DE102021208617A1

DE102021208617A1 - Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems und Brennstoffzellensystem

Info

Publication number: DE102021208617A1
Application number: DE102021208617.9A
Authority: DE
Inventors: Mark Hellmann
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2021-08-06
Filing date: 2021-08-06
Publication date: 2023-02-09

Abstract

Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems (10) für einen Verbraucher (20), insbesondere ein Fahrzeug (20), bei dem ein Kathodengas mit einem ersten Reaktanten und ein Anodengas mit einem zweiten Reaktanten in einer Brennstoffzelle (100) verstromt werden, wobei in einem Normalzustand (1) die Brennstoffzelle (100) betrieben und derart gespült wird, dass sich eine Normalbetriebskonzentration des zweiten Reaktanten in einer Anode (120) der Brennstoffzelle (100) einstellt, und in einem Anforderungszustand (2) die Brennstoffzelle (100) betrieben und derart gespült wird, dass sich eine Anforderungskonzentration des zweiten Reaktanten in der Anode (120) einstellt, wobei die Anforderungskonzentration höher ist als die Normalbetriebskonzentration.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems, bei dem ein Kathodengas mit einem ersten Reaktanten und ein Anodengas mit einem zweiten Reaktanten in einer Brennstoffzelle verstromt werden, wobei in einem Normalzustand die Brennstoffzelle betrieben und derart gespült wird, dass sich eine Normalbetriebskonzentration des zweiten Reaktanten in einer Anode der Brennstoffzelle einstellt, und in einem Anforderungszustand die Brennstoffzelle betrieben und derart gespült wird, dass sich eine Anforderungskonzentration des zweiten Reaktanten in der Anode einstellt, wobei die Anforderungskonzentration höher ist als die Normalbetriebskonzentration. Zudem betrifft die Erfindung ein Brennstoffzellensystem.
Stand der Technik
Bei Brennstoffzellen kann es passieren, dass unerwünschte Gase wie beispielsweise Stickstoff von einer Elektrode zur anderen durch die Membran hindurch diffundieren. Beispielsweise befindet sich dann Kathodengas an der Anode und Anodengas an der Kathode. Dieser Effekt ist bereits seit längerem bekannt. Als eine bewährte Strategie hat sich ergeben, die Kathode bzw. Anode zu spülen. Dabei wird frisches, also weitestgehend reines, Gas zur Elektrode gegeben, wobei das hindurch diffundierte Gas verdrängt und zu einer Abluft gespült wird. Eine ständige Spülung der Elektroden würde jedoch dazu führen, dass ein sehr hoher Gasverbrauch entsteht. Daher werden Elektroden in der Regel zumindest teilweise in Rezirkulation betrieben, wobei das Gas, welches entlang eines Strömungspfades an der Elektrode entlang strömt, am Ende des Strömungspfades wieder zum Anfang des Strömungspfades der Elektrode zurückgeführt wird. In einem Normalbetrieb einer Brennstoffzelle wechseln sich demnach Rezirkulation und Spülung ab. Dabei kann die Steuerung, wann ein Rezirkulation und wann eine Spülung stattfindet, beispielsweise zeitgesteuert bzw. zeitdiskret erfolgen. Ebenfalls kann eine Steuerung energieoptimiert erfolgen, wobei insbesondere die benötigte Pumpleistung für die Rezirkulation und die von der Brennstoffzelle erzeugbare Leistung zur Bestimmung eines optimalen Wertes berücksichtigt werden.
Offenbarung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung sieht ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Anspruchs 10 vor. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems für einen Verbraucher, insbesondere ein Fahrzeug, bei dem ein Kathodengas mit einem ersten Reaktanten und ein Anodengas mit einem zweiten Reaktanten in einer Brennstoffzelle verstromt werden, wobei in einem Normalzustand die Brennstoffzelle betrieben und derart gespült wird, dass sich eine Normalbetriebskonzentration des zweiten Reaktanten in einer Anode der Brennstoffzelle einstellt, und in einem Anforderungszustand die Brennstoffzelle betrieben und derart gespült wird, dass sich eine Anforderungskonzentration des zweiten Reaktanten in der Anode einstellt, wobei die Anforderungskonzentration höher ist als die Normalbetriebskonzentration, vorgesehen.
