DE102014224135B4 - Verfahren zum Abschalten eines Brennstoffzellenstapels sowie Brennstoffzellensystem - Google Patents

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Abstract

Verfahren zum Abschalten eines Brennstoffzellensystems (100), umfassend einen Brennstoffzellenstapel (10), der Kathodenräume (12) und Anodenräume (13) aufweist, sowie eine Kathodenversorgung (20) mit einem Kathodenversorgungspfad (21) zur Zuführung eines sauerstoffhaltigen Kathodenbetriebsgases in die Kathodenräume (12), einen in dem Kathodenversorgungspfad (21) angeordneten Verdichter (23) und einem Kathodenabgaspfad (22) zur Abführung eines Kathodenabgases aus den Kathodenräumen (12), wobei das Verfahren die Schritte umfasst:
(a) Halten der Kathodenräume (12) unter Überdruck unter Unterbindung einer Durchströmung der Kathodenräume (12) mit Kathodenbetriebsgas unter Sauerstoffverarmung des in den Kathodenräumen (12) vorliegenden Kathodenbetriebsgases;
(b) Expandieren des in den Kathodenräumen (12) vorliegenden und sauerstoffverarmten Kathodenbetriebsgases über den Kathodenversorgungspfad (21) und/oder den Kathodenabgaspfad (22), und
(c) Trennen der Kathodenräume (12) von der Umgebung.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abschalten des Brennstoffzellensystems mit einem Brennstoffzellenstapel sowie ein zur Ausführung des Verfahrens eingerichtetes Brennstoffzellensystem.
  • Brennstoffzellen nutzen die chemische Umsetzung eines Brennstoffs mit Sauerstoff zu Wasser, um elektrische Energie zu erzeugen. Hierfür enthalten Brennstoffzellen als Kernkomponente die sogenannte Membran-Elektroden-Einheit (MEA für membrane electrode assembly), die ein Gefüge aus einer ionenleitenden (meist protonenleitenden) Membran und jeweils einer beidseitig an der Membran angeordneten Elektrode (Anode und Kathode) ist. Zudem können Gasdiffusionslagen (GDL) beidseitig der Membran-Elektroden-Einheit an den der Membran abgewandten Seiten der Elektroden angeordnet sein. Zwischen den einzelnen Membran-Elektroden-Einheiten sind in der Regel Bipolarplatten (auch Flussfeldplatten genannt) angeordnet, welche eine Versorgung der Einzelzellen mit den Betriebsmedien, also den Reaktanten, sicherstellen und üblicherweise auch der Kühlung dienen. Zudem sorgen die Bipolarplatten für einen elektrisch leitfähigen Kontakt zu den Membran-Elektroden-Einheiten. In der Regel wird die Brennstoffzelle durch eine Vielzahl im Stapel (stack) angeordneter MEA gebildet, deren elektrische Leistungen sich addieren.
  • Im Betrieb einer Polymerelektrolytmembran(PEM)-Brennstoffzelle wird der Brennstoff, insbesondere Wasserstoff H2 oder ein wasserstoffhaltiges Gasgemisch, über ein anodenseitiges offenes Flussfeld der Bipolarplatte der Anode zugeführt, wo eine elektrochemische Oxidation von H2 zu H+ unter Abgabe von Elektronen stattfindet. Über den Elektrolyten oder die Membran, welche die Reaktionsräume gasdicht voneinander trennt und elektrisch isoliert, erfolgt ein (wassergebundener oder wasserfreier) Transport der Protonen H+ aus dem Anodenraum in den Kathodenraum. Die an der Anode bereitgestellten Elektronen werden über eine elektrische Leitung der Kathode zugeleitet. Der Kathode wird über ein kathodenseitiges offenes Flussfeld der Bipolarplatte Sauerstoff oder ein sauerstoffhaltiges Gasgemisch (zum Beispiel Luft) zugeführt, sodass eine Reduktion von O2 zu O2- unter Aufnahme der Elektronen stattfindet. Gleichzeitig reagieren im Kathodenraum die Sauerstoffanionen mit den über die Membran transportierten Protonen unter Bildung von Wasser.
  • Um einen Brennstoffzellenstapel mit seinen Betriebsmedien, also den Reaktanten zu versorgen, weist dieser einerseits eine Anodenversorgung und andererseits eine Kathodenversorgung auf. Die Anodenversorgung umfasst einen Anodenversorgungspfad zur Zuführung eines Anodenbetriebsgases in die Anodenräume und einen Anodenabgaspfad zur Abführung eines Anodenabgases aus den Anodenräumen. Desgleichen umfasst die Kathodenversorgung einen Kathodenversorgungspfad zur Zuführung eines Kathodenbetriebsgases in die Kathodenräume und einen Kathodenabgaspfad zur Abführung eines Kathodenabgases aus den Kathodenräumen des Brennstoffzellenstapels.
  • Nach einem Abschalten eines Brennstoffzellenstapels kommt es zu einem Eindringen von Luftsauerstoff in die Anodenräume des Stapels, der bei einem Wiederstart des Systems, dem sogenannten Luft-Luft-Start, aufgrund der entstehenden hohen elektrischen Potentiale zur einer erheblichen Alterung der Brennstoffzelle infolge Kohlenstoffkorrosion sowie Oxidbildung des katalytischen Materials der Elektroden führt. Um diese Effekte zu verhindern, wird der Stapel beim Herunterfahren möglichst ohne Sauerstoff in den Kathodenräumen abgestellt, sodass sich nach kurzer Zeit infolge von Diffusionsprozessen sowohl auf Anoden- als auch auf Kathodenseite ein Gasgemisch aus Wasserstoff, Stickstoff und Wasserdampf einstellt, das den Stapel bei seinem Wiederstart schützt. Im Stand diffundiert Sauerstoff in den Stapel und reagiert mit dem vorhandenen Wasserstoff katalytisch unter Verbrauch desselben ab.
