Brennstoffzellenanlage mit Leckagedetektion Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzellenanlage mit mehre ^¬ ren Brennstoffzellenmodulen, die mit den Reaktanden Wasserstoff und Sauerstoff betrieben werden. Die Brennstoffzellen- module können aus einzelnen oder mehreren Brennstoffzellen (Brennstoffzellenstapel ) bestehen .

Aus der WO2015024785 (AI) ist ein aus einer Anzahl von Brennstoffzellen bestehender Brennstoffzellenstapel bekannt, der einen Wasserstoff-Einlass und -auslass sowie einen Sauer ^¬ stoff-Einlass und -auslass aufweist. Der Brennstoffzellensta- pel ist über seinen Wasserstoff-Einlass und -auslass in einen Wasserstoff-Kreislauf geschaltet, in den über ein Versor ^¬ gungsventil Wasserstoff einleitbar und über ein Entsorgungs ^¬ ventil ausleitbar ist. Mit seinem Sauerstoff-Ein- und -Auslass ist der Brennstoffzellenstapel ferner in einen Sauer- stoff-Kreislauf geschaltet, in den über ein weiteres Versor ^¬ gungsventil Sauerstoff einleitbar und über ein weiteres Ent ^¬ sorgungsventil ausleitbar ist. Der Wasserstoff-Kreislauf und der Sauerstoff-Kreislauf enthalten jeweils eine Zirkulations ^¬ pumpe mit einer zugeordneten Pumpensteuerung, um den sauer- stoffseifigen und den Wasserstoffseifigen Zirkulationsbetrieb unabhängig voneinander zu steuern oder zu regeln. Der Zirkulationsbetrieb kann insbesondere auf mehrere parallel ver ^¬ sorgte Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels angewandt werden .

Aus der DE102007040836 (AI) ist eine kaskadiert aufgebaute Brennstoffzellenanlage mit mehreren Brennstoffzellen und/oder Gruppen von Brennstoffzellen bekannt, wobei jede der Brennstoffzellen einen ersten Gasraum für ein erstes Prozessgas mit einem ersten Reaktanden, insbesondere Wasserstoff, und einen zweiten Gasraum für ein zweites Prozessgas mit einem zweiten Reaktanden, insbesondere Sauerstoff, aufweist, zwi ^¬ schen denen ein ionendurchlässiger Elektrolyt, insbesondere eine Polymer-Elektrolyt-Membran (PEM) , angeordnet ist. Bildet sich in der Membran ein Leck, so kommt es zu einem Gasaustausch und somit zu einer direkten thermischen Umsetzung der Reaktanden Wasserstoff und Sauerstoff. Um im Falle eines Lecks in der Membran einer Brennstoffzelle diese vor Folge ^¬ schäden zu schützen und das Wasserstoff-Sauerstoff-Gasgemisch von den nachfolgenden Brennstoffzellen bzw. Brennstoffzellen- gruppen fernzuhalten und so auch diese zu schützen, sind in den Leitungsverbindungen zwischen den Brennstoffzellen oder Brennstoffzellengruppen, also an ihren Wasserstoff-Auslässen jeweils SauerstoffSensoren angeordnet. Bei Überschreitung eines vorgegebenen Grenzwertes für den Sauerstoffanteil werden die Wasserstoff- und Sauerstoffzufuhr in die erste Brenn ^¬ stoffzellengruppe und somit für die gesamte Brennstoffzellen- anläge unterbrochen.

Alternativ zur Sauerstoffdetektion kann das Wasserstoff-Sauerstoff-Gasgemisch katalytisch umgesetzt werden. Dabei wird zum einen das Gasgemisch vernichtet, was nachfolgende Zellen besonders sicher vor thermischen Schäden bewahrt; zum anderen kann das Gasgemisch aufgrund der entstehenden Reaktionswärme durch Temperaturmessung detektiert werden. Wenn die Brennstoffzellenanlage weiter betrieben wird, verbleibt jedoch das Problem, dass die fehlerhafte Brennstoffzelle im Bereich des Lecks elektrochemisch nicht mehr arbeitet und die Brennstoff ^¬ zellenspannung absinkt.