Das Verfahren der vorliegenden Erfindung funktioniert also so, dass beim Betrieb der Brennstoffzelle neben dem Normalzustand ein weiterer Betriebsmodus im sogenannten Anforderungszustand vorgesehen ist, bei dem das Spülen und Rezirkulieren in der Anode nicht wie in dem Normalzustand beispielsweise energie- oder zeitoptimiert erfolgt, sondern an eine erhöhte Anforderung der Brennstoffzelle bzw. der Leistung der Brennstoffzelle angepasst ist.
Der Anforderungszustand kann beispielsweise auftreten, wenn ein Benutzer mehr elektrische Leistung als gewöhnlich benötigt, und dabei einen erhöhten Verbrauch des Anodengases in Kauf nimmt. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass der Anforderungszustand durch den Zustand der Brennstoffzelle selbst ausgelöst wird. Beispielsweise kann es bei einer Heißland-Bergfahrt, bei der einerseits die Kühlung limitiert ist und andererseits eine hohe Anforderung an die bereitgestellte elektrische Leistung gestellt wird, dazu kommen, dass im Normalzustand ein sogenanntes „Derating“ (also eine Drosselung der Abgabeleistung) der Brennstoffzelle nötig wird. Das kann durch den Anforderungszustand vermieden werden, da im Anforderungszustand einerseits die Effizienz der Reaktion in der Brennstoffzelle erhöht wird, wodurch weniger Abwärme entsteht, und andererseits mehr kühles Anodengas im Anodenraum bereitgestellt wird. Ebenfalls kann ein Anforderungszustand durch den Zustand der Brennstoffzelle dadurch ausgelöst werden, dass die Brennstoffzelle bereits ein gewisses Alter erreicht hat. Dann kann durch den Betrieb im Anforderungszustand die fortschreitende Alterung zumindest verlangsamt werden.
Verbraucher im Sinne der Erfindung ist jede Vorrichtung, welche dazu geeignet ist, mit elektrischer Energie betrieben zu werden. Beim Verbraucher kann es sich insbesondere um einen mobilen Verbraucher handeln, welche insbesondere während der Benutzung nicht mit einem Stromnetz verbunden ist. Typische Beispiele für derartige mobile Verbraucher sind Fahrzeuge, beispielsweise Land-, Wasser- und Luftfahrzeuge. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass der Verbraucher ein Kraftfahrzeug ist, welches mit einem Tank für Anodengas ausgebildet ist.
Vorgesehen sein kann auch ein Fahrzeug, welches ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem aufweist und/oder ein Brennstoffzellensystem nach einem erfindungsgemäßen Verfahren betreibt.
Das Kathodengas kann Luft aufweisen. Beim Kathodengas kann es sich auch um Luft, insbesondere getrocknete Luft, handeln. Ebenfalls kann vorgesehen sein, dass das Kathodengas Sauerstoff aufweist und/oder im Wesentlichen aus Sauerstoff besteht. Der erste Reaktant kann Sauerstoff sein.
Das Anodengas kann Wasserstoff aufweisen und/oder im Wesentlichen aus Wasserstoff bestehen. Das Anodengas kann ferner Dampf und/oder Stickstoff aufweisen. Der zweite Reaktant kann Wasserstoff sein.
Eine Brennstoffzelle im Sinne der Erfindung ist eine galvanische Zelle, welche chemische Reaktionsenergie eines zugeführten Brennstoffs (Anodengas) und eines Oxidationsmittels (Kathodengas) in elektrische Energie wandelt. Die Brennstoffzelle weist zumindest eine Kathode und eine Anode auf, welche durch zumindest eine semipermeable Membran getrennt sind. Bei der Brennstoffzelle kann es sich um eine Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzelle (PEMFC).
Sowohl Anode als auch Kathode sind dazu ausgebildet, ein Anodengas bzw. Kathodengas von einem Eingang durch einen Strömungspfad zu einem Ausgang zu führen. Der Strömungspfad wird in der Regel gebildet zwischen einer Kathode - bzw. Anodenoberfläche und der Polymerelektrolytmembran, wodurch sich ein Strömungskanal bildet. Das im Strömungskanal der jeweiligen Elektrode eingeschlossene Volumen kann auch als Kathodenraum bzw. Anodenraum bezeichnet werden. Der Kathodenraum bzw. Anodenraum erstreckt sich vom Eingang der Kathode bzw. Anode bis zum Ausgang der Kathode bzw. Anode.
Eine Normalbetriebskonzentration bzw. Anforderungskonzentration ist jeweils als die Konzentration des zweiten Reaktanten in der Anode bzw. im Anodenraum zu verstehen. Diese ist in der Regel abhängig davon, wie viel vom zweiten Reaktanten durch Spülen hinzugefügt wird bzw. durch den Betrieb der Brennstoffzelle verbraucht wird.
