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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verhinderung von etwaigen Schäden
an mindestens einer Brennstoffzelle bei einer Flutung mindestens
einer Katalysatorschicht der Brennstoffzelle, wobei die Brennstoffzelle
in einem Brennstoffzellenstapel eines Brennstoffzellensystems angeordnet
ist, gemäß des Oberbegriffs von Anspruch 1. Weiterhin
betrifft die Erfindung ein Brennstoffzellensystem gemäß des
Oberbegriffs von Anspruch 9.
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Stand der Technik
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Brennstoffzellen
mit einem Festkörperelektrolyten, beispielsweise eine Protonenaustauschmembran-(PEM)-Brennstoffzelle,
die als Festkörperelektrolyt eine Protonen leitende Membran
aufweist, benötigen zur Aufrechterhaltung der Protonenleitfähigkeit
Feuchtigkeit. Hierzu wird ein Kathodeneintrittstrom üblicherweise
befeuchtet, um so die Feuchtigkeit der Membran sicher zu stellen.
Als Produkt der elektrochemischen Reaktion der Brennstoffzelle entsteht
zusätzliches Wasser an einer als Katalysatorschicht ausgebildeten
Kathode der Brennstoffzelle. Insbesondere bei einem fehlenden Feuchtigkeitssensor
und/oder fehlender Regelung der Feuchtigkeit des Kathodeneintrittstroms
kann es jedoch vorkommen, dass sich insgesamt zuviel Wasser an der
Kathode ansammelt und die Kathode geflutet wird. Dadurch wird eine
ausreichende Versorgung der Kathode mit Oxidationsmittel verhindert,
wodurch die elektrische Spannung und damit die Leistung der Brennstoffzelle
einbrechen. In einem Brennstoffzellenstapel, in dem mehrere Brennstoffzellen
in Reihe geschaltet sind, kann es zu einer Richtungsumkehr der elektrischen
Spannung einzelner Brennstoffzellen mit gefluteter Kathode kommen,
wobei die Richtungsumkehr zu einer Schädigung der Membran oder
von Elektroden der Brennstoffzelle führt.
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Die
US 7 323 262 B2 offenbart
ein Verfahren und ein Brennstoffzellensystem, in dem eine Flutung einer
Brennstoffzelle daran erkannt wird, dass die elektrische Spannung
der Brennstoffzelle unter einen ersten Wert sinkt. Danach wird die
Flutung beseitigt, indem der Kathodeneintrittstrom erhöht
und ein Anodenstrom durch das Öffnen eines Auslassventils
gereinigt wird. Wenn die elektrische Spannung der Brennstoffzelle
einen zweiten Wert erreicht, wird davon ausgegangen, dass die Flutung
beseitigt ist, und die Maßnahmen werden eingestellt. Nachteilig
hierbei ist, dass die elektrische Spannung der Brennstoffzelle in
einem von einem Benutzer gewünschten Betriebszustand unter
einen ersten Wert sinken muss, um die Flutung zu erkennen, d. h.
es ist bereits ein Zustand beim Betrieb der Brennstoffzelle erreicht,
indem eine Versorgung der Brennstoffzelle mit Oxidationsmittel,
nicht mehr ausreichend ist. Die Leistung der Brennstoffzelle fällt
durch die gesunkene elektrische Spannung ab, so dass die vom Benutzer
gewünschte Leistung der Brennstoffzelle nicht erreicht wird.
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Offenbarung der Erfindung
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Es
ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und ein Brennstoffzellensystem
bereitzustellen, bei dem eine Flutung mindestens einer Katalysatorschicht
mindestens einer Brennstoffzelle in einem Brennstoffzellenstapel
erkannt werden kann, bevor ein Betriebszustand des Brennstoffzellenstapels
erreicht wird, in dem es zu Schädigungen durch die Flutung
kommen kann und in dem ein Benutzer Leistungseinbußen spürt.
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Zur
Lösung der Aufgabe wird ein Verfahren mit den Merkmalen
des Anspruches 1, insbesondere des kennzeichnenden Teils, vorgeschlagen.
