DE102022204149A1 - Verfahren zum Unterschreiten einer unteren Wasserstoff-Explosionsgrenze in einem Auspuff eines Brennstoffzellenaggregats - Google Patents

Verfahren zum Unterschreiten einer unteren Wasserstoff-Explosionsgrenze in einem Auspuff eines Brennstoffzellenaggregats Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verhindern eines selbsttätig fortgesetzten Entflammens von Wasserstoff in einem Auspuff (150) eines Brennstoffzellenaggregats, insbesondere eines Brennstoffzellenfahrzeugs, bei einem Start des Brennstoffzellenaggregats, wobei bei Vorliegen wenigstens einer Startbedingung des Brennstoffzellenaggregats, aus einem kathoden- und/oder auspuffseitigen Gas des Brennstoffzellenaggregats reaktiver Wasserstoff entfernt wird, bis beim Start des Brennstoffzellenaggregats im Auspuff (150) eine aktuelle Höhe einer Wasserstoff-Konzentration unter der unteren Wasserstoff-Explosionsgrenze liegt, und das Verfahren bevorzugt lediglich dann durchgeführt wird, wenn eine anfängliche Höhe der Wasserstoff-Konzentration des kathoden- und/oder auspuffseitigen Gases im Brennstoffzellenaggregat über der unteren Wasserstoff-Explosionsgrenze für den Auspuff (150) liegt.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verhindern eines selbsttätig fortgesetzten Entflammens von Wasserstoff in einem Auspuff eines Brennstoffzellenaggregats, insbesondere eines Brennstoffzellenfahrzeugs. Ferner betrifft die Erfindung ein Brennstoffzellenaggregat, ein Brennstoffzellensystem oder ein Brennstoffzellenfahrzeug.
  • Stand der Technik
  • In einer Niedertemperatur-Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle eines Brennstoffzellenaggregats (stationär oder mobil) z. B. eines Brennstoffzellensystems bspw. eines Brennstoffzellenfahrzeugs erfolgt eine elektrochemische Wandlung zweier Reaktanten zweier Betriebsmedien in elektrische Energie und Wärme. Hierbei umfasst die Brennstoffzelle zumindest eine Membran-Elektroden-Einheit (MEA: Membrane Electrode Assembly). In der Regel ist die Brennstoffzelle mit einer Vielzahl von in einem Stapel angeordneter Membran-Elektroden-Einheiten und dazwischen angeordneter Bipolarplatten ausgebildet (Brennstoffzellenstapel bzw. Stack).
  • Eine Integrität der Katalysatorschichten der Membran-Elektroden-Einheiten ist entscheidend für eine Leistungscharakteristik und eine Lebensdauer des Brennstoffzellenstapels. Daher wird beim Abstellen des Brennstoffzellenaggregats der Brennstoffzellenstapel kathoden- und anodenseitig abgesperrt, um die Vorbedingungen für einen die Katalysatorschichten der Kathode des Brennstoffzellenstapels schädigenden Luft/Luft-Starts des Brennstoffzellenaggregats nach Möglichkeit zu verzögern. Liegen Bedingungen für einen Luft/Luft-Start vor, sollten entsprechende Gegenmaßnahmen vor einem Start des Brennstoffzellenaggregats ergriffen werden.
  • Aufgabenstellung
  • Bevor Bedingungen für einen Luft/Luft-Start vorliegen, diffundiert Stickstoff aus der Kathode in die Anode und Wasserstoff in die Kathode des Brennstoffzellenstapels. Wasserstoff in der Kathode kann bei einem Start des Brennstoffzellenaggregats zu einer erhöhten Wasserstoff-Konzentration in einem Auspuff des Brennstoffzellenaggregats führen, wodurch dort eine Einhaltung der unteren Explosionsgrenze (UEG) nicht immer gewährleistet ist. - Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, eine Wasserstoff-Konzentration in einem Auspuff eines Brennstoffzellenaggregats niedrig zu halten, sodass dort ein sich selbsttätig fortsetzendes Entflammen des Wasserstoffs im Auspuff nicht möglich ist, sich also nach einem Zünden von Wasserstoff eine von der Zündquelle unabhängige Flamme im Auspuff nicht mehr fortsetzen kann.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Die Aufgabe der Erfindung ist durch ein Verfahren zum Verhindern eines selbsttätig fortgesetzten Entflammens von Wasserstoff in einem Auspuff eines Brennstoffzellenaggregats, insbesondere eines Brennstoffzellenfahrzeugs, bei einem Start des Brennstoffzellenaggregats; sowie mittels eines Brennstoffzellenaggregats, eines Brennstoffzellensystems oder eines Brennstoffzellenfahrzeugs gelöst. - Vorteilhafte Weiterbildungen, zusätzliche Merkmale und/oder Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und der folgenden Beschreibung.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird bei Vorliegen wenigstens einer Startbedingung des Brennstoffzellenaggregats, aus einem kathoden- und/oder auspuffseitigen Gas des Brennstoffzellenaggregats reaktiver Wasserstoff entfernt, bis beim Start des Brennstoffzellenaggregats im Auspuff eine aktuelle Höhe einer Wasserstoff-Konzentration unter der unteren Wasserstoff-Explosionsgrenze liegt, wobei das Verfahren bevorzugt lediglich dann durchgeführt wird, wenn eine anfängliche Höhe der Wasserstoff-Konzentration des kathoden- und/oder auspuffseitigen Gases im Brennstoffzellenaggregat über der unteren Wasserstoff-Explosionsgrenze für den Auspuff liegt.