Es kann vorgesehen sein, dass das Anodengas rezirkuliert wird. Mit anderen Worten kann das Anodengas mit einem zweiten Reaktanten in einen Anodeneingang einer Anode der Brennstoffzelle eingeleitet und zeitweise und/oder teilweise derart von einem Anodenausgang wieder zurück in den Anodeneingang geleitet werden, dass das Anodengas in der Anode (re)zirkuliert. Es kann ebenfalls vorgesehen sein, dass zeitweise und/oder teilweise das Anodengas von dem Anodenausgang zu einer Abluft geleitet wird. Sowohl die Rezirkulation als auch die Ableitung zur Abluft können im Normalzustand als auch im Anforderungszustand vorgesehen sein.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren zum Betrieb einer Brennstoffzelle stellt sich der Vorteil ein, dass bei einer erhöhten Anforderung entweder der Brennstoffzelle selbst oder an eine Leistung der Brennstoffzelle durch eine höhere Konzentration des zweiten Reaktanten in der Anode bzw. im Anodenraum eine höhere Leistung der Brennstoffzelle bereitgestellt bzw. die Lebensdauer der Brennstoffzelle verlängert werden kann. Insgesamt werden dadurch auch Kosten eingespart, da die Brennstoffzelle später aufbereitet, repariert bzw. ausgetauscht werden muss.
Vorzugsweise kann bei einem erfindungsgemäßen Verfahren vorgesehen sein, dass im Normalzustand das Spülen zeitdiskret und/oder energieoptimal erfolgt. Mit anderen Worten kann im Normalzustand das Spülen nach festen Zeiträumen erfolgen. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass nach 1,5 Sekunden Spülen während einer Dauer von 8,5 Sekunden die Brennstoffzelle in Rezirkulation betrieben wird. Beim energieoptimalen Betrieb wird das Verhältnis zwischen Spülen und Rezirkulation so eingestellt, dass sich ein Minimum aus verbrauchter Energie (beispielsweise für den Betrieb von Pumpen) und ein Maximum aus bereitgestellter Energie der Brennstoffzelle (beispielsweise durch Reduktion von Stickstoff im Anodenraum durch Spülen) einstellen. Sowohl das zeitdiskrete als auch das energieoptimale Spülen im Normalzustand bietet den Vorteil, dass die Brennstoffzelle auch im Normalzustand einen geringen Verbrauch aufweist, sodass der Betrieb der Brennstoffzelle insgesamt kostengünstig ist.
Im Rahmen der Erfindung ist es weiterhin denkbar, dass der Anforderungszustand ausgelöst wird durch eine Erfassung und/oder Verarbeitung einer Benutzereingabe am Verbraucher, insbesondere durch eine Benutzerschnittstelle und/oder durch eine Erkennung eines Anforderungszustandsparameters der Brennstoffzelle, insbesondere durch ein Steuergerät. Mit anderen Worten kann vorgesehen sein, dass der Anforderungszustand durch den Benutzer selbst ausgelöst werden kann, in dem er beispielsweise einen Schalter betätigt oder ein Gaspedal bedient. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass der Benutzer den Anforderungsmodus durch ein vollständiges Durchtreten des Gaspedals, wie es bei insbesondere Automatikfahrzeugen als „Kick down“ bekannt ist, auslöst. Dies bietet den Vorteil, dass der Benutzer bei einer aus seiner Sicht erhöhten Anforderung an die Leistungen Brennstoffzelle diese auf einfache Weise abrufen kann.
Weiterhin kann bei einem erfindungsgemäßen Verfahren vorteilhafterweise vorgesehen sein, dass im Anforderungszustand die Menge des Anodengases, mit dem gespült wird und/oder die Spüldauer gegenüber dem Normalzustand erhöht ist. Mit anderen Worten kann die Konzentration des zweiten Reaktanten insbesondere dadurch erhöht werden, dass mehr Anodengas an der Anode zu Verfügung gestellt wird, indem mehr Anodengas in die Anode eingeleitet wird und/oder die Dauer, mit der Anodengas in die Anode eingeleitet wird, verlängert wird. Diese Optionen bieten den Vorteil, dass ohne besonderen konstruktiven Aufwand in die gegenüber dem Normalzustand erhöhte Konzentration des zweiten Reaktanten an der Anode bereitgestellt werden kann. Dadurch werden insgesamt auch die Kosten des Betriebes der Brennstoffzelle reduziert.
