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WO2009049779A1 - Verfahren zum betreiben eines brennstoffzellensystems - Google Patents

Verfahren zum betreiben eines brennstoffzellensystems Download PDF

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WO2009049779A1
WO2009049779A1 PCT/EP2008/008403 EP2008008403W WO2009049779A1 WO 2009049779 A1 WO2009049779 A1 WO 2009049779A1 EP 2008008403 W EP2008008403 W EP 2008008403W WO 2009049779 A1 WO2009049779 A1 WO 2009049779A1
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WO
WIPO (PCT)
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fuel
anode
fuel cell
phase
cell system
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Ceased
Application number
PCT/EP2008/008403
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English (en)
French (fr)
Inventor
Jörg STRAUHS
Markus Walter
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Mercedes Benz Group AG
Original Assignee
Daimler AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Daimler AG filed Critical Daimler AG
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Ceased legal-status Critical Current

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    • H01M2008/1095—Fuel cells with polymeric electrolytes
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    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the invention relates to a method for operating a fuel cell system, which is started after a shutdown and in which in the start-up phase, a fuel is passed through the at least partially filled with air anode chamber of the fuel cell system.
  • An anode gas mixture emerging from the anode probe during the start-up phase is conducted at least partially back into the anode chamber in a recirculation circuit of the fuel cell system.
  • the anode flow field exhaust gas recycle loop is triggered when this anode flow field gas is 100% air.
  • the start-up phase is a
  • Anode exhaust vent valve is at least partially opened with a fan turned on to begin recirculating the anode flow field exhaust gases through the recycle circuit.
  • a fuel flow valve disposed in a supply line between a hydrogen source and the anode is set in an unchangeable opening state during the start-up phase so that only a continuous, continuous stream of hydrogen-containing fuel can flow from the hydrogen source to the anode.
  • in the Recirculation of the hydrogen and the anode exhaust gases necessarily pass through a plurality of burners.
  • a method for operating a fuel cell system is further known in which in a start phase to avoid undersupply of a fuel cell with fuel, the amount of fuel to be supplied in the fuel cell system, taking into account a content of stored in the fuel cell Fuel is added. It is thus determined when starting the still existing in the anode amount of fuel and depending on then a still missing residual amount constantly supplied, so that there is a total amount of fuel by the sum of the still present in the fuel cell amount of fuel and the remaining amount supplied.
  • the problem of occurring hydrogen oxygen gradient formation in the anode can only be avoided to a limited extent.
  • a hydrogen mass flow conducted into the anode displaces the oxygen still present there.
  • the resulting hydrogen-oxygen gradient is the main reason for the premature aging of fuel cells.
  • the catalyst of the fuel cell is damaged by excessive hydrogen oxygen gradients along a channel within a fuel cell.
  • a switched-off fuel cell is restarted.
  • a fuel is passed through the at least partially filled with air anode space of the fuel cell system.
  • an anode gas mixture emerging from the anode chamber is mixed in one
  • the fuel supplied from a fuel reservoir to the anode chamber is varied at least temporarily in its quantity during the start-up phase. This means that during the start-up phase, at least temporarily, there is no continuous supply of the fuel quantity from the fuel storage to the anode space, but that this supply is changed quantitatively at least once during a feed operation.
  • the varying metering of the supplied fuel allows a very precise and optimized at the current times tuned addition of the amount of fuel. It particularly efficiently prevents the avoidance of too high a fuel-oxidant gradient along a channel within the fuel cell.
  • the fuel supplied from the fuel reservoir to the anode chamber is at least temporarily increased in its quantity during the start-up phase.
  • the fuel supplied from the fuel reservoir to the anode chamber is varied in its quantity during the start-up phase, at least temporarily, continuously and continuously.
  • a fan is preferably arranged, which in the start-up phase for returning the anode gas mixture in the Anode space is at least temporarily operated in a specific return mode.
  • the recycling process of the anode gas mixture is carried out very specific and adapted to the current situation.
  • the situation-dependent adjustment of the concentrations of the fuel on the one hand and of the oxidant on the other hand can be further refined.
  • a speed of the fan is set in the return mode of the fan, which is greater than the set in the set after the startup normal operation of the fuel cell system speed.
  • a maximum speed of the fan is set in the return mode.
  • the fan is thus operated at least temporarily in the start-up phase at full load. It is preferably provided that in the return mode, the speed of the fan is set substantially constant for the entire duration substantially. However, it can also be provided that the rotational speed in the return mode during the start-up of the
  • Fuel cell system is varied at least once.
  • the most effective mode of operation can be selected and carried out depending on the situation.
  • the anode gas mixture guided in the recirculation circuit is at least temporarily removed from the recirculation circuit during the start-up phase proportionately via a discharge device coupled to the recirculation circuit. This procedure achieves a further improvement with regard to the concentration of the fuel and the oxidant currently required or to be set during a start-up phase.