  • D. h. gemäß der Erfindung wird vor einer eigentlichen Inbetriebnahme des Brennstoffzellenstapels des Brennstoffzellenaggregats eine Wasserstoff-Konzentration im kathoden- und/oder auspuffseitigen Gas für den Auspuff des Brennstoffzellenaggregats derart verringert, dass die untere Wasserstoff-Explosionsgrenze des Gases wenigstens im Auspuff unterschritten wird. Dies kann sich natürlich auch auf die Kathode beziehen. In der Kathode ist die Problematik einer Entflammung (Explosion) des Wasserstoffs geringer ausgeprägt, sodass ein Fokus der Erfindung auf dem Auspuff liegt.
  • Der Bezug kathoden- und/oder auspuffseitig soll dabei bedeuten, dass es sich um Wasserstoff insbesondere aus der Kathode des Brennstoffzellenstapels des Brennstoffzellenaggregats handelt, wobei der Wasserstoff von der Anode des Brennstoffzellenstapels in die Kathode diffundiert ist. Hierbei ist es egal ob sich der Wasserstoff nun in einem Kathoden-Versorgungspfad, in den Kathodenräumen des Brennstoffzellenstapels, in einem Kathoden-Abgaspfad, in einem Wastegate oder Bypass der Kathodenversorgung, stromabwärts davon, in einem Anoden-Abgaspfad einer Anodenversorgung (Purge-Leitung oder ähnliches) und/oder im Auspuff befand oder befindet. Wichtig ist, dass bei der eigentlichen Inbetriebnahme des Brennstoffzellenstapels, die Wasserstoff-Konzentration im Auspuff unter der unteren Wasserstoff-Explosionsgrenze liegt.
  • Das Entfernen von reaktivem Wasserstoff aus dem kathoden- und/oder auspuffseitigen Gas kann durch Sauerstoff, bevorzugt durch einen Kontakt des kathoden- und/oder auspuffseitigen Gases mit Luft, erfolgen. Hierbei kann Luft in das kathoden- und/oder auspuffseitige Gas hinein diffundieren, Luft an das kathoden- und/oder auspuffseitige Gas heran gefördert werden, und/oder Luft in das kathoden- und/oder auspuffseitige Gas hinein gefördert werden. D. h. der reaktive Wasserstoff im kathoden- und/oder auspuffseitigen Gas reagiert durch Sauerstoff, insbesondere Luftsauerstoff, ab. In der zeitlichen Folge kann das Brennstoffzellenaggregat gestartet und der Brennstoffzellestapel betrieben werden. Ein Wasserstoff-Konzentrationspeak im Auspuff wird wirksam verhindert.
  • Zeitlich vor dem Vorliegen der wenigstens einen Startbedingung wird und/oder ist eine Fluidkommunikation der Kathode mit der Umgebung unterbunden. Hierbei kann eine Leckage auftreten (eine der Ursachen für einen möglichen späteren Luft/Luft-Start des Brennstoffzellenaggregats). Hierbei können beide Kathoden-Absperrventile geschlossen werden und/oder sein. Auch hier kann eine Leckage insbesondere aufgrund der Absperrventile auftreten (also wiederum eine der Ursachen für einen späteren möglichen Luft/Luft-Start). Ferner wird und/oder ist die Anode des Brennstoffzellenaggregat abgesperrt.
  • Die wenigstens eine Startbedingung des Brennstoffzellenaggregats kann durch ein Signal eines beabsichtigten Starts oder einen Start des Brennstoffzellenaggregats gekennzeichnet sein. Ferner kann die Startbedingung durch ein vorbestimmtes oder ein vorab ermitteltes Datum gekennzeichnet sein, und/oder durch ein KI-basiertes Modell bestimmt werden. Darüber hinaus kann die Startbedingung durch ein internes Signal gekennzeichnet sein, welches von einem Brennstoffzellensystem des Brennstoffzellenaggregats stammt. Des Weiteren kann die Startbedingung durch ein externes Signal gekennzeichnet sein, welches von jenseits des/eines Brennstoffzellensystems des Brennstoffzellenaggregats stammt. Hierbei ist das Brennstoffzellenaggregat natürlich dem Brennstoffzellensystem zugehörig.
  • Die anfängliche Höhe der Wasserstoff-Konzentration im kathoden- und/oder auspuffseitigen Gas kann abgeschätzt, ermittelt und/oder gemessen werden. Hierbei kann z. B. die anfängliche Höhe bevorzugt aufgrund einer Stillstandszeit des Brennstoffzellenaggregats abgeschätzt werden. Die die anfängliche Höhe der Wasserstoff-Konzentration kann ferner durch eine vorbekannte Kennlinie oder ein vorbekanntes Kennfeld und/oder ein KI-basiertes Modell ermittelt werden. Darüber hinaus kann die anfängliche Höhe durch einen kathodenseitigen Sensor, insbesondere einen Wasserstoff-Sensor, gemessen oder ermittelt werden. Des Weiteren kann die anfängliche Höhe ggf. durch einen anodenseitigen Sensor, insbesondere einen Wasserstoff-Sensor, ermittelt werden.
  • Anhand der anfänglichen Höhe der Wasserstoff-Konzentration im kathoden- und/oder auspuffseitigen Gas kann dann natürlich entscheiden werden, ob die Wasserstoff-Konzentration über der unteren Wasserstoff-Explosionsgrenze für den Auspuff liegt oder nicht. Ist ersteres der Fall wird das Verfahren fortgeführt, ist zweiteres der Fall kann das Verfahren abgebrochen und mit dem Start des Brennstoffzellenaggregats fortgefahren werden.