Vorteilhafte Weiterbildungen des Verfahrens sind in den abhängigen
Verfahrensansprüchen angegeben. Die Aufgabe wird weiterhin
gelöst durch ein Brennstoffzellensystem des unabhängigen
Anspruchs 9, insbesondere des kennzeichnenden Teils. Vorteilhafte Weiterbildungen
des Brennstoffzellensystems sind in dem abhängigen Vorrichtungsanspruch
angegeben. Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen
Verfahren beschrieben sind, gelten dabei selbstverständlich
auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen,
Brennstoffzellensystem und umgekehrt. Dabei können die
in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale
jeweils einzeln für sich oder in Kombination erfindungswesentlich
sein.
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Erfindungsgemäß wird
ausgenutzt, dass sich die elektrische Spannung eines Brennstoffzellenstapels
mit mindestens einer gefluteten Katalysatorschicht bei niedriger
Stromdichte nicht oder kaum von der elektrischen Spannung eines
Brennstoffzellenstapels mit ausgeglichenem Wasserhaushalt, bei der
die Katalysatorschichten nicht geflutet sind, unterscheidet, d.
h. bei niedriger Stromdichte wird die Leistung des Brennstoffzellenstapels
durch geflutete Katalysatorschichten nicht verringert. Die Versorgung
mit Brennstoff und Oxidationsmittel ist auch bei einer Flutung der
Katalysatorschicht ausreichend, um eine Schädigung des
Brennstoffzellenstapels zu vermeiden. Ein Betrieb des Brennstoffzellenstapels bei
einer derart niedrigen Stromdichte wird im Folgenden als Teillastbetrieb
bezeichnet. Bei hoher Stromdichte unterscheidet sich die elektrische
Spannung eines Brennstoffzellenstapels mit mindestens einer gefluteten
Katalysatorschicht deutlich von einem Brennstoffzellenstapel mit
ausgeglichenem Wasserhaushalt. Die Leistung des Brennstoffzellenstapels
wird daher bei hohen Stromdichten durch die Flutung deutlich verringert.
Die Abweichungen einzelner Brennstoffzellen von der mittleren gemessenen
elektrischen Spannung nehmen zu. Es können daher einzelne
Brennstoffzellen im Brennstoffzellenstapel bei einer Flutung vorhanden
sein, die eine negative Spannung aufweisen und geschädigt
werden. Die Versorgung mit Brennstoff oder Oxidationsmittel ist
bei einer Flutung der Katalysatorschicht nicht ausreichend. Dieser
Zustand wird im Folgenden als Volllastbetrieb bezeichnet. Hierbei
kann der Teillastbetrieb einen Großteil einer maximal möglichen
Auslastung des Brennstoffzellenstapels umfassen, z. B. 0 bis ca.
90%, während der Volllastbetrieb dann entsprechend eines
Betriebes des Brennstoffzellenstapels von 90 bis 100% maximal möglicher
Auslastung entsprechen kann.
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Erfindungsgemäß ist
nun vorgesehen, dass das Verfahren folgende Schritte aufweist. Der
Brennstoffzellenstapel befindet sich im Teillastbetrieb. Zunächst
wird in Schritt I. sichergestellt, dass eine ausreichende Versorgung
des Brennstoffzellenstapels mit einem Brennstoff und einem Oxidationsmittel auch
vorliegt, wenn nachfolgend in Schritt II. kurzfristig eine Last
erhöht wird. Hierzu kann eine Zuführung eines
Brennstoffes und/oder Oxidationsmittel zu dem Brennstoffzellenstapel
erhöht werden. Hierdurch wird sichergestellt, dass eine Reduzierung
der elektrischen Spannung bei der erfindungsgemäßen
Erhöhung der Last auf eine Flutung zurückgeführt
werden kann. In Schritt II. wird nun kurzzeitig die Last erhöht, wobei
unter Last im Folgenden alle zugeschalteten Verbraucher insgesamt
bezeichnet werden. Insbesondere wird die Last soweit erhöht,
dass sich der Brennstoffzellenstapel nun im Volllastbetrieb befindet,
da sich nur im Volllastbetrieb die elektrische Spannung des Brennstoffzellenstapels
mit mindestens einer gefluteten Katalysatorschicht von einem Brennstoffzellenstapel
mit ausgeglichenem Wasserhaushalt deutlich unterscheidet. Bei der
gefluteten Katalysatorschicht handelt es sich insbesondere um mindestens
eine Kathode des Brennstoffzellenstapels, da sich hier üblicherweise
zuviel Wasser ansammelt. Die Katalysatorschicht kann aber auch an eine
Anode des Brennstoffzellenstapels sein.
