DE102022212143A1 - Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems und Brennstoffzellensystem - Google Patents

Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems und Brennstoffzellensystem Download PDF

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Timo Bosch
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Abstract

Die vorliegende Erfindung schafft ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems (BS), umfassend ein Ermitteln (S1) einer Gaskonzentration eines Wasserstoffs und/oder einer Konzentration eines Fremdgases in einem Gastreibstoff an einer Anodenseite (A) einer Brennstoffzelle (BZ) und unter einem Betrieb der Brennstoffzelle (BZ); ein Vergleichen (S2) der Gaskonzentration des Wasserstoffs mit einem vorgegebenen Wasserstoffkonzentrationswert und/oder der Konzentration des Fremdgases mit einem vorgegebenen Fremdgaskonzentrationswert; ein Öffnen (S3) eines Ablassventils (AV) in einem Rezirkulationskreis (RZ), wobei der Rezirkulationskreis (RZ) mit der Anodenseite (A) verbunden ist und der Gastreibstoff über das Ablassventil (AV) zumindest teilweise aus dem Rezirkulationskreis (RZ) abgelassen wird, wenn die Gaskonzentration des Wasserstoffs den vorgegebenen Wasserstoffkonzentrationswert unterschreitet und/oder wenn die Konzentration des Fremdgases den vorgegebenen Fremdgaskonzentrationswert überschreitet; ein Einleiten (S4) von frischem Wasserstoff aus einer Wasserstoffzuleitung (WL) in den Rezirkulationskreis (RZ), wobei die Wasserstoffzuleitung (WL) mit dem Rezirkulationskreis (RZ) verbunden ist;- Überwachen (S5) einer Öffnungszeit des Ablassventils (AV) und Vergleichen der Öffnungszeit mit einer Vorgabezeit; und ein Reduzieren (S6) einer Betriebsleistung der Brennstoffzelle (BZ) um einen bestimmten Grad und über eine bestimmte Zeit wenn die Öffnungszeit die Vorgabezeit überschreitet.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems und ein Brennstoffzellensystem.
  • Stand der Technik
  • In einem Brennstoffzellensystem wird im Anodenkreis der Wasserstoff aus dem Mitteldruckbereich der Brennstoffzelle zugeführt. Dabei wird typischerweise ein Regelventil zur bedarfsgerechten Dosierung des Wasserstoffes und eine Gebläsevorrichtung verwendet. Mit einem Rezirkulationsgebläse, nachfolgend ARB (Anode Recirculation Blower) genannt, kann im Brennstoffzellensystem der unverbrauchte Wasserstoff, aus dem Auslass der Brennstoffzelle (Stack) wieder in den Zulauf zurückgeführt werden. Dieser Rücklauf kann ein Teil des Anodensubsystems sein, bei dem in der Regel ein vorgelagerter Wasserabscheider integriert sein kann. Da der vorgelagerte Wasserabscheider das Prozesswasser meist nicht vollständig abscheiden kann, werden ARBs eingesetzt, die einen integrierten Wasserabscheider aufweisen können.
  • Polymer Elektrolyt Membran (PEM) Brennstoffzellensysteme wandeln Wasserstoff mittels Sauerstoff zu elektrischer Energie unter der Erzeugung von Abwärme und Wasser. Das Umwandeln von Wasserstoff ist hierbei gleichbedeutend damit, dass Wasserstoffmoleküle anodenseitig verbraucht bzw. entfernt werden und an der Polymer Elektrolyt Membran Luft und Sauerstoff zu Strom, Wasser und Wärme umgesetzt werden können.
  • Eine Brennstoffzelle kann eine Anode aufweisen, die mit Wasserstoff versorgt wird, und eine Kathode, die mit Luft versorgt wird, und eine dazwischen platzierte Polymer Elektrolyt Membran. Es können vorteilhaft mehrere solcher einzelner Brennstoffzellen gestapelt werden, um die erzeugte elektrische Spannung zu erhöhen, wobei sich im Inneren dieses Stapels Versorgungskanäle befinden können, die die einzelnen Zellen mit Wasserstoff und Luft versorgen und eine abgereicherte feuchte Luft sowie das abgereicherte Anodenabgas abtransportieren können.