  • Für das Entfernen von reaktivem Wasserstoff aus dem kathoden- und/oder auspuffseitigen Gas kann eine Fluid-Fördereinrichtung einer Kathodenversorgung des Brennstoffzellenaggregats gestartet und betrieben werden. Hierbei kann ein Wastegate der Kathodenversorgung oder ein kathodenseitiger Bypass des Brennstoffzellenstapels geöffnet werden und bleiben, oder geschlossen bleiben.
    • - Hierbei kann ein Kathodeneinlass-Absperrventil geöffnet werden und ein Kathodenauslass-Absperrventil der Kathodenversorgung geschlossen bleiben. Hierbei bleibt insbesondere das Wastegate oder der kathodenseitige Bypass geschlossen. Alternativ kann ein Kathodenauslass-Absperrventil geöffnet werden und ein Kathodeneinlass-Absperrventil der Kathodenversorgung geschlossen bleiben. Hierbei wird insbesondere das Wastegate oder der kathodenseitige Bypass geöffnet.
  • Z. B. kann zunächst die Fluid-Fördereinrichtung der Kathodenversorgung gestartet werden und in der zeitlichen Folge das eine Kathoden-Absperrventil geöffnet werden. Alternativ kann zunächst das eine Kathoden-Absperrventil geöffnet werden und in der zeitlichen Folge die Fluid-Fördereinrichtung der Kathodenversorgung gestartet werden. Wiederum alternativ können die Fluid-Fördereinrichtung der Kathodenversorgung gestartet und im Wesentlichen zeitlich parallel dazu das eine Kathoden-Absperrventil geöffnet werden. Das Wastegate oder der kathodenseitige Bypass müssen dabei entsprechend geöffnet werden (Kathodenauslass-Absperrventil offen) ober geschossen sein (Kathodeneinlass-Absperrventil offen).
  • Für das Entfernen von reaktivem Wasserstoff aus dem kathoden- und/oder auspuffseitigen Gas, kann die Kathode wenigstens ein Mal eingangsseitig und ein Mal ausgangsseitig, oder wechselweise, ggf. sogar mit einer höheren Frequenz (größer 0,5 Hz), eingangs- und ausgangsseitig mit Luft beaufschlagt oder befüllt werden. - Z. B. wird hierfür die Fluid-Fördereinrichtung der Kathodenversorgung gestartet und das Kathodeneinlass-Absperrventil geöffnet, wobei einerseits das Kathodenauslass-Absperrventil sowie anderseits das Wastegate der Kathodenversorgung oder der kathodenseitige Bypass geschlossen bleiben. Dabei wird Luft eingangsseitig in die Kathode gedrückt bzw. gefördert. - Nun wird das Kathodeneinlass-Absperrventil geschlossen, wobei die Fluid-Fördereinrichtung weiterhin fördern, mit geringerer Leistung betrieben werden oder ggf. sogar abgeschaltet werden kann.
  • In der zeitlichen Folge wird einerseits das Kathodenauslass-Absperrventil sowie anderseits das Wastegate der Kathodenversorgung oder der kathodenseitige Bypass geöffnet. Ventile, die nicht ausgangsseitig zur Kathode führen müssen bzw. können ebenfalls geschlossen werden, damit Luft ausgangsseitig in die Kathode gedrückt bzw. gefördert werden kann. Ferner fördert hierbei wieder die Fluid-Fördereinrichtung analog zur eingangsseitigen Versorgung der Kathode mit Luft. Nun wird Luft ausgangsseitig in die Kathode gefördert bzw. gedrückt. - Nun kann in der zeitlichen Folge die Kathode wieder eingangsseitig mit Luft versorgt werden etc. - Welche Frequenz sich für das Entfernen von reaktivem Wasserstoff aus dem kathoden- und/oder auspuffseitigen Gas gut oder am besten eignet lässt sich experimentell ermitteln.
  • Beim Entfernen von reaktivem Wasserstoff kann die aktuelle Höhe der Wasserstoff-Konzentration im kathoden- und/oder auspuffseitigen Gas abgeschätzt, ermittelt und/oder gemessen werden. So kann die aktuelle Höhe der Wasserstoff-Konzentration z. B. aufgrund einer vorherigen Stillstandszeit des Brennstoffzellenaggregats abgeschätzt werden. Ferner kann die aktuelle Höhe durch eine vorbekannte Kennlinie oder ein vorbekanntes Kennfeld und/oder ein KI-basiertes Modell ermittelt werden. Darüber hinaus kann die aktuelle Höhe der Wasserstoff-Konzentration im kathoden- und/oder auspuffseitigen Gas durch einen kathodenseitigen oder auspuffseitigen Sensor, insbesondere einen Wasserstoff-Sensor, gemessen oder ermittelt werden.
  • Liegt die z. B. abgeschätzte, ermittelte und/oder gemessene aktuelle Höhe der Wasserstoff-Konzentration im kathoden- und/oder auspuffseitigen Gas unter der unteren Wasserstoff-Explosionsgrenze, so wird das noch geschlossene Kathoden-Absperrventil, insbesondere das Kathodenauslass-Absperrventil oder das Kathodeneinlass-Absperrventil, geöffnet und der Start des Brennstoffzellenaggregats kann fortgeführt werden. - Das gesamte Verfahren kann z. B. aufgrund eines internen Signals durchgeführt werden, welches vom Brennstoffzellenaggregat stammt. Ferner kann gesamte Verfahren aufgrund eines externen Signals durchgeführt werden, welches von jenseits des Brennstoffzellenaggregats stammt. Darüber hinaus kann das gesamte Verfahren bei im Wesentlichen jedem Start des Brennstoffzellenaggregats durchgeführt werden.