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In
Schritt III. wird nun anschließend an die Erhöhung
der Last die elektrische Spannung des Brennstoffzellenstapels gemessen.
Die elektrische Spannung des Brennstoffzellenstapels mit einer gefluteten
Katalysatorschicht liegt im Volllastbetrieb unterhalb der elektrischen
Spannung des Brennstoffzellenstapels mit ausgeglichenem Wasserhaushalt.
Daher kann eine Überwachungseinheit eine Flutung erkennen,
indem die elektrische Spannung des Brennstoffzellenstapels in Schritt
IV. mit einem zuvor festgelegten Grenzwert für die elektrische
Spannung verglichen wird. Unterschreitet die gemessene elektrische
Spannung den Grenzwert, so liegt eine Flutung vor.
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Hat
die Überwachungseinheit eine Flutung festgestellt, so geht
das Verfahren zu Schritt V. über. Hierbei werden Gegenmaßnahmen
gegen die Flutung unternommen und damit etwaige Schäden
an mindestens einer Brennstoffzelle des Brennstoffzellenstapels
und etwaige Leistungseinbußen im Volllastbetrieb vermieden.
Alle Gegenmaßnahmen haben auch, aber nicht ausschließlich
nur eine Reduktion des Wassers an der Katalysatorschicht zur Folge.
In Schritt V. ist der zusätzliche Verbraucher vorzugsweise
wieder abgeschaltet, damit das Brennstoffzellensystem sich nicht
in einem schädigenden Zustand befindet.
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Vorzugsweise
werden die Schritte I. bis IV. im Teillastbetrieb wiederholend durchgeführt.
Dabei kann vorgesehen sein, dass die Schritte I. bis IV. in regelmäßigen
Abständen durchgeführt werden, während
das Verfahren nur zu Schritt V. übergeht, sobald eine Flutung
festgestellt wird. Zusätzlich zur elektrischen Spannung
kann in Schritt III. die elektrische Stromstärke bestimmt
werden, um zu überprüfen, ob sich der Brennstoffzellenstapel
durch die Erhöhung der Last im Volllastbetrieb befindet.
Die Durchführung des Verfahrens kann zusätzlich
zu der Durchführung in regelmäßigen Abständen
insbesondere dann durchgeführt werden, nachdem Gegenmaßnahmen
zur Entfernung einer Flutung ergriffen worden sind, um zu überprüfen,
ob die Gegenmaßnahmen greifen. Waren die Gegenmaßnahmen
erfolgreich und wurde die Flutung entfernt, so kann zu einer Wiederholung
des Verfahrens in regelmäßigen Abständen
zurückgekehrt werden. Bei einem bereits bestehenden Volllastbetrieb
wird das Verfahren ausgesetzt.
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Durch
das erfindungsgemäße Verfahren kann bereits im
Teillastbetrieb erkannt werden, ob eine Flutung der Katalysatorschicht
vorliegt und entsprechende Gegenmaßnahmen zur Entfernung
der Flutung eingeleitet werden. Das bedeutet, dass eine Flutung
erkannt und entfernt wird, bevor es zu einer Schädigung
des Brennstoffzellenstapels kommen kann. Dadurch dass Flutungen
regelmäßig erkannt und entfernt werden, kann das
Brennstoffzellensystem in den Volllastbetrieb übergehen,
ohne durch eine schon vorhandene Flutung Schädigungen oder Leistungseinbußen
im Volllastbetrieb befürchten zu müssen. Ein Benutzer
kann also das Brennstoffzellensystem von einem Teillastbetrieb zu
einem Volllastbetrieb übergehen lassen, beispielsweise
im Falle eines Einbaus des Brennstoffzellensystems in ein Fahrzeug
bei einer Bergfahrt, ohne dass es zu Leistungseinbußen
kommt. Einem Benutzer steht daher die gesamte Leistung des Brennstoffzellenstapels zur
Verfügung. Flutungen machen sich nicht bemerkbar.
