitig im Laufe des Verfahrens des Verfahrens ein Kühlgebläse betrieben wird. Dabei entsteht der Vorteil, dass das Temperaturniveau innerhalb des Brennstoffzellensystems auf das
Umgebungsniveau abgesenkt wird, wodurch eventuelle unerwünschte
Nebenreaktionen innerhalb des Brennstoffzellensystems noch weiter reduziert werden können.
Des Weiteren kann die Erfindung vorsehen, dass das Verfahren mindestens einen weiteren Schritt aufweist: 3) Abstellen der Zufuhr der frischen Kathodenluft in die Kathodenleitung, wenn in einer Anode des Brennstoffzellensystems der im Normalbetrieb des Brennstoffzellensystems unverbrauchte Brennstoff vollständig mit der eingeführten Kathodenluft vollständig abreagiert hat.
Damit kann das Verfahren beendet und das Brennstoffzellensystem abgestellt werden. Vorteilhafterweise werden somit schädliche elektrochemische Potentiale nahezu eliminiert und vorzugsweise vollständig vermieden.
Zudem sieht die Erfindung gemäß einem zweiten Aspekt ein
Brennstoffzellensystem mit mindestens einer Brennstoffzelle, insbesondere einer Polymerelektrolyt- Brennstoffzelle, vor. Das Brennstoffzellensystem kann weiterhin mehrere Brennstoffzellen, insbesondere Polymerelektrolyt- Brennstoffzellen aufweisen, die zu einem Stack verbaut werden können. Das Brennstoffzellensystem ist dabei mit einer Kathodenluft führenden
Kathodenleitung, einer Brennstoff führenden Anodenleitung und einer
Purgeleitung zum Freispülen der Anodenleitung ausgeführt, wobei die
Purgeleitung in eine Abluftleitung der Kathodenleitung mündet. Erfindungsgemäß ist dabei vorgesehen, dass die Purgeleitung in beide Richtungen betreibbar ist. Vorteilhafterweise wir das oben beschriebene Verfahren zum Abstellen des Brennstoffzellensystems ausgeführt. Insbesondere ist das
Brennstoffzellensystem zur Durchführung eines Verfahrens gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung ausgebildet. Mithilfe des erfindungsgemäßen
Brennstoffzellensystems werden die gleichen Vorteile erreicht, die oben im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung beschrieben wurden. Auf diese Vorteile wird vorliegend vollumfänglich Bezug genommen.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele:
Die Erfindung sowie deren Weiterbildungen sowie deren Vorteile werden nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen jeweils schematisch: Fig. 1 eine beispielhafte Ausführung eines Brennstoffzellensystems im Sinne der Erfindung,
Fig. 2 eine weitere beispielhafte Ausführung eines Brennstoffzellensystems im Sinne der Erfindung,
Fig. 3 ein beispielhaftes Diagramm zum Abstellen eines
Brennstoffzellensystems gemäß eines Verfahrens im Sinne der
Erfindung, und
Fig. 4 ein beispielhaftes Diagramm zum Abstellen eines
Brennstoffzellensystems gemäß eines Verfahrens im Sinne der
Erfindung.
In den unterschiedlichen Figuren sind gleiche Teile der Erfindung stets mit denselben Bezugszeichen versehen, weshalb diese in der Regel nur einmal beschrieben werden.
In den Figuren 1 und 2 ist ein beispielhaftes Brennstoffzellensystem 100 gezeigt, welches mit mindestens einer Brennstoffzelle 101, einer Kathodenleitung 10, einer Anodenleitung 20 und einer Purgeleitung 30 ausgeführt ist. Das
Brennstoffzellensystem 100 kann für mobile Anwendungen, bspw. in
Kraftfahrzeugen, oder für stationäre Anwendungen, bspw. in Generatoren, eingesetzt werden.
Am Eingang der Kathodenleitung 10 ist eine Zuluftleitung 10.1 vorgesehen. In der Zuluftleitung 10.1 der Kathodenleitung 10 ist ein Luftfilter 11 angeordnet, um die Umgebungsluft entsprechend den Erfordernissen der Brennstoffzelle 101 zu filtern.
Nach dem Luftfilter 11 ist in der Zuluftleitung 10.1 der Kathodenleitung 10 ein Kompressor bzw. ein Luftverdichter 12 vorgesehen. Der Luftverdichter 12 dient im Normalbetrieb des Brennstoffzellensystems 100 dazu, die Umgebungsluft als eine frische Kathodenluft LI anzusaugen und im verdichteten Zustand der Brennstoffzelle 101 bereitzustellen. Die frische Kathodenluft LI kann ebenfalls als die Zuluft bezeichnet werden.