  • Ein Rezirkulieren kann üblicherweise mittels des Rezirkulationsgebläses oder passiv mittels der Strahlpumpe erreicht werden und mit der Anwendung von Wasserabscheidern kann eine Separation von flüssigem Wasser und gasförmigen Anteilen des Anodenabgases erzielt werden, wobei der Wasserabscheider auch ein gewisses Volumen des Abwassers speichern kann. Nach einem Erreichen einer bestimmten Grenze kann ein Ausleiten des Wassers mittels des Öffnens eines so genannten Drain-Ventils erfolgen, was üblicherweise am Ausgang der Anode erfolgt.
  • Ein Maß für die Rezirkulation ist das Verhältnis aus einem der Brennstoffzelle zugeführten und dem durch die elektrochemische Reaktion verbrauchten Wasserstoff, wobei dieses Verhältnis üblicherweise als Lambda bezeichnet wird und der Relation λ H 2 = m ˙ H 2 , S t a c k   i n m ˙ H 2 , S t a c k   c o n s u m e d
    Figure DE102022212143A1_0001
    entsprechen kann, wobei eine zeitliche Änderung der an der Anode anliegenden Masse des Wasserstoffs durch die zeitliche Änderung der an der Anode verbrauchten Masse des Wasserstoffs geteilt werden kann.
  • Das genannte Lambda ist eine essentielle Kenngröße für die Brennstoffzelle, wobei ein ausreichend hohes Lambda und damit eine Wasserstoffkonzentration am Anoden-Eingang vorliegen kann, so dass der Katalysator im Stapel der Brennstoffzelle über den gesamten Strömungsbereich hinweg mit einer Vorgabe an H2 versorgt werden kann.
  • Des Weiteren kann über Diffusionsprozesse auch ein Fremdgas, beispielsweise Stickstoff, in den Anodenbereich gelangen, wobei aber auch der frisch zugeführte Brennstoff einen gewissen Anteil an diesem Fremdgas enthalten kann. Stickstoff stellt für die Brennstoffzelle ein Inertgas dar, wodurch eine Zellspannung und somit die Spannung am Stapel reduziert werden kann. Aus diesem Grund ist es wünschenswert, während eines Fahrzyklus wiederholt auch Gas aus dem Anodenraum ausleitet zu können, um den Fremdgasanteil reduzieren zu können, was mit einem sogenannten Purge-Ventil (Ablassventil) erfolgen kann. Eine Versorgung mit frischem Wasserstoff kann durch Wasserstoffdosierventile erfolgen, die als Proportionalventil ausgeführt sein können. Mittels einer Regelstrategie kann mit diesem Ventil der Gasdruck innerhalb des Anodenpfads, gemessen mittels eines Drucksensors an einer definierten Position, systembetriebspunktabhängig auf einen definierten Solldruck eingeregelt werden. Üblicherweise werden solche für das Ausleiten von Fremdgas/Stickstoff und Wasser benötigten Ventile oder ein kombiniertes Ventil in einer Vorrichtung des Rezirkulationspfades montiert.
  • Durch Öffnen des Ablassventils kann eine Stickstoffkonzentration gesenkt werden und damit auch das Lambda wieder erhöht werden. Das Ausleiten kann betriebspunktabhängig vorgesteuert durchgeführt werden oder anhand einer Wasserstoffkonzentrationsbestimmung bedarfsgerecht durchgeführt werden.
  • In der DE 10 2020 232178 A1 wird ein Betrieb einer Brennstoffzelle beschireben.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung schafft ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems nach Anspruch 1 und ein Brennstoffzellensystem nach Anspruch 9.
  • Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • Vorteile der Erfindung
  • Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Idee besteht darin, ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems und ein Brennstoffzellensystem, beispielsweise für ein Fahrzeug, anzugeben, wobei ein Versorgen der Brennstoffzelle mit Treibstoff, welcher zum Aufbringen einer zugehörigen Leistung der Brennstoffzelle benötigt wird, verbessert werden kann.
  • Vorteilhaft kann Schlechtkraftstoff mit einer hohen Fremdgas- oder Stickstoffkonzentration besser erkannt werden um das Brennstoffzellensystem bei Bedarf in seiner Leistung zu beschränken, so dass die Notwendigkeit für eine Notabschaltung zumindest verringert werden kann. Ein entsprechender Hinweis kann dem Fahrer gegeben werden, so dass er gegebenenfalls den Kraftstoff im Tank reklamieren und austauschen kann. Auf diese Weise kann erzielt werden, die Kundenzufriedenheit zu erhöhen und die Verfügbarkeit des Brennstoffzellensystems zu erhöhen.