  • Eine bekannte Strategie zum Entfernen von Sauerstoff aus den Kathodenräumen sieht vor, diese nach dem Anschalten der Luftzufuhr über eine Spülleitung mit Brennstoff, insbesondere Wasserstoff, zu fluten, der einerseits die Luft verdrängt und andererseits mit noch vorhandenem Restsauerstoff reagiert und diesen somit chemisch bindet. Für diese Umsetzung müssen Wasserstoff und Sauerstoff an dem katalytischen Material der Kathode zusammengebracht werden. Nachteilig ist, dass die Reaktion des Wasserstoffs mit Sauerstoff in den Kathodenräumen teilweise diffusionskontrolliert und somit relativ langsam abläuft. Ferner erfordert die Umsetzung des Sauerstoffs eine stöchiometrische Menge Wasserstoff und erhöht somit den Gesamtverbrauch an Wasserstoff.
  • DE 10 2012 023 799 A1 beschreibt ein Verfahren zum Abschalten eines Brennstoffzellensystems, bei dem nach dem Abstellen der elektrischen Leistungsentnahme aus der Brennstoffzelle auf der Anoden- und/oder Kathodenseite ein Unterdruck angelegt wird, um die Brennstoffzelle zu trocknen, und anschließend die Anoden- und/oder Kathodenseite mit Brennstoff gefüllt wird, um ein Eindringen von Sauerstoff während des Stillstands zu vermeiden. Zur Erzeugung des Unterdrucks auf Kathodenseite wird eine Unterdruckpumpe eines Bremskraftverstärkers eingesetzt, die saugseitig mit einer Unterdruckleitung in Verbindung steht, welche die Kathoden- und Anodenabgasleitungen miteinander verbindet.
  • In DE 10 2011 119 665 A1 wird ein Brennstoffzellensystem beschrieben, bei dem in der Kathodenabgasleitung eine nach dem Venturi-Prinzip funktionierende Gasstrahlpumpe angeordnet ist, deren Druckeingangsseite mit der Kathodenabluft beaufschlagt wird und deren Saugseite an eine an die Anodenabgasleitung angebundene Ablassdruckleitung angeschlossen ist. Soll das System auf einen Wiederstart der Brennstoffzelle vorbereitet werden, wird mittels der Gasstrahlpumpe ein Unterdruck in den Anodenräumen erzeugt, um Wasser aus diesen zu entfernen. Das Wasser wird über die Ablassdruckleitung und die Gasstrahlpumpe dem Kathodenabgas (Abluft) zugeführt.
  • Weiterhin sind Abschaltstrategien bekannt, bei denen Verbrauch von Sauerstoff über die Brennstoffzellenreaktion erfolgt, das heißt über die Membran passierende Protonen.
  • DE 102012018875 A1 offenbart ein Brennstoffzellensystem, bei dem in der Zuluftleitung und/oder der Abluftleitung wenigstens eine passive Ventileinrichtung angeordnet ist, welche sich in Abhängigkeit der Luftströmung selbsttätig öffnet und schließt. Diese Ventileinrichtung dient dazu, den Kathodenraum der Brennstoffzelle immer dann gegenüber der Umgebung abzusperren, wenn das Brennstoffzellensystem nicht in Betrieb ist. Damit soll das Nachströmen von Sauerstoff in den Kathodenraum beispielsweise durch Windeffekte, Konvektionseffekte oder dergleichen verhindert werden. Auf diese Weise soll ein möglichst sauerstofffreier Zustand, der beim Abstellen des Brennstoffzellensystems durch Verbrauch von Restsauerstoff in der Brennstoffzelle erzeugt wird, möglichst lange erhalten bleiben.
  • DE 10 2007 059 999 A1 offenbart ein Verfahren zum Abschalten eines Brennstoffzellenstapels, wobei zunächst ein primärer elektrischer Verbraucher, der mit der von dem Brennstoffzellenstapel erzeugten Elektrizität versorgt wird, von dem Brennstoffzellenstapel getrennt wird. Sodann wird die Luftströmung in die Kathodenseite unterbunden und an der Anodenseite ein Wasserstoffüberdruck aufrechterhalten. Der Brennstoffzellenstapel wird kurzgeschlossen und es wird ein Verbrauchen von Sauerstoff in der Kathodenseite durch Wasserstoff von der Anodenseite zugelassen. Nachfolgend werden Ein- und Auslassventile der Anoden- und der Kathodenseite geschlossen, womit das Abschaltverfahren beendet ist.
  • Nachteilig an den vorstehenden Verfahren ist, dass beim Abschalten der Brennstoffzellenstapel der Sauerstoff nur im aktiven Bereich der Einzelzellen verbraucht wird, nicht jedoch in den Versorgungsbereichen der Zellen und in den Leitungssystemen der Kathodengasversorgung. Daher diffundiert nach dem Abschalten des Systems wieder Sauerstoff in die Zellen. Die Schutzdauer während der Abstelldauer ist somit vergleichsweise gering.
  • Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Abschalten eines Brennstoffzellensystems zur Verfügung zu stellen, bei dem die Schutzdauer durch ein sauerstoffarmes Gasgemisch nach dem Abschalten verlängert ist. Das Verfahren sollte mit geringem Aufwand durchführbar sein.
  • Diese Aufgaben werden durch ein Verfahren zum Abschalten eines Brennstoffzellensystems sowie ein zum Ausführen des Verfahrens geeignetes Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren richtet sich an ein Brennstoffzellensystem, das einen Brennstoffzellenstapel umfasst, der Kathodenräume und Anodenräume aufweist, sowie eine Kathodenversorgung, umfassend einen Kathodenversorgungspfad zur Zuführung eines sauerstoffhaltigen Kathodenbetriebsgases in die Kathodenräume, einen in dem Kathodenversorgungspfad angeordneten Verdichter sowie einen Kathodenabgaspfad zur Abführung eines Kathodenabgases aus den Kathodenräumen. Das erfindungsgemäße Verfahren zum Abschalten eines solchen Brennstoffzellensystems umfasst die Schritte:
    1. (a) Halten der Kathodenräume unter Überdruck und Unterbindung einer Durchströmung der Kathodenräume mit Kathodenbetriebsgas unter Sauerstoffverarmung des in den Kathodenräumen vorliegenden Kathodenbetriebsgases;
    2. (b) Expandieren des in den Kathodenräumen vorliegenden und sauerstoffverarmten Kathodenbetriebsgases über den Kathodenversorgungspfad und/oder den Kathodenabgaspfad, und
    3. (c) Trennen der Kathodenräume von der Umgebung.
