Technisches Gebiet

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betrieb einer Brennstoffzelle mit einem anodenseitigen Wasserstoff pfad, in dem ein Fluidstrom innerhalb eines Rezirkulationskreises mittels eines Förderaggregates umgewälzt wird, auf ein Förderaggregat sowie auf die Verwendung des Verfahrens.

Stand der Technik

Aus US 1,061,142 ist ein Förderaggregat bekannt. Ein Zulauf versorgt einzelne Scheiben des Förderaggregates über axiale Ausschnitte mit Fluid, welches zwischen den Scheiben durch Reibungs- und Trägheitskräfte in radiale Richtung nach außen gefördert wird. In einer Spirale wird das Fluid zum Ausgang gefördert. Angetrieben werden die Scheiben über eine Welle, die in Lagern aufgenommen ist.

Das Antriebsmoment an der Welle hängt stark von der Viskosität des Fluides ab. Ändert sich die Zusammensetzung des Fluides - im Falle der Anwendung bei einer Brennstoffzelle das Verhältnis von Wasserstoff zu Stickstoff - ändert sich auch die aufgenommene Leistung der Pumpe. Diese Leistungsänderung beziehungsweise Stromaufnahme des Antriebsmotors kann dazu verwendet werden, ein Abblasventil immer dann zu betätigen, wenn die Stickstoffkonzentration unzulässig hohe Werte annimmt.

Bei Brennstoffzellensystemen wird auf der Anodenseite (Wasserstoffpfad) mit einem Fluidstrom mit Wasserstoffüberschuss gearbeitet, der permanent im Kreis gepumpt wird. Dies geschieht heutzutage mittels eines Rezirkulationsgebläses, welches oft als Seitenkanalverdichter ausgeführt ist, oder teilunterstützt mittels einer Saugstrahlpumpe. Während des Betriebes der Brennstoffzelle kommt es zur Stickstoffdiffusion von der Kathodenseite (Luftseite) auf die Anodenseite. Diese Stickstoffdiffusion, die zu einer Erhöhung der Stickstoffkonzentration beiträgt, ist zu detektieren und mittels eines Abblasventils abzusteuern. Dies geschieht bisher entweder zeitgetaktet, wobei dabei viel Brennstoff verloren gehen kann, oder ausgelöst über einen Abfall der Brennstoffzellenstapel- Spannung. Sobald es zu einem Abfall der Brennstoffzellenstapel-Spannung kommt, geht dies mit einem Leistungs- und Wirkungsgradverlust einher, was höchst unerwünscht ist.

Darstellung der Erfindung

Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zum Betrieb einer Brennstoffzelle mit einem anodenseitigen Wasserstoff pfad, in dem ein Fluidstrom innerhalb eines Rezirkulationskreises mittels eines Förderaggregates umgewälzt wird, vorgeschlagen, wobei aus einem kathodenseitigen Luftpfad Stickstoff in den anodenseitigen Wasserstoffpfad diffundiert, wobei zumindest nachfolgende Verfahrensschritte durchlaufen werden: a) Kontinuierliche Ermittlung eines Mischungsverhältnisses von H ₂ zu N ₂ im Fluidstrom des anodenseitigen Rezirkulationskreises b) kontinuierliche Ermittlung einer Leistungsaufnahme eines Antriebs des Förderaggregates und c) Betätigung eines Abblasventiles zur Absteuerung überschüssigen Stickstoffs aus dem anodenseitigen Rezirkulationskreis bei Erreichen einer Leistungsaufnahmegrenze des Antriebes, die einem INh-Grenzwert entspricht.

Durch das erfindungsgemäß vorgeschlagene Verfahren wird vorteilhafterweise vor dem Abfall der Brennstoffzellenstapel-Spannung und unter Vermeidung eines Leistungs- und Wirkungsgradverlustes überschüssiger Stickstoff abgesteuert.

Des Weiteren kann der Verlust von Brennstoff minimiert werden.

In Weiterbildung der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung erfolgt eine Überwachung eines N ₂ - Konzentrationsverlaufes im Fluidstrom des anodenseitigen Rezirkulationskreises kontinuierlich. Somit kann eine lastabhängige Absteuerung überschüssigen Stickstoffes - abhängig von einer detektierten Gaszusammensetzung - erreicht werden.

Beim erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren erfolgt gemäß Verfahrensschritt b) die kontinuierliche Ermittlung der Leistungsaufnahme des Antriebes mittels einer Messung eines Antriebsmomentes eines Steuergerätes.