  • Die Erfindung kann einfach durch Beobachtung eines kathodenseitigen Fluiddrucks bzw. Fluidmassenstroms während des Starts des Brennstoffzellenaggregats, insbesondere während einer Befüllung der Kathode mit frischer Luft nachgewiesen werden. Auch die Beobachtung der Reihenfolge und eines zeitlichen Verlaufs einer Betätigung der Absperrventile ist bzgl. eines Nachweises der Erfindung möglich.
  • Kurzbeschreibung der Figuren
  • Die Erfindung ist im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügte schematische und nicht maßstabsgetreue Zeichnung näher erläutert. Bei der Erfindung kann ein Merkmal positiv, d. h. vorhanden, oder negativ, d. h. abwesend, ausgestaltet sein. In dieser Spezifikation ist ein negatives Merkmal als Merkmal nicht explizit erläutert, wenn nicht gemäß der Erfindung Wert daraufgelegt ist, dass es abwesend ist. D. h. die tatsächlich gemachte und nicht eine durch den Stand der Technik konstruierte Erfindung darin besteht, dieses Merkmal wegzulassen. Das Fehlen eines Merkmals (negatives Merkmal) in einem Ausführungsbeispiel zeigt, dass das Merkmal optional ist. - In den lediglich beispielhaften Figuren (Fig.) der Zeichnung zeigen:
    • Die 1 in einem vereinfachten Blockschaltbild eine Ausführungsform eines Brennstoffzellenaggregats für ein Brennstoffzellensystem eines Brennstoffzellenfahrzeugs,
    • die 2 in einem vereinfachten Blockschaltbild eine in Bezug auf die 1 alternative Ausführungsform einer Kathodenversorgung des Brennstoffzellenaggregats, und
    • die 3 ein mögliches Ablaufdiagramm für ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Verhindern eines selbsttätig fortgesetzten Entflammens von Wasserstoff in einem Auspuff des Brennstoffzellenaggregats.
  • Ausführungsformen der Erfindung
  • Die Erfindung ist anhand eines Verfahrens 200 (vgl. die 3) zum Unterschreiten einer unteren Wasserstoff-Explosionsgrenze in einem Auspuff 150 eines Brennstoffzellenaggregats 1 (vgl. die 1 und 2), d. h. anhand eines Verfahrens 200 (vgl. die 3) zum Verhindern eines selbsttätig fortgesetzten Entflammens von Wasserstoff im Auspuff 150 des Brennstoffzellenaggregats 1 für ein Niedertemperatur-Polymerelektrolyt-Brennstoffzellensystem eines Brennstoffzellenfahrzeugs, d. h. eines Kraftfahrzeugs aufweisend eine Brennstoffzelle bzw. ein Brennstoffzellensystem, näher erläutert.
  • In der Zeichnung sind nur diejenigen Abschnitte (1: Brennstoffzellenaggregat 1) des Brennstoffzellensystems dargestellt, welche für ein Verständnis der Erfindung notwendig sind. Obwohl die Erfindung im Detail durch bevorzugte Ausführungsbeispiele näher beschrieben und illustriert ist, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Ausführungsbeispiele eingeschränkt. Andere Variationen können hieraus abgeleitet werden ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
  • Die 1 zeigt das Brennstoffzellenaggregat 1 gemäß einer Ausführungsform, mit wenigstens einer, insbesondere einer Mehrzahl von zu einem Brennstoffzellenstapel 10 gebündelten elektrochemischen Einzel-Brennstoffzellen 11, 11, ... (Einzelzellen 11, 11, ...), die in einem bevorzugt fluiddichten Stapelgehäuse 16 untergebracht sind. Jede Einzelzelle 11 umfasst einen als Anodenraum 12 ausgebildeten Elektrodenraum 12 bevorzugt mit einer Gasdiffusionslage (ggf. inkl. einer mikroporösen Partikellage), und einen als Kathodenraum 13 ausgebildeten Elektrodenraum 13 bevorzugt mit einer Gasdiffusionslage (ggf. inkl. einer mikroporösen Partikellage), die von einer Membran einer Membran-Elektroden-Einheit 15 räumlich und elektrisch voneinander getrennt sind. Hierbei sind die Gasdiffusionslagen bevorzugt der Membran-Elektroden-Einheit 15 zugehörig.
  • Zwischen zwei direkt zueinander benachbarten Membran-Elektroden-Einheiten 15, 15 inkl. eines betreffenden Anodenraums 12 und Kathodenraums 13 ist jeweils eine Bipolarplatte 14 (Separatorplatten-Baugruppe bevorzugt aus einer Anodenplatine (Elektrodenplatine) und einer Kathodenplatine (Elektrodenplatine)) angeordnet, welche u. a. einer Hinführung/Abführung von Betriebsmedien 3, 5 in einen Anodenraum 12 einer ersten Einzelzelle 11 und einen Kathodenraum 13 einer direkt dazu benachbarten zweiten Einzelzelle 11 dient und darüber hinaus eine elektrisch leitende Verbindung zwischen diesen Einzelzellen 11, 11 realisiert.