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Um
in Schritt II. die Last zu erhöhen, ist es denkbar, dass
ein Verbraucher zusätzlich zugeschaltet wird. Hierbei handelt
es sich vorzugsweise um einen Verbraucher, der bereits im Brennstoffzellensystem
vorhanden ist, so dass für das erfindungsgemäße
Verfahren keine zusätzlichen Verbraucher eingebaut werden
müssen. Der Verbraucher muss die Last genügend
erhöhen, damit das Brennstoffzellensystem von dem Teillastbetrieb
in den Volllastbetrieb übergeht. Hierbei kann der Verbraucher
ein Akkumulator, insbesondere ein Hochleistungs-Akkumulator, oder
ein Heizer, insbesondere ein 15 kW-Heizer, sein. Der Heizer dient
ansonsten zum Aufheizen des Kühlmittels bei einem Anfahren
des Brennstoffzellensystems. Sollte ein Verbraucher nicht ausreichen,
so können auch mehrere Verbraucher zugeschaltet werden.
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Da
die elektrische Spannung des Brennstoffzellenstapels sowohl bei
einer Flutung als auch bei einem ausgeglichenen Wasserhaushalt eine
Funktion der elektrischen Stromstärke ist, ist es vorteilhaft, dass
der Grenzwert in Abhängigkeit von der elektrischen Stromstärke
festgelegt ist. Hierzu kann vor Beginn des Brennstoffzellenbetriebes
eine Kennlinie oder ein Kennlinienbereich aufgenommen werden, der
die elektrische Spannung in Abhängigkeit von der Stromstärke
für einen Brennstoffzellenstapel mit einem ausgeglichenen
Wasserhaushalt wiedergibt und der als zulässiger Kennlinienbereich
bezeichnet wird. Zusätzlich kann eine Kennlinie aufgenommen
werden, die die elektrische Spannung in Abhängigkeit von
der elektrischen Stromstärke für einen Brennstoffzellenstapel
mit einer Flutung wiedergibt und die als Kennlinie bei Flutung bezeichnet
wird. Der zulässige Kennlinienbereich und/oder die Kennlinie
bei Flutung können durch Messungen, Rechnungen, Schätzungen
oder Simulationen festgelegt werden. Während des Verfahrens
wird die Stromstärke, die zusätzliche gemessen
werden muss, nun der gemessenen elektrischen Spannung zugeordnet
und die Lage des resultierenden Betriebspunktes mit dem zulässigen
Kennlinienbereich verglichen. Liegt der Betriebspunkt unterhalb
des zulässigen Kennlinienbereichs, so wird auf eine Flutung
geschlossen. Zusätzlich kann es vorgesehen sein, dass bei
einem Betriebspunkt auf der Kennlinie bei Flutung weitere Hinweise
auf den Zustand des Brennstoffsystems gefolgert werden.
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Ist
eine Flutung festgestellt worden, so wird in Schritt V. das Wasser
an der betroffenen Katalysatorschicht reduziert, wobei im Folgenden
beispielhaft davon ausgegangen wird, dass die betroffene Katalysatorschicht
die Kathode ist. Als am schnellsten wirksame Gegenmaßnahme
kann die Last des Brennstoffzellensystems verringert werden. Hierzu
wird zunächst der kurzfristig zugeschaltete Verbraucher
wieder abgeschaltet. Reicht diese Gegenmaßnahme nicht aus,
so können weitere Verbraucher abgeschaltet oder deren geforderte
Leistung reduziert werden. Hierdurch geht das Brennstoffzellensystem
wieder in den Teillastbetrieb über, so dass Schädigungen
vermieden werden. Zusätzlich wird durch die geringere Leistung
des Brennstoffzellenstapels weniger Reaktionswasser produziert,
so dass bei einem konstanten oder erhöhten Abtransport
des Wassers eine Reduktion des Wassers an der Kathode erfolgt.