Gemäß der Erfindung kann der Luftverdichter 12 beim Abstellen des
Brennstoffzellensystems 100 zum Einstellen einer geringen (deutlich weniger, mindestens um das zweifache, als im Bormalbetrieb des
Brennstoffzellensystems 100) Zufuhr der frischen Kathodenluft LI in die
Kathodenleitung 10 dienen.
Ein Wärmetauscher 13 kühlt die verdichtete frische Kathodenluft LI in der Zuluftleitung 10.1 der Kathodenleitung 10 wieder ab. Ein Befeuchter 14 in der Zuluftleitung 10.1 der Kathodenleitung 10 versorgt die frische Kathodenluft LI mit ausreichend Feuchtigkeit. Die Feuchtigkeit kann dabei aus einer Abwasser führenden Kathodenluft L2 einer Abluftleitung 10.2 der Kathodenleitung 10 nach dem Durchgang des Brennstoffzellensystems 100 entnommen werden
In der Ausführungsform des Brennstoffzellensystems 100 gemäß der Figur 1 sind vor und nach dem Durchgang des Brennstoffzellensystems 100
Rückschlagventile 15, 16 vorgesehen. Auf diese Rückschlagventile 15, 16 kann nach einem Vorteil der Erfindung verzichtet werden. Die Ausführungsform des Brennstoffzellensystems 100 ohne die Rückschlagventile 15, 16 ist in der Figur 2 gezeigt.
Zwischen der Zuluftleitung 10.1 und der Abluftleitung 10.2 der Kathodenleitung 10 ist eine Bypassleitung 10.3 vorgesehen. In der Bypassleitung 10.3 ist ein Bypassventil 17 angeordnet, welches bei Druckregulierung in der
Kathodenleitung 10 helfen kann. Zudem kann das Bypassventil 17 im Sinne der Erfindung dazu dienen, die Kathodenluft LI, L2, insbesondere die frische Kathodenluft LI aus der Zuluftleitung 10.1, über die Bypassleitung 10.3 in die Anodenleitung 20 bereitzustellen.
Am Ausgang der Abluftleitung 10.2 der Kathodenleitung 10 ist ein Abluftventil 19 vorgesehen, welches ebenfalls bei Druckregulierung in der Kathodenleitung 10 helfen kann. Zudem kann das Abluftventil 19 beim Ausführen des erfindungsgemäßen Verfahrens dazu helfen, dass im Laufe des Verfahrens eine aus der Abluftleitung 10.2 ausfließenden Abluft L3 gedrosselt wird.
Optional kann am Ausgang der Abluftleitung 10.2 der Kathodenleitung 10 eine Turbine 18 vorgesehen sein, um die innere Energie der strömenden
sauerstoffarmen Kathodenluft L2 in eine mechanische Leistung umzuwandeln. Die mechanische Leistung kann dabei dem Luftverdichter 12 zugefügt werden, um energetische Verluste beim Betreiben des Luftverdichters 12 zu reduzieren.
Am Eingang der Anodenleitung 20 befinden sich ein Hochdrucktank 21, ein Absperrventil 22 und mindestens ein weiteres Ventil 23 als eine weitere
Druckregulierungsstufe. Zudem befindet sich in der Anodenleitung 20 eine Rezirkulationspumpe 25, um den unverbrauchten Brennstoff nach dem
Durchgang des Brennstoffzellensystems 100 zurück in die Brennstoffzelle 101 einzuführen. Die Rezirkulation des unverbrauchten Brennstoffs kann durch einen Jetpumpantrieb 24 unterstützt werden.
In der Purgeleitung 30, die in die Abluftleitung 10.2 der Kathodenleitung 10, vorzugsweise in einem Knotenpunkt mit einer Bypassleitung 10.3, mündet, ist ein Purgeventil 31 vorgesehen. Gemäß der Erfindung kann das Purgeventil 31 in beide Richtungen betrieben werden bzw. als ein Zweiwegeventil ausgeführt sein. Im Normalbetrieb des Brennstoffzellensystems 100 dient die Purgeleitung 30 zum Spülen der Anodenleitung 20. Beim Abstellen des Brennstoffzellensystems 100 nach dem erfindungsgemäßen Verfahren dient die Purgeleitung 30 zum Einführen einer Kathodenluft LI, L2, insbesondere der frischen Kathodenluft LI, in die Anodenleitung 20.