  • Zur Versorgung des Brennstoffzellenstapels 10 mit seinen eigentlichen Betriebsmedien 3 (Anoden-Betriebsmedium, eigentlicher Brennstoff), 5 (Kathoden-Betriebsmedium, meist Luft) weist das Brennstoffzellenaggregat 1 eine Anodenversorgung 20 und eine Kathodenversorgung 30 auf. - Die Anodenversorgung 20 umfasst insbesondere: einen Brennstoffspeicher 23 für das Anoden-Betriebsmedium 3 (hinströmend); einen Anoden-Versorgungspfad 21 mit einem Absperr-/Dosierventil 27 und einem Ejektor 24; einen Anoden-Abgaspfad 22 für ein Anoden-Abgasmedium 4 (abströmend, meist in die Umgebung 2); bevorzugt eine Brennstoff-Rezirkulationsleitung 25 mit einer darin befindlichen Fluid-Fördereinrichtung 26; ggf. einen Wasserabscheider und ggf. einen Wasserbehälter.
  • Die Kathodenversorgung 30 umfasst insbesondere: einen Kathoden-Versorgungspfad 31 für das Kathoden-Betriebsmedium 5 (hinströmend, meist aus der Umgebung 2), mit bevorzugt einer Fluid-Fördereinrichtung 33; einen Kathoden-Abgaspfad 32 für ein Kathoden-Abgasmedium 6 (abströmend, meist in die Umgebung 2), mit bevorzugt einer Turbine 34, insbesondere für die Fluid-Fördereinrichtung 33; bevorzugt einen Feuchteübertrager 36; ggf. ein Wastegate 35 zwischen dem Kathoden-Versorgungspfad 31 und dem Kathoden-Abgaspfad 22; ggf. einen Wasserabscheider und ggf. einen Wasserbehälter.
  • Das Brennstoffzellenaggregat 1 umfasst ferner insbesondere eine Kühlmediumversorgung 40 eines Thermalsystems insbesondere des Brennstoffzellenfahrzeugs, durch welche hindurch die Brennstoffzelle bevorzugt mittels ihrer Bipolarplatten 100 (Kühlmediumpfade 43) in einen Kühlkreislauf wärmeübertragend zum Temperieren einbindbar ist. Die Kühlmediumversorgung 40 umfasst einen Kühlmedium-Zulaufpfad 41 und einen Kühlmedium-Ablaufpfad 42. Eine Förderung des in der Kühlmediumversorgung 40 zirkulierenden Kühlmediums 7 (hinströmend), 8 (abströmend) erfolgt bevorzugt mittels wenigstens einer Kühlmedium-Fördereinrichtung 44. - Das Brennstoffzellensystem umfasst neben dem Brennstoffzellenaggregat 1 periphere Systemkomponenten, wie z. B. ein Steuergerät, welches eines des Brennstoffzellenfahrzeugs selbst sein kann.
  • Die 2 zeigt eine alternative Kathodenversorgung 30 des Brennstoffzellenstapels 10. Hierbei kann ein positives oder negatives Merkmal der 1 bei der 2 und umgekehrt angewendet sein. - Die Kathodenversorgung 30 der 2 zeigt gegenüber der 1 ferner einen Luftfilter 110 stromaufwärts der Fluid-Fördereinrichtung 33 und einen Wärmetauscher 120 stromabwärts der Fluid-Fördereinrichtung 33, wobei der Wärmetauscher 120 insbesondere in das Thermalsystem eingebunden sein kann. Des Weiteren zeigt die 2 eine ,Kathode 130' des Brennstoffzellenstapels 10, welche beim Abstellen (vgl. unten) des Brennstoffzellenaggregats 1 mittels eines Kathodeneinlass-Absperrventils 131 im Kathoden-Versorgungspfad 31 und eines Kathodenauslass-Absperrventils 132 im Kathoden-Abgaspfad 32 abgesperrt werden kann. Der Kathoden-Abgaspfad 32 mündet stromabwärts z. B. in einer Abgasleitung 160 des Brennstoffzellenaggregats 1.
  • Die eigentliche Kathode 130 des Brennstoffzellenstapels 10 ist dabei insbesondre in den Kathodenräumen 13, 13, ... der Einzelzellen 11, 11, ... eingerichtet. Ein kathodenseitiges Gas befindet sich dabei in der Kathode 130`, also eigentlich in den Kathodenräumen 13, 13, ... der Einzelzellen 11, 11, ... , in wenigstens einem Kathoden-Versorgungskanal des Kathoden-Betriebsmediums 5 am und im Brennstoffzellenstapel 10, sowie in wenigstens einen Kathoden-Entsorgungskanal des Kathoden-Abgasmediums 6 am und im Brennstoffzellenstapel 10. Bei einem Stillstand des Brennstoffzellenaggregats 1 kann dort das kathodenseitige Gas des Brennstoffzellenaggregats 1 zwischen dem geschlossenen Kathodeneinlass-Absperrventil 131 und dem geschlossenen Kathodenauslass-Absperrventil 132 eingeschlossen sein.
  • Bei einem Start des Brennstoffzellenaggregats 1 vermischt sich dieses kathodenseitige Gas mit einem stromabwärts in einem Auspuff 150 des Brennstoffzellenaggregats 1 befindlichen auspuffseitigen Gas des Brennstoffzellenaggregats 1.