  • Insbesondere durch den erfindungsgemäßen Schritt des Expandierens des sauerstoffverarmten Kathodenbetriebsgases erfolgt eine Volumenausdehnung desselben innerhalb des Kathodenversorgungspfads in Richtung eines Lufteinlasses und/oder des Kathodenabgaspfads in Richtung eines Abgasauslasses. Auf diese Weise wird die Dauer, bis sauerstoffhaltiges Gas in die Kathodenräume des Stapels diffundiert, das heißt die durch die erzeugte Inertgasatmosphäre gewährte Schutzdauer verlängert. Durch das Verhindern des Eindringens von Sauerstoff in die Kathodenräume während des Abstellens des Systems wird die Diffusion von Sauerstoff über die Polymerelektrolytmembran in die Anodenräume des Stapels unterbunden. Somit ist auch nach vergleichsweise langen Abschaltdauern des Systems der Brennstoffzellenstapel vor einem schädlichen Luft-Luft-Start, bei dem sowohl an Anodenseite als auch an Kathodenseite des Stapels Sauerstoff vorliegt, geschützt. Durch die Expansion des sauerstoffverarmten Gasgemischs wird zudem eine eventuell enthaltene Restkonzentration von Sauerstoff im Gemisch verringert.
  • Im Ergebnis werden die Standzeit des Brennstoffzellensystems und die Lebensdauer des Systems verlängert.
  • Vorzugsweise weist das Brennstoffzellensystem ein im Kathodenversorgungspfad angeordnetes erstes Stellmittel und/oder ein im Kathodenabgaspfad angeordnetes zweites Stellmittel auf. Die Stellmittel können in Form von Ventilen oder Klappen ausgestaltet sein, wobei sowohl Ventile als auch Klappen regelbar ausgebildet sein können. Da in vielen Brennstoffzellensystemen derartige Stellmittel ohnehin vorhanden sind, erhöhen die Stellmittel die Systemkomplexität nicht.
  • Schritt (a)
  • In bevorzugter Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens umfasst der Schritt (a) das Trennen der Kathodenräume von der Umgebung. Dieses kann insbesondere durch ein Schließen des ersten und/oder zweiten Stellmittels im Kathodenversorgungspfad beziehungsweise Kathodenabgaspfad erfolgen. Durch ein solches Trennen der Kathodenräume von der Umgebung wird der Betriebsdruck in den Kathodenräumen, der beim Normalbetrieb des Brennstoffzellensystems vorliegt, aufrechterhalten. Typischerweise beträgt der Druck in den Kathodenräumen bei Betrieb des Brennstoffzellenstapels 1,5 bis 2,5 bar (Absolutdruck). Dieses Druckniveau wird zunächst durch Trennen der Kathodenräume von der Umgebung konserviert, sodass bei diesem Druckniveau der Sauerstoffanteil durch Abreagieren verringert wird.
  • In bevorzugter Ausführung umfasst der Schritt (a) die Unterschritte:
    1. (a1) Schließen des in dem Kathodenabgaspfad angeordneten ersten Stellmittels bei laufendem Verdichter und anschließend
    2. (a2) Schließen des in dem Kathodenversorgungspfad angeordneten zweiten Stellmittels.
  • In diesem Zusammenhang ist es von Vorteil, wenn die Kathodengasversorgung eine sogenannte Wastegate-Leitung umfasst, welche stromab des Verdichters von dem Kathodenversorgungspfad abzweigt und in den Kathodenabgaspfad (stromab des ersten Stellmittels) mündet. Dabei ist die Wastegate-Leitung während des laufenden Verdichters in Schritt (a1) geöffnet. Auf diese Weise sorgt der Verdichter für die Beaufschlagung der Kathodenräume mit Druck und fördert das komprimierte Kathodengas über die Wastegate-Leitung in den Abgaspfad. Somit wird der Überdruck in den Kathodenräumen aufrechterhalten, ohne jedoch eine Durchströmung der Kathodenräume mit Kathodenbetriebsgas zu bewirken.
  • Die während des Schritts (a) erfolgende Sauerstoffverarmung des in den Kathodenräumen vorliegenden Kathodenbetriebsgases erfolgt vorzugsweise durch Reaktion von Sauerstoff mit Brennstoff, insbesondere unter Erzeugung von Wasser. Besonders bevorzugt erfolgt dies mit dem in den Anodenräumen vorliegenden Brennstoff, insbesondere Wasserstoff, der dort katalytisch in Protonen H+ zersetzt wird, welche dann über die Polymerelektrolytmembran in die Kathodenräume diffundieren und dort mit dem Sauerstoff zu Wasser reagieren. Dabei handelt es sich somit um die normale Brennstoffzellenreaktion. Zu diesem Zweck ist es von Vorteil, während des Schritts (a) eine Brennstoffatmosphäre in den Anodenräumen des Brennstoffzellenstapels aufrechtzuerhalten. Dies kann dadurch erfolgen, dass die Brennstoffzellenzufuhr in die Anodenräume zunächst noch aufrechterhalten wird oder indem die mit Brennstoff gefüllten Anodenräume von der Umgebung getrennt werden. In alternativer Ausgestaltung erfolgt die Sauerstoffverarmung durch direkte Einleitung von Brennstoff in die Kathodenräume des Brennstoffzellenstapels. Der zugeführte Brennstoff kann dem Brennstofftank der Anodenversorgung entnommen werden oder dem Anodenabgas, welches üblicherweise nicht umgesetzten Brennstoff enthält.
