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Die vorliegende Erfindung beschreibt ein Verfahren zum Starten eines Brennstoffzellensystems mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
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Stand der Technik
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Wasserstoff basierte Brennstoffzellensysteme gelten als Mobilitätskonzept der Zukunft, da sie nur Wasser als Abgas emittieren und schnelle Betankungszeiten ermöglichen. Brennstoffzellensysteme brauchen hierbei Luft und Wasserstoff für die chemische Reaktion innerhalb der Zellen der Brennstoffzelle.
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Die Brennstoffzelle besteht aus einer Anode, die mit Wasserstoff versorgt wird, einer Kathode, die mit Luft versorgt wird, und einer dazwischen platzierten Polymer Elektrolyt Membran an der Luft und Sauerstoff zu Strom, Wasser und Wärme umgesetzt wird. Mehrere solcher Brennstoffzellen werden in der praktischen Anwendung gestapelt, um die elektrisch erzeugte Spannung zu erhöhen.
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Zur Versorgung der Anode mit Wasserstoff hat sich ein Ansatz etabliert, bei dem das noch wasserstoffreiche Anodenabgas vom Anodenausgang mittels Gasfördereinheiten zusammen mit frischem Wasserstoff aus einer Brennstoffleitung wieder dem Anodeneingang zugeführt wird. Man spricht von Rezirkulation. Ein Maß für die Rezirkulation ist das Verhältnis aus dem Stack zugeführtem und dem durch die elektrochemische Reaktion verbrauchten Wasserstoff, dieses Verhältnis wird Lambda genannt.
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Lambda ist neben der Wasserstoffkonzentration eine essenzielle Kenngröße für den Stack. Ein ausreichend hohes Lambda stellt sicher, dass der Katalysator im Stack über den gesamten Strömungsbereich hinweg mit ausreichend Wasserstoff versorgt wird, denn durch Diffusionsprozesse gelangt auch Stickstoff auf die Anodenseite. Stickstoff stellt für die in der Brennstoffzelle stattfindende elektrochemische Reaktion ein Inertgas dar.
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Durch die Rezirkulation reichert sich Stickstoff im Rezirkulationskreis an, so dass der Anode weniger Wasserstoff zugeführt werden kann. Entsprechend sinkt das Lambda, was zu einer Reduktion der Zellspannung führen kann. Wird die Zelle nicht mehr ausreichend mit Wasserstoff versorgt, kann dies zur Schädigung der Zellen führen.
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Gerade nach einem längeren Stillstand akkumuliert sich Stickstoff im Rezirkulationskreis und der Anode, so dass vor einem Start des Brennstoffzellensystems zunächst durch Ausleiten des Anodengases über die Purgeleitung eine für den Start geeignete Wasserstoffkonzentration eingestellt werden muss. Dieser Vorgang ist langsam und verzögert den Start und reduziert damit die Verfügbarkeit des Brennstoffzellensystems.
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Offenbarung der Erfindung
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Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen.
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Gemäß dem erfindungsmäßen Verfahren wird beim Starten des Brennstoffzellensystems während des Einleitens von Brennstoff aus der Brennstoffleitung in den Rezirkulationskreis eine Strömung des Anodengases vom Anodenausgang in Richtung des Anodeneinganges im Rezirkulationskreis durch ein Mittel zur Strömungsbeeinflussung unterbrochen oder reduziert.
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Das erfindungsgemäße Verfahren dient dazu eine Betriebsstrategie zum Starten des Brennstoffzellensystems bereit zu stellen, welche sicherstellt, dass beim Start des Brennstoffzellensystems die Wasserstoffkonzentration am Anodeneingang möglichst schnell erhöht wird. Des Weiteren wird durch das Verfahren während des Starts eine geringere Menge an Wasserstoff über das Purgeventil in die Abgasleitung ausgeleiten. Da weniger Wasserstoff ausgeleitet wird, führt dies zu einer Effizienzerhöhung der Brennstoffzellensystems.
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Das erfindungsgemäße Verfahren bietet den Vorteil, dass eine zu hohe Wasserstoffkonzentration in der Abluftleitung vermieden wird. Eine zusätzliche Erhöhung des Luftmassenstromes über einen Verdichter in der Luftleitung ist nicht notwendig, wodurch ein energieoptimalerer Betrieb des Brennstoffzellensystems ermöglicht wird.
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Unter einem Start des Brennstoffzellensystems werden im Rahmen der Erfindung auch ein Zustandsübergänge im Rahmen des Standby-Betriebes, von Start-Stopp-Vorgängen, bei einem Gefrierstart, bei einem Kaltstart oder bei weiteren speziellen Funktionen wie z.B. Regenerationsfunktionen verstanden. Wesentliche Voraussetzung des Stillstandes ist eine Unterbrechung der Zufuhr von Wasserstoff aus der Brennstoffleitung in den Rezirkulationskreis.
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In den abhängigen Ansprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens angegeben.
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Es ist von Vorteil, wenn die Strömung des Anodengases vom Anodenausgang in Richtung des Anodeneinganges für eine vorgegebene Zeitdauer nach einem Stillstand des Brennstoffzellensystems unterbrochen oder reduziert wird. Die Zeitdauer kann hierbei so lange gewählt werden, bis die benötigten Schritte für einen Start des Brennstoffzellensystems abgeschlossen sind oder bis ein ausreichend hoher Luftmassenstrom im Abgaspfad hergestellt ist, um das Anodengas auch mit einem höheren Wasserstoffanteil ausreichend zu verdünnen.
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Das Mittel zur Strömungsbeeinflussung ist auf vorteilhafte Weise im Rezirkulationskreis zwischen der Brennstoffleitung und dem Anodenausgang angeordnet, so dass durch das Mittel zur Strömungsbeeinflussung die Strömung zwischen der Brennstoffleitung und dem Anodeneingang kaum beeinflusst wird.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn das Mittel zur Strömungsbeeinflussung eine Pumpe ist, welche Druck in Richtung des Anodenausganges aufbaut. Hierbei ist ein Betrieb der Rezirkulationspumpe entgegen ihrer typischen Drehrichtung besonders vorteilhaft, da keine weiteren Bauteile, insbesondere eine zusätzliche Pumpe, in den Rezirkulationskreis eingebracht werden muss.
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Ein weiterer Vorteil ergibt sich, wenn die Pumpe oder die Rezirkulationspumpe im Stillstand gehalten wird, da auf besonders kostengünstige und einfache Weise die Strömung von Anodengas in Richtung des Anodeneinganges aufgrund des Strömungswiederstandes der Pumpe oder Rezirkulationspumpe reduziert werden kann.
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Es ist vorteilhaft, wenn das Mittel zur Strömungsbeeinflussung ein ansteuerbares Absperrventil, welches während des Startes des Brennstoffzellensystems geschlossen wird, oder ein mechanisches Rückschlagventil ist, so dass kein Anodengas vom Anodenausgang in Richtung des Anodeneinganges strömen kann.
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Das erfindungsgemäße Verfahren kann insbesondere in brennstoffzellenbetriebenen Kraftfahrzeugen eingesetzt werden. Ebenso ist jedoch auch ein Einsatz in anderen brennstoffzellenbetriebenen Fortbewegungsmitteln, wie Kränen, Schiffen, Schienenfahrzeugen, Flugobjekten oder auch in stationären brennstoffzellenbetriebenen Objekten denkbar.
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Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems,
- 2 eine Messung, die die H2- Konzentration im Rezirkulationskreis bei einem normalen Start darstellt und
- 3 eine Messung, die die H2- Konzentration im Rezirkulationskreis bei einem erfindungsgemäßen Start darstellt.
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In der 1 ist eine schematische Topologie eines Brennstoffzellensystems 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt mit mindestens einem Brennstoffzellenstack 101. Das mindestens eine Brennstoffzellensystem 100 weist einen Luftpfad 10, eine Abgasleitung 12 und eine Brennstoffleitung 20 auf. Der mindestens eine Brennstoffzellenstack 101 kann für mobile Anwendungen mit hohem Leistungsbedarf, bspw. in LKW's, oder für stationäre Anwendungen, bspw. in Generatoren, eingesetzt werden.
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Der Luftpfad 10 dient als Zuluftleitung, um einer Kathode 105 des Brennstoffzellenstacks 101 über einen Einlass 16 Luft aus der Umgebung zuzuführen. In dem Luftpfad 10 sind Komponenten angeordnet, welche für den Betrieb des Brennstoffzellenstacks 101 benötigt werden. In der Luftleitung 10 ist ein Luftverdichter 11 und/oder Kompressor 11 angeordnet, welcher die Luft entsprechend den jeweiligen Betriebsbedingungen des Brennstoffzellenstacks 101 verdichtet bzw. ansaugt.
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Innerhalb des Luftpfades 10 können noch weitere Komponenten wie beispielsweise ein Befeuchter und/oder ein Filter und/oder ein Wärmetauscher und/oder Ventile vorgesehen sein. Über den Luftpfad 10 wird dem Brennstoffzellenstack 101 sauerstoffhaltige Luft bereitgestellt.
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Das Brennstoffzellensystem 100 kann des Weiteren einen Kühlkreislauf aufweisen, welcher zur Kühlung des Brennstoffzellenstacks 101 ausgebildet ist. Der Kühlkreislauf ist in der 1 nicht eingezeichnet.
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Im Eingang der Brennstoffleitung 20 befinden sich ein Hochdrucktank 21 und ein Absperrventil 22. Es können weitere Komponenten in der Brennstoffleitung 20 angeordnet sein, um eine Anode 103 des Brennstoffzellenstack 101 nach Bedarf mit Brennstoff zu versorgen.
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Um den Brennstoffzellenstack 101 immer ausreichend mit Brennstoff zu versorgen, besteht die Notwendigkeit einer überstöchiometrischen Dosierung von Brennstoff über die Brennstoffleitung 20. Der überschüssige Brennstoff, sowie gewisse Mengen von Wasser und Stickstoff, die von der Kathodenseite durch die Zellmembranen auf die Anodenseite des Brennstoffzellenstacks 101 diffundieren, werden über einen Anodenausgang 56 in einen Rezirkulationskreis 50 zurückgeführt und mit dem zudosierten Brennstoff aus der Brennstoffleitung 20 vermischt.
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Der Rezirkulationskreis 50 ist mit der Brennstoffleitung 20 und dem Anodenausgang 56 verbunden. Durch einen Anodeneingang 55 strömt frischer Brennstoff, welcher aus dem Hochdrucktank 21 stammt, und Anodengas aus dem Rezirkulationskreis 50 in die Anode 103. Über den Anodenausgang 56 verlässt überschüssiger Brennstoff, sowie gewisse Mengen an Stickstoff und Wasser, die durch die Zellmembranen auf die Anodenseite diffundiert sind, die Anode 103. Der überschüssige Brennstoff, sowie gewisse Mengen von Wasser und Stickstoff strömen im normalen Betrieb des Brennstoffzellensystems über den Rezirkulationskreis 50 in Richtung Anodeneingang 55.
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Als Anodengas wird im Rahmen der Erfindung, das Gasgemisch im Rezirkulationskreis verstanden, welches Wasserstoff, Stickstoff und Wasser aufweisen kann, aber auch in geringen andere Bestandteile aufweisen kann.
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Zum Antrieb der Strömung im Rezirkulationskreis 50 können verschiedene Komponenten, wie beispielsweise eine mit dem zudosierten Brennstoff betriebene Strahlpumpe 51 oder eine Rezirkulationspumpe 52 verbaut sein. Auch eine Kombination von Strahlpumpe 51 und Rezirkulationspumpe 52 sind möglich.
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Da die Menge an Wasser und Stickstoff mit der Zeit im Rezirkulationskreis 50 immer weiter ansteigt, muss der Rezirkulationskreis 50 von Zeit zu Zeit gespült werden, so dass die Leistungsfähigkeit des Brennstoffzellenstacks 101 aufgrund einer zu hohen Stickstoffkonzentration in der Rezirkulationsleitung 50 nicht abnimmt.
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Es ist eine Purgeleitung 40 zwischen dem Rezirkulationskreis 50 und einer Abgasleitung 12 angeordnet, so dass das Anodengas aus dem Rezirkulationskreis 50 in die Abgasleitung 12 strömen kann.
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In der Purgeleitung 40 ist ein Purgeventil 41 angeordnet, welches die Verbindung zwischen dem Rezirkulationskreis 50 und der Abgasleitung 12 öffnen und schließen kann. Das Purgeventil 41 wird meist für eine kurze Zeit geöffnet, so dass das Anodengas über die Purgeleitung 40 in die Abgasleitung 12 geleitet wird.
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Die Abgasleitung 12 dient dazu Abgas über einen Auslass 18 in die Umgebung zu transportieren. Das Abgas weist ein Gasgemisch mit Bestandteilen der Luft aus dem Luftpfad 10 und Wasser auf. Das Abgas der Abgasleitung 12 kann auch Wasserstoff enthalten, weil Teile des Wasserstoffes aus der Brennstoffleitung 20 durch die Membran des Brennstoffzellenstacks 101 diffundieren können. Des Weiteren kann über die Purgeleitung 40 Anodengas, welches Bestandteile von Wasserstoff, Stickstoff und Wasser aufweisen kann, in die Abgasleitung 12 gelangen.
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Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Starten des Brennstoffzellensystems 100 wird beim Einleiten von Brennstoff in den Rezirkulationskreis 50 eine Strömung des Anodengases vom Anodenausgang 56 in Richtung des Anodeneinganges 55 im Rezirkulationskreis 50 durch ein Mittel zur Strömungsbeeinflussung 54 unterbrochen oder reduziert.
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Auf diese Weise kann beim Start des Brennstoffzellensystems 100 die Wasserstoffkonzentration am Anodeneingang 54 möglichst schnell erhöht werden ohne Anodengas aus dem Rezirkulationskreis 50 auszuleiten.
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Während frischer Brennstoff aus der Brennstoffleitung 20 in Richtung des Anodeneinganges 55 strömt, wird die Strömung des Anodengases vom Anodenausgang 56 in Richtung des Anodeneinganges 55 für eine vorgegebene Zeitdauer unterbrochen oder reduziert. Auf diese Weise ist die Konzentration von Wasserstoff am Anodeneingang 55 höher, da weniger Anodengas mit niedriger Wasserstoffkonzentration zum Anodeneingang 55 strömen kann.
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Ein Start des Brennstoffzellensystems 100 erfolgt nach einem Stillstand des Brennstoffzellensystems 100, bei dem kein Brennstoff über die Brennstoffleitung 20 eingeleitet wurde.
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Das Mittel zur Strömungsbeeinflussung 54 ist im Rezirkulationskreis 50 zwischen der Brennstoffleitung 20 und dem Anodenausgang 56 angeordnet.
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Gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung kann das Mittel zur Strömungsbeeinflussung 54 eine Pumpe sein. Diese Pumpe kann auch die bereits im Rezirkulationskreis 50 vorhandene Rezirkulationspumpe 52 sein.
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Die Pumpe kann dabei so betrieben werden, dass das Anodengas in Richtung des Anodenauslasses 56 strömt bzw. Druck aufbaut. Ist die Pumpe als Rezirkulationspumpe 52 ausgebildet, so wird die Rezirkulationspumpe 52 entgegen ihrer typischen Drehrichtung betrieben, wobei die typische Drehrichtung der Drehrichtung im normalen Betrieb entspricht.
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In einer alternativen Ausführungsform wird die Pumpe oder die Rezirkulationspumpe 52 in Stillstand gehalten.
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Gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel ist das Mittel zur Strömungsbeeinflussung 54 ein ansteuerbares Absperrventil oder ein mechanisches Rückschlagventil, welches zur Unterbrechung der Strömung in Richtung des Anodenausganges 56 geschlossen wird.
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In 2 wird eine Messung des zeitlichen Verlaufs der Wasserstoffkonzentration am Anodeneingang 55 (Anode_In), am Anodenausgang 56 (Anode_out) und am Rezirkulationsgebläse (ARB_ln) nach einem Start des Brennstoffzellensystems 100, welcher nicht dem erfindungsgemäßen Verfahren entspricht, dargestellt. Zum Zeitpunkt 0 befindet sich kein Wasserstoff oder nur eine geringe Menge an Wasserstoff im Rezirkulationskreis 50. Es wird gemäß dem Stand der Technik das Rezirkulationsgebläse 52 gestartet und ein gewünschter Anodendruck durch das Einbringen von Wasserstoff aus der Brennstoffleitung 20 eingestellt. Über das Purgeventil 41 wird anschließend durch Ausblasen des Anodengases die Wasserstoffkonzentration weiter erhöht, bis diese hoch genug ist, so dass die nächsten Schritte des Starts ausgeführt werden können. Durch das Rezirkulationsgebläse 52 vermischt sich der zugeführte Wasserstoff mit dem in der Anode 103 und im Rezirkulationskreis 50 bereits vorhanden Anodengas. Die Konzentration steigt gleichmäßig am Anodeneingang 55 (Anode_In), am Anodenausgang 56 (Anode_out) und am Rezirkulationsgebläse (ARB_ln) wie aus hervorgeht.
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In 3 wird eine Messung des zeitliche Verlauf der Wasserstoffkonzentration am Anodeneingang 55 (Anode_In), am Anodenausgang 56 (Anode_out) und am Rezirkulationsgebläse (ARB_ln) nach einem Start des Brennstoffzellensystems 100, welcher dem erfindungsgemäßen Verfahren entspricht, dargestellt. Zum Zeitpunkt 0 befindet sich kein Wasserstoff oder nur eine geringe Menge an Wasserstoff im Rezirkulationskreis 50. Es wird gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren beim Start Wasserstoff aus der Brennstoffleitung 20 eingebracht ohne, dass das Rezirkulationsgebläse 52 an ist, bzw. während dieses leicht rückwärts läuft. Die Wasserstoffkonzentration steigt sehr stark am Anodeneinlass (Anode_In) 55, während die Wasserstoffkonzentration am Anodenausgang 56 (Anode_out) und am Rezirkulationsgebläse (ARB_ln) langsamer ansteigt. Während des Startes ist die Verteilung des Wasserstoffs inhomogen über den Rezirkluationskreis 50 verteilt. Auf diese Weise wird bei einem geöffneten Purgeventil 41 mehr Stickstoff bzw. weniger Wasserstoff in gleicher Zeit ausgeblasen als im Fall, in dem das Rezirkulationsgebläse 52 von Anfang an im Normalbetrieb ist.