  • Hierbei mündet die Abgasleitung 160 stromabwärts im Auspuff 150. Es entsteht ein kathoden- und auspuffseitiges Gas, welches ggf. eine Wasserstoff-Konzentration aufweisen kann, welche über der unteren Wasserstoff-Explosionsgrenze im Auspuff 150 liegt. Ferner ist dem Auspuff 150 insbesondere ein Druckregler 140 des Brennstoffzellenaggregats 1 an/in der Abgasleitung 160 stromaufwärts vorgeschaltet.
  • Ein Abstellverfahren für ein Brennstoffzellenaggregat 1, insbesondere im Fahrzeugbereich, beinhaltet typischerweise folgende Schritte. Erstens: Trockenblasen der stromlosen Kathode 130 (also der einzelnen Kathoden in den Kathodenräumen 13, 13, ...) des Brennstoffzellenstapels 10. Zweitens: Absperrventile 131, 132 der Kathode 130 schließen. Drittens: Sauerstoff-Absenkung (Bleed-down) der Kathode 130 durch Anlegen einer geringen Last, wodurch sich ein geringer Sauerstoff-Partialdruck auf der Kathode 130 einstellt. Viertens: Absperrventile der Anode (einzelne Anoden in den Anodenräumen 12, 12, ...) schließen. - Dadurch wird der Brennstoffzellenstapel 10 in einen Zustand Stickstoff auf der Kathode und Wasserstoff auf der Anode versetzt, jeweils befeuchtet und auf der Anode mit Resten von Stickstoff.
  • Beim Abstellen des Brennstoffzellenaggregats 1 wird also ein kathodenseitiges Gas mittels der Kathoden-Absperrventile 131, 132 am und im Brennstoffzellenstapel 10 eingesperrt. Dies dient dazu, dass Luft bzw. Sauerstoff nicht in die Kathode 130 eindringt, um degradierende elektrochemische Potentiale bei einem folgenden Neustart des Brennstoffzellenaggregats 1 zu verhindern. Insbesondere sollen dadurch die Kathode 130 schädigende, sogenannte Luft/Luft-Starts des Brennstoffzellenaggregats 1 verhindert werden.
  • Mit der Zeit diffundiert Wasserstoff von der Anode über die Membran-Elektroden-Einheiten 15, 15, ... zur Kathode 130 und bleibt in der Kathode 130 eingeschlossen. Bei einem nachfolgendem Start des Brennstoffzellenaggregats 1 wird dieser Wasserstoff durch die Luftströmung gespült. Das kann zu einer erhöhten Wasserstoff-Konzentrationen im Auspuff 150 führen. Eine Einhaltung der unteren Explosionsgrenze ist dabei nicht immer gewährleistet. - Nachfolgend ist eine Ausführungsform der Erfindung beschrieben, wie einer zu hohen Wasserstoff-Konzentration in der Kathode 130 und somit dann auch einer zu hohen Wasserstoff-Konzentration bei einem Start des Brennstoffzellenaggregats 1 im Auspuff 150 begegnet werden kann. Dies ist beispielhaft im Ablaufdiagramm der 3 verdeutlichet. Natürlich ist die Erfindung nicht darauf beschränkt (vgl. oben).
  • Vor dem Durchführen des Verfahrens ist die Kathode 130 abgesperrt, wobei insbesondere die beiden Kathoden-Absperrventile 131, 132 geschossen wurden und geschlossen sind. Ferner ist bevorzugt auch die Anode bevorzugt ebenfalls mittels Absperrventilen abgesperrt. Dies ist in der 3 mit dem Bezugszeichen 190 verdeutlicht. - Liegt nun wenigstens eine Startbedingung des Brennstoffzellenaggregats 1 vor (z. B. erster Schritt 210 des Verfahrens 200), so kann das Verfahren 200 zum Verhindern eines selbsttätig fortgesetzten Entflammens von Wasserstoff im Auspuff 150 des Brennstoffzellenaggregats 1 gestartet werden. Hierbei wird festgestellt, ob wenigstens eine Startbedingung (vgl. oben) des Brennstoffzellenaggregats 1 vorliegt 210.
  • Liegt wenigstens eine Startbedingung vor 210, so kann in der zeitlichen Folge (z. B. zweiter Schritt 220 des Verfahrens 200 (optional)) abgefragt (abgeschätzt, ermittelt und/oder gemessen) werden, ob eine anfängliche Höhe der Wasserstoff-Konzentration des kathoden- und/oder auspuffseitigen Gases über der unteren Wasserstoff-Explosionsgrenze für den und/oder im Auspuff 150 liegt 220 (vgl. oben). Ist dies der Fall (222: ja), so setzt sich das Verfahren 200 fort; ist dies nicht der Fall kann das Verfahren 200 abgebrochen und der Start des Brennstoffzellenaggregats 1 fortgeführt werden (in der 3 nicht dargestellt).
  • Nun kann (z. B. dritter Schritt 230 des Verfahrens 200) reaktiver Wasserstoff aus dem kathoden- und/oder auspuffseitigen Gas entfernt werden 230 (vgl. oben). Hierbei kann der Schritt 230 wenigstens zwei sequentielle (232 => 234, 234 => 232) oder zwei parallele (232/234) Teilschritte 232, 234 umfassen. - Der Teilschritt 232 besteht dabei im Starten der Fluid-Fördereinrichtung 33; oder im Öffnen des Kathodeneinlass-Absperrventils 131, wobei das Kathodenauslass-Absperrventil 132 geschlossen bleibt, bzw. im Öffnen des Kathodenauslass-Absperrventils 132, wobei dann das Kathodeneinlass-Absperrventil 131 geschlossen bleibt. Der Teilschritt 234 besteht dabei im Öffnen des Kathodenauslass-Absperrventils 132, wobei das Kathodeneinlass-Absperrventil 131 geschlossen bleibt, bzw. im Öffnen des Kathodeneinlass-Absperrventils 131, wobei dann das Kathodenauslass-Absperrventil 132 geschlossen bleibt; oder im Starten der Fluid-Fördereinrichtung 33.
