DE102022213875A1 - Brennstoffzellensystem und Verfahren zum Abschalten eines Brennstoffzellensystems - Google Patents

Brennstoffzellensystem und Verfahren zum Abschalten eines Brennstoffzellensystems Download PDF

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Michael Giuseppe Marino
Jochen Wessner
Christophe Gerling
Ulrich Berner
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Ulrich Sauter
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Abstract

Die vorgestellte Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem zum Wandeln von Energie. Das Brennstoffzellensystem umfasst einen Brennstoffzellenstapel (101), ein Luftversorgungssystem und eine Recheneinheit, wobei der Brennstoffzellenstapel (101) ein Anodensubsystem (105) und ein Kathodensubsystem (103) umfasst, wobei das Luftversorgungssystem dazu konfiguriert ist, einen Luftstrom in das Kathodensubsystem (103) einzuleiten, wobei die Recheneinheit dazu konfiguriert ist, ein Einleiten eines durch das Luftversorgungssystem bereitgestellten Betriebsluftstroms in das Kathodensubsystem (103) in Reaktion auf einen Empfang eines Abschaltbefehls abzustellen, um eine Stickstoffphase in dem Kathodensubsystem (103) zu erzeugen, und nach einer vorgegebenen Zeitspanne nach dem Abstellen des Betriebsluftstroms mittels des Luftversorgungssystems einen unterstöchiometrischen Regenerationsluftstrom in das Kathodensubsystem (103) einzuleiten, um eine Luftfront über eine aktive Fläche jeweiliger Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels (101) zu bewegen, und an dem Brennstoffzellenstapel (101) eine elektrische Last anzulegen, um den Brennstoffzellenstapel (101) zu regenerieren.

Description

  • Die vorgestellte Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem und ein Verfahren zum Einstellen von stark Reduzierenden Bedingungen beim/nach dem Abschalten eines Brennstoffzellensystems gemäß den beigefügten Ansprüchen.
  • Stand der Technik
  • Brennstoffzellen (BSZ) sind elektrochemische Energiewandler, die bspw. Wasserstoff
    (H2) und Sauerstoff (O2) in Wasser (H2O), elektrische Energie und Wärme umwandeln.
  • Beim Abstellen eines Brennstoffzellensystems wird dieses in der Regel in einen vorgegebenen Betriebszustand geschaltet, in dem sowohl Lufteinlass als auch Luftauslass geschlossen und gezielt ein Strom gezogen wird, sodass Sauerstoff auf Kathodenseite, d.h. in einem Kathodensubsystem, immer weiter verbraucht wird, wenn ein Anodensubsystem zur Zufuhr von Wasserstoff offen bleibt. Entsprechend sinkt durch den Verbrauch des Sauerstoffs ein Zellpotential bzw. Potential an einem Brennstoffzellenstapel des Brennstoffzellensystems immer weiter ab, bis in dem Kathodensubsystem eine feuchte Stickstoffphase vorliegt.
  • Ferner ist es bekannt, ein Brennstoffzellensystem in einem unterstöchiometrischen Betrieb zu betreiben, in dem auf einem Teil einer aktiven Fläche jeweiliger Brennstoffzellen, in dem auf Kathodenseite wenig Sauerstoff (Stöchiometrie <1) vorliegt, aktiv ionisierter Wasserstoff in Form von Protonen von der Anodenseite zur Kathodenseite gepumpt und dort zu molekularem Wasserstoff reduziert wird. Das geringe Potential der Brennstoffzellen und insbesondere die Anwesenheit von freien Protonen führen lokal zu stark reduzierenden Bedingungen, sodass sowohl Platinoxide als auch Verunreinigungen wie Sulfate reduziert und/oder desorbiert werden können. Dies erfolgt aber nicht homogen über die gesamte aktive Fläche, sondern besonders im vom Lufteinlass abgewandten Bereich bzw. auf der anderen Seite der Luftfront.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Im Rahmen der vorgestellten Erfindung werden ein Brennstoffzellensystem und ein Verfahren zum Abschalten des Brennstoffzellensystems vorgestellt. 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.