Ferner kann bei einem erfindungsgemäßen Verfahren vorteilhafterweise vorgesehen sein, dass im Normalzustand und/oder im Anforderungszustand ein Kathodengassystem ein Kathodengas mit dem ersten Reaktanten in einen Kathodeneingang einer Kathode einer Brennstoffzelle eingeleitet und von einem Kathodenausgang zu einer Abluft abgeleitet wird, wobei sich stromabwärts der Brennstoffzelle das Anodengas und das Kathodengas vor der Abluft vermischen, wobei im Anforderungszustand die Menge des Kathodengases, dass mit dem Anodengas vermischt wird, gegenüber dem Normalzustand erhöht wird. Mit anderen Worten kann vorgesehen sein, das Kathodengas durch die Kathode strömt und sich stromabwärts der Kathode mit dem Anodengas vermischt, welches von einem Ausgang der Anode zu einer Abluft strömt. Dabei kann ebenfalls vorgesehen sein, dass mehr Kathodengas im Anforderungszustand als im Normalzustand zur Mischung vor der Abluft zur Verfügung gestellt wird. Dies bietet den Vorteil, dass auch bei einer erhöhten Konzentration des zweiten Reaktanten an der Abluft eine ausreichende Verdünnung stattfindet, sodass das Zustandekommen explosionsfähiger Gemische sicher vermieden wird.
Es ist ferner bei einem erfindungsgemäßen Verfahren denkbar, dass im Anforderungszustand das Kathodengas zumindest teilweise über einen Bypass um die Kathode stromabwärts der Kathode geleitet wird. Mit anderen Worten kann vorgesehen sein, dass das Kathodengas nicht über die Kathode selbst, sondern der Kathode vorbei direkt zu Abluft geleitet wird. Dies bietet den Vorteil, dass insbesondere meiner erhöhten Menge von Kathodengas, die einer Abluft bereitgestellt werden soll, Druckverluste in der Kathode verringert bzw. vermieden werden, sodass auch bei geringerer Leistung eine erhöhte Menge und/oder Konzentration von Kathodengas einer Abluft zur Verfügung gestellt werden kann. Es kann vorgesehen sein, dass das Kathodengas ausschließlich über den Bypass einer Kathode vorbeigeleitet wird. Hierdurch kann eine besonders hohe Menge an Kathodengas einer Abluft bereitgestellt und gleichzeitig der Druckverlust minimiert werden. Auch dies bietet eine besonders kostengünstige Möglichkeit, die Brennstoffzelle zu betreiben.
Vorzugsweise kann bei einem erfindungsgemäßen Verfahren vorgesehen sein, dass der Anforderungszustandsparameter des Verbrauchers ausgebildet ist als ein oder mehrerer der folgenden Parameter:

- ein Gesundheitszustand der Brennstoffzelle,
- eine Spannung der Brennstoffzelle,
- eine Temperatur der Brennstoffzelle,
- eine Kühlleistung einer Kühlvorrichtung zum Kühlen der Brennstoffzelle,
- ein Füllstand des Anodengastanks,
- eine Konzentration des ersten Reaktanten in der Brennstoffzelle,
- eine Konzentration des zweiten Reaktanten in der Brennstoffzelle,
- eine Konzentration von Stickstoff in der Brennstoffzelle.

Mit anderen Worten kann vorgesehen sein, dass der Anforderungszustandsparameter des Verbrauchers ausgebildet ist als ein Zustandsparameter der Brennstoffzelle und/oder ein Zustandsparameter des Brennstoffzellensystems. Dies bietet den Vorteil, dass ein Benutzer nicht selbst den Anforderungszustand beispielsweise durch eine Benutzereingabe auslösen muss, sondern das System selbst durch einen Zustandsparameter des Brennstoffzellensystems bzw. der Brennstoffzelle einen Anforderungszustand erkennt und somit die Lebensdauer der Brennstoffzelle erhöhen bzw. einer Drosselung der Brennstoffzellenleistungen sicher vermieden werden kann. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass die Brennstoffzelle besonders lange effizient betrieben werden kann, wodurch sich ein Kostenvorteil einstellt.