Beim erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren ist das Antriebsmoment des Förderaggregates von einer Viskosität des Fluidstromes abhängig, die sich wiederum abhängig von der N ₂ - Konzentration im Fluidstrom ändert. Beim erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren kann eben diese lastabhängige Gaszusammensetzungsänderung zur Absteuerung überschüssigen Stickstoffs genutzt werden.

In Weiterbildung der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung wird der Fluidstrom durch das Förderaggregat mittels viskoser Reibkräfte transportiert.

Dem erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren weiter folgend wird das Abblasventil beginnend mit einem Ansteuerzeitpunkt während einer Betätigungsdauer betrieben. Dadurch kann eine signifikante Absenkung des im Fluidstrom enthaltenen Stickstoffüberschusses erreicht werden.

Beim erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren erfolgen die Schaltspiele, d. h. ein Aktivieren und Deaktivieren des Abblasventiles im anodenseitigen Rezirkulationskreis lastabhängig und aperiodisch.

Darüber hinaus bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein Förderaggregat zur Durchführung des vorstehenden Verfahrens mit einem Antrieb, der mittels eines Steuergerätes gesteuert ist und mehrere glatte, durch Spalte voneinander getrennte Scheiben antreibt, die einen Fluidstrom durch viskose Reibkräfte fördern. Ein von einer Gaszusammensetzung des Fluidstromes, insbesondere einer N ₂ - Konzentration abhängiges Antriebsmoment wird kontinuierlich überwacht.

Darüber hinaus bezieht sich die vorliegende Erfindung auf die Verwendung des Verfahrens zum Betreiben einer Brennstoffzelle derart, dass ein Transport eines Fluidstromes in einem anodenseitigen Rezirkulationskreis an eine Detektion einer INfe- Konzentration gekoppelt ist.

Vorteile der Erfindung

Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung kann in vorteilhafter Weise erreicht werden, dass durch eine lastabhängige Absteuerung des sich im anodenseitigen Rezirkulationskreis anreichernden Stickstoffes eine zeitgetaktete Absteuerung vermieden werden kann. Dadurch wiederum kann der Verlust einer zu großen Brennstoffmenge vermieden werden. Ferner erfolgt somit die Absteuerung überschüssigen Stickstoffes aus dem anodenseitigen Rezirkulationskreis rechtzeitig, bevor im Brennstoffzellenstapel ein Leistungsund damit ein Wirkungsgradverlust auftreten kann.

In vorteilhafter Weise wird beim erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren die Veränderung des Mischungsverhältnisses innerhalb des im anodenseitigen Rezirkulationskreis umgewälzten Fluidstromes detektiert, der bei einem Stickstoffanteilanstieg zu einer Erhöhung der Leistungsaufnahme des das Förderaggregat antreibenden Motors führt. Das Moment zum Antrieb des Förderaggregates hängt stark von der Viskosität des Fluidstroms ab. Diese Viskositäten von Wasserstoff und Stickstoff unterscheiden sich etwa um den Faktor 2, genauer gesagt 9,8/19,8. Daher spiegelt sich eine Veränderung des Mischungsverhältnisses des im Förderaggregat umzuwälzenden Fluidstromes innerhalb des anodenseitigen Rezirkulationskreises wider. Aufgrund der Veränderungen in der Leistungsaufnahme, d. h. einer größeren Stromaufnahme des das Förderaggregat antreibenden elektrischen Antriebes, wird erfindungsgemäß das Abblasventil immer dann betätigt, wenn die Stromaufnahme des Antriebes einen Grenzwert überschreitet, der wiederum mit einen Grenzstickstoffwert gekoppelt ist.

Beim erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren besteht darüber hinaus die Möglichkeit, bei der Integration einer Saugstrahlpumpe innerhalb des anodenseitigen Rezirkulationskreises eine entsprechende Information aus der rückgespeisten Leistung zu ermitteln, da sich das Förderaggregat als Viskosimeter verwenden lässt. In Brennstoffzellensystemen ist auf der Anodenseite zur Abdeckung höherer Umwälzleistungen eine Saugstrahlpumpe angeordnet. Mittels der Saugstrahlpumpe kann der Fluidstrom im anodenseitigen Rezirkulationskreis umgewälzt werden; die Saugstrahlpumpe erbringt höhere Förderleistungen, während bei niedrigeren Förderleistungen ein Förderaggregat beispielsweise in Form einer Tesla-Pumpe ausreichend ist. Wird der