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