Ferner kann bei einem erfindungsgemäßen Verfahren vorteilhafterweise vorgesehen sein, dass ein Anodengassystem mit einer Pumpe zur Rezirkulation des Anodengases zwischen einem Anodenausgang der Anode und einem Anodeneingang der Anode vorgesehen ist, wobei im Anforderungszustand eine Pumpleistung der Pumpe gegenüber dem Normalzustand erhöht ist, und/oder dass das Anodengassystem ein Anodengasdosierventil zum Eindosieren von Anodengas vom Anodengastank zur Anode aufweist, wobei im Anforderungszustand die Eindosierung von Anodengas gegenüber dem Normalzustand erhöht ist und/oder dass das Anodengassystem ein Purgeventil aufweist, welches in einem geschlossenen Zustand die Ableitung des Anodengases an die Abluft verhindert und in einem offenen Zustand die Ableitung des Anodengases an die Abluft zulässt, wobei im Anforderungszustand das Purgeventil mehr Anodengas zur Ableitung an die Abluft abgibt als im Normalzustand. Mit anderen Worten kann durch verschiedene Maßnahmen die Konzentration des zweiten Reaktanten im Anodenraum erhöht werden. Durch die Erhöhung der Pumpleistung Anforderungszustand kann der Vorteil erreicht werden, dass ohne einen erhöhten Verbrauch von Anodengas die Konzentration des zweiten Reaktanten einerseits über einen Strömungspfad innerhalb des Anodenraum homogener verteilt und gleichzeitig erhöht ist. Die erhöhte Eindosierung über das Anodengasdosierventil bietet den Vorteil, dass eine Erhöhung der Konzentration des zweiten Reaktanten im Anodenraum sicher gewährleistet wird und gleichzeitig eine indirekte Kühlung durch sich entspannendes Anodengas in der Brennstoffzelle erfolgt. Durch die erhöhte Ableitung an die Abluft im Anforderungszustand wird wiederum der Vorteil erreicht, dass eindiffundierte Gase im Anodenraum besser ausgetragen werden, welche ansonsten die Lebensdauer der Brennstoffzelle reduzieren könnten.
Weiterhin ist es bei einem erfindungsgemäßen Verfahren denkbar, dass Brennstoffzellensystems ferner ein Sensorsystem aufweist, welches dazu ausgebildet ist, einen oder mehrere Anforderungszustandsparameter des Verbrauchers zu erfassen, wobei das Sensorsystem insbesondere einen Sensor für den zweiten Reaktanten aufweist, der dazu ausgebildet ist, die Konzentration des zweiten Reaktanten in der Brennstoffzelle zu erfassen. Mit anderen Worten kann vorgesehen sein, dass das Brennstoffzellensystem Mittel aufweist, welche dazu geeignet sind, einen oder mehrere Anforderungszustandsparameter durch eine physikalische Messung zu erfassen. Hierdurch wird der Vorteil erreicht, dass der Anforderungszustand besonders sicher erkannt und dementsprechend eine erhöhte Leistung bereitgestellt werden kann.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist ein Brennstoffzellensystem, für einen Verbraucher, insbesondere ein Fahrzeug, bei dem ein Kathodengas mit einem ersten Reaktanten und ein Anodengas mit einem zweiten Reaktanten in einer Brennstoffzelle verstromt werden, vorgesehen. Ferner ist vorgesehen, dass das Brennstoffzellensystem ein Steuergerät aufweist, wobei das Steuergerät dazu ausgeführt ist, das Brennstoffzellensystem nach einem Verfahren nach den vorangehenden Ansprüchen zu betreiben. Mit anderen Worten weist das Brennstoffzellensystem eine Einrichtung zur Steuerung der Brennstoffzelle bzw. des gesamten Brennstoffzellensystems auf, welches dazu geeignet ist, das erfindungsgemäße Verfahren auszuführen. Auch durch das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem wird der Vorteil erreicht, dass bei einer erhöhten Anforderung der Brennstoffzelle selbst bzw. bei einer erhöhten Anforderung an die Leistung der Brennstoffzelle durch eine höhere Konzentration des zweiten Reaktanten im Anodenraum eine höhere Leistung der Brennstoffzelle bereitgestellt werden kann. Ferner lässt sich durch den Betrieb im Anforderungsmodus auch eine Drosselung der Leistung der Brennstoffzelle verhindern bzw. deren Lebensdauer erhöhen. Insgesamt ergibt sich der Vorteil, dass Kosten beim Betrieb der Brennstoffzelle bzw. des Brennstoffzellensystems eingespart werden können.