  • Erfindungsgemäß erfolgt bei dem Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems ein Ermitteln einer Gaskonzentration eines Wasserstoffs und/oder einer Konzentration eines Fremdgases in einem Gastreibstoff an einer Anodenseite einer Brennstoffzelle und unter einem Betrieb der Brennstoffzelle; ein Vergleichen der Gaskonzentration des Wasserstoffs mit einem vorgegebenen Wasserstoffkonzentrationswert und/oder der Konzentration des Fremdgases mit einem vorgegebenen Fremdgaskonzentrationswert; ein Öffnen eines Ablassventils in einem Rezirkulationskreis, wobei der Rezirkulationskreis mit der Anodenseite verbunden ist und der Gastreibstoff über das Ablassventil zumindest teilweise aus dem Rezirkulationskreis abgelassen wird, wenn die Gaskonzentration des Wasserstoffs den vorgegebenen Wasserstoffkonzentrationswert unterschreitet und/oder wenn die Konzentration des Fremdgases den vorgegebenen Fremdgaskonzentrationswert überschreitet; ein Einleiten von frischem Wasserstoff aus einer Wasserstoffzuleitung in den Rezirkulationskreis, wobei die Wasserstoffzuleitung mit dem Rezirkulationskreis verbunden ist; ein Überwachen einer Öffnungszeit des Ablassventils und Vergleichen der Öffnungszeit mit einer Vorgabezeit; und ein Reduzieren einer Betriebsleistung der Brennstoffzelle um einen bestimmten Grad und über eine bestimmte Zeit wenn die
    Öffnungszeit die Vorgabezeit überschreitet.
  • Es kann für eine gewünschte Betriebsweise, unter welcher bestimmte Betriebsparameter wie beispielsweise die Leistung der Brennstoffzelle eine erwartete Größenordnung einnehmen können, ein zugehöriger Betriebspunkt bekannt sein und unter diesem Betriebspunkt die dazu nötigen Betriebsbedingungen für den vorliegenden Typ der Brennstoffzelle bekannt sein, beispielsweise welcher vorgegebene Wasserstoffkonzentrationswert zumindest vorliegen soll und/oder welcher vorgegebene Fremdgaskonzentrationswert höchstens vorliegen kann.
  • Die Öffnungszeit des Ablassventils, mit welchem der Wasserstoff und/oder das Fremdgas abgelassen werden kann, kann vorteilhaft zur Regulierung der im Gastreibstoff des Rezirkulationspfades verbleibenden Gaskonzentration des Wasserstoffs und/oder der Konzentration des Fremdgases dienen. Die Gaskonzentration des Wasserstoffs und/oder der Konzentration des Fremdgases kann an bestimmten Stellen des Rezirkulationskreis bestimmt werden und die Öffnungszeit zum Erfüllen oder Annähern an die Konzentrationsvorgaben des Wasserstoffs und/oder des Fremdgases angepasst werden. Ebenso kann eine Zuleitung des frischen Wasserstoffs an die ermittelte Gaskonzentration des Wasserstoffs und/oder der Konzentration des Fremdgases zum Erfüllen oder Annähern an die Konzentrationsvorgaben des Wasserstoffs und/oder des Fremdgases angepasst werden und in beiden Anpassungsfällen dann auch, falls nötig, die Leistung der Brennstoffzelle und/oder des Antriebs des Fahrzeugs verringert werden, damit die verringerte Leistung mit einer geringeren Gaskonzentration des Wasserstoffs und/oder einer höheren Konzentration des Fremdgases mit einem Mindestbetrieb funktionieren kann.
  • Die Schritte des Ermittelns der Gaskonzentrationen, des Vergleichens, des Öffnens des Ablassventiles und Schließen dieses, wenn die Gaskonzentrationen wieder den Vorgaben entsprechen, sowie das Reduzieren einer Betriebsleistung können nacheinander in eine Regelschleife und wiederholt während eines Betriebs der Brennstoffzelle erfolgen.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführung des Verfahrens handelt es sich bei dem Fremdgas um Stickstoff
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführung des Verfahrens wird der bestimmte Grad der Reduzierung der Betriebsleistung der Brennstoffzelle in Abhängigkeit von einem Betrag einer Abweichung der Öffnungszeit des Ablassventils von der Vorgabezeit ermittelt.