  • the duration of the discharge via the discharge device and / or the amount of the anode gas mixture to be discharged via the discharge device is dependent on the fuel concentration and / or the
  • Oxidant concentration determined in the anode compartment Thereby, the vote with regard to the supplied amount of the anode gas mixture can be made very fine and accurate.
  • the anode gas mixture discharged via the discharge device from the recirculation circuit is supplied to the cathode compartment of the fuel cell system. It can be provided that this supply takes place at the entrance of the cathode space or else at the exit of the cathode space.
  • anode gas mixture discharged via the discharge device from the recirculation circuit is fed into the environment or an exhaust air path leading away from the cathode compartment.
  • the steady increase in the hydrogen concentration during a sufficiently high recirculation rate and the resulting mixing of the anode gas mixture can cause harmful high fuel-Oxidationsmittelgradienten be prevented.
  • the fuel is hydrogen and the oxidant is oxygen, a harmful high hydrogen-oxygen gradient can thus be avoided.
  • the start-up or start-up of the fuel cell system is therefore characterized in particular by the fact that there is no abrupt continuous supply of hydrogen at the moment, but rather a gradual increase in the addition of hydrogen from the fuel reservoir during the start-up phase, at least temporarily.
  • a high recirculation rate of the anode volume should be ensured, as a result of which, in particular, the recycling of the anode gas mixture takes place at least proportionally in the anode chamber. If the oxidant concentration in the anode compartment is then reduced and close to zero percent, the start-up phase is completed.
  • the targeted opening of the recirculation circuit via the discharge device, the starting process can be additionally accelerated.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of subcomponents of a fuel cell system, with which the method according to the invention is carried out;
  • Fig. 2 is a diagram in which the rotational speed of the fan arranged in the recirculation circuit is shown as a function of time;
  • FIG. 3 is a diagram showing the concentration of the fuel and the oxidizing agent as a function of time.
  • FIG. 1 shows a schematic illustration of a fuel cell system 1, which merely shows the components which are sufficient for the understanding of the invention.
  • the fuel cell system 1 comprises at least one fuel cell 2.
  • a fuel cell stack with a plurality of fuel cells 2 is preferably provided.
  • the fuel cell 2 comprises an anode chamber 4 and one of them separated by a membrane 5 cathode compartment 3.
  • the fuel cell 2 is formed as a PEM fuel cell.
  • the fuel cell system 1 is provided as a mobile system and arranged in a vehicle.
  • the fuel cell system 1 comprises a fuel storage 6, which is connected via a supply line 7 with the anode compartment 4.
  • a fuel storage 6 as the fuel, hydrogen or a hydrogen-containing gas is contained or may be generated therein.
  • an element 8 for changing the flow cross-section of the supply line 7 is arranged.
  • the element 8 is a valve, which is referred to below as the valve 8.
  • the fuel cell system 1 comprises a recirculation device 9.
  • This has a recirculation line 10 which extends from the exit of the anode compartment 4 to a junction 11.
  • the recirculation line 10 thus opens into the supply line 7 between the valve 8 and the inlet of the anode compartment 4.
  • a fan 12 connected to the recirculation line 10 is arranged in the device 9 and is driven by a motor 13.
  • a further element 15 is arranged, which is designed to change the flow cross-section of the conduit 14.
  • the element 15 is designed as a valve, which is referred to below as a valve 15.
  • the line 14 and the valve 15 are associated with a discharge device for discharging the guided from the anode chamber 4 via the recirculation device 9 anode gas mixture.
  • the line 14 is guided to the cathode space 3 of the fuel cell 2.
  • the proportion of the anode gas mixture, which is guided by the recirculation line 10 via the discharge device 14, 15, is thus conducted into the cathode space 3.
  • the discharge device 14, 15 opens into the environment or into a discharge path leading away from the exit of the cathode space 3.
  • the fuel cell system 1 also has a control unit, not shown, which is designed to control the valve 8. It is preferably provided that this control unit is also designed to control the valve 15 and the motor 13 in order to adjust the speed of the fan 12 can.
  • the fuel cell system 1 comprises a sensor, not shown, in order to detect the fuel concentration and the oxidant concentration in the fuel cell 2 can.
  • Fuel cell system 1 explained in more detail. After that Fuel cell system 1 is in a disconnected state, it is started following and is then initially in a start-up phase. In the parked state, an oxygen concentration has accumulated in the anode chamber 4, so that in a subsequent abrupt supply of the fuel hydrogen, a high hydrogen oxygen gradient would arise, which can damage the fuel cell 2.
  • the hydrogen contained in the fuel storage 6 is supplied to the anode space 4 at least temporarily in a modified amount via the supply line 7.
  • the valve 8 is controlled via the control unit so that the mass flow flowing through the valve 8 is continuously increased as the starting phase progresses.
  • the valve 8 is continuously opened continuously as the starting phase progresses.
  • FIG. 3 shows the course of the oxygen concentration and the hydrogen concentration in the anode space 4.
  • the concentration of hydrogen is zero. As the time progresses, the concentration of hydrogen in the anode compartment 4 increases steadily from time t 2 .