Somit bringt ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem die gleichen Vorteile mit sich, wie sie bereits ausführlich mit Bezug auf ein erfindungsgemäßes Verfahren beschrieben worden sind.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen beschrieben sind. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein. Es zeigen schematisch:

1 eine schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen Bren nstoffzel lensystems,
2 eine schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems, sowie
3 eine schematische Ansicht eines Verbrauchers mit einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem.

In der nachfolgenden Beschreibung zu einigen Ausführungsbeispielen der Erfindung werden für die gleichen technischen Merkmale auch in unterschiedlichen Ausführungsbeispielen die identischen Bezugszeichen verwendet.
Die 1 zeigt schematisch ein Brennstoffzellensystem 10. Im Zentrum des Brennstoffzellensystems 10 ist schematisch eine Brennstoffzelle 100 dargestellt, welche einer Anode 120 und einer Kathode 110 aufweist. Dabei weist die Anode 120 einen Anodeneingang 121, durch den Anodengas in die Anode 120 einströmen und einen Anodenausgang 122, durch den Anodengas aus der Anode 120 ausströmen kann, auf. Zwischen dem Anodeneingang 121 und dem Anodenausgang 122 liegt ein Anodenraum. Dabei folgt das Anodengas einem Strömungspfad vom Anodeneingang 121 zum Anodenausgang 122.
Das Anodengassystem 300 ist dazu geeignet, die Anode 120 mit Anodengas zu versorgen und das Anodengas zu einer Abluft 400 abzuleiten. Hierzu weist das Anodengassystem 300 einen Anodengastank 310 auf, in welchem Anodengas, insbesondere Wasserstoff, aufbewahrt wird. Das Anodengas kann über ein Aufbereitungssystem 320 aufbereitet werden. Dabei kann insbesondere durch das Aufbereitungssystem 320 der Druck des Anodengases sowie die Temperatur eingestellt werden. Außerdem kann das Anodengassystem 300 passive und/oder aktive Zirkulationsmittel 331, 332 umfassen. Gemäß der 1 ist gezeigt, dass stromabwärts des Aufbereitungssystem 320 einen Jet-Pumpe 331 angeordnet sein kann, welche dazu geeignet ist, Anodengas am Anodeneingang 121 der Anode 120, insbesondere durch Rezirkulation vom Anodenausgang 122 in passiver Weise zur Verfügung zu stellen. Alternativ und/oder in Ergänzung dazu kann parallel zur Anode 120 eine Pumpe 332 dazu vorgesehen sein, dass Anodengas aktiv vom Anodenausgang 122 zum Anodeneingang 121 zu rezirkulieren.
In einem Anforderungszustand 2 kann durch das Anodengassystem 300 das Anodengas aus dem Anodengastank 310 und von dem Ausgang 122 der Anode 120 an dem Eingang 121 der Anode 120 eingeleitet werden, und von dem Ausgang 122 zu der Abluft 400 geleitet werden, wodurch sich eine Anforderungskonzentration des zweiten Reaktanten in der Anode 120 einstellt, wobei die Anforderungskonzentration höher ist als die Normalbetriebskonzentration.
Das Anodengas aus dem Anodengastank 310 hat eine höhere Konzentration des zweiten Reaktanten als das rezirkulierte Anodengas. Anodengas aus dem Anodengastank 310 kann zu annähernd 100 % aus dem zweiten Reaktanten bestehen. Die Konzentration des zweiten Reaktanten kann in der Anode 120 kann dadurch erhöht werden, dass durch das Anodengassystem 300 mehr Anodengas aus dem Anodengastank 310 und weniger rezirkuliertes Anodengas in die Anode 120 eingeleitet wird. Dabei kann die Einleitung von Anodengas aus dem Anodengastank 310 und rezirkuliertem Anodengas zeitlich alternierend oder gleichzeitig erfolgen. Es kann auch vorgesehen sein, dass Anodengas aus dem Anodengastank 310 und rezirkuliertem Anodengas einzeln dosiert wird.
Ferner kann, wie in der 1 schematisch dargestellt, das Anodengassystem 300 ein Purgeventil 330 aufweisen, welches in einem geschlossenen Zustand die Ableitung des Anodengases an die Abluft 400 verhindert und in einem offenen Zustand zulässt, dass Anodengas in Richtung Abluft 400 strömt. Das Purgeventil 330 kann stromabwärts der Anode 120 angeordnet sein.