Aus der JPH06223850 (A) ist eine mit Wasserstoff und Sauer ^¬ stoff arbeitende PEM-Brennstoffzelle bekannt, bei der im Sau- erstoff-Auslass ein Wasserstoffdetektor angeordnet ist. Im Detektionsfall erzeugt der Wasserstoffdetektor ein Signal, mit dem über ein steuerbares Auf-/Zu-Ventil die Wasserstoff ^¬ zufuhr für die Brennstoffzelle unterbunden wird. Aus der JP4923426 (B) ist eine mit Wasserstoff und Sauerstoff arbeitende Brennstoffzelle bekannt, bei der der Wasserstoff in einem Kreislauf geführt wird. Eine Steuereinheit erhält Messwerte der elektrischen Spannung, Temperatur, Eingangsdrü- cke sowie der Wasserstoffkonzentration im Sauerstoff-Auslass der Brennstoffzelle und steuert über die Ventile die Druck ^¬ differenz zwischen Anoden- und Kathodenseite, so dass die Wasserstoffkonzentration im Sauerstoff-Auslass unter einem ersten Schwellenwert bleibt. Wird ein zweiter Schwellenwert erreicht, so wird ein Alarm erzeugt. Bei Erreichen eines dritten Schwellenwertes wird schließlich die Brennstoffzelle abgeschaltet . Die US2004018404 (AI) offenbart eine mit Wasserstoff und Luft arbeitende Brennstoffzelle. Eine Steuereinheit erhält als Messwerte den Druck des zugeführten Wasserstoffs, den Druck und Durchfluss der zugeführten Luft, den erzeugten Strom sowie den mit einem Wasserstoffsensor gemessenen Wasserstoffge- halt im Luft-Auslass und steuert einen Stromregler und die Wasserstoff- und Luftzufuhr. In Abhängigkeit von dem Be ^¬ triebszustand der Brennstoffzelle ist ein gewisser Toleranz ^¬ bereich für den Wasserstoffgehalt im Sauerstoff-Auslass vor ^¬ gesehen, innerhalb dessen Druckdifferenz, Durchfluss und Strom geregelt werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine mit Wasser ^¬ stoff und Sauerstoff betriebene Brennstoffzellenanlage mit mehreren Brennstoffzellen und/oder Gruppen von Brennstoffzel- len anzugeben, die auch im Falle einer Leckage sicher weiterbetrieben werden kann.

Gemäß der Erfindung wird die Aufgabe durch die in Anspruch 1 definierte Brennstoffzellenanlage gelöst, von der vorteil- hafte Weiterbildungen in den Unteransprüchen angegeben sind.

Gegenstand der Erfindung ist somit eine Brennstoffzellenanlage mit mehreren Brennstoffzellenmodulen, die mit den

Reaktanden Wasserstoff und Sauerstoff betrieben werden und für jeden der beiden Reaktanden jeweils einen Einlass und einen Auslass aufweisen, über die sie parallel in zwei separate Kreisläufe der beiden Reaktanden geschaltet sind, in die je ^¬ weils der betreffende Reaktand über ein Versorgungsventil einleitbar und über ein Entsorgungsventil ausleitbar ist, wo ^¬ bei

die Brennstoffzellenmodule an ihren Einlassen und Auslässen über steuerbare Auf-/Zu-Ventile an den Reaktanden-Kreisläufen angeschlossen sind und

an den Auslässen für zumindest einen der beiden Reaktanden Sensoren zur Detektion des jeweils anderen Reaktanden angeschlossen sind, die bei Detektion eines einen vorgegebenen Schwellenwert überschreitenden Gehalts des jeweils anderen Reaktanden Signale erzeugen, um über die Auf-/Zu-Ventile die Brennstoffzellenmodule, an deren Auslässen die Schwellenwert ^¬ überschreitung detektiert wurde, von den beiden Reaktanden- Kreisläufen zu trennen. Sobald also in einem der Brennstoffzellenmodule ein Leck de ^¬ tektiert wird, wird dieses Modul sowohl einlass- als auch auslassseitig von der Versorgung mit den Reaktanden getrennt, so dass eine Verschleppung des durch das Leck eindringenden fremden Reaktanden in die anderen Brennstoffzellenmodule aus- geschlossen wird. Neben der Unterbindung des chemischen