  • Der Schritt (a) wird vorzugsweise solange aufrechterhalten, bis eine gewünschte Sauerstoffendkonzentration in den Kathodenräumen erreicht ist. Zu diesem Zweck kann eine vorbestimmte Dauer bestimmt und abgewartet werden. Alternativ kann die Sauerstoffkonzentration im Kathodengas ermittelt werden beispielsweise mithilfe eines sauerstoffempfindlichen Gassensors oder indirekt über die Erfassung der Zellspannung. Der Schritt (a) wird beendet, wenn die vorbestimmte Dauer abgelaufen ist oder die Sauerstoffminimalkonzentration oder eine untere Grenze der Zellspannung erreicht ist.
  • Schritt (b)
  • Nach Beendigung des Schritts (a), das heißt nach Erzielung einer gewünschten Sauerstoffverarmung in den Kathodenräumen, erfolgt die Expansion des in den Kathodenräumen vorliegenden Gases in den Kathodenversorgungspfad und/oder den Kathodenabgaspfad, vorzugsweise in beide Pfade. Die Expansion kann in einfacher Weise durch Öffnung des in dem Kathodenversorgungspfad angeordneten ersten Stellmittels und/oder des in dem Kathodenabgaspfad angeordneten zweiten Stellmittels erfolgen. Auf diese Weise ist eine schnelle Expansion gewährleistet.
  • In alternativer Ausgestaltung kann das Expandieren des sauerstoffverarmtem Kathodenbetriebsgases durch leckagebedingte Strömungen erfolgen, also in passiver Vorgehensweise. Vorteil dieser Variante ist, dass keine aktiven Schritte und keine konstruktiven Maßnahmen notwendig sind.
  • Typischerweise erfolgt das Öffnen der Stellmittel zur Expansion des Kathodengases für eine vorbestimmte Zeitdauer, die im Bereich von 0,5 bis 30 Sekunden, insbesondere von 0,5 bis 5 Sekunden liegt. Die Dauer der Expansion wird in Abhängigkeit von den Volumina des Brennstoffzellenstapels und des Leitungssystems bestimmt, die mit dem sauerstoffarmen Kathodengas geflutet werden sollen. Sind in dem Kathodenabgaspfad und/oder dem Kathodenversorgungspfad Stellmittel vorhanden, wird die Dauer vorzugsweise so bemessen, dass das sauerstoffarme Kathodengas bis zu dem (den) Stellmittel(n) flutet. Alternativ erfolgt die Expansion so lange, bis ein gewünschter Druck im System erreicht wird, der bis zur Erzielung des Umgebungsdrucks reichen kann. Vorzugsweise liegt der Enddruck im Bereich von Umgebungsdruck bis zu einem leichten Überdruck, insbesondere von Umgebungsdruck bis 0,5 bar Überdruck, besonders bevorzugt im Bereich von Umgebungsdruck bis 0,2 bar Überdruck.
  • Schritt (c)
  • Nach der Expansion des Kathodengases erfolgt in Schritt (c) das Trennen der Kathodenräume von der Umgebung, um eine Rückdiffusion von Sauerstoff über die Versorgungsleitungen zu verhindern. Vorzugsweise erfolgt das Trennen der Kathodenräume von der Umgebung in Schritt (c) durch Schließen des ersten und/oder zweiten Stellmittels in dem Kathodenversorgungspfad beziehungsweise Kathodenabgaspfad. Auf diese Weise wird eine gute Trennwirkung und geringe Rückdiffusion von Sauerstoff in die Kathodenräume erzielt. Sofern andere Bauteile in dem Kathodenabgaspfad beziehungsweise Kathodenversorgungspfad vorhanden sind, welche eine gewisse Sperrwirkung erzielen, kann auf gesonderte Stellmittel verzichtet werden. Beispielsweise ist möglich, dass der Verdichter im Kathodenversorgungspfad im Stillstand eine ausreichende Dichtigkeit gewährleistet. In diesem Fall kann auf das zweite Sperrmittel im Kathodenversorgungspfad verzichtet werden. Ist andererseits im Kathodenabgaspfad eine Turbine angeordnet, die eine gewisse Sperrwirkung besitzt, kann auch hier auf ein gesondertes Stellmittel verzichtet werden.
  • Vorzugsweise wird der Brennstoffzellenstapel vor dem Schritt (a) von einer elektrischen Last, insbesondere einem elektrischen, mit der erzeugten Energie des Brennstoffzellenstapels betriebenen Verbraucher, getrennt.
  • Die Erfindung betrifft ferner ein Brennstoffzellensystem, umfassend einen Brennstoffzellenstapel, der Anodenräume und Kathodenräume aufweist, sowie eine Kathodenversorgung mit einem Kathodenversorgungspfad zur Zuführung eines sauerstoffhaltigen Kathodenbetriebsgases in die Kathodenräume, einen in dem Kathodenversorgungspfad angeordneten Verdichter und einen Kathodenabgaspfad zur Abführung eines Kathodenabgases aus den Kathodenräumen. Das Brennstoffzellensystem ist eingerichtet, das erfindungsgemäße Verfahren zum Abschalten des Brennstoffzellensystems auszuführen. Zu diesem Zweck umfasst das Brennstoffzellensystem vorzugsweise eine Steuerung, die einen entsprechenden Programmalgorithmus zur Ausführung des Verfahrens aufweist.
  • Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.
  • Die verschiedenen in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar.
  • Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
    • 1 ein Brennstoffzellensystem gemäß einer ersten Ausgestaltung der Erfindung;
    • 2 ein Brennstoffzellensystem gemäß einer zweiten Ausgestaltung der Erfindung;
    • 3 Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Abschalten des Brennstoffzellensystems gemäß 1 oder 2 gemäß einer ersten Ausgestaltung der Erfindung, und
    • 4 Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Abschalten des Brennstoffzellensystems gemäß 1 oder 2 gemäß einer ersten Ausgestaltung der Erfindung.