  • Hierbei (z. B. vierter Schritt 240 des Verfahrens 200 (optional)) kann abgefragt (abgeschätzt, ermittelt und/oder gemessen) werden, ob eine aktuelle Höhe der Wasserstoff-Konzentration für den Auspuff 150 unter der unteren Wasserstoff-Explosionsgrenze liegt 240 bzw. ist der kathodenseitige Wasserstoff im Wesentlichen abreagiert 240 (vgl. oben)? Ist dies der Fall (242: ja), dann kann das Verfahren 200 seinem Ende entgegen streben; ist dies nicht der Fall wird der Schritt 240 fortgeführt. Alternativ kann das Entfernen von reaktivem Wasserstoff 230 einfach eine vorbestimmte Zeit andauern.
  • Liegt die für den Start des Brennstoffzellenaggregats 1 für den Auspuff 150 zu erwartende bzw. aktuelle Höhe der Wasserstoff-Konzentration unter der unteren Wasserstoff-Explosionsgrenze (242: ja), so kann (z. B. fünfter Schritt 250 des Verfahrens 200) das andere, noch geschlossene Kathoden-Absperrventil 132/131, also das Kathodenauslass-Absperrventil 132 bzw. das Kathodeneinlass-Absperrventil 131, geöffnet werden. - Nun ist das Verfahren 200 beendet 260.
  • Kurzzusammenfassung. - Beim Abstellen eines Brennstoffzellenaggregats 1 wird das kathodenseitige Gas mittels Kathoden-Absperrventilen 131, 132 eingesperrt. Dies dient dazu, dass kein Sauerstoff bzw. keine Luft in die Kathode 130 eindringt, um degradierende elektrochemische Potentiale bei einem folgenden Start des Brennstoffzellenaggregats 1 zu verhindern. Mit der Zeit diffundiert Wasserstoff von der Anode 12, 12, ... über die Membranen zur Kathode 130 und bleibt darin eingeschlossen. Beim Start des Brennstoffzellenaggregats 1 wird diese Wasserstoffmenge durch eine Luftströmung gespült. Das führt zu erhöhten Wasserstoff-Konzentrationen im Auspuff 150. Eine Einhaltung der unteren Explosionsgrenze ist dort ggf. nicht möglich.
  • Um dem zu begegnen wird die Kathode 130 mit frischem Sauerstoff versorgt, damit die darin enthaltene Wasserstoffmenge abreagieren kann und nicht zum Auspuff 150 gelangt. Beim Start des Brennstoffzellenaggregats 1 wird dafür zunächst nur eines der Kathoden-Absperrventile 131/132 geöffnet, bis eine genügend große Wasserstoffmenge mit dem Sauerstoff der Luft in der Kathode 130 abreagiert. Dies erhöht der Sicherheit, da keine oder nur sehr geringe Wasserstoff-Emissionen beim Start vorliegen. Nachdem eine gewisse Wasserstoffmenge in der Kathode 130 abreagiert ist, wird das noch geschlossene Absperrventil 132/131 der Kathode 130 geöffnet, sodass Luft durch die Kathode 130 strömen kann. Das Brennstoffzellenaggregat 1 kann gestartet und normal betrieben werden. Ein Wasserstoffkonzentrationspeak im Auspuff 150 wird sicher verhindert.

Claims (11)

  1. Verfahren (200) zum Verhindern eines selbsttätig fortgesetzten Entflammens von Wasserstoff in einem Auspuff (150) eines Brennstoffzellenaggregats (1), insbesondere eines Brennstoffzellenfahrzeugs, bei einem Start des Brennstoffzellenaggregats (1), dadurch gekennzeichnet, dass bei Vorliegen wenigstens einer Startbedingung (210) des Brennstoffzellenaggregats (1), aus einem kathoden- und/oder auspuffseitigen Gas des Brennstoffzellenaggregats (1) reaktiver Wasserstoff entfernt wird (230), bis beim Start des Brennstoffzellenaggregats (1) im Auspuff (150) eine aktuelle Höhe einer Wasserstoff-Konzentration unter der unteren Wasserstoff-Explosionsgrenze liegt (242), wobei das Verfahren (200) bevorzugt lediglich dann durchgeführt wird, wenn eine anfängliche Höhe der Wasserstoff-Konzentration des kathoden- und/oder auspuffseitigen Gases im Brennstoffzellenaggregat (1) über der unteren Wasserstoff-Explosionsgrenze für den Auspuff (150) liegt (220).
  2. Verfahren (200) gemäß vorhergehendem Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Entfernen (230) von reaktivem Wasserstoff aus dem kathoden- und/oder auspuffseitigen Gas durch Sauerstoff, bevorzugt durch einen Kontakt des kathoden- und/oder auspuffseitigen Gases mit Luft, erfolgt, wobei insbesondere Luft in das kathoden- und/oder auspuffseitige Gas hinein diffundiert, insbesondere Luft an das kathoden- und/oder auspuffseitige Gas heran gefördert wird, und/oder insbesondere Luft in das kathoden- und/oder auspuffseitige Gas hinein gefördert wird.