  • Die vorgestellte Erfindung dient dazu, ein robustes Brennstoffzellensystem bereitzustellen. Insbesondere dient die vorgestellte Erfindung dazu, eine aktive Fläche jeweiliger Brennstoffzellen eines Brennstoffzellensystems gleichmäßig von Verunreinigungen, wie bspw. Platinoxiden und/oder Sulfaten zu befreien und, dadurch bedingt, zu regenerieren.
  • Es wird somit gemäß einem ersten Aspekt der vorgestellten Erfindung ein Brennstoffzellensystem zum Wandeln von Energie vorgestellt.
  • Das vorgestellte Brennstoffzellensystem umfasst einen Brennstoffzellenstapel, ein Luftversorgungssystem und eine Recheneinheit, wobei der Brennstoffzellenstapel ein Anodensubsystem und ein Kathodensubsystem umfasst, wobei das Luftversorgungssystem dazu konfiguriert ist, einen Luftstrom in das Kathodensubsystem einzuleiten und wobei die Recheneinheit dazu konfiguriert ist, ein Einleiten eines durch das Luftversorgungssystem bereitgestellten Betriebsluftstroms in das Kathodensubsystem in Reaktion auf einen Empfang eines Abschaltbefehls abzustellen, um eine Stickstoffphase in dem Kathodensubsystem zu erzeugen, und nach einer vorgegebenen Zeitspanne nach dem Abstellen des Betriebsluftstroms mittels des Luftversorgungssystems einen Regenerationsluftstrom in das Kathodensubsystem einzuleiten, um die Stickstoffphase über eine aktive Fläche jeweiliger Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels zu verteilen, und an dem Brennstoffzellenstapel eine elektrische Last anzulegen, um den Brennstoffzellenstapel zu regenerieren.
  • Unter einem Regenerieren eines Brennstoffzellensystems ist im Kontext der vorgestellten Erfindung ein Einstellen eines vorgegebenen Zustands von Brennstoffzellen eines Brennstoffzellensystems, insbesondere ein Abführen bzw. Desorbieren von Verunreinigungen, wie bspw. Platinoxiden und/oder Sulfaten aus jeweiligen Brennstoffzellen zu verstehen.
  • Unter einer Recheneinheit ist im Kontext der vorgestellten Erfindung ein Computer, ein Steuergerät, ein Prozessor oder jeder weitere programmierbare Schaltkreis zu verstehen.
  • Unter einem Luftversorgungssystem ist im Kontext der vorgestellten Erfindung bspw. ein Gebläse, insbesondere ein Kompressor und/oder eine Düse zu verstehen, das bzw. die Luft in ein Brennstoffzellensystem befördert. Ein Luftversorgungssystem kann eine Anzahl Versorgungskanäle zum Leiten von Luft umfassen.
  • Unter einem Betriebsluftstrom ist im Kontext der vorgestellten Erfindung ein Luftstrom zu verstehen, der während eines Betriebs, d.h. während ein Brennstoffzellenstapel aktiv bzw. „eingeschaltet“ ist, dem Brennstoffzellenstapel zugeführt wird, um mit Brennstoff zu reagieren.
  • Unter einem Regenerationsluftstrom ist im Kontext der vorgestellten Erfindung ein Luftstrom zu verstehen, der nach einem Betrieb, d.h. während ein Brennstoffzellenstapel inaktiv bzw. „ausgeschaltet“ ist, dem Brennstoffzellenstapel zugeführt wird, um eine Luftfront durch eine Stickstoffphase in einem Kathodensubsystem des Brennstoffzellenstapels zu pumpen/bewegen.
  • Die vorgestellte Erfindung basiert auf dem Prinzip, dass nach einem Abschalten eines Brennstoffzellensystems, d.h. nachdem ein Nutzer einen Befehl zum Abschalten des Brennstoffzellensystem bzw. eines Brennstoffzellenstapels des Brennstoffzellensystem über eine Benutzerschnittstelle an das Brennstoffzellensystem übermittelt hat, durch einen unterstöchiometrischen Betrieb eine zunächst eine Stickstoffphase in einem Kathodensubsystem des Brennstoffzellensystems bereitgestellt wird.