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Es
kann auch vorgesehen sein, dass zur Reduktion des Wassers in Schritt
V. der Abtransport des Wassers erhöht wird. Hierzu kann
ein Kathodeneintrittstrom, der als ein Massenstrom Oxidationsmittel den
Kathoden zuführt, erhöht werden. Zusätzlich oder
alternativ kann der Kathodeneintrittstrom leichte Pulsationen aufweisen.
Der Abtransport des Wassers von den Kathoden wird auch erhöht,
wenn aufgrund eines erhöhten Konzentrationsgefälles
an der Membran vermehrt Wasser durch die Membran diffundiert. Daher
ist auch ein erhöhter Abtransport von Wasser auf der Anodenseite
durch eine Reduktion von Feuchtigkeit eines Anodenstroms, der die
Anoden mit Brennstoff versorgt, möglich. An- und Abtransport
von Wasser zu den Kathoden werden reduziert, wenn der Kathodeneintrittstrom
eine geringe Feuchtigkeit aufweist. Da der Kathodeneintrittstrom vor
einem Brennstoffzelleneintritt üblicherweise befeuchtet
wird, kann es ausreichend sein, den Kathodeneintrittstrom zumindest
teilweise unbefeuchtet zu lassen.
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Zur
Reduktion des Wassers kann lediglich eine Gegenmaßnahme
durchgeführt werden als auch eine Kombination aus verschiedenen
Gegenmaßnahmen.
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Zur
besseren Diagnostik des Zustandes einzelner Brennstoffzellen im
Brennstoffzellenstapel können auch die elektrischen Spannungen
jeder einzelnen Brennstoffzelle gemessen werden und zur Erkennung
von kritischen Zuständen, insbesondere einer Spannungsumkehr,
zusätzlich herangezogen werden.
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Die
Aufgabe wird auch gelöst durch ein Brennstoffzellensystem
mit einem Brennstoffzellenstapel, wobei in dem Brennstoffzellensystem
eine Überwachungseinheit vorgesehen ist, die das erfindungsgemäße
Verfahren durchführen kann. Das heißt, dass die Überwachungseinheit
im Teillastbetrieb veranlassen kann, einen Verbraucher kurzfristig zuzuschalten,
und dass die Überwachungseinheit aus einer danach durch
ein Spannungsmessgerät gemessenen elektrischen Spannung
des Brennstoffzellenstapels ermitteln kann, ob eine Flutung mindestens
einer Katalysatorschicht des Brennstoffzellenstapels vorliegt. In
diesem Fall liegt die elektrische Spannung unterhalb eines zuvor festgelegten
Grenzwertes, wobei der Grenzwert in Abhängigkeit von der elektrischen
Stromstärke festgelegt werden kann.
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Die
Erfindung kann bei jeder Art von Brennstoffzelle eingesetzt werden,
bei denen eine Flutung einer Katalysatorschicht zu vermeiden ist,
beispielsweise bei einer Brennstoffzelle mit einer Polymer-Elektrolyt-Membran,
aber auch bei anderen Festkörperelektrolyten. Als Brennstoff
können Wasserstoff, aber auch Methan, Methanol oder längerkettige
Alkohole oder Kohlenwasserstoffe verwendet werden. Als Oxidationsmittel
kann Sauerstoff oder Sauerstoff enthaltene Luft dienen.
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Weitere
die Erfindung verbessernde Maßnahmen ergeben sich aus der
nachfolgenden Beschreibung zu einem Ausführungsbeispiel
der Erfindung, welche in den Figuren schematisch dargestellt ist.