  • 1 zeigt ein insgesamt mit 100 bezeichnetes Brennstoffzellensystem gemäß einer ersten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung. Das Brennstoffzellensystem 100 umfasst als Kernkomponente einen Brennstoffzellenstapel 10. Der Brennstoffzellenstapel 10 weist eine Vielzahl von in Stapelform angeordneten Einzelzellen 11, von denen jede jeweils einen Kathodenraum 12 sowie einen Anodenraum 13 aufweist, welche durch eine ionenleitfähige Polymerelektrolytmembran 14 voneinander getrennt sind (siehe Detailausschnitt). Der Kathoden- und Anodenraum 12, 13 umfasst jeweils eine katalytische Elektrode, die Anode beziehungsweise die Kathode, welche die jeweilige Teilreaktion der Brennstoffzellenumsetzung katalysiert (nicht dargestellt). Zwischen zwei Membran-Elektroden-Einheiten ist ferner jeweils eine Bipolarplatte angeordnet (ebenfalls nicht dargestellt), welche der Zuführung der Betriebsmedien in die Kathoden- und Anodenräume 12, 13 dient und ferner die elektrische Verbindung zwischen den einzelnen Brennstoffzellen 11 herstellt.
  • Der Brennstoffzellenstapel 10 verfügt über einen Anodeneingang 15 und einen Anodenausgang 16, die mit einer insgesamt nicht dargestellten Anodenversorgung verbunden sind. Dabei umfasst die Anodenversorgung einen Anodenversorgungspfad, welcher einen Brennstoffspeicher mit dem Anodeneingang 15 verbindet und der Zuführung eines Anodenbetriebsgases, beispielsweise Wasserstoff, in die Anodenräume 13 dient. Die Anodenversorgung umfasst ferner einen Anodenabgaspfad, der mit dem Anodenausgang 16 des Stapels 10 verbunden ist und das Anodenabgas aus den Anodenräumen 13 des Brennstoffzellenstapels 10 abführt und üblicherweise zumindest teilweise über eine Rezirkulationsleitung wieder in den Anodenabgaspfad einleitet.
  • Um den Brennstoffzellenstapel 10 mit einem sauerstoffhaltigen Kathodenbetriebsgas, insbesondere Luft, zu versorgen, weist das Brennstoffzellensystem 100 ferner eine Kathodenversorgung 20 auf.
  • Die Kathodenversorgung 20 umfasst einen Kathodenversorgungspfad 21, welcher über einen Kathodeneingang 17 den Kathodenräumen 12 des Brennstoffzellenstapels 10 das Kathodenbetriebsgas, insbesondere Luft, zuführt. Zur Förderung und Verdichtung des Kathodenbetriebsgases ist in dem Kathodenversorgungspfad 21 ein Verdichter 23 angeordnet, der vorzugsweise elektromotorisch betrieben wird. Stromauf des Verdichters 23 ist ein Filter 24 angeordnet, der partikuläre Bestandteile (Staub) zurückhält.
  • Ein Kathodenabgaspfad 22 der Kathodenversorgung 20 führt das Kathodenabgas (Abluft) aus den Kathodenräumen 12 über einen Kathodenausgang 18 des Brennstoffzellenstapels 10 ab und führt dieses einer optionalen Abgasanlage 25 zu, welche beispielsweise einen Schalldämpfer enthält. Optional kann, wie hier dargestellt, der Verdichter 23 durch eine Turbine 26 unterstützt werden, welche in dem Kathodenabgaspfad 22 angeordnet ist und über eine nicht dargestellte Welle mit dem Verdichter 23 verbunden ist.
  • Eine von dem Kathodenversorgungspfad 21 abzweigende Wastegate-Leitung 27 verbindet den Kathodenversorgungspfad 21 mit dem Kathodenabgaspfad 22. Die Wastegate-Leitung 27 dient der Umgehung des Brennstoffzellenstapels 10, wenn das verdichtete Kathodenbetriebsgas beispielsweise in Niedriglastphasen im Brennstoffzellenstapel 10 nicht benötigt wird, der Verdichter 23 andererseits jedoch nicht heruntergefahren werden soll. Optional kann ein Stellmittel 28 in der Wastegate-Leitung 27 angeordnet sein, welches beispielsweise als Klappe oder Regelventil ausgebildet ist. Durch das Stellmittel 28 wird ein die Wastegate-Leitung 27 durchströmender Massenstrom reguliert. Somit kann die Leistung des Brennstoffzellenstapels 10 bei konstanter Verdichterleistung über das Stellmittel 28 geregelt werden.
  • Die Kathodenversorgung 20 weist ferner einen Befeuchter 29 auf, welcher der Befeuchtung des Kathodenbetriebsgases dient, um die Polymerelektrolytmembran 14 mit der notwendigen Feuchtigkeit zu versorgen. Bei dem Befeuchter 29 handelt es sich bevorzugt um einen Membranbefeuchter, der das zu befeuchtende Kathodenbetriebsgas durch eine wasserdampfpermeable Membran von dem Feuchtgas trennt. Dabei diffundiert Wasserdampf aus dem Feuchtgas über die Membran in das zu befeuchtende Kathodenbetriebsgas. Im vorliegenden Beispiel wird als Feuchtgas das Kathodenabgas des Brennstoffzellenstapels 10 verwendet, das aufgrund des Produktwassers der Brennstoffzellenreaktion einen vergleichsweise hohen Wasserdampfgehalt aufweist.
  • Das in 1 dargestellte System umfasst ferner ein in dem Kathodenversorgungspfad 21 angeordnetes erstes Stellmittel 30 sowie ein im Kathodenabgaspfad 22 angeordnetes zweites Stellmittel 31. In dem in 1 dargestellten Beispiel ist das erste Stellmittel 30 stromab des Befeuchters 29 und stromauf des Kathodeneingangs 17 des Brennstoffzellenstapels 10 angeordnet, während das zweite Stellmittel 31 hinter dem Kathodenausgang 18 und stromauf des Befeuchters 29 positioniert ist.