  • valve 8 is continuously opened more and more and thus the from Fuel storage 6 to the anode compartment 4 flowing hydrogen mass flow steadily increases.
  • the blower 12 is started at the time t 0 .
  • the blower 12 is operated in a return mode in that the anode gas mixture located in the anode chamber 4 is returned to the input of the anode chamber 4 via the return line 10 of the recirculation circuit.
  • the full load operation is set in the embodiment in the return mode of the blower 12, wherein for this purpose the maximum speed Dl is set. Until a time t lf when the startup phase is completed and the oxygen concentration in the anode chamber 4 is substantially zero percent, this maximum speed Dl is maintained constant.
  • the blower 12 is controlled via the control unit so that the speed is reduced from the maximum speed Dl to a lower speed D2.
  • This rotational speed D2 characterizes the normal operation of the fan 12 in the operation of the fuel cell system 1 following the start-up phase.
  • a lower speed than the maximum speed Dl is set in the start-up phase.
  • the set in the start-up phase and thus in the return mode speed Dl of the blower 12 is greater than the set in normal operation speed D2.
  • the rotational speed Dl in the return mode of the blower 12 is not constant over the entire duration but is changed at least temporarily during the start-up phase.
  • the time between the times t 0 and t 2 is minimal, since immediately after starting the fuel cell system 1, a supply of hydrogen from the fuel reservoir 6 via the valve 8 to the anode chamber 4 takes place.
  • the starting process of the fuel cell system 1 is initiated by a recirculation of the volume in the anode chamber 4.
  • a comparatively high recirculation rate for normal operation is set by operating the blower 12 in the specific return mode.
  • the continuously increasing addition of the quantity of hydrogen from the fuel reservoir 6 then takes place. This also results in a correspondingly slower anode-side pressure build-up. An undesirable high hydrogen oxygen gradient formation in the anode compartment 4 can be prevented.
  • supplied amount of the anode gas mixture can be varied. This can be made possible on the one hand via the speed control of the blower 12 and additionally on the other hand via the discharge of a portion of the anode gas mixture via the line 14 and the valve 15.
  • the duration of the discharge and / or the amount of anode gas mixture to be discharged via line 14 and valve 15 is preferably dependent on the concentration of hydrogen measured by a suitable sensor and / or determined by the concentration of oxygen in the anode compartment 4. As a result, the starting behavior can be optimally tuned and beyond accelerated.
  • the supply of the fuel from the fuel storage 6 to the anode chamber 4 is started simultaneously with the return of the anode gas mixture via the recirculation device 9 to the anode chamber 4.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren Verfahren zum Betreiben eines Brennstoff zellensystems (1), welches nach einem Abschalten angefahren wird und bei dem in der Anfahrphase ein Brennstoff durch den sich zumindest anteilig mit Luft gefüllten Anodenraum (4) einer Brennstoffzelle (2) geleitet wird, und ein während der Anfahrphase aus dem Anodenraum (4) austretendes Anodengasgemisch in einer Rezirkulationseinrichtung (9) des Brennstoff zellensystems (1) zumindest anteilig wieder in den Anodenraum (4) geleitet wird, wobei die von einem Brennstoff Speicher (6) zum Anodenraum (4) zugeleitete Menge von Brennstoff während der Anfahrphase zumindest zeitweise variiert wird.

Description

Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems, welches nach einem Abschalten angefahren wird und bei dem in der Anfahrphase ein Brennstoff durch den sich zumindest anteilig mit Luft gefüllten Anodenraum des Brennstoffzellensystems geleitet wird. Ein während der Anfahrphase aus der Anodensonde austretendes Anodengasgemisch wird in einem Rezirkulationskreislauf des Brennstoffzellensystems zumindest anteilig wieder in den Anodenraum geleitet.
Ein derartiges Verfahren ist aus der DE 102 97 626 T5 bekannt. Das Rezirkulieren durch den
Wiederverwertungskreislauf des Anodenströmungsfeldabgases wird dann ausgelöst, wenn dieses Anodenströmungsfeldgas 100 % Luft ist. Während der Anfahrphase ist ein
Anodenabgasentlüftungsventil zumindest teilweise geöffnet, wobei ein Gebläse angeschaltet wird, um ein Rezirkulieren der Anodenströmungsfeldabgase durch den Wiederverwertungskreislauf zu beginnen. Ein BrennstoffStrömungsventil, welches in einer Zuführleitung zwischen einer Wasserstoffquelle und der Anode angeordnet ist, ist während der Anfahrphase in einem unveränderbaren Öffnungszustand eingestellt, so dass lediglich ein permanenter, kontinuierlicher Strom von wasserstoffhaltigem Brennstoff von der Wasserstoffquelle zur Anode strömen kann. In einer weiteren Ausführung ist vorgesehen, dass bei der Rezirkulation der Wasserstoff und die Anodenabgase zwingend durch eine Mehrzahl von Brennern strömen.