Sämtliche aus den Ansprüchen, der Beschreibung
oder der Zeichnung hervorgehende Merkmale und/oder Vorteile, einschließlich
konstruktiver Einzelheiten, räumlicher Anordnung und Verfahrensschritte,
können sowohl für sich als auch in den verschiedensten
Kombinationen erfindungswesentlich sein. Es zeigen:
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1 Einen
Kennlinienbereich und eine Kennlinie in einer Auftragung der elektrischen
Spannung der Brennstoffzelle über der elektrischen Stromstärke,
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2 ein
erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem.
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In 1 ist
die elektrische Spannung U eines Brennstoffzellenstapels 2 über
der elektrischen Stromstärke I des Brennstoffzellenstapels 2 aufgetragen.
Hierbei liegt zwischen der elektrischen Stromstärke I beim
Punkt A und der elektrischen Stromstärke I beim Punkt C
ein üblicher Betriebsbereich des Brennstoffzellenstapels 2,
wobei Punkt C die maximal mögliche Auslastung des Brennstoffzellenstapels 2 angibt.
Die elektrische Spannung U sinkt durch den Innenwiderstand des Brennstoffzellenstapels 2 mit
steigender Stromstärke I, wobei sich für den Fall, dass
ein ausgeglichener Wasserhaushalt im Brennstoffzellenstapel 2 vorliegt,
in denen Kathoden des Brennstoffzellenstapels 2 nicht geflutet
sind, ein zulässiger Kennlinienbereich Z ergibt. Hierbei
können sich zu einer Stromstärke I mehrere zulässige
Spannungen U innerhalb von einer oberen Toleranzgrenze X und einer
unteren Toleranzgrenze Y in Abhängigkeit von Parametern
des Brennstoffzellenstapels 2, wie Temperatur, zulässiger
Feuchtigkeit und/oder Konzentrationen eines Brennstoffes und Oxidationsmittels
ergeben. Sind ein oder mehrere Kathoden des Brennstoffzellenstapels 2 geflutet,
so bricht bei hohen Stromstärken 1 die Spannung
U ein. Hieraus ergibt sich eine Kennlinie F für einen Brennstoffzellenstapel 2 mit
gefluteten Kathoden, wobei die Kennlinie F ab einem Punkt B der
gemessenen Stromstärke I außerhalb des zulässigen
Kennlinienbereichs Z liegt. Der Betriebsbereich zwischen den Punkten
A und C teilt sich demnach in einen ersten Bereich D, in dem die
Kennlinie F und der zulässige Kennlinienbereich Z innerhalb
der Toleranzgrenzen X, Y übereinstimmen, und in einen zweiten
Bereich E, in dem die Kennlinie F sich unterhalb der unteren Toleranzgrenze
Y des zulässigen Kennlinienbereiches Z befindet, auf. Dies
ist in 1 beispielhaft am Punkt C als ΔU dargestellt.
Im ersten Bereich D befindet sich der Brennstoffzellenstapel 2 in
einem Teillastbetrieb, während im zweiten Bereich E der
Brennstoffzellenstapel 2 in einem Volllastbetrieb befindet.