Neben der Purgeleitung 30 kann von der Anodenleitung 20 eine Drainleitung 50 abzweigen, die mit einem Wasserabscheider 51 und einem Wasserspeicher 52 für das abgeschiedene Wasser ausgeführt sein kann.
Eine Kühlleitung 40 sorgt dafür, dass das Brennstoffzellensystem 100 während des Normalbetriebes auf eine vorteilhafte Betriebstemperatur temperiert wird. Die Kühlleitung 40 umfasst eine Kühlmittelpumpe 42, die ein Kühlmittel nach dem Durchgang des Brennstoffzellensystems 100 an einen Fahrzeugkühler 41 befördert.
Das Brennstoffzellensystem 100 kann im Normalbetrieb an einer Anode A und an einer Kathode K mithilfe eines DC/DC-Wandlers 1 an ein elektrisches Bordnetz 2 eines Fahrzeuges angeschlossen werden. Am Übergang zum elektrischen Bordnetz 2 des Fahrzeuges ist ein Bleed-Down-Schaltkreis 60 zwischen dem Bordnetzt 2 und dem Brennstoffzellensystem 100 vorgesehen. Der Bleed-Down- Schaltkreis 60 umfasst einen Bleed- Down- Widerstand 61 und einen Bleed-Down- Schalter 62. Ferner können am Übergang zum elektrischen Bordnetzt 2 des Fahrzeuges Sicherheitsschaltungen 63, 64 vorgesehen sein.
Als Vorbereitung für das erfindungsgemäße Verfahren zum Abstellen des Brennstoffzellensystems 100 können die Sicherheitsschaltungen 63, 64 das Brennstoffzellensystem 100 vom elektrischen Bordnetz 2 des Fahrzeuges trennen.
Als eine weitere Vorbereitung für das erfindungsgemäße Verfahren zum
Abstellen des Brennstoffzellensystems 100 kann der Bleed-Down-Schaltkreis 60 an das Brennstoffzellensystem 100 angeschlossen werden. Hierzu kann der Bleed- Down-Schalter 62 geschlossen werden. Die restlichen Reaktanten, vorzugsweise ohne eine Zufuhr der frischen Kathodenluft LI, können dabei verbraucht werden und der Strom am Bleed- Down- Widerstand 61 dissipiert werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren sieht folgende Schritte vor:
1) Betreiben des Brennstoffzellensystems 100 ohne eine Zufuhr einer frischen Kathodenluft LI,
2 Einführen einer Kathodenluft LI, L2 in die Anodenleitung 20 mithilfe der
Purgeleitung 30.
Im Schritt 2) wird die Kathodenluft LI, L2, insbesondere die frischen Kathodenluft LI, in die Anodenleitung 20 und darüber in eine Anode A des
Brennstoffzellensystems 100 eingeführt. Hierzu wird die Purgeleitung 30 an die Zuluftleitung 10.1 der Kathodenleitung 10, vorzugsweise über die Bypassleitung 10.3, angeschlossen und danach in eine umgekehrte Richtung genutzt. Hierzu wird das Purgeventil 31 in Richtung der Anodenleitung 20 geöffnet. Mithilfe des Purgeventils 31 kann eine Drosselung für die Kathodenluft LI, L2 beim Fluss aus der Zuluftleitung 10.1 der Kathodenleitung 10 in die Anodenleitung 20 bereitgestellt werden.
Danach kann das Verfahren mindestens einen weiteren Schritt aufweisen:
2*) Einstellen einer geringen Zufuhr der frischen Kathodenluft LI in die Kathodenleitung 10.
Hierzu kann der Luftverdichter 12 mit einer geringen Drehzahl betrieben werden. Somit können sich ein höherer Druck in der Kathodenleitung 10 im Vergleich zum Druck in der Anodenleitung 20 und somit ein geringer Luftmassenstrom in die Anodenleitung 20 einstellen. Vorzugsweise kann dabei die frische Kathodenluft LI gar nicht in die Kathode K gelangen.
Der Luftmassenstrom kann zudem durch die gezielte Ansteuerung des
Luftverdichters 12 in der Zuluftleitung 10.1 der Kathodenleitung 10, des
Bypassventils 17 der Bypassleitung 10.3 der Kathodenleitung 10 und/oder der Rezirkulationspumpe 25 der Anodenleitung 20 weiter reduziert oder gesteuert werden.