  • Je größer der Betrag der Abweichung desto stärker kann reduziert werden.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführung des Verfahrens wird die Betriebsleistung der Brennstoffzelle nach der bestimmten Zeit wieder erhöht, wenn die Öffnungszeit die Vorgabezeit wieder unterschreitet.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführung des Verfahrens wird der bestimmte Grad der Reduzierung der Betriebsleistung der Brennstoffzelle entsprechend einem Gradient der Abweichung angepasst.
  • Die Reduzierung der Leistung kann kontinuierlich mit einem Gradient von 5 - 50 kW/s erfolgen, bis der nächste Prüfschirtt erfolgt oder Schrittweise in 1-10 kW Schritten, bis der nächste Prüfschritt erfolgt.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführung des Verfahrens wird das Reduzieren der Betriebsleistung der Brennstoffzelle einem Nutzer des Brennstoffzellensystems angezeigt und dadurch Auskunft über eine Qualität des Gastreibstoffs und/oder des frischen Wasserstoffs gegeben.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführung des Verfahrens wird der vorgegebene Wasserstoffkonzentrationswert und/oder die Vorgabezeit betriebspunktabhängig für einen vorgegebenen Betrieb der Brennstoffzelle bestimmt.
  • Es kann einen optimalen Wasserstoffkonzentrationsgehalt geben, der vorteilhaft eingehalten werden kann, z.B. 60-100 vol% H2 (Wasserstoff).
  • Weicht der Wert unter einer Schwelle von 80- 60 % über einen Zeitraum von 1-100 s ab soll die Leistung reduziert werden.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführung des Verfahrens bleibt bei dem Reduzieren ein Mindestbetrieb der Brennstoffzelle aufrechterhalten.
  • Bei dem Mindestbetrieb kann es sich um einen vorbestimmten Mindestbetrieb handeln.
  • Erfindungsgemäß umfasst das Brennstoffzellensystem eine Brennstoffzelle mit einer Kathodenseite und einer Anodenseite; einen Rezirkulationskreis, welcher mit der Anodenseite verbunden ist und ein Ablassventils in dem Rezirkulationskreis, über welches der Gastreibstoff aus dem Rezirkulationskreis zumindest teilweise ablassbar ist; eine Wasserstoffzuleitung, welche mit dem Rezirkulationskreis verbunden ist und über welche frischer Wasserstoff in den Rezirkulationskreis zuleitbar ist; eine Sensoreinrichtung, welche an der Anodenseite und/oder in dem Rezirkulationskreis angeordnet ist, und mit welcher eine Gaskonzentration eines Wasserstoffs und/oder eine Konzentration eines Fremdgases in dem Gastreibstoff an einer Anodenseite und/oder in dem Rezirkulationskreis ermittelbar ist; und eine Steuereinrichtung, welche mit der Sensoreinrichtung, der Brennstoffzelle und mit dem Ablassventil verbunden ist, und dazu eingerichtet ist, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführung des Brennstoffzellensystems ist das Ablassventil in einer Durchlaufrichtung des Gastreibstoffs in dem Rezirkulationskreis zwischen der Anodenseite und der Wasserstoffzuleitung angeordnet.
  • Das Brennstoffzellensystem kann sich auch durch die in Verbindung mit dem Verfahren genannten Merkmale und dessen Vorteile auszeichnen und umgekehrt.
  • Weitere Merkmale und Vorteile von Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren der Zeichnung angegebenen Ausführungsbeispiele näher erläutert.
  • Es zeigen:
    • 1 ein schematisches Diagramm eines Brennstoffzellensystems gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
    • 2 eine Blockdarstellung von Verfahrensschritten des Verfahrens zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
  • In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente.