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Zu
Beginn des erfindungsgemäßen Verfahrens befindet
sich das Brennstoffzellensystem 1 an einem ersten Betriebspunkt
L1 im Teillastbetrieb. Nun wird die Zuführung des Brennstoffes
und des Oxidationsmittels und die Last des Brennstoffzellensystems 1 erhöht,
so dass sich das Brennstoffzellensystem 1 anschließend
an einem zweiter Betriebspunkt L2 im Volllastbetrieb befindet. Danach
wird überprüft, ob der zweite Betriebspunkt L2
nach der Lasterhöhung unterhalb der unteren Toleranzgrenze Y
liegt und somit eine Flutung vorliegt. Da dies der Fall ist, wird
die Last wieder reduziert, so dass der erste Betriebspunkt L1 oder
ein anderer Betriebspunkt innerhalb des ersten Bereiches D eingenommen
wird. Zusätzlich werden Gegenmaßnahmen ergriffen,
um die Flutung zu entfernen. Nach einer gewissen Zeit, in der davon
ausgegangen werden kann, dass die Flutung entfernt worden ist, kann
erneut die Last erhöht werden, um zu überprüfen,
ob die Gegenmaßnahmen ausreichend waren. Waren die Gegenmaßnahmen
ausreichend, so verschiebt sich der erste Betriebspunkt L1 zu einem
dritten Betriebspunkt L3, der innerhalb des zulässigen
Kennlinienbereichs Z im Volllastbetrieb liegt. Die Gegenmaßnahmen
können nun eingestellt werden. Das Brennstoffzellensystem 1 kann
in den Teillastbetrieb zurückkehren und das erfindungsgemäße
Verfahren kann in regelmäßigen Abständen
durchgeführt werden. Alternativ kann das Brennstoffzellensystem 1 nun,
wenn von einem Benutzer gewünscht, in den Vollastbetrieb wechseln,
ohne Leistungseinbußen und Schädigungen des Brennstoffzellenstapels 2 befürchten
zu müssen. Waren die Gegenmaßnahmen noch nicht erfolgreich,
so verschiebt sich der erste Betriebspunkt z. B. zu einem vierten
Betriebspunkt L4 außerhalb des Kennlinienbereiches Z, worauf
die Gegenmaßnahmen aufrecht erhalten werden. Das Erhöhen der
Last bei einer ausreichenden Versorgung mit Brennstoff und Oxidationsmittel,
das Messen der elektrischen Spannung, das Überprüfen
auf Flutung und das Reduzieren der Last wird solange wiederholt,
bis die Gegenmaßnahmen greifen.
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In 2 ist
ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem 1 dargestellt.
Das Brennstoffzellensystem 1 weist einen Brennstoffzellenstapel 2 auf, dem
als Brennstoff Wasserstoff durch ein Einlassventil 7 in
einem Anodenstrom 20 zur Verfügung gestellt wird.
Zur Erhöhung des Wirkungsgrades des Brennstoffzellensystems 1 und
um aus Sicherheitsgründen Wasserstoffemissionen zu vermeiden,
wird der Wasserstoff in einem Rezirkulationspfad 10 dem
Brennstoffzellenstapel 2 mit Hilfe einer Pumpe 9 mehrfach wieder
zugeführt. Durch ein Auslassventil 8 kann der Anodenstrom 20 gereinigt
werden. Der Anodenstrom strömt gemäß den
Pfeilen 30. Als Oxidationsmittel wird dem Brennstoffzellenstapel 2 Sauerstoff
enthaltene Luft aus der Umgebung in einem Kathodeneingangstrom 21 gemäß den
Pfeilen 31 zugeführt. Die Luft wird dabei in einem
Verdichter 3 komprimiert und in einem Befeuchter 4 befeuchtet.
Ein Bypass 5 führt an dem Befeuchter 4 vorbei,
wobei der Anteil des Kathodeneingangstroms 21, der in dem
Befeuchter 4 befeuchtet wird, von einem Bypassventil 6 eingestellt werden
kann. Nach der elektrochemischen Reaktion in dem Brennstoffzellenstapel 2,
bei der an der Kathode Wasser gebildet wird, verlässt die
verbliebene Luft mit einem hohen Wassergehalt als Kathodenaustrittstrom 22 den
Brennstoffzellenstapel 2. Der Kathodenausgangstrom 22 dient
hierbei zum Befeuchten des Kathodeneingangstroms 21. Dazu durchläuft
der Kathodenausgangstrom 22 den Befeuchter 4,
um dort Wasser durch eine wasserdurchlässige Membran 4.1 an
den Kathodeneingangstrom 21 abzugeben.
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In 2 sind
neben den Massenströmen auch ein elektrischer Stromkreis 18 dargestellt.