  • Um eine Luftfront über eine gesamte aktive Fläche jeweiliger Brennstoffzellen des Brennstoffzellensystems zu verteilen und entsprechend eine gleichmäßige Regeneration der Brennstoffzellen zu erreichen, wird durch ein Luftversorgungssystem des Brennstoffzellensystems ein Regenerationsluftstrom durch das Kathodensubsystem und entsprechend an der aktiven Fläche der jeweiligen Brennstoffzellen entlang bewegt. Dadurch wird ein aktives Pumpen von Protonen auf der jeweils Luft-abgewandten Seite erreicht.
  • Zum Einleiten des Regenerationsluftstroms in das Kathodensubsystem können bspw. Kathodenabsperrventile am Kathodeneingang und/oder am Kathodenausgang geöffnet werden.
  • Es kann vorgesehen sein, dass das Luftversorgungssystem dazu konfiguriert ist, den Regenerationsluftstrom durch einen Einlass des Kathodensubsystems in das Kathodensubsystem einzuleiten.
  • Ein Einleiten des Regenerationsluftstroms in einen Einlass des Kathodensubsystems erfordert keine baulichen Anpassungen gegenüber einem für einen Regelbetrieb nötigen Brennstoffzellensystem. Bspw. wird ein Kathodenabsperrventil am Eingang des Kathodensubsystems bei Einleiten eines Abschaltvorgangs zunächst geschlossen, um die Stickstoffphase zu erzeugen und anschließend geöffnet, um den Regenerationsluftstrom in das Kathodensubsystem einzuleiten und die Stickstoffphase vor einer Front des Regenerationsluftstroms durch das Kathodensubsystem zu drücken.
  • Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass das Luftversorgungssystem dazu konfiguriert ist, den Regenerationsluftstrom durch einen Auslass des Kathodensubsystems in das Kathodensubsystem einzuleiten.
  • Ein Einleiten des Regenerationsluftstroms in einen Auslass des Kathodensubsystems kann bspw. über eine bauliche Anpassung in Form eines Luftkanals von dem Luftzufuhrsystem zu dem Auslass des Kathodensubsystems erfolgen. Dabei kann ein Kathodenabsperrventil am Auslass des Kathodensubsystems als Regelventil zum Regeln des Regenerationsluftstroms wirken. Bspw. kann das Kathodenabsperrventil am Auslass des Kathodensubsystems geöffnet werden währen ein Kathodenabsperrventil am Einlass des Kathodensubsystems geschlossen ist.
  • Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass die Recheneinheit dazu konfiguriert ist, das Luftversorgungssystem derart anzusteuern, dass der Regenerationsluftstrom abwechselnd durch den Einlass und den Auslass in das Kathodensubsystem strömt wobei die Recheneinheit weiterhin dazu konfiguriert ist zwischen jedem Wechsel Kathodenabsperrventile am Einlass (10) und Auslass (115) zu schließen und bei angelegter elektrischer Last, ein an dem Brennstoffzellenstapel anliegendes Potential auf höchstens einen vorgegebenen Schwellenwert zu senken, bevor das Kathodenabsperrventil am Einlass (10) und/oder Auslass (115) wieder geöffnet wird.
  • Ein abwechselndes Einleiten des Regenerationsluftstroms durch den Einlass und den Auslass des Kathodensubsystems bewirkt, dass sich der vorteilhafte Bereich abseits der Luftfront, d.h. die besonders reduzierenden Bedingungen auf beiden Seiten einstellen.
  • Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass die Recheneinheit dazu konfiguriert ist, das Luftversorgungssystem derart anzusteuern, dass das Luftversorgungssystem den Regenerationsluftstrom für eine vorgegebene Dauer in den Einlass und anschließend für eine vorgegebene Dauer in den Auslass des Kathodensubsystems leitet.