  3. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zeitlich vor (190) dem Vorliegen der wenigstens einen Startbedingung (210): • eine Fluidkommunikation der Kathode (130) mit der Umgebung (2) unterbunden wird und/oder ist, • beide Kathoden-Absperrventile (131, 132) geschlossen werden und/oder sind, und/oder • die Anode (12,12, ...) des Brennstoffzellenaggregats (1) abgesperrt wird und/oder ist.
  4. Verfahren (200) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Startbedingung (210) des Brennstoffzellenaggregats (1) durch: • ein Signal eines beabsichtigten Starts oder einen Start des Brennstoffzellenaggregats (1) gekennzeichnet ist, • durch ein vorbestimmtes oder ein vorab ermitteltes Datum gekennzeichnet ist, und/oder durch ein KI-basiertes Modell bestimmt wird, • durch ein internes Signal gekennzeichnet ist, welches von einem Brennstoffzellensystem des Brennstoffzellenaggregats (1) stammt, und/oder • durch ein externes Signal gekennzeichnet ist, welches von jenseits des/eines Brennstoffzellensystems des Brennstoffzellenaggregats (1) stammt.
  5. Verfahren (200) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die anfängliche Höhe der Wasserstoff-Konzentration im kathoden- und/oder auspuffseitigen Gas abgeschätzt, ermittelt und/oder gemessen wird (220), wobei die anfängliche Höhe der Wasserstoff-Konzentration bevorzugt: • aufgrund einer Stillstandszeit des Brennstoffzellenaggregats (1) abgeschätzt wird, • durch eine vorbekannte Kennlinie oder ein vorbekanntes Kennfeld und/oder ein KI-basiertes Modell ermittelt wird, • durch einen kathodenseitigen Sensor, insbesondere einen Wasserstoff-Sensor, gemessen oder ermittelt wird, und/oder • durch einen anodenseitigen Sensor, insbesondere einen Wasserstoff-Sensor, ermittelt wird.
  6. Verfahren (200) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für das Entfernen (230) von reaktivem Wasserstoff aus dem kathoden- und/oder auspuffseitigen Gas: • eine Fluid-Fördereinrichtung (33) einer Kathodenversorgung (30) des Brennstoffzellenaggregats (1) gestartet und betrieben wird, • ein Wastegate (35) der Kathodenversorgung (30) oder ein kathodenseitiger Bypass des Brennstoffzellenstapels (10) geöffnet wird oder geschlossen bleibt, • ein Kathodeneinlass-Absperrventil (131) geöffnet wird und ein Kathodenauslass-Absperrventil (132) der Kathodenversorgung (30) geschlossen bleibt, und/oder • ein Kathodenauslass-Absperrventil (132) geöffnet wird und ein Kathodeneinlass-Absperrventil (131) der Kathodenversorgung (30) geschlossen bleibt.
  7. Verfahren (200) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für das Entfernen (230) von reaktivem Wasserstoff aus dem kathoden- und/oder auspuffseitigen Gas, die Kathode (130) wenigstens ein Mal eingangsseitig und ein Mal ausgangsseitig, oder wechselweise eingangs- und ausgangsseitig mit Luft beaufschlagt oder befüllt wird.
  8. Verfahren (200) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beim Entfernen von reaktivem Wasserstoff (230) die aktuelle Höhe der Wasserstoff-Konzentration im kathoden- und/oder auspuffseitigen Gas abgeschätzt, ermittelt und/oder gemessen wird (240), wobei die aktuelle Höhe der Wasserstoff-Konzentration bevorzugt: • aufgrund einer vorherigen Stillstandszeit des Brennstoffzellenaggregats (1) abgeschätzt wird, • durch eine vorbekannte Kennlinie oder ein vorbekanntes Kennfeld und/oder ein KI-basiertes Modell ermittelt wird, und/oder • durch einen kathodenseitigen oder auspuffseitigen Sensor, insbesondere einen Wasserstoff-Sensor, gemessen oder ermittelt wird.
  9. Verfahren (200) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenn die aktuelle Höhe der Wasserstoff-Konzentration im kathoden- und/oder auspuffseitigen Gas unter der unteren Wasserstoff-Explosionsgrenze liegt (242), das noch geschlossene Kathoden-Absperrventil (132/131) geöffnet und der Start des Brennstoffzellenaggregats (1) fortgeführt wird.
  10. Verfahren (200) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das gesamte Verfahren (200): • aufgrund eines internen Signals durchgeführt wird, welches vom Brennstoffzellenaggregat (1) stammt, • aufgrund eines externen Signals durchgeführt wird, welches von jenseits des Brennstoffzellenaggregats (1) stammt, und/oder • bei im Wesentlichen jeden Start des Brennstoffzellenaggregats (1) durchgeführt wird.
  11. Brennstoffzellenaggregat (1), Brennstoffzellensystem oder Brennstoffzellenfahrzeug, dadurch gekennzeichnet, dass durch das Brennstoffzellenaggregat (1), das Brennstoffzellensystem oder das Brennstoffzellenfahrzeug ein Verfahren (200) zum Verhindern eines selbsttätig fortgesetzten Entflammens von Wasserstoff in einem Auspuff (150) des Brennstoffzellenaggregats (1), gemäß einem der vorhergehenden Ansprüchen durchführbar ist und/oder durchgeführt wird.
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