Somit gelangt eine geringe Sauerstoffmenge mit der Kathodenluft LI, L2 in die Anode A des Brennstoffzellensystems 100, wo sie mit dem restlichen Brennstoff abreagieren kann, sobald die Reaktanten in Kontakt mit dem Katalysator kommen. Dadurch bildet sich innerhalb der Anode A keine schädliche
Brennstoff/Luft- Front aus, die zu hohen Potentialen innerhalb des
Brennstoffzellensystems 100 führt. Auch schädliche elektrochemische Potentiale zwischen der Anode A und Kathode K entstehen nicht, da in der Kathode K kein Sauerstoff vorhanden ist. Das Verfahren wird solange ausgeführt, bis der Brennstoff in der Anode A vollständig abreagiert worden ist. Danach kann das Brennstoffzellensystem 100 tatsächlich abgestellt werden, d.h. die o.g.
Aktuatoren (Luftverdichter 12, Rezirkulationspumpe 25) können abgeschaltet werden. Es liegt danach Luft in der Anode A und Stickstoff samt Dampf in der Kathode K vor, die keine schädlichen Potentiale hervorrufen. Das Brennstoffzellensystem 100 bleibt sogar dann elektrochemisch stabil, wenn Luft in die Kathodenleitung 10 reindiffundiert. Somit kann sogar auf aufwendige Rückschlagventile 15, 16 vor und hinter dem Brennstoffzellensystem 100 verzichtet werden, wie dies die Figur 2 zeigt.
Die Purgeleitung 30 erstreckt sich zwischen der Kathodenleitung 10 und der Anodenleitung 20. Die Purgeleitung 30 hat mit anderen Worten keinen direkten Ausgang nach draußen. Das Gasgemisch, zusammengesetzt aus der
Kathodenluft LI, L2 und dem Restbrennstoff in der Anodenleitung 20, wird gemäß der Erfindung nicht in die Umgebung abgelassen. Es verbleibt solange in der Anodenleitung 20 und wird ggf. solange in der Anodenleitung 20 rezirkuliert, bis kein Brennstoff mehr in der Anodenleitung 20 des Brennstoffzellensystems 100 vorhanden ist.
Das Verfahren kann weiterhin mindestens einen weiteren Schritt aufweisen:
1*) Abstellen der Brennstoffzufuhr in der Anodenleitung 20.
Hierzu kann das Absperrventil 22 geschlossen werden.
Die Figur 3 zeigt ein beispielhaftes Ablaufdiagramm der Prozesse beim Abstellen des Brennstoffzellensystems 100 nach dem erfindungsgemäßen Verfahren.
Im Schritt 200 wird die Abstellphase eingeleitet. Hierzu kann die Zufuhr der Reaktanten abgeschaltet werden. Im Schritt 201 kann die Kühlmittelpumpe 42 mit einer hohen Drehzahl betrieben werden. Im Schritt 202 erfolgt eine
Sauerstoffverarmung in der Kathode K. Im Schritt 203 kann das Bypassventil 17 geöffnet werden und die Abluft L3 mithilfe des Abluftventils 19 gedrosselt werden. Im Schritt 204 kann das Purgeventil 31 geöffnet und anschließend die Rezirkulationspumpe 25 eingeschaltet werden. Im Schritt 205 kann der
Luftverdichter 12 mit einer geringen Drehzahl (im Vergleich zum Normalbetrieb des Brennstoffzellensystems 100) betrieben werden. Im Schritt 206 kann ein bestimmtes Zeitintervall At abgewartet werden, welches benötigt wird, bis der Brennstoff in der Anode A sicher und vollständig abreagieren kann. Schließlich kann im Schritt 207 das Brennstoffzellensystem 100 abgestellt werden. Hierzu können der Luftverdichter 12 und die Rezirkulationspumpe 25 ausgeschaltet werden.
Die Figur 4 zeigt ein weiteres mögliches Ablaufdiagramm der Prozesse beim Abstellen des Brennstoffzellensystems 100 nach dem erfindungsgemäßen Verfahren.
Die Schritte 200 bis 207 bleiben dabei die gleichen wie in der Figur 3. Nach dem Schritt 201 kann hierbei zusätzlich ein Schritt 201* vorgesehen sein. Im Schritt 201* kann ein Fahrzeugkühler 41 eingeschaltet werden. Im Schritt 202* kann überprüft werden, ob die Temperatur T des Kühlmittels unter einen festgelegten Wert T* gefallen ist. Wenn ja, dann kann mit dem Schritt 203 fortgefahren werden. Im Schritt 202 erfolgt während der Schritte 201* und 202* weiterhin die Sauerstoffverarmung in der Kathode K.