  • Verschiedene weitere Einzelheiten der Kathodenversorgung 20 sind in der vereinfachten 1 aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht gezeigt. So kann die Kathodenversorgung 20 einen Wärmetauscher aufweisen, welcher der Vorerwärmung der durch den Verdichter 23 komprimierten Luft dient. Der Wärmetauscher wird üblicherweise durch die aus den Kathodenräumen 12 stammende warme Abluft als Wärmeträger durchströmt. Dabei kann der Wärmetauscher sowohl seitens des Kathodenversorgungspfads 21 als auch des Kathodenabgaspfads 22 durch eine entsprechende Bypassleitung umgangen werden. Es kann ferner eine Turbinenbypassleitung seitens des Kathodenabgaspfads 22 vorgesehen sein, welche die Turbine 26 umgeht. Zudem sind Systeme ohne Turbine 26 bekannt. Ferner kann in dem Kathodenabgaspfad 22 ein Wasserabscheider verbaut sein, um das aus der Brennstoffzellenreaktion entstehende Produktwasser zu kondensieren und abzuleiten.
  • 2 zeigt eine weitere Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems 100 gemäß vorliegender Erfindung. Übereinstimmende Elemente sind mit den gleichen Bezugszeichen wie in 1 bezeichnet und werden nicht nochmals erläutert. Das in 2 dargestellte System unterscheidet sich von dem aus 1 in der Position der Stellmittel 30 und 31. Hier ist das erste Stellmittel 30 zwischen dem Verdichter 23 und dem Befeuchter 29 angeordnet und das zweite Stellmittel 31 zwischen dem Befeuchter 29 und der Turbine 26. Insbesondere sind die beiden Stellmittel 30 und 31 zwischen der Wastgate-Leitung 27 und dem Befeuchter 29 positioniert.
  • Die Einbauorte der Stellmittel 30, 31 gemäß 1 und gemäß 2 können auch miteinander kombiniert werden. Beispielsweise kann das erste Stellmittel 30 stromab des Befeuchters 29 und stromauf des Kathodeneingangs 17 angeordnet sein, während das zweite Stellmittel 31 stromab des Befeuchters 29 und stromauf der Wastgate-Leitung 27 positioniert sein kann. Umgekehrt kann die Anordnung des ersten Stellmittels 30 in dem Kathodenversorgungspfad 21 stromab des Verdichters 23 und stromauf des Befeuchters 29 vorgesehen sein und die des zweiten Stellmittels 31 im Kathodenabgaspfad 22 stromab des Kathodenausgangs 18 und stromauf des Befeuchters 29.
  • Ferner kann auf die Anordnung des ersten und/oder zweiten Stellmittels 30, 31 verzichtet werden, wenn in der Kathodenversorgungs- beziehungsweise -abgasleitung 21 beziehungsweise 22 Komponenten verbaut sind, die selbst eine gewisse Absperrwirkung gegen die Umgebung aufweisen. Wenn beispielsweise der Verdichter 23 eine ausreichende Sperrwirkung besitzt, kann das erste Stellmittel 30 entfallen. Weist die Turbine 26 eine ausreichende Sperrwirkung auf, kann auf das zweite Stellmittel 31 verzichtet werden.
  • Im Normalbetrieb des Brennstoffzellensystems 100 nach 1 oder 2 wird das Anodenbetriebsgas, insbesondere Wasserstoff, über die nicht dargestellte Anodenversorgung dem Brennstoffzellenstapel 10 zugeführt. Gleichzeitig wird über die Kathodenversorgung 20 durch den Betrieb des Verdichters 23 das Kathodenbetriebsgas, insbesondere Luft, angesaugt, verdichtet und dem Brennstoffzellenstapel 10 zugeführt. Zum Abschalten des Brennstoffzellenstapels 10 wird ein Verfahren gemäß vorliegender Erfindung angewandt, das in Ausführungsbeispielen anhand der folgenden 3 und 4 erläutert wird.
  • Gemäß 3 wird in Schritt S1 (während eines Normalbetriebs des Brennstoffzellensystems 100) das Vorliegen einer Abschaltbedingung des Brennstoffzellenstapels 10 festgestellt. Sodann erfolgt in Schritt S2 die Trennung des Brennstoffzellenstapels 10 von einer elektrischen Last, das heißt von einem elektrischen Verbraucher, der durch die erzeugte elektrische Energie des Stapels 10 betrieben wird.
  • In dem nachfolgenden Schritt S3 wird das in der Kathodenabgasleitung 22 angeordnete zweite Stellmittel 31 geschlossen. Gleichzeitig bleibt das erste Stellmittel 30 in dem Kathodenversorgungspfad 21 geöffnet und das Wastgate-Stellmittel 28 wird oder bleibt geöffnet. Der Verdichter 23 wird weiterhin betrieben und fördert das komprimierte Kathodenbetriebsmittel über die geöffnete Wastgate-Leitung 27 in den Kathodenabgaspfad 22 ab. Auf diese Weise wird der Betriebsdruck in den Kathodenräumen 12 des Brennstoffzellenstapels 10 aufrechterhalten, ohne dass eine Durchströmung der Kathodenräume 12 stattfindet. Ab diesem Zeitpunkt findet somit ein Verbrauch von Sauerstoff in dem in den Kathodenräumen 12 vorliegenden Kathodenbetriebsgas statt, da dieser weiterhin über die Brennstoffzellenreaktion, das heißt über Reaktionen mit den aus den Anodenräumen 13 über die Membran 14 diffundierenden Protonen, abreagiert. Da keine Durchströmung durch frisches Kathodenbetriebsgas in die Kathodenräume 12 erfolgt, beginnt die Konzentration von Sauerstoff zu sinken.