  • 1 zeigt ein schematisches Diagramm eines Brennstoffzellensystems gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
  • Das Brennstoffzellensystem BS umfasst eine Brennstoffzelle BZ mit einer Kathodenseite K und einer Anodenseite A; einen Rezirkulationskreis RZ, welcher mit der Anodenseite A verbunden ist und ein Ablassventils AV in dem Rezirkulationskreis RZ, über welches der Gastreibstoff aus dem Rezirkulationskreis RZ zumindest teilweise ablassbar ist; eine Wasserstoffzuleitung WL, welche mit dem Rezirkulationskreis RZ verbunden ist und über welche frischer Wasserstoff in den Rezirkulationskreis RZ zuleitbar ist; eine Sensoreinrichtung S, welche an der Anodenseite A und/oder in dem Rezirkulationskreis RZ angeordnet ist, und mit welcher eine Gaskonzentration eines Wasserstoffs und/oder eine Konzentration eines Fremdgases in dem Gastreibstoff an einer Anodenseite A und/oder in dem Rezirkulationskreis RZ ermittelbar ist; und eine Steuereinrichtung SE, welche mit der Sensoreinrichtung, der Brennstoffzelle und mit dem Ablassventil AV verbunden ist, und dazu eingerichtet ist, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen. Dabei kann das Ablassventils AV in einer Durchlaufrichtung des Gastreibstoffs in dem Rezirkulationskreis RZ zwischen der Anodenseite A und der Wasserstoffzuleitung WL angeordnet sein.
  • Im Rezirkulationskreis RZ kann ein Wasserabscheider WA angeordnet sein, welcher anfallende Feuchtigkeit im Gastreibstoff separieren kann und in einem internen Tank speichern kann, wobei dieses Prozesswasser dann über ein Wasserablassventil DV abgelassen werden kann. Das Ablassventil AV kann in Durchlaufrichtung des Rezirkulationskreises RZ vor oder nach dem Wasserabscheider WA angeordnet sein. Im Rezirkulationskreis RZ können ebenso eine Gebläsevorrichtung GB mit einem Elektromotor M für das Gebläse und dessen Inverter INV vorhanden sein und eine Wasserstoffinjektionseinheit HGI, welche mit der Wasserstoffzuleitung WL verbunden sein kann und mit einer Saugstrahlpumpe SP im Rezirkulationskreis RZ verbunden sein kann.
  • Im gezeigten Brennstoffzellensystem können die Sensoreinrichtung S, welche beispielsweise an dem Rezirkulationskreis RZ zwischen dem HGI und der Anode A angeordnet sein können, den dortigen Druck und die Temperatur messen und an die Steuereinrichtung SE weitergeben, welche dann die Zufuhr des Wasserstoffs und/oder die Leistung der Brennstoffzelle BZ und/oder die Öffnungszeit der Ventile DV und/oder AV steuern kann. Die Sensoreinrichtung S und die Steuereinrichtung SE können als eine Vorrichtung zur Konzentrationsbestimmung des Gastreibstoffs an der Anodenseite dienen, wodurch die für den Betriebspunkt notwendige Wasserstoffkonzentration eingeregelt werden kann, indem bedarfsgerecht das Ablassventil AV aktiviert werden kann.
  • Durch das Öffnen des Ablassventils AV kann vorteilhaft das Stickstoff/Wasserstoffgemisch aus dem Rezirkulationskreis RZ und von der Anodenseite A ausgelassen werden und die Konzentration von Wasserstoff durch zuführen von frischem Wasserstoff erhöht werden. Für den Fall, dass Schlechtkraftstoff zugeführt wird, welcher eine vorbestimmte Vorgabe zur gewünschten Funktion der Brennstoffzelle nicht erfüllt, kann sich üblicherweise mehr Stickstoff in der Anode anreichern, wodurch eine notwendige Offenzeit des Ablassventils AV durch die Konzentrationsreglung zunehmen kann. Es kann dabei auch der Fall sein, dass bei besonders schlechten Kraftstoffen die entsprechende Regelgrenze erreicht wird, etwa wenn das Ventil dauerhaft offensteht oder die maximale Offendauer erreicht ist, zum Beispiel, wenn das abgelassene Gas sonst nicht ausreichend verdünnt werden kann. In diesem Fall kann die Wasserstoffkonzentration in der Anode sinken, so dass es zu einer zunehmenden Regelabweichung bei der Wasserstoffkonzentrationsregelung kommen kann. Wenn ein vorbestimmter Schwellwert für die Öffnungszeit überschritten wird kann das System nach der Erfindung die Leistung so lange reduzieren, bis der Sollwert der Wasserstoffkonzentration wieder gehalten werden kann.
  • Es kann vorteilhaft ein Abschalten, wie es ohne die erfindungsgemäße Vorgehensweise stattfinden würde, zumindest verkürzt oder sogar vermieden werden. Falls die entsprechende Leistungsreduktion über einen längeren Zeitraum durchgeführt wird, kann dem Fahrer zusätzlich eine Meldung angezeigt werden, die Schlechtkraftstoff und eine daraus folgende Leistungsbegrenzung des Brennstoffzellensystems anzeigen kann.