Brennstoffzellenprozesses muss das betroffene Brennstoffzel- lenmodul auch elektrisch von den übrigen Modulen getrennt werden, soweit diese nicht schon betriebsmäßig über Dioden entkoppelt sind. Die intakten Brennstoffzellenmodule werden weiter aus den Reaktanden-Kreisläufen versorgt, wobei ggf. lediglich eine Leistungsanpassung erforderlich ist. Diese erfolgt aber nicht für jedes einzelne Brennstoffzellenmodul sondern über die Gesamtregelung der Reaktanden-Kreisläufe . Die Leckageüberwachung kann grundsätzlich auf beiden Seiten der Brennstoffzellenmodule, also für beide Reaktanden erfol ^¬ gen. Vorzugsweise sind jedoch die Sensoren nur an den Ausläs ^¬ sen für einen der beiden Reaktanden angeschlossen, dessen Druck dann durch entsprechende Druckregelung in den Reaktan- den-Kreisläufen geringfügig niedriger eingestellt ist als der des anderen Reaktanden. Da die Viskosität von Sauerstoff größer als die von Wasser ^¬ stoff ist und daher im Fehlerfall mehr Wasserstoff durch das Leck strömt als Sauerstoff, wird vorzugsweise in dem Sauer ^¬ stoff-Kreislauf der Druck höher eingestellt als in dem Was- serstoff-Kreislauf und der Wasserstoff-Auslass der Brenn ^¬ stoffzellenmodule auf Vorhandensein von Sauerstoff überwacht.

Die zur Leckageüberwachung dienenden Sensoren sind vorteilhafterweise zwischen den Auslässen der Brennstoffzellenmodule und den Auf-/Zu-Ventilen angeordnet, über die die Auslässe mit den jeweiligen Reaktanden-Kreisläufen verbunden sind. Dadurch wird erreicht, dass im Detektionsfall das betroffene Brennstoffzellenmodul von dem Reaktanden-Kreisläuf getrennt werden kann, bevor der fremde Reaktand diesen erreicht. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn die Detektion wie z. B. im Falle der zur katalytischen Verbrennung des Wasserstoffs und Detektion der Wärmeentwicklung verzögert erfolgt oder das Brennstoffzellenmodul zunächst einlassseitig und erst mit einer Verzögerung auslassseitig von den Reaktanden- Kreisläufen getrennt wird, damit das dann abgeschaltete

Brennstoffzellenmodul drucklos ist. Indem ein ausreichend großes Gasvolumen zwischen dem Ort der Detektion mit dem Sensor und dem Ort der Trennung mit dem Auf-/Zu-Ventil vorgese ^¬ hen wird, ist eine nahezu beliebige Abschaltverzögerung ohne Gefährdung der anderen Brennstoffzellenmodule möglich.

Die Sensoren können zur zerstörungsfreien Detektion des jeweils anderen Reaktanden ausgebildet sein. Dazu gehören neben optisch arbeitenden Sensoren, welche die Konzentration des zu messenden Reaktanden anhand seiner wellenlängenspezifischen Absorption messen, insbesondere auch Wärmeleitfähigkeitsde ^¬ tektoren, bei denen der messtechnische Aufwand gering ist und die besonders zur Messung von Zweikomponenten-Gasgemischen geeignet sind.

Da im Leckagefall eine Abschaltung betroffener Brennstoffzel ^¬ lenmodule erst dann erfolgt, wenn die Gaskonzentration des detektierten fremden Reaktanden einen vorgegebenen Schwellen- wert überschreitet, können, wenn auch nur geringe, Anteil des fremden Reaktanden in den jeweils zu schützenden Kreislauf gelangen und ggf. über längere Zeit anwachsen, wobei sie nicht mehr ohne Weiteres spezifisch für die fehlerhaften Brennstoffzellenmodule detektierbar sind. Zur Vermeidung die ^¬ ses Problems ist gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Brennstoffzellenanlage in dem Kreislauf des durch die Sensoren überwachten Reaktanden in einem Abschnitt nach dem letzten Auslass und vor dem ersten Einlass eines Brennstoffzellenmoduls eine Einrichtung zur katalytischen Verbrennung des Wasserstoffs angeordnet. Alternativ können die Sensoren an den Brennstoffzellenmodulen selbst zur katalytischen Verbrennung des Wasserstoffs ausgebildet sein, wo ^¬ bei die Anwesenheit des fremden Reaktanden durch Messen der Temperaturerhöhung aufgrund der Verbrennungswärme detektiert wird .