Aus der DE 10 2004 037 097 Al ist ferner ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems bekannt, bei dem in einer Startphase zur Vermeidung einer Unterversorgung einer Brennstoffzelle mit Brennstoff, die zuzuführende Menge von Brennstoff in das BrennstoffZeilensystem unter Berücksichtigung eines Gehalts von in der Brennstoffzelle noch gespeicherten Brennstoff zugegeben wird. Es wird also beim Starten der in der Anode noch vorhandene Mengenanteil von Brennstoff festgestellt und abhängig davon dann eine noch fehlende Restmenge konstant zugeführt, so dass sich durch die Summe der noch in der Brennstoffzelle vorhandenen Menge von Brennstoff und der zugeführten Restmenge eine gesamte Brennstoffmenge ergibt.
Bei den bekannten Verfahren kann das Problem einer auftretenden Wasserstoff-Sauerstoffgradientenbildung in der Anode nur bedingt vermieden werden. Beim Anfahren einer Brennstoffzelle ist somit weiterhin die Problematik gegeben, dass ein in die Anode geleiteter Wasserstoffmassenstrom den dort noch vorhandenen Sauerstoff verdrängt. Der dadurch entstehende Wasserstoff-Sauerstoffgradient ist der Hauptgrund für die vorzeitige Alterung von Brennstoffzellen. Insbesondere der Katalysator der Brennstoffzelle wird durch zu hohe Wasserstoff-Sauerstoffgradienten entlang eines Kanals innerhalb einer Brennstoffzelle geschädigt.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems zu schaffen, bei welchem die Schädigung einer Brennstoffzelle aufgrund eines zu hohen Brennstoff-Oxidationsmittelgradienten zumindest reduziert werden kann. Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren, welches die Merkmale nach Anspruch 1 aufweist, gelöst.
Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems wird eine abgeschaltete Brennstoffzelle wieder angefahren. In der Anfahrphase wird ein Brennstoff durch den sich zumindest anteilig mit Luft gefüllten Anodenraum des Brennstoffzellensystems geleitet. Während der Anfahrphase wird ein aus dem Anodenraum austretendes Anodengasgemisch in einem
Rezirkulationskreislauf des Brennstoffzellensystems zumindest anteilig wieder in den Anodenraum zurückgeleitet. Der von einem BrennstoffSpeicher zum Anodenraum zugeleitete Brennstoff wird in seiner Menge während der Anfahrphase zumindest zeitweise variiert. Dies bedeutet, dass während der Anfahrphase zumindest zeitweise keine kontinuierliche Zuführung der Brennstoffmenge vom BrennstoffSpeicher zum Anodenraum erfolgt, sondern dass dieses Zuführen zumindest einmal während eines Zuführvorgangs mengenmäßig verändert wird.
Durch diese Vorgehensweise kann eine deutliche Reduzierung eines Brennstoff-Oxidationsmittelgradienten in der Brennstoffzelle erreicht werden. Dadurch kann ein Schädigungsmechanismus der Brennstoffzelle, welcher eine schnelle Alterung hervorruft, zumindest deutlich eingedämmt werden. Durch diese während der Anfahrphase variierende Dosierung der Brennstoffmengenzuführung von dem BrennstoffSpeicher zum Anodenraum kann darüber hinaus auch der Anfahrprozess beschleunigt werden. Startvorgänge des Brennstoffzellensystems, wie beispielsweise auch Stopp-Start- Vorgänge, wirken sich dadurch auch nicht mehr nachteilig auf die Lebensdauer des Brennstoffzellensystems aus. Darüber hinaus können auch vereinfachte und sichere Abstellszenarien des Brennstoffzellensystems realisiert werden. Beispielsweise ist es nicht mehr erforderlich, dass die Anode hermetisch dicht abgestellt wird. Vielmehr kann sogar ein Restwasserstoff im Anodenvolumen verbraucht werden, so dass das Brennstoffzellensystem ohne Wasserstoffüberdruck abgestellt bzw. geparkt werden kann.
Die variierende Dosierung des zugeleiteten Brennstoffs ermöglicht eine sehr präzise und zu den momentanen Zeitpunkten optimiert abgestimmte Zugabe der Brennstoffmenge . Es gewährleistet besonders effizient die Vermeidung eines zu hohen Brennstoff-Oxidationsmittelgradienten entlang eines Kanals innerhalb der Brennstoffzelle.
Vorzugsweise wird der von dem BrennstoffSpeicher zum Anodenraum zugeleitete Brennstoff in seiner Menge während der Anfahrphase zumindest zeitweise erhöht.
Insbesondere wird der von dem BrennstoffSpeicher zu dem Anodenraum zugeleitete Brennstoff in seiner Menge während der Anfahrphase zumindest zeitweise kontinuierlich und stetig verändert. Insbesondere ist es besonders vorteilhaft, wenn zumindest zeitweise während der Anfahrphase der von dem BrennstoffSpeicher zum Anodenraum zugeleitete Brennstoff in seiner Menge kontinuierlich erhöht wird. Dies gewährleistet eine besonders vorteilhafte Vorgehensweise einerseits im Hinblick auf ein schnellstmögliches Anfahren der Brennstoffzelle und andererseits zur Vermeidung eines schädigenden Brennstoff-Oxidationsmittelgradienten.