Mithilfe der Erfindung kann somit eine Reduzierung oder gar eine Eliminierung der Degradation des Brennstoffzellensystems 100 aufgrund von schädlichen Leerlaufspannungen (OCV) in der Abstellphase des Brennstoffzellensystems 100 erreicht werden. Dies geschieht durch den Verbrauch des Brennstoffs in der Anode A des Brennstoffzellensystems 100, der durch Einführen der Kathodenluft LI, L2, insbesondere der frischen Kathodenluft LI, in die Anode A des
Brennstoffzellensystems 100 abreagieren kann.
Mithilfe der Erfindung können mehrere Vorteile erreicht werden, wie z. B.:
Erhöhung der Lebensdauer des Brennstoffzellensystems 100,
Reduzierung der Kosten innerhalb des Brennstoffzellensystems 100 durch Entfall der Absperrventile 15, 16 in der Kathodenleitung 10 (vgl. die Figur 2),
Wegfalls des Druckverlustes durch die Absperrventile 15, 16
Reduktion der Abmessungen und der Energieverluste beim Betrieb des Luftverdichters 12.
Die voranstehende Beschreibung der Figuren beschreibt die vorliegende Erfindung ausschließlich im Rahmen von Beispielen. Selbstverständlich können einzelne Merkmale der Ausführungsformen, sofern es technisch sinnvoll ist, frei miteinander kombiniert werden, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zum Abstellen eines Brennstoffzellensystems (100) mit
mindestens einer Brennstoffzelle (101),
einer Kathodenluft führenden Kathodenleitung (10),
einer Brennstoff führenden Anodenleitung (20) und
einer Purgeleitung (30) zum Freispülen der Anodenleitung (20), wobei die Purgeleitung (30) in eine Abluftleitung (10.2) der Kathodenleitung
(10) mündet,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Verfahren folgende Schritte aufweist:
1) Betreiben des Brennstoffzellensystems (100) ohne eine Zufuhr einer frischen Kathodenluft (L1 ),
2) Einführen einer Kathodenluft (LI, L2) in die Anodenleitung (20)
mithilfe der Purgeleitung (30).
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass im Schritt 2) die Purgeleitung (30) in eine umgekehrte Richtung betrieben wird als zum Freispülen der Anodenleitung.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Verfahren mindestens einen weiteren Schritt aufweist:
1*) Abstellen der Brennstoffzufuhr in der Anodenleitung (20).
4. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Verfahren mindestens einen weiteren Schritt aufweist:
2*) Einstellen einer geringen Zufuhr der frischen Kathodenluft (L1 ) in die Kathodenleitung (10).
5. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass im Laufe des Verfahrens eine aus der Abluftleitung (10.2)
ausfließenden Abluft (L3) gedrosselt wird.
6. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass im Laufe des Verfahrens der im Normalbetrieb des
Brennstoffzellensystems (100) unverbrauchte Brennstoff mit der eingeführten Kathodenluft (LI, L2) in der Anodenleitung (20) rezirkuliert wird.
7. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass im Schritt 2) oder im Schritt 2*) die Kathodenluft (LI, L2) zumindest kurzzeitig mit einem hohen Volumenstrom in die Anodenleitung (20) eingeführt wird.
8. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass im Laufe des Verfahrens eine Kühlmittelpumpe (42) des
Brennstoffzellensystems (100) betrieben wird,
und/oder zumindest kurzzeitig im Laufe des Verfahrens des Verfahrens ein Fahrzeugkühler (41) betrieben wird.
9. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Verfahren mindestens einen weiteren Schritt aufweist:
3) Abstellen der Zufuhr der frischen Kathodenluft (L1 ) in die
Kathodenleitung (10), wenn in einer Anodenseite (A) des Brennstoffzellensystems (100) der im Normalbetrieb des Brennstoffzellensystems (100) unverbrauchte Brennstoff vollständig mit der eingeführten Kathodenluft (LI, L2) abreagiert hat.
10. Brennstoffzellensystem (100) mit mindestens einer Brennstoffzelle (101), insbesondere einer Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle (101),
einer Kathodenluft führenden Kathodenleitung (10),
einer Brennstoff führenden Anodenleitung (20) und
einer Purgeleitung (30) zum Freispülen der Anodenleitung (20), wobei die Purgeleitung (30) in eine Abluftleitung (10.2) der Kathodenleitung (10) mündet,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Purgeleitung (30) in beide Richtungen betreibbar ist.
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