  • Im nächsten Schritt S4 wird auch das Stellmittel 30 in dem Kathodenversorgungspfad 21 geschlossen. Jetzt sind die Kathodenräume 12 des Brennstoffzellenstapels 10 von der Umgebung getrennt, wobei jedoch das hohe Druckniveau von beispielsweise 1,5 bis 2,5 bar aufrechterhalten bleibt. Anschließend wird in Schritt S5 der Verdichter 23 abgeschaltet. Hierdurch fällt das Druckniveau in dem Kathodenabgaspfad 22 stromab des Stellmittels 31 sowie in der Wastgate-Leitung 27 auf Umgebungsdruck ab. Gleichzeitig bleiben jedoch die Kathodenräume 12 auf hohem Druckniveau.
  • Im anschließenden Abfrageschritt S6 erfolgt eine Überprüfung, ob ein gewünschtes niedriges Sauerstoffniveau in den Kathodenräumen 12 erreicht ist. Beispielsweise kann das Verstreichen einer vorbestimmten Zeit seit Schließen des Stellmittels 31 in Schritt S3 mittels eines entsprechenden Zeitzählers überprüft werden. Alternativ wird die Restsauerstoffkonzentration in den Kathodenräumen 12 mittels eines geeigneten Gassensors gemessen. Besonders bevorzugt wird jedoch die Zellspannung des Brennstoffzellenstapels 10 überwacht und mit einem unteren Schwellenwert verglichen. Wird in Schritt S6 eine zu hohe Sauerstoffkonzentration ermittelt, beispielsweise indem die erfasste Zellspannung noch immer oberhalb des Schwellenwertes liegt, geht das Verfahren zurück, um nach einer Verzögerung wieder erneut zur Abfrage S6 zu gelangen. Wird in Schritt S6 hingegen eine ausreichend niedrige Sauerstoffkonzentration in den Kathodenräumen 12 festgestellt, geht das Verfahren zu Schritt S7 weiter.
  • In Schritt S7 werden das erste und das zweite Stellmittel 30 und 31 gesteuert geöffnet. Infolgedessen strömt das sauerstoffarme Kathodengas über den Kathodenversorgungspfad 21 und den Kathodenabgaspfad 22 in Richtung des Befeuchters 29 oder im Falle von 2 durch den Befeuchter 29. Durch die Expansion des sauerstoffarmen Kathodengases wird die Sauerstoffkonzentration pro Volumeneinheit gesenkt. Gleichzeitig findet über die Flutung des Leitungssystems der Kathodenversorgung 20 eine Ausdehnung des inertisierten Gasvolumens statt. Die Stellmittel 30, 31 bleiben vorzugsweise solange geöffnet, bis das sauerstoffverarmte Gas zumindest bis zur Einbauposition der Stellmittel 30, 31 geströmt ist. Optional kann die Dauer der Öffnung der Stellmittel 30 und 31 mittels Erfassung des in den Kathodenräumen 12 vorliegenden Drucks überwacht werden, wobei ein Enddruck vorgegeben werden kann, der zwischen dem Anfangsdruck und Umgebungsdruck liegt, vorzugsweise bei einem geringen Überdruck.
  • Schließlich werden in Schritt S8 die Stellmittel 30 und 31 wieder geschlossen. Auf diese Weise werden die Kathodenräume 12 des Brennstoffzellenstapels 10 wieder von der Umgebung getrennt, wobei das in den Kathodenräumen 12 vorliegende geringe Druckniveau, beispielsweise Umgebungsdruck oder geringer Überdruck konserviert wird. Mit Schritt S8 ist der Abschaltprozess beendet.
  • Eine weitere Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Abschalten eines Brennstoffzellensystems ist in 4 dargestellt. Die Schritte S1 bis S3 stimmen mit denen aus 3 überein.
  • Das Verfahren beginnt ebenso wie das in 3 dargestellte in Schritt S1 mit der Feststellung einer Abschaltbedingung und geht dann zu Schritt S2 über, um die elektrische Last von dem Brennstoffzellenstapel 10 zu trennen. In S3 wird dann das in dem Kathodenabgaspfad 22 angeordnete Stellmittel 31 geschlossen, während der Verdichter 23 das komprimierte Versorgungsgas weiterhin über die geöffnete Wastgate-Leitung 27 fördert und gleichzeitig den Druck in den Kathodenräumen 12 aufrechterhält, ohne diese jedoch zu durchströmen.
  • Der mit Schritt S3 eingestellte Zustand (Betrieb des Verdichters 23 bei geschlossenem Stellmittel 31) wird solange aufrechterhalten, bis ein gewünschtes niedriges Sauerstoffniveau in den Kathodenräumen 12 erreicht ist. Dieses wird in Schritt S4 mit einer der Methoden, die im Zusammenhang mit Schritt S6 der 3 erläutert wurden, überprüft. Wird in S4 festgestellt, dass keine ausreichend niedrige Sauerstoffkonzentration in den Kathodenräumen 12 des Brennstoffzellenstapels 10 erreicht wurde, geht das Verfahren über eine Verzögerungsstufe zurück, um die Abfrage S4 erneut zu durchlaufen. Wird in S4 hingegen eine ausreichend niedrige Sauerstoffkonzentration festgestellt, beispielsweise das Erreichen oder Unterschreiten eines unteren Schwellenwertes für die Zellspannung, so geht das Verfahren zu Schritt S5 weiter.
  • In Schritt S5 wird der Verdichter 23 abgeschaltet. Infolgedessen strömt ein geringer Teil des sauerstoffarmen Gases aus den Kathodenräumen 12 zurück in Richtung des Stellmittels 30 und des Verdichters 23. Es findet somit eine Expansion des sauerstoffarmen Gases über den Kathodenversorgungspfad 21 statt.
  • Anschließend wird in Schritt S6 das Stellmittel 30 im Kathodenversorgungspfad 21 geschlossen, um die Kathodenräume 12 bei geringem Druckniveau von der Umgebung zu trennen.