Das Brennstoffzellensystem 1 weist ein Spannungsmessgerät 11 zum
Messen der elektrischen Spannung U und ein Strommessgerät 17 zum
Messen der elektrischen Stromstärke I auf. Ferner ist ein
Hauptverbraucher 12 z. B. ein Motor in einem Fahrzeug,
in dem Stromkreis 18 angeordnet. Zuschaltbare Verbraucher
wie ein Heizer 13 oder ein Akkumulator 14 sind parallel
dazu angeordnet. Während sich das Brennstoffzellensystem 1 im
Teillastbetrieb befindet, veranlasst eine Überwachungseinheit 16,
dass bei einer Versorgung des Brennstoffzellenstapels 2 mit
Wasserstoff und Luft, die vermutlich im Volllastbetrieb nicht ausreicht,
durch Erhöhung der Leistung des Verdichters 3 und/oder
stärkere Öffnung des Einlassventils 7 und/oder
der Erhöhung der Leistung der Pumpe 9 die Versorgung
mit Wasserstoff und Luft sichergestellt wird. Nun veranlasst die Überwachungseinheit 16,
dass probeweise die Last erhöht wird, indem beispielsweise
der Akkumulator 14 zugeschaltet wird. Hierdurch geht das
Brennstoffzellensystem 1 in den Volllastbetrieb über,
was anhand der an die Überwachungseinheit 16 übermittelten
Stromstärke überprüft wird. Ist die Stromstärke
nicht ausreichend, kann als weiterer Verbraucher der Heizer 13 zugeschaltet
werden. Nachdem der Volllastbetrieb erreicht worden ist, werden
die Spannung U und die Stromstärke I gemessen und an die Überwachungseinheit 16 übermittelt.
Die Überwachungseinheit 16 überprüft,
ob der sich ergebende Betriebspunkt unterhalb der unteren Toleranzgrenze
Y liegt. Wird eine Flutung festgestellt, so werden Gegenmaßnahmen von
der Überwachungseinheit 16 eingeleitet.
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Zum
einen kann als erste, schnelle Maßnahme der Akkumulator 14 und/oder
der Heizer 13 wieder abgeschaltet werden. Weiterhin kann
notfalls die angeforderte Leistung des Hauptverbrauchers 12 eingeschränkt
werden.
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Als
zweite mittelfristig greifende Gegenmaßnahme kann die Überwachungseinheit 16 den
Verdichter 3 veranlassen, für einen erhöhten
und/oder pulsierenden Kathodeneingangstrom 21 in den Brennstoffzellenstapel 2 zu
sorgen. Hierdurch wird das Wasser aus den Kathoden geblasen und
damit das Wasser an den Kathoden reduziert.
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Als
am langsamsten greifende Gegenmaßnahme kann der Kathodeneingangstrom 21 eine
geringere Feuchtigkeit aufweisen. Hierdurch wird zum einen die den
Kathoden zugeführte Feuchtigkeit reduziert. Zugleich kann
ein trockenerer Kathodeneintrittstrom 21 mehr Wasser aufnehmen,
so dass das Wasser an den Kathoden auch verstärkt abtransportiert
wird. Beides führt zu einer Reduktion des Wassers an den
Kathoden. Um die Feuchtigkeit des Kathodeneintrittstromes 21 zu
reduzieren, veranlasst die Überwachungseinheit 16 eine Öffnung
oder eine stärkere Öffnung des Bypassventils 6.
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Der
Wassergehalt an Anoden des Brennstoffzellenstapel 2 kann
durch die Öffnung des Auslassventils 8 verringert
werden, wobei der Anodenstrom, der durch die Rezirkulation bereits
Wasser aufgenommen hat, das Brennstoffzellensystem 1 verlässt
und neuer, trockener Wasserstoff durch das Einlassventil 7 nachströmt.
Hierdurch verringert sich der Wassergehalt an den Anoden, sodass
ein höheres Konzentrationsgefälle entsteht. Dadurch
kann Wasser von den Kathoden zu den Anoden diffundieren. Hierdurch
wird ebenfalls das Wasser an den Kathoden reduziert. Übertragungsleitungen
der einzelnen Komponenten zu der Überwachungseinheit 16 sind
in 2 mit dem Bezugszeichen 40 versehen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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