Wie oben bereits erwähnt, werden bei Abschaltung eines feh ^¬ lerhaften Brennstoffzellenmoduls die intakten Brennstoffzel- lenmodule weiter aus den Reaktanden-Kreisläufen versorgt, wobei ggf. eine Leistungsanpassung erforderlich ist, die aber nicht individuell für jedes einzelne Brennstoffzellenmodul sondern über die Gesamtregelung der Reaktanden-Kreisläufe erfolgt. Zu diesem Zweck enthalten die Reaktanden-Kreisläufe jeweils eine Zirkulationspumpe mit einer zugeordneten Pumpen ^¬ steuerung, die Pumpensteuerungen dazu ausgebildet ist, die Leistung der betreffenden Zirkulationspumpe in Abhängigkeit von einer Information über die Anzahl der an die Reaktanden- Kreisläufe geschalteten Brennstoffzellenmodule zu steuern, wobei diese Information in Abhängigkeit von den von den Sensoren erzeugten Signalen aktualisiert wird.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird im Folgenden auf die Figuren der Zeichnung Bezug genommen; im Einzelnen zeigen jeweils in schematischer Darstellung:

Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen

Brennstoffzellenanlage und Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Brennstoffzellenanlage . Gleiche Bezugszeichen haben in den verschiedenen Figuren die gleiche Bedeutung.

Fig. 1 zeigt Brennstoffzellenanlage mit mehreren Brennstoff ^¬ zellenmodulen 1, 2, 3 die mit den Reaktanden Wasserstoff H ₂ und Sauerstoff O2 betrieben werden. Wie am Beispiel des

Brennstoffzellenmoduls 1 gezeigt, weisen alle Brennstoffzel- lenmodule 1, 2, 3 für den Reaktanden Wasserstoff einen Ein- lass 4 und einen Auslass 5 und für den Reaktanden Sauerstoff einen Einlass 6 und einen Auslass 7 auf. Die Brennstoffzel- lenmodule 1, 2, 3 sind über den Einlass 4 und den Auslass 5 parallel in einen Wasserstoff-Kreislauf 8 und über den Ein ^¬ lass 6 und den Auslass 7 parallel in einen Sauerstoff-Kreis ^¬ lauf 9 geschaltet. Der Wasserstoff kann über ein steuerbares Versorgungsventil 10 in den Kreislauf 8 eingeleitet und über ein Entsorgungsventil 11 aus dem Kreislauf 8 ausgeleitet wer ^¬ den. Entsprechend kann der Sauerstoff über ein steuerbares Versorgungsventil 12 in den Kreislauf 9 eingeleitet und über ein Entsorgungsventil 13 aus diesem ausgeleitet werden. Jeder Reaktanden-Kreislauf 8, 9 enthält eine steuerbare Zirkulati- onspumpe (Verdichter) 14, 15 zur Förderung des betreffenden Reaktanden durch die parallel geschalteten Brennstoffzellen- module 1, 2, 3. Den Pumpen 14, 15 zugeordnete Pumpensteuerungen 16, 17 dienen zur Einstellung der Durchflüsse und Drücke in den Reaktanden-Kreisläufen 8, 9. Im Übrigen wird bezüglich des Zirkulationsbetriebs auf die der eingangs erwähnte