  • Durch ein Vorgegeben einer Dauer, für die der Regenerationsluftstrom in den Einlass bzw. den Auslass des Kathodensubsystems eingeleitet wird, kann ein Weg über den die Stickstoffphase durch den Regenerationsluftstrom bewegt wird, vorgegeben werden. Entsprechend kann durch das Vorgeben einer Dauer, für die der Regenerationsluftstrom in den Einlass bzw. den Auslass des Kathodensubsystems eingeleitet wird, sichergestellt werden, dass die Stickstoffphase über die gesamte aktive Fläche der jeweiligen Brennstoffzellen bewegt wird.
  • Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass die Recheneinheit dazu konfiguriert ist, das Luftversorgungssystem in einem Pulsbetrieb anzusteuern, in dem das Luftversorgungssystem den Regenerationsluftstrom in Form eines mit einer vorgegebenen Frequenz gepulsten Luftstroms bereitstellt.
  • Ein Pulsbetrieb, bei dem der Regenerationsluftstrom als kurzer Luftimpuls bereitgestellt wird, führt zu einer kurzen, effektiven Luft Front in der Stickstoffphase bei gleichzeitig geringem Sauerstoffeintrag. Am Ende des Pulses werden beide Ventile geschlossen. Durch eine weiterhin angelegte Last wird Sauerstoff verbraucht und es stellt sich wieder eine Stickstoffphase ein. Sobald die Stickstoffphase eingestellt ist, kann ein erneuter Luftpuls, entweder von derselben Seite oder von der anderen Seite erfolgen.
  • Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass das Kathodensubsystem einen ersten Eingang und einen zweiten Eingang zum Einleiten von Luft sowie einen ersten Ausgang und einen zweiten Ausgang zum Ausleiten von Luft umfasst, wobei der erste Eingang und der zweite Ausgang an einer ersten Seite und der zweite Eingang und der erste Ausgang an einer der ersten Seite gegenüberliegenden zweiten Seite angeordnet sind, und wobei das Luftversorgungssystem dazu konfiguriert ist, den Regenerationsluftstrom in den ersten Eingang und/oder den zweiten Eingang zu leiten.
  • Mittels zweier paariger Aus- und Einlässe kann das Kathodensubsystem selektiv in eine jeweilige Richtung durchströmbar geschaltet werden.
  • Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass das Brennstoffzellensystem eine Stelleinheit zum Umstellen eines Verlaufs des Regenerationsluftstroms zwischen einem ersten Verlauf, der das Kathodensubsystem in einer ersten Richtung anströmt und einem zweiten Verlauf, der das Kathodensubsystem in einer zweiten, der ersten Richtung entgegengesetzten Richtung anströmt.
  • Eine Stelleinheit, wie bspw. ein Mehrwegeventil oder eine Umlenkklappe ermöglicht ein selektives bzw. gesteuertes Umlenken des Regenerationsluftstroms, sodass die Stickstoffphase selektiv bzw. gesteuert durch das Kathodensubsystem gelenkt werden kann.
  • Gemäß einem zweiten Aspekt betrifft die vorgestellte Erfindung ein Verfahren zum Abschalten eines Brennstoffzellensystems. Das Verfahren umfasst das Abstellen eines durch ein Luftversorgungssystem des Brennstoffzellensystems in ein Kathodensubsystem des Brennstoffzellensystems eingeleiteten Betriebsluftstroms, in Reaktion auf einen Empfang eines Abschaltbefehls, um eine Stickstoffphase in dem Kathodensubsystem zu erzeugen, das Einleiten eines Regenerationsluftstroms in das Kathodensubsystem, nach einer vorgegebenen Zeitspanne nach dem Abstellen des Betriebsluftstroms, um eine Luftfront über eine aktive Fläche jeweiliger Brennstoffzellen eines Brennstoffzellenstapels des Brennstoffzellensystems zu schieben, und das Anlegen einer elektrischen Last an dem Brennstoffzellenstapel, um den Sauerstoff zu verbrauchen und den Brennstoffzellenstapel besonders auf der von der Luftfront abgewandten Seite zu regenerieren.
  • Das vorgestellte Verfahren dient insbesondere zum Betrieb bzw. zum Abschalten des vorgestellten Brennstoffzellensystems.
  • Es kann vorgesehen sein, dass das Verfahren weiterhin das Umschalten zwischen einem ersten Verlauf, in dem der Regenerationsluftstrom das Kathodensubsystem in einer ersten Richtung anströmt und einem zweiten Verlauf, in dem der Regenerationsluftstrom das Kathodensubsystem in einer zweiten, der ersten Richtung entgegengesetzten Richtung anströmt, umfasst. Dabei kann vor jedem Seitenwechsel bzw. jedem erneuten Puls eine Wartezeit abgewartet werden, in der sich eine Stickstoffphase einstellt.
  • 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:
    • 1 eine schematische Darstellung einer möglichen Ausgestaltung des vorgestellten Brennstoffzellensystems in verschiedenen Zuständen,
    • 2 eine mögliche Ausgestaltung des vorgestellten Verfahrens.
  • In 1 ist eine Zelle innerhalb eines Brennstoffzellenstapels 101 mit einem Kathodensubsystem 103 und einem Anodensubsystem 105 dargestellt.
  • Das Kathodensubsystem 103 und das Anodensubsystem 105 sind durch eine Membran-Elektrodeneinheit (MEA) 107 voneinander getrennt.
  • Um den Brennstoffzellenstapel 101 in einen anodenseitig wasserstoffreichend und kathodenseitig stickstoffreichen Zustand zu bringen, wird in einem Zustand A eine Luftzufuhr in einen Einlass 109 des Kathodensubsystems 103 unterbrochen, wie durch einen durchgestrichenen Pfeil 111 angedeutet.
  • Durch die Unterbrechung der Luftzufuhr indem bspw. ein Kathodenabsperrventil am Einlass 109 und ein Kathodenabsperrventil am Auslass 115 geschlossen werden, wird in dem Kathodensubsystem 103 befindlicher Sauerstoff bei weiterhin angelegter Last, kontinuierlich von in dem Anodensubsystem 105 befindlichem Wasserstoff verbraucht, sodass sich eine Stickstoffphase in dem Kathodensubsystem 103 einstellt und ein lediglich geringes elektrischen Potential (~0V) an dem Brennstoffzellenstapel 101 anliegt. Sobald ein vorgegebener Potentialwert von bspw. 50mV erreicht bzw. unterschritten wird, wird die Last ausgeschalten.
  • Nachdem einer vorgegebenen Dauer wird in einem Zustand B das Kathodenabsperrventil am Einlass 109 und am Auslass 115 wieder geöffnet und Frischluft in das Kathodensubsystem 103 geleitet, wie durch Pfeil 113 angedeutet. Durch die Frischluft wird die Stickstoffphase in Richtung eines Auslasses 115 gedrückt, wie durch Pfeile 117 angedeutet. Entsprechend wandert die Stickstoffphase an einer aktiven Fläche der MEA 107 entlang. Gleichzeitig wird ein Strom gezogen bzw. eine Last angelegt, der bzw. die den Sauerstoff verbraucht. Da die Menge an Luft unterstöchiometrisch ist, bildet sich über der MEA 107 ein Bereich mit einer Wasserstoff/Luftphase zum Betrieb und ein Bereich der weiterhin eine Stickstoffphase auf der Kathode enthält und es stellt sich ein Potential von bspw. nahe 0V, abhängig vom Luftfluss ein. Der Zustand B wird beendet, in dem bei weiter angelegter Last die beiden Absperrventile am Kathodeneinlass 109 und am Kathodenauslass 115 geschlossen werden. Es bildet sich wieder der Zustand A aus.
  • Optional kann in einem Zustand C, nachdem der Brennstoffzellenstapel 101 wieder im Zustand A ist, bei angelegter Last unterstöchiometrisch Frischluft durch den Kathodenauslass 115 in das Kathodensubsystem 103 geleitet werden, wie durch Pfeil 121 angedeutet. Entsprechend wird die Stickstoffphase durch die Frischluft zurück in Richtung des Kathodeneinlasses 109 gedrückt, sodass eine Luftfront erneut an der aktiven Fläche der MEA 107 entlangwandert, wie durch Pfeile 123 angedeutet, und die MEA 107 wieder mit zwei verschiedenen Gasphasen, nämlich einer Wasserstoff/Luftphase und einer Stickstoffphase auf der Kathode beaufschlagt.
  • In 2 ist ein Verfahren 200 zum Abschalten eines Brennstoffzellensystems dargestellt. Das Verfahren 200 umfasst einen Abstellschritt 201, bei dem ein durch ein Luftversorgungssystem des Brennstoffzellensystems in ein Kathodensubsystem des Brennstoffzellensystems eingeleiteter Betriebsluftstroms, in Reaktion auf einen Empfang eines Abschaltbefehls eingeleitet wird, um eine Stickstoffphase in dem Kathodensubsystem zu erzeugen.
  • Ferner umfasst das Verfahren 200 einen Einleitungsschritt 203, bei dem ein Regenerationsluftstroms in das Kathodensubsystem, nach einer vorgegebenen Zeitspanne nach dem Abstellen des Betriebsluftstroms eingeleitet wird, um die Stickstoffphase über eine aktive Fläche jeweiliger Brennstoffzellen eines Brennstoffzellenstapels des Brennstoffzellensystems zu verteilen.
  • Ferner umfasst das Verfahren 200 einen Lastschritt 205, bei dem eine elektrischen Last an dem Brennstoffzellenstapel angelegt wird, um den Brennstoffzellenstapel zu regenerieren.

Claims (10)

  1. Brennstoffzellensystem zum Wandeln von Energie, wobei das Brennstoffzellensystem umfasst: - einen Brennstoffzellenstapel (101), - ein Luftversorgungssystem, - eine Recheneinheit, wobei der Brennstoffzellenstapel (101) ein Anodensubsystem (105) und ein Kathodensubsystem (103) umfasst, wobei das Luftversorgungssystem dazu konfiguriert ist, einen Luftstrom in das Kathodensubsystem (103) einzuleiten, wobei die Recheneinheit dazu konfiguriert ist, ein Einleiten eines durch das Luftversorgungssystem bereitgestellten Betriebsluftstroms in das Kathodensubsystem (103) in Reaktion auf einen Empfang eines Abschaltbefehls abzustellen, um eine Stickstoffphase in dem Kathodensubsystem (103) zu erzeugen, und nach einer vorgegebenen Zeitspanne nach dem Abstellen des Betriebsluftstroms mittels des Luftversorgungssystems einen unterstöchiometrischen Regenerationsluftstrom in das Kathodensubsystem (103) einzuleiten, um eine Luftfront über eine aktive Fläche jeweiliger Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels (101) zu verteilen, und an dem Brennstoffzellenstapel (101) eine elektrische Last anzulegen, um den Brennstoffzellenstapel (101) zu regenerieren.
  2. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Luftversorgungssystem dazu konfiguriert ist, den Regenerationsluftstrom durch einen Einlass (109) des Kathodensubsystems (103) in das Kathodensubsystem (103) einzuleiten.
  3. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Luftversorgungssystem dazu konfiguriert ist, den Regenerationsluftstrom durch einen Auslass (115) des Kathodensubsystems (103) in das Kathodensubsystem (103) einzuleiten.
  4. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Recheneinheit dazu konfiguriert ist, das Luftversorgungssystem derart anzusteuern, dass der Regenerationsluftstrom abwechselnd durch den Einlass (109) und den Auslass (115) in das Kathodensubsystem (103) strömt, wobei die Recheneinheit weiterhin dazu konfiguriert ist zwischen jedem Wechsel Kathodenabsperrventile am Einlass (10) und Auslass (115) zu schließen und bei angelegter elektrischer Last, ein an dem Brennstoffzellenstapel anliegendes Potential auf höchstens einen vorgegebenen Schwellenwert zu senken, bevor das Kathodenabsperrventil am Einlass (10) und/oder Auslass (115) wieder geöffnet wird.