  • Es kann anstelle oder zusätzlich zu einer Reglerabweichung auch eine zuvor festgesetzte betriebspunktabhängige Grenze für die maximale Öffnungszeit des Ablassventils AV definiert werden. Falls die Steuereinrichtung als Regler entsprechend längere Öffnungsdauern fordert, kann dies ein Indiz für Schlechtkraftstoff sein und es kann dem Fahrer eine entsprechende Rückmeldung gegeben werden. Mit dieser Variante kann Schlechtkraftstoff auch außerhalb eines Vollastpunktes erkannt werden.
  • Um eine Genauigkeit des genannten Regelverfahren erzielen zu können, können veränderliche Effekte über Lebensdauer wie etwa lebensdauerabhängiger Ventildurchfluss- und/oder Stickstoffübertrag (Crossover) über die Membran der Brennstoffzelle, welche für diesen Typ der Brennstoffzelle bekannt sein können, berücksichtigt werden. Eine Information über eine Leistungsreduktion- oder auch Erhöhung durch Verbesserung der Versorgungssituation kann anderen Teilsystemen wie z.B. dem Kontrollgerät des Gesamtfahrzeugs zur Verfügung gestellt werden.
  • Die Konzentrationsbestimmungen können beispielsweise auch an der Gebläsevorrichtung GB mit entsprechender Sensorik erfolgen. Zur Leistungsregelung können die entsprechenden Parameter an der Brennstoffzelle BZ, etwa der Ausgangsstrom, eingeregelt werden. Zur Ermittlung des entsprechenden Lambdas kann an der Anodenseite A der Brennstoffzelle BZ der konsumierte Massenstrom ṁH2_Stack_con mit dem zugeführten Massenstrom des Wasserstoffs mH2,in
    ermittelt und verglichen werden. Aus der Zuleitung WL kann der Zulaufmassenstrom des Wasserstoffs und des Stickstoffs ermittelt werden.
  • 2 zeigt eine Blockdarstellung von Verfahrensschritten des Verfahrens zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
  • Bei dem Verfahren erfolgt ein Ermitteln S1 einer Gaskonzentration eines Wasserstoffs und/oder einer Konzentration eines Fremdgases in einem Gastreibstoff an einer Anodenseite einer Brennstoffzelle und unter einem Betrieb der Brennstoffzelle; ein Vergleichen S2 der Gaskonzentration des Wasserstoffs mit einem vorgegebenen Wasserstoffkonzentrationswert und/oder der Konzentration des Fremdgases mit einem vorgegebenen Fremdgaskonzentrationswert; ein Öffnen S3 eines Ablassventils in einem Rezirkulationskreis, wobei der Rezirkulationskreis mit der Anodenseite verbunden ist und der Gastreibstoff über das Ablassventil zumindest teilweise aus dem Rezirkulationskreis abgelassen wird, wenn die Gaskonzentration des Wasserstoffs den vorgegebenen Wasserstoffkonzentrationswert unterschreitet und/oder wenn die Konzentration des Fremdgases den vorgegebenen Fremdgaskonzentrationswert überschreitet; ein Einleiten S4 von frischem Wasserstoff aus einer Wasserstoffzuleitung in den Rezirkulationskreis, wobei die Wasserstoffzuleitung mit dem Rezirkulationskreis verbunden ist; ein Überwachen S5 einer Öffnungszeit des Ablassventils und Vergleichen der Öffnungszeit mit einer Vorgabezeit; und ein Reduzieren S6 einer Betriebsleistung der Brennstoffzelle um einen bestimmten Grad und über eine bestimmte Zeit wenn die Öffnungszeit die Vorgabezeit überschreitet.