In dem Rezirkulationskreislauf des Brennstoffzellensystems ist bevorzugterweise ein Gebläse angeordnet, welches in der Anfahrphase zum Rückführen des Anodengasgemisches in den Anodenraum zumindest zeitweise in einem spezifischen Rückführmodus betrieben wird. Durch diese Vorgehensweise wird der Rückführprozess des Anodengasgemisches sehr spezifisch und auf die momentane Situation angepasst durchgeführt. In Ergänzung mit der Variation des Massenstroms des vom Brennstoffspeicher zum Anodenraum zugeleiteten Brennstoffs kann somit die situationsabhängige Einstellung der Konzentrationen des Brennstoffs einerseits und des Oxidationsmittels andererseits nochmals verfeinert werden.
Vorzugsweise wird im Rückführmodus des Gebläses eine Drehzahl des Gebläses eingestellt, welche größer ist als die im nach der Anfahrphase eingestellten Normalbetrieb des Brennstoffzellensystems eingestellte Drehzahl. Durch diese erhöhte Drehzahl kann die Rückführung des Anodengasgemisches beschleunigt werden und dadurch die Erhöhung der Konzentration des Brennstoffs in dem Anodenraum und die Reduzierung der Konzentration des Oxidationsmittels im Anodenraum besonders schnell durchgeführt werden, ohne dass jedoch ein zu hoher Brennstoff-Oxidationsmittelgradient entstehen würde.
Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass im Rückführmodus eine maximale Drehzahl des Gebläses eingestellt wird. Das Gebläse wird somit zumindest zeitweise in der Anfahrphase in Volllast betrieben. Vorzugsweise ist vorgesehen, dass im Rückführmodus die Drehzahl des Gebläses im Wesentlichen für die gesamte Zeitdauer im Wesentlichen konstant eingestellt wird. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass die Drehzahl im Rückführmodus während der Anfahrphase des
Brennstoffzellensystems zumindest einmal variiert wird. Durch diese Vorgehensweisen kann wiederum situationsabhängig die effektivste Betriebsweise ausgewählt und durchgeführt werden. Vorzugsweise wird das im Rezirkulationskreislauf geführte Anodengasgemisch zumindest zeitweise während der Anfahrphase anteilig über eine mit dem Rezirkulationskreislauf gekoppelte Ablasseinrichtung aus dem Rezirkulationskreislauf abgeführt. Durch diese Vorgehensweise wird eine weitere Verbesserung im Hinblick auf die während einer Anfahrphase momentan erforderliche oder einzustellende Konzentration des Brennstoffs und des Oxidationsmittels erreicht.
Vorzugsweise wird die Zeitdauer des Ablassens über die Ablasseinrichtung und/oder die abzulassende Menge des Anodengasgemisches über die Ablasseinrichtung abhängig von der Brennstoffkonzentration und/oder der
Oxidationsmittelkonzentration in dem Anodenraum bestimmt. Dadurch kann die Abstimmung im Hinblick auf die zugeleitete Menge des Anodengasgemisches besonders fein und genau erfolgen.
Vorzugsweise wird das über die Ablasseinrichtung aus dem Rezirkulationskreislauf abgeführte Anodengasgemisch dem Katodenraum des Brennstoffzellensytems zugeführt. Es kann vorgesehen sein, dass diese Zuführung am Eingang des Katodenraums oder aber auch am Ausgang des Katodenraums erfolgt .
Es kann auch vorgesehen sein, dass das über die Ablasseinrichtung aus dem Rezirkulationskreislauf abgeführte Anodengasgemisch in die Umgebung oder eine von dem Katodenraum wegführende Abluftstrecke zugeführt wird.
Durch die stetige Erhöhung der Wasserstoffkonzentration während einer genügend hohen Rezirkulationsrate und daraus resultierenden Durchmischung des Anodengasgemischs können schädlich hohe Brennstoff-Oxidationsmittelgradienten verhindert werden. Insbesondere dann, wenn der Brennstoff Wasserstoff ist, und das Oxidationsmittel Sauerstoff ist, kann somit ein schädlicher hoher Wasserstoff- Sauerstoffgradient vermieden werden. Das Anfahren oder Aufstarten des Brennstoffzellensystems ist somit insbesondere dadurch gekennzeichnet, dass eben gerade keine abrupte kontinuierliche WasserstoffZuführung erfolgt, sondern dass während der Anfahrphase zumindest zeitweise eine allmähliche Steigerung der Zugabe von Wasserstoff aus dem Brennstoffspeicher erfolgt. Während dieser Zeit soll insbesondere eine hohe Rezirkulationsrate des Anodenvolumens gewährleistet sein, wodurch dazu insbesondere die Rückführung des Anodengasgemisches zumindest anteilig in den Anodenraum erfolgt. Ist daraufhin die Oxidationsmittelkonzentration im Anodenraum abgebaut und nahe null Prozent, ist die Anfahrphase abgeschlossen. Durch das gezielte Öffnen des Rezirkulationskreislaufs über die Ablasseinrichtung kann der Anfahrvorgang zusätzlich beschleunigt werden.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung von Teilkomponenten eines Brennstoffzellensystems, mit dem das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt wird;
Fig. 2 ein Diagramm, bei dem die Drehzahl des in dem Rezirkulationskreis angeordneten Gebläses in Abhängigkeit von der Zeit dargestellt ist; und
Fig. 3 ein Diagramm, in dem die Konzentration des Brennstoffs und des Oxidationsmittels in Abhängigkeit von der Zeit dargestellt ist. In Fig. 1 ist in einer schematischen Darstellung ein Brennstoffzellensystem 1 gezeigt, welches lediglich die für das Verständnis der Erfindung ausreichenden Komponenten aufzeigt. Das Brennstoffzellensystem 1 umfasst zumindest eine Brennstoffzelle 2. Vorzugsweise ist ein Brennstoffzellenstapel mit einer Mehrzahl von Brennstoffzellen 2 vorgesehen. Die Brennstoffzelle 2 umfasst einen Anodenraum 4 und einen davon durch eine Membran 5 separierten Kathodenraum 3. Im Ausführungsbeispiel ist die Brennstoffzelle 2 als PEM-Brennstoffzelle ausgebildet. Diese spezifische Ausführung ist jedoch als nicht einschränkend für die vorliegende Erfindung zu verstehen. Darüber hinaus ist das Brennstoffzellensystem 1 als mobiles System vorgesehen und in einem Fahrzeug angeordnet.
Das Brennstoffzellensystem 1 umfasst einen BrennstoffSpeicher 6, welcher über eine Zuführleitung 7 mit dem Anodenraum 4 verbunden ist. In dem BrennstoffSpeicher 6 ist als Brennstoff Wasserstoff oder ein wasserstoffhaltiges Gas enthalten oder kann darin erzeugt werden. In der Zuführleitung 7 ist ein Element 8 zur Veränderung des Strömungsquerschnitts der Zuführleitung 7 angeordnet. Im Ausführungsbeispiel ist das Element 8 ein Ventil, welches nachfolgend als Ventil 8 bezeichnet wird.
Des Weiteren umfasst das Brennstoffzellensystem 1 eine Rezirkulationseinrichtung 9. Diese weist eine Rezirkulationsleitung 10 auf, welche vom Ausgang des Anodenraums 4 bis zu einer Einmündung 11 reicht. Die Rezirkulationsleitung 10 mündet somit zwischen dem Ventil 8 und dem Eingang des Anodenraums 4 in die Zuführleitung 7. In der Einrichtung 9 ist ein mit der Rezirkulationsleitung 10 verbundenes Gebläse 12 angeordnet, welches über einen Motor 13 angetrieben wird. Zwischen dem Gebläse 12 und der Mündung 11 zweigt eine Leitung 14 von der Rezirkulationsleitung 10 ab. In dieser Leitung 14 ist ein weiteres Element 15 angeordnet, welches zur Veränderung des Strömungsquerschnitts der Leitung 14 ausgebildet ist. Im Ausführungsbeispiel ist das Element 15 als Ventil ausgebildet, welches nachfolgend als Ventil 15 bezeichnet wird. Die Leitung 14 und das Ventil 15 sind einer Ablasseinrichtung zum Ablassen des von dem Anodenraum 4 über die Rezirkulationseinrichtung 9 geführten Anodengasgemisches zugeordnet.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Leitung 14 zum Kathodenraum 3 der Brennstoffzelle 2 geführt ist. Der Anteil des Anodengasgemisches, welcher von der Rezirkulationsleitung 10 über die Ablasseinrichtung 14, 15 geführt wird, wird somit in den Kathodenraum 3 geleitet.
Es kann auch vorgesehen sein, dass die Ablasseinrichtung 14, 15 in die Umgebung oder in eine vom Ausgang des Kathodenraums 3 wegführende Abluftstrecke mündet.
Insbesondere weist das Brennstoffzellensystem 1 auch eine nicht dargestellte Steuereinheit auf, welche zur Steuerung des Ventils 8 ausgebildet ist. Bevorzugt ist vorgesehen, dass diese Steuereinheit auch zur Steuerung des Ventils 15 und des Motors 13 ausgebildet ist, um die Drehzahl des Gebläses 12 einstellen zu können.
Darüber hinaus umfasst das Brennstoffzellensystem 1 eine nicht dargestellte Sensorik, um die Brennstoffkonzentration und die Oxidationsmittelkonzentration in der Brennstoffzelle 2 detektieren zu können.
Nachfolgend wird die Funktionsweise des
Brennstoffzellensystems 1 näher erläutert. Nachdem das Brennstoffzellensystem 1 sich in einem abgeschalteten Zustand befindet, wird es darauf folgend gestartet und befindet sich dann zunächst in einer Anfahrphase. Im abgestellten Zustand hat sich im Anodenraum 4 eine Sauerstoffkonzentration angesammelt, so dass bei einem nachfolgenden abrupten Zuführen des Brennstoffs Wasserstoff ein hoher Wasserstoff- Sauerstoffgradient entstehen würde, welcher die Brennstoffzelle 2 schädigen kann.
Daher wird nach dem Starten des Brennstoffzellensystems 1 in der Anfahrphase der in dem BrennstoffSpeicher 6 enthaltene Wasserstoff zumindest zeitweise in veränderter Menge über die Zuführleitung 7 an den Anodenraum 4 zugeleitet. Im Ausführungsbeispiel ist dazu vorgesehen, dass das Ventil 8 über die Steuereinheit so gesteuert wird, dass mit fortschreitender Anfahrphase der über das Ventil 8 strömende Massenstrom kontinuierlich erhöht wird. Dazu wird das Ventil 8 mit fortschreitender Anfahrphase kontinuierlich immer weiter geöffnet. Somit wird zumindest zeitweise während der Anfahrphase der von dem BrennstoffSpeicher 6 zum Anodenraum 4 zugeleitete Wasserstoff in seiner Menge kontinuierlich erhöht, und die Dosierung kontinuierlich verändert.
Dies ist in dem Diagramm gemäß Fig. 3 dargestellt. Das Diagramm zeigt den Verlauf der Sauerstoffkonzentration und der Wasserstoffkonzentration im Anodenraum 4.
Zu Beginn einer Anfahrphase zum Zeitpunkt t0 ist die Konzentration des Wasserstoffs null. Mit fortschreitender Zeitdauer steigt dann ab dem Zeitpunkt t2 die Konzentration des Wasserstoffs in dem Anodenraum 4 stetig an.
Dies wird insbesondere dadurch erreicht, dass das Ventil 8 stetig immer weiter geöffnet wird und dadurch der vom BrennstoffSpeicher 6 zum Anodenraum 4 strömende Wasserstoffmassenstrom stetig ansteigt.
Darüber hinaus wird gemäß dem Diagramm in Fig. 2, welches die Drehzahl des Gebläses 12 in Abhängigkeit von der Zeit zeigt, zum Zeitpunkt t0 das Gebläse 12 gestartet. Im Ausführungsbeispiel wird während der Anfahrphase das Gebläse 12 in einem Rückführmodus betrieben, indem das im Anodenraum 4 befindliche Anodengasgemisch über die Rückführleitung 10 des Rezirkulationskreislaufs wieder zum Eingang des Anodenraums 4 zurückgeführt wird. Dazu wird im Ausführungsbeispiel im Rückführmodus des Gebläses 12 der Volllastbetrieb eingestellt, wobei dazu die maximale Drehzahl Dl eingestellt wird. Bis zu einem Zeitpunkt tlf bei dem die Anfahrphase beendet ist und die Sauerstoffkonzentration im Anodenraum 4 im Wesentlichen null Prozent beträgt, wird diese maximale Drehzahl Dl konstant aufrecht erhalten. Nach dem Beenden der Anfahrphase wird das Gebläse 12 über die Steuereinheit so angesteuert, dass die Drehzahl von der maximalen Drehzahl Dl auf eine niedrigere Drehzahl D2 reduziert wird. Diese Drehzahl D2 charakterisiert den Normalbetrieb des Gebläses 12 im auf die Anfahrphase folgenden Betrieb des Brennstoffzellensystems 1.
Es kann auch vorgesehen sein, dass in der Anfahrphase eine geringere Drehzahl als die maximale Drehzahl Dl eingestellt wird. Vorzugsweise ist jedoch vorgesehen, dass die in der Anfahrphase und somit im Rückführmodus eingestellte Drehzahl Dl des Gebläses 12 größer ist, als die im Normalbetrieb eingestellte Drehzahl D2. Es kann auch vorgesehen sein, dass die Drehzahl Dl im Rückführmodus des Gebläses 12 nicht über die gesamte Zeitdauer konstant ist sondern während der Anfahrphase zumindest zeitweise verändert wird. Vorzugsweise ist die Zeitdauer zwischen den Zeitpunkten t0 und t2 minimal, da unmittelbar nach dem Starten des Brennstoffzellensystems 1 eine Zuführung von Wasserstoff vom Brennstoffspeicher 6 über das Ventil 8 zum Anodenraum 4 erfolgt.
Zum Zeitpunkt tx wird dann die maximale
Wasserstoffkonzentration im Anodenraum 4 erreicht, welche dann im Nachfolgenden im Wesentlichen aufrecht erhalten wird.