  5. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Recheneinheit dazu konfiguriert ist, das Luftversorgungssystem derart anzusteuern, dass das Luftversorgungssystem den Regenerationsluftstrom für eine vorgegebene Dauer in den Einlass (109) und anschließend für eine vorgegebene Dauer in den Auslass (115) des Kathodensubsystems (103) leitet.
  6. Brennstoffzellensystem nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Recheneinheit dazu konfiguriert ist, das Luftversorgungssystem in einem Pulsbetrieb anzusteuern, in dem das Luftversorgungssystem den Regenerationsluftstrom in Form eines mit einer vorgegebenen Frequenz gepulsten Luftstroms bereitstellt.
  7. Brennstoffzellensystem nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kathodensubsystem (103) einen ersten Eingang und einen zweiten Eingang zum Einleiten von Luft sowie einen ersten Ausgang und einen zweiten Ausgang zum Ausleiten von Luft umfasst, wobei der erste Eingang und der zweite Ausgang an einer ersten Seite und der zweite Eingang und der erste Ausgang an einer der ersten Seite gegenüberliegenden zweiten Seite angeordnet sind, und wobei das Luftversorgungssystem dazu konfiguriert ist, den Regenerationsluftstrom in den ersten Eingang und/oder den zweiten Eingang zu leiten.
  8. Brennstoffzellensystem nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Brennstoffzellensystem eine Stelleinheit zum Umstellen eines Verlaufs des Regenerationsluftstroms zwischen einem ersten Verlauf, der das Kathodensubsystem (103) in einer ersten Richtung anströmt und einem zweiten Verlauf, der das Kathodensubsystem (103) in einer zweiten, der ersten Richtung entgegengesetzten Richtung anströmt.
  9. Verfahren (200) zum Abschalten eines Brennstoffzellensystems, wobei das Verfahren (200) umfasst: - Abstellen (201) eines durch ein Luftversorgungssystem des Brennstoffzellensystems in ein Kathodensubsystem des Brennstoffzellensystems eingeleiteten Betriebsluftstroms, in Reaktion auf einen Empfang eines Abschaltbefehls, um eine Stickstoffphase in dem Kathodensubsystem (103) zu erzeugen, - Einleiten (203) eines Regenerationsluftstroms in das Kathodensubsystem (103), nach einer vorgegebenen Zeitspanne nach dem Abstellen des Betriebsluftstroms, um die Stickstoffphase über eine aktive Fläche jeweiliger Brennstoffzellen eines Brennstoffzellenstapels (101) des Brennstoffzellensystems zu verteilen, und - Anlegen (205) einer elektrischen Last an dem Brennstoffzellenstapel (101), um den Brennstoffzellenstapel (101) zu regenerieren.
  10. Verfahren (200) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren (200) weiterhin umfasst: - Umschalten zwischen einem ersten Verlauf, in dem der Regenerationsluftstrom das Kathodensubsystem (103) in einer ersten Richtung anströmt und einem zweiten Verlauf, in dem der Regenerationsluftstrom das Kathodensubsystem (103) in einer zweiten, der ersten Richtung entgegengesetzten Richtung anströmt.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE60321109D1 (de) * 2002-10-31 2008-07-03 Matsushita Electric Ind Co Ltd Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems und Brennstoffzellensystem
JP5095077B2 (ja) * 2004-12-10 2012-12-12 株式会社デンソー 燃料電池システム
JP5303419B2 (ja) * 2009-09-30 2013-10-02 株式会社日立製作所 燃料電池発電システムおよびその運転方法

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2012185968A (ja) 2011-03-04 2012-09-27 Toyota Motor Corp 燃料電池システム及び燃料電池の触媒性能回復方法

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