  • Obwohl die vorliegende Erfindung anhand des bevorzugten Ausführungsbeispiels vorstehend vollständig beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Art und Weise modifizierbar.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102020232178 A1 [0010]

Claims (10)

  1. Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems (BS), umfassend die Schritte: - Ermitteln (S1) einer Gaskonzentration eines Wasserstoffs und/oder einer Konzentration eines Fremdgases in einem Gastreibstoff an einer Anodenseite (A) einer Brennstoffzelle (BZ) und unter einem Betrieb der Brennstoffzelle (BZ); - Vergleichen (S2) der Gaskonzentration des Wasserstoffs mit einem vorgegebenen Wasserstoffkonzentrationswert und/oder der Konzentration des Fremdgases mit einem vorgegebenen Fremdgaskonzentrationswert; - Öffnen (S3) eines Ablassventils (AV) in einem Rezirkulationskreis (RZ), wobei der Rezirkulationskreis (RZ) mit der Anodenseite (A) verbunden ist und der Gastreibstoff über das Ablassventil (AV) zumindest teilweise aus dem Rezirkulationskreis (RZ) abgelassen wird, wenn die Gaskonzentration des Wasserstoffs den vorgegebenen Wasserstoffkonzentrationswert unterschreitet und/oder wenn die Konzentration des Fremdgases den vorgegebenen Fremdgaskonzentrationswert überschreitet; - Einleiten (S4) von frischem Wasserstoff aus einer Wasserstoffzuleitung (WL) in den Rezirkulationskreis (RZ), wobei die Wasserstoffzuleitung (WL) mit dem Rezirkulationskreis (RZ) verbunden ist; - Überwachen (S5) einer Öffnungszeit des Ablassventils (AV) und Vergleichen der Öffnungszeit mit einer Vorgabezeit; und - Reduzieren (S6) einer Betriebsleistung der Brennstoffzelle (BZ) um einen bestimmten Grad und über eine bestimmte Zeit wenn die Öffnungszeit die Vorgabezeit überschreitet.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem es sich bei dem Fremdgas um Stickstoff handelt.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei welchem der bestimmte Grad der Reduzierung der Betriebsleistung der Brennstoffzelle (BZ) in Abhängigkeit von einem Betrag einer Abweichung der Öffnungszeit des Ablassventils (AV) von der Vorgabezeit ermittelt wird.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei welchem die Betriebsleistung der Brennstoffzelle (BZ) nach der bestimmten Zeit wieder erhöht wird, wenn die Öffnungszeit die Vorgabezeit wieder unterschreitet.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, soweit rückbezogen auf Anspruch 3, bei welchem der bestimmte Grad der Reduzierung der Betriebsleistung der Brennstoffzelle (BZ) entsprechend einem Gradient der Abweichung angepasst wird.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei welchem das Reduzieren der Betriebsleistung der Brennstoffzelle (BZ) einem Nutzer des Brennstoffzellensystems (BS) angezeigt wird und dadurch Auskunft über eine Qualität des Gastreibstoffs und/oder des frischen Wasserstoffs gegeben wird.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei welchem der vorgegebene Wasserstoffkonzentrationswert und/oder die Vorgabezeit betriebspunktabhängig für einen vorgegebenen Betrieb der Brennstoffzelle (BZ) bestimmt wird.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei welchem bei dem Reduzieren ein Mindestbetrieb der Brennstoffzelle (BZ) aufrechterhalten bleibt.
  9. Brennstoffzellensystem (BS), umfassend, - eine Brennstoffzelle (BZ) mit einer Kathodenseite und einer Anodenseite (A); - einen Rezirkulationskreis (RZ), welcher mit der Anodenseite (A) verbunden ist und ein Ablassventils (AV) in dem Rezirkulationskreis (RZ), über welches der Gastreibstoff aus dem Rezirkulationskreis (RZ) zumindest teilweise ablassbar ist; - eine Wasserstoffzuleitung (WL), welche mit dem Rezirkulationskreis (RZ) verbunden ist und über welche frischer Wasserstoff in den Rezirkulationskreis (RZ) zuleitbar ist; - eine Sensoreinrichtung, welche an der Anodenseite (A) und/oder in dem Rezirkulationskreis (RZ) angeordnet ist, und mit welcher eine Gaskonzentration eines Wasserstoffs und/oder eine Konzentration eines Fremdgases in dem Gastreibstoff an einer Anodenseite (A) und/oder in dem Rezirkulationskreis (RZ) ermittelbar ist; und - eine Steuereinrichtung (SE), welche mit der Sensoreinrichtung, der Brennstoffzelle und mit dem Ablassventil (AV) verbunden ist, und dazu eingerichtet ist, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8 durchzuführen.
  10. Brennstoffzellensystem (BS) nach Anspruch 9, bei welchem das Ablassventils (AV) in einer Durchlaufrichtung des Gastreibstoffs in dem Rezirkulationskreis (RZ) zwischen der Anodenseite (A) und der Wasserstoffzuleitung (WL) angeordnet ist.
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