Die 1 zeigt ebenfalls, dass ein Kathodengassystem 200 im Brennstoffzellensystem 10 vorgesehen sein kann. Dieses kann eine Luftzufuhr 210 umfassen, welche dazu geeignet ist, Luft an der Kathode 110 der Brennstoffzelle 100 bereitzustellen. Dabei kann die Luft durch eine Aufbereitung 220 aufbereitet werden. Hier kann insbesondere eine Trocknung, Anpassung der Temperatur und/oder Abscheidung unerwünschter Gase bzw. Bestandteile stattfinden. Teil des Kathodengassystems 200 kann ein Bypass 230 sein, welcher dazu geeignet ist, das Kathodengas parallel zu einem Strömungspfad innerhalb der Kathode 110 vom Kathodeneingang 111 zu Kathodenausgang 112 zu leiten, sodass das Kathodengas die Kathode 110 nicht passieren muss. Dieser Bypass 230 ist durch ein Bypassventil 231 regelbar, welches in einem geöffneten Zustand ermöglicht, das Kathodengas vorbei einer Kathode 110 zur Abluft 400 strömen kann und in einem geschlossenen Zustand verhindert, dass das Kathodengas parallel zur Kathode 110 direkt zur Abluft 400 strömt.
Ferner zeigt die 1 noch eine Kühlvorrichtung 500, welche dazu geeignet ist, die Brennstoffzelle 100 zu kühlen bzw. zu temperieren.
Gemäß der 1 kann ebenfalls ein Sensorsystem 600 vorgesehen sein, welches insbesondere zumindest einen Sensor 610 aufweist. Das Sensorsystem 600 ist dazu ausgebildet, einen oder mehrere Anforderungszustandsparameter eines nicht dargestellten Verbrauchers 20 und/oder des Brennstoffzellensystems 10 bzw. der Brennstoffzelle 100 zu erfassen. Bei dem Sensor 610 kann sich insbesondere um einen Sensor handeln, welche dazu geeignet ist, die Konzentration des zweiten Reaktanten in der Brennstoffzelle 100 zu erfassen. Der Sensor 610 kann beispielsweise ebenfalls als Stellsensor 610 ausgebildet sein, welcher die Position als Gaspedals in einem Fahrzeug 20 erkennt.
Die 2 veranschaulicht ein Verfahren zum Betreiben des Brennstoffzellensystems 10. Dabei wird, ausgehend von einem Normalzustand 1, in einen Anforderungszustand 2 gewechselt, wenn eine Benutzereingabe 3 am Verbraucher 20, insbesondere durch eine Benutzerschnittstelle, und/oder wenn eine Erkennung 4 eines Anforderungszustandsparameters der Brennstoffzelle 100 insbesondere durch ein Steuergerät erfolgt. Die Benutzereingabe 3 und die Erkennung 4 eines Anforderungszustandsparameters werden in jedem Zeitschritt des Steuergeräts berücksichtigt.
Die 3 zeigt schließlich einen Verbraucher 20, welcher beispielhaft als Fahrzeug 20 dargestellt ist, welcher ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem 10 aufweist. Das Brennstoffzellensystem 10 ist dazu geeignet, ein Kathodengas mit einem ersten Reaktanten und ein Anodengas mit einem zweiten Reaktanten in einer Brennstoffzelle 100 zu verstromen, also durch eine chemische Reaktion der Reaktanten direkt Strom bereitzustellen, wobei das Brennstoffzellensystem 10 ein Steuergerät aufweist, welches dazu ausgeführt ist, das Brennstoffzellensystem 10 einem erfindungsgemäßen Verfahren zu betreiben.
Die voranstehende Erläuterung der Ausführungsformen beschreibt die vorliegende Erfindung ausschließlich im Rahmen von Beispielen. Selbstverständlich können einzelne Merkmale der Ausführungsformen, sofern technisch sinnvoll, frei miteinander kombiniert werden, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.

Claims

Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems (10) für einen Verbraucher (20), insbesondere ein Fahrzeug (20), bei dem ein Kathodengas mit einem ersten Reaktanten und ein Anodengas mit einem zweiten Reaktanten in einer Brennstoffzelle (100) verstromt werden, wobei in einem Normalzustand (1) die Brennstoffzelle (100) betrieben und derart gespült wird, dass sich eine Normalbetriebskonzentration des zweiten Reaktanten in einer Anode (120) der Brennstoffzelle (100) einstellt, und in einem Anforderungszustand (2) die Brennstoffzelle (100) betrieben und derart gespült wird, dass sich eine Anforderungskonzentration des zweiten Reaktanten in der Anode (120) einstellt, wobei die Anforderungskonzentration höher ist als die Normalbetriebskonzentration.
Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Normalzustand (1) das Spülen zeitdiskret und/oder energieoptimal erfolgt.
Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Anforderungszustand (2) ausgelöst wird durch eine Erfassung und/oder Verarbeitung einer Benutzereingabe (3) am Verbraucher (20), insbesondere durch eine Benutzerschnittstelle und/oder durch eine Erkennung (4) eines Anforderungszustandsparameters der Brennstoffzelle (100), insbesondere durch ein Steuergerät.
Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Anforderungszustand (2) die Menge des Anodengases, mit dem gespült wird und/oder die Spüldauer gegenüber dem Normalzustand (1) erhöht ist.
Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Normalzustand (1) und/oder im Anforderungszustand (2) ein Kathodengassystem (200) ein Kathodengas mit dem ersten Reaktanten in einen Kathodeneingang (111) einer Kathode (110) einer Brennstoffzelle (100) eingeleitet und von einem Kathodenausgang (112) zu einer Abluft (400) abgeleitet wird, wobei sich stromabwärts der Brennstoffzelle (100) das Anodengas und das Kathodengas vor der Abluft (400) vermischen, wobei im Anforderungszustand (2) die Menge des Kathodengases, dass mit dem Anodengas vermischt wird, gegenüber dem Normalzustand (1) erhöht wird.
Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems (10) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass im Anforderungszustand (2) das Kathodengas zumindest teilweise über einen Bypass (230) um die Kathode (110) stromabwärts der Kathode (110) geleitet wird.
Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems (10) nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Anforderungszustandsparameter des Verbrauchers (20) ausgebildet ist als ein oder mehrerer der folgenden Parameter: - ein Gesundheitszustand der Brennstoffzelle (100), - eine Spannung der Brennstoffzelle (100), - eine Temperatur der Brennstoffzelle (100), - eine Kühlleistung einer Kühlvorrichtung (500) zum Kühlen der Brennstoffzelle (100), - ein Füllstand des Anodengastanks (310), - eine Konzentration des ersten Reaktanten in der Brennstoffzelle (100), - eine Konzentration des zweiten Reaktanten in der Brennstoffzelle (100), - eine Konzentration von Stickstoff in der Brennstoffzelle (100).
Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Anodengassystem (300) mit einer Pumpe (332) zur Rezirkulation des Anodengases zwischen einem Anodenausgang (312) der Anode (310) und einem Anodeneingang (311) der Anode (310) vorgesehen ist, wobei im Anforderungszustand (2) eine Pumpleistung der Pumpe (332) gegenüber dem Normalzustand (1) erhöht ist, und/oder dass das Anodengassystem (300) ein Anodengasdosierventil (322) zum Eindosieren von Anodengas vom Anodengastank (310) zur Anode (120) aufweist, wobei im Anforderungszustand (2) die Eindosierung von Anodengas gegenüber dem Normalzustand (1) erhöht ist und/oder dass das Anodengassystem (300) ein Purgeventil (340) aufweist, welches in einem geschlossenen Zustand die Ableitung des Anodengases an die Abluft (400) verhindert und in einem offenen Zustand die Ableitung des Anodengases an die Abluft (400) zulässt, wobei im Anforderungszustand (2) das Purgeventil (340) mehr Anodengas zur Ableitung an die Abluft (400) abgibt als im Normalzustand (1).
Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Brennstoffzellensystems (10) ferner ein Sensorsystem (600) aufweist, welches dazu ausgebildet ist, einen oder mehrere Anforderungszustandsparameter des Verbrauchers (20) und/oder der Brennstoffzelle (100) zu erfassen, wobei das Sensorsystem (600) insbesondere einen Sensor für den zweiten Reaktanten (610) aufweist, der dazu ausgebildet ist, die Konzentration des zweiten Reaktanten in der Brennstoffzelle (100) zu erfassen.
Ein Brennstoffzellensystem (10), für einen Verbraucher (20), insbesondere ein Fahrzeug (20), bei dem ein Kathodengas mit einem ersten Reaktanten und ein Anodengas mit einem zweiten Reaktanten in einer Brennstoffzelle (100) verstromt werden, dadurch gekennzeichnet, dass ein Steuergerät vorgesehen ist, wobei das Steuergerät dazu ausgeführt ist, das Brennstoffzellensystem (10) nach einem Verfahren nach den vorangehenden Ansprüchen zu betreiben.