WO2015024785 (AI) verwiesen, aus der die Versorgung eines Brennstoffzellenstapels mit Reaktanden aus zwei separaten Gaskreisläufen bekannt ist. Wie wiederum am Beispiel des Brennstoffzellenmoduls 1 ge ^¬ zeigt, ist jedes der Brennstoffzellenmodule 1, 2, 3 an seinen Einlässen 4, 6 und Auslässen 5, 7 über steuerbare Auf-/Zu- Ventile 18, 19, 20, 21 an den jeweiligen Reaktanden-Kreisläu- fen 8, 9 angeschlossen. Bei dem in Fig. 1 gezeigten Beispiel ist bei jedem der Brennstoffzellenmodule 1, 2, 3 an dem Aus- lass 5 für den Reaktanden Wasserstoff ein Sensor 22 zur De- tektion der Anwesenheit des jeweils anderen Reaktanden, hier Sauerstoff, angeschlossen. Der Sensor 22 selbst oder eine ihm nachgeordnete Auswerteeinrichtung 23, die dem Sensor zugerechnet werden kann und die ebenso wie die Pumpensteuerungen 16, 17 Teil einer übergeordneten Steuerung 24 für die Brennstoffzellenanlage sein kann, erzeugt bei Detektion eines ei- nen vorgegebenen Schwellenwert überschreitenden Sauerstoffge- halts ein Signal 25, um über die Auf-/Zu-Ventile 18, 19, 20, 21 des jeweils betroffenen Brennstoffzellenmoduls , z. B. 1, an dessen Auslass 5 die Schwellenwertüberschreitung detek- tiert wurde, von den beiden Reaktanden-Kreisläufen 8, 9 zu trennen. Das Signal 25 kann auch dazu genutzt werden, das fehlerhafte Brennstoffzellenmodul 1 über hier nicht gezeigte Schalter elektrisch von den übrigen Modulen 2, 3 bzw. der elektrischen Last zu trennen.

Indem für den Leitungsabschnitt zwischen dem Sensor 22 und dem nachfolgenden Auf-/Zu-Ventil 19 ein ausreichend hohes Gasvolumen 26 vorgesehen ist, ist sichergestellt, dass auch bei verzögert erfolgender Trennung der fremde Reaktand, hier Sauerstoff, nicht in den Wasserstoff-Kreislauf 8 gelangt. Falls dennoch geringe Mengen an Sauerstoff in den Wasserstoff-Kreislauf 8 gelangen, werden sie in einer Einrichtung 27 zur katalytischen Verbrennung des Wasserstoffs vernichtet. Diese Einrichtung 27 ist in einem Abschnitt der Wasserstoff- Kreislaufs 8 angeordnet, der, in Zirkulationsrichtung gese ^¬ hen, nach dem Auslass 5 des letzten Brennstoffzellenmoduls 3 und vor dem Einlass 4 der ersten Brennstoffzellenmoduls 3 liegt .

Die Pumpensteuerungen 16, 17 enthalten in einem hier nicht gezeigten Speicher Informationen über die Anzahl der an den

Reaktanden-Kreisläufen 8, 9 angeschlossenen Brennstoffzellenmodule 1,2, 3, um in Abhängigkeit davon die Pumpenleistung zu steuern. Bei der Erzeugung des Signals 25 zum Schließen der Auf-/Zu-Ventile 18, 19, 20, 21 wird diese Information in dem Speicher aktualisiert, so dass die Pumpenleistung an die ge ^¬ änderten Verhältnisse angepasst wird. Entsprechendes gilt auch für eine hier nicht gezeigte Versorgung der Brennstoff- zellenmodule 1, 2, 3 mit Kühlmittel, wobei die Kühlleistung angepasst wird.

Das in Fig. 2 gezeigte Ausführungsbeispiel der erfindungsge ^¬ mäßen Brennstoffzellenanlage unterscheidet sich von dem nach Fig. 1 dadurch, dass auch die Sauerstoff-Auslässe 7 mittels weiterer Sensoren 28 auf das Vorhandensein des anderen Reak- tanden, hier Wasserstoff, überwacht werden. Wenn einer der Sensoren 22, 28 eine Schwellenwertüberschreitung bei dem jeweils detektierten fremden Reaktanden feststellt, erzeugt die Auswerteeinrichtung 23 das Signal 25 zum Trennen des betroffenen Brennstoffzellenmoduls , z. B. 1, von den Reaktanden- Kreisläufen 8, 9. Soweit die Sensoren 22, 28 über eigene Auswerteeinrichtungen zur Detektion der Schwellenwertüberschreitung verfügen, kann jeder Sensor 22, 28 das Signal 25 selbst erzeugen.

Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist eine Einrichtung 29 zur katalytischen Verbrennung von Wasserstoff auch in dem Sauerstoff-Kreislauf 9 vorgesehen. Alternativ können die Sen- soren 22, 28 selbst zur katalytischen Verbrennung des Wasserstoffs und Detektion der dabei entstehenden Wärmeentwicklung ausgebildet sein.