Der Startvorgang des Brennstoffzellensystems 1 wird durch eine Rezirkulation des Volumens im Anodenraum 4 eingeleitet. Dabei wird eine zum normalen Betrieb vergleichsweise hohe Rezirkulationsrate eingestellt, indem das Gebläse 12 im spezifischen Rückführmodus betrieben wird. Gleichzeitig oder zeitlich versetzt zum Beginn der Rezirkulation erfolgt dann die sich kontinuierlich erhöhende Zugabe der Wasserstoffmenge aus dem BrennstoffSpeicher 6. Dadurch wird auch ein entsprechend langsamer anodenseitiger Druckaufbau erreicht. Eine unerwünschte hohe Wasserstoff- Sauerstoffgradientenbildung im Anodenraum 4 kann dadurch verhindert werden.
Auch die über die Einmündung 11 zugeführte Menge des Anodengasgemisches kann variiert werden. Dies kann einerseits über die Drehzahlregelung des Gebläses 12 und zusätzlich andererseits über die Abführung eines Anteils des Anodengasgemisches über die Leitung 14 und das Ventil 15 ermöglicht werden.
Die Zeitdauer des Ablassens und/oder die abzulassende Menge des Anodengasgemisches über die Leitung 14 und das Ventil 15 wird vorzugsweise abhängig von der durch eine geeignete Sensorik gemessenen Konzentration des Wasserstoffs und/oder von der Konzentration des Sauerstoffs im Anodenraum 4 bestimmt. Dadurch kann das Anfahrverhalten optimal abgestimmt werden und darüber hinaus beschleunigt werden.
Es kann vorgesehen sein, dass die Zuführung des Brennstoffs vom BrennstoffSpeicher 6 zum Anodenraum 4 gleichzeitig mit der Rückführung des Anodengasgemisches über die Rezirkulationseinrichtung 9 zum Anodenraum 4 gestartet wird. Es kann jedoch auch ein zeitversetztes Starten dieser beiden Vorgänge vorgesehen sein und die Brennstoffzufuhr an dem BrennstoffSpeicher 6 zum Anodenraum 4 zeitlich früher oder später als die Rückführung des Anodengasgemisches über den Rezirkulationskreislauf gestartet werden.
Durch das bevorzugte Zusammenspiel der Mediumzufuhr an den Anodenraum aus dem BrennstoffSpeicher 6 und der Rezirkulationseinrichtung 9 mit abgestimmter jeweils veränderbarer Mengenzugabe kann ein unerwünschter Brennstoff- Oxidationsmittelgradient vermieden werden. Insbesondere im weiteren Zusammenspiel mit der Ablasseinrichtung 14, 15 kann dies noch präziser erfolgen.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems
(1), welches nach einem Abschalten angefahren wird und bei dem in der Anfahrphase ein Brennstoff durch den sich zumindest anteilig mit Luft gefüllten Anodenraum (4) einer Brennstoffzelle (2) geleitet wird, und ein während der Anfahrphase aus dem Anodenraum (4) austretendes Anodengasgemisch in einer Rezirkulationseinrichtung (9) des Brennstoffzellensystems (1) zumindest anteilig wieder in den Anodenraum (4) geleitet wird, dadurch gekennzeichnet, dass die von einem BrennstoffSpeicher (6) zum Anodenraum (4) zugeleitete Menge von Brennstoff während der Anfahrphase zumindest zeitweise variiert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die von dem BrennstoffSpeicher (6) zum Anodenraum (4) zu¬ geleitete Menge von Brennstoff während der Anfahrphase zumindest zeitweise erhöht wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die von dem BrennstoffSpeicher (6) zum Anodenraum (4) zu¬ geleitete Menge von Brennstoff während der Anfahrphase zumindest zeitweise kontinuierlich verändert wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Rezirkulationseinrichtung (9) ein Gebläse (12) angeordnet ist, welches in der Anfahrphase zum Rückführen des Anodengasgemisches in den Anodenraum (4) zumindest zeitweise in einem spezifischen Rückführmodus betrieben wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass im Rückführmodus eine Drehzahl des Gebläses (12) eingestellt wird, welche größer ist als die im nach der Anfahrphase eingestellten Normalbetrieb des Brennstoffzel- lensystems (1) eingestellte Drehzahl.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass im Rückführmodus eine maximale Drehzahl des Gebläses (12) eingestellt wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das in der Rezirkulationseinrichtung (9) geführte Anodengasgemisch zumindest zeitweise während der Anfahrphase anteilig über eine Ablasseinrichtung (14, 15) aus der Re¬ zirkulationseinrichtung (9) abgeführt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Zeitdauer des Ablassens und/oder die abzulassende Menge des Anodengasgemisches über die Ablasseinrichtung (14, 15) abhängig von der Brennstoffkonzentration und/oder der Oxidationsmittelkonzentration in dem Anoden¬ raum (4) bestimmt wird.
9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass das über die Ablasseinrichtung (14, 15) aus der Rezirku- lationseinrichtung (9) abgeführte Anodengasgemisch dem Kathodenraum (3) der Brennstoffzelle zugeführt wird.
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