  • Bei beiden, anhand der 3 und 4 beschriebenen Strategien zum Abschalten des Brennstoffzellensystems 100 wird erreicht, dass die Kathodenräume 12 nicht nur im aktiven Bereich sondern auch in ihren Versorgungsbereichen des Brennstoffzellenstapels 10 sowie darüber hinaus auch im Bereich des Leitungssystems der Kathodenversorgung 20 mit einem durch Sauerstoffverarmung inertisiertem Gasgemisch beaufschlagt werden. Nach dem Abschalten des Brennstoffzellensystems 100 ist somit der Brennstoffzellenstapel 10 für einen langen Zeitraum geschützt, ehe aufgrund von Leckagen Sauerstoff den Brennstoffzellenstapel 10 erreichen kann. Bei seinem Wiederstart wird auf diese Weise ein Luft-Luft-Start auch nach langen Abstellzeiten vermieden. Im Ergebnis wird die Lebensdauer des Systems verlängert.
  • Bezugszeichenliste
    • 100
    Brennstoffzellensystem
    10
    Brennstoffzellenstapel
    11
    Einzelzellen
    12
    Kathodenraum
    13
    Anodenraum
    14
    Polymerelektrolytmembran
    15
    Anodeneingang
    16
    Anodenausgang
    17
    Kathodeneingang
    18
    Kathodenausgang
    20
    Kathodenversorgung
    21
    Kathodenversorgungspfad
    22
    Kathodenabgaspfad
    23
    Verdichter
    24
    Filter
    25
    Abgasanlage
    26
    Turbine
    27
    Wastgate-Leitung
    28
    Wastegate-Stellmittel
    29
    Befeuchter
    30
    Stellmittel
    31
    Stellmittel

Claims (10)

  1. Verfahren zum Abschalten eines Brennstoffzellensystems (100), umfassend einen Brennstoffzellenstapel (10), der Kathodenräume (12) und Anodenräume (13) aufweist, sowie eine Kathodenversorgung (20) mit einem Kathodenversorgungspfad (21) zur Zuführung eines sauerstoffhaltigen Kathodenbetriebsgases in die Kathodenräume (12), einen in dem Kathodenversorgungspfad (21) angeordneten Verdichter (23) und einem Kathodenabgaspfad (22) zur Abführung eines Kathodenabgases aus den Kathodenräumen (12), wobei das Verfahren die Schritte umfasst: (a) Halten der Kathodenräume (12) unter Überdruck unter Unterbindung einer Durchströmung der Kathodenräume (12) mit Kathodenbetriebsgas unter Sauerstoffverarmung des in den Kathodenräumen (12) vorliegenden Kathodenbetriebsgases; (b) Expandieren des in den Kathodenräumen (12) vorliegenden und sauerstoffverarmten Kathodenbetriebsgases über den Kathodenversorgungspfad (21) und/oder den Kathodenabgaspfad (22), und (c) Trennen der Kathodenräume (12) von der Umgebung.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Schritt (a) ein Trennen der Kathodenräume (12) von der Umgebung umfasst, insbesondere ein Schließen eines in dem Kathodenversorgungspfad (21) angeordneten ersten Stellmittels (30) und/oder eines in dem Kathodenabgaspfad (22) angeordneten zweiten Stellmittels (31).
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass Schritt (a) ein (a1) Schließen des in dem Kathodenabgaspfad (22) angeordneten zweiten Stellmittels (31) bei laufendem Verdichter (23) und anschließend ein (a2) Schließen des in dem Kathodenversorgungspfad (21) angeordneten ersten Stellmittels (30) umfasst.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kathodenversorgung (20) eine Wastegate-Leitung (27) umfasst, welche stromab des Verdichters (23) von dem Kathodenversorgungspfad (21) abzweigt und in den Kathodenabgaspfad (22) mündet, wobei die Wastegate-Leitung (27) während des laufenden Verdichters (23) in Schritt (a1) geöffnet ist.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das (b) Expandieren des in den Kathodenräumen (12) vorliegenden sauerstoffverarmten Kathodenbetriebsgases durch Öffnen eines in dem Kathodenversorgungspfad (21) angeordneten ersten Stellmittels (30) und/oder eines in dem Kathodenabgaspfad (22) angeordneten zweiten Stellmittels (31) erfolgt.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Trennen der Kathodenräume (12) von der Umgebung in Schritt (c) durch Schließen eines in dem Kathodenversorgungspfad (21) angeordneten ersten Stellmittels (30) und/oder eines in dem Kathodenabgaspfad (22) angeordneten zweiten Stellmittels (31) erfolgt.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sauerstoffverarmung des in den Kathodenräumen vorliegenden Kathodenbetriebsgases in Schritt (a) durch Reaktion von Sauerstoff mit Brennstoff aus den Anodenräumen (13) oder mit in die Kathodenräume (12) eingeleitetem Brennstoff erfolgt.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass während des Schritts (a) eine Brennstoffatmosphäre in den Anodenräumen des Brennstoffzellenstapels (10) aufrechterhalten wird.
  9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Schritt (a) der Brennstoffzellenstapel (10) von einer elektrischen Last getrennt wird.
  10. Brennstoffzellensystem (100), umfassend einen Brennstoffzellenstapel (10), der Anodenräume (13) und Kathodenräume (12) aufweist, sowie eine Kathodenversorgung (20) mit einem Kathodenversorgungspfad (21) zur Zuführung eines sauerstoffhaltigen Kathodenbetriebsgases in die Kathodenräume (12), einen in dem Kathodenversorgungspfad (21) angeordneten Verdichter (23) und einem Kathodenabgaspfad (22) zur Abführung eines Kathodenabgases aus den Kathodenräumen (12), dadurch gekennzeichnet, dass das Brennstoffzellensystem (100) eingerichtet ist, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9 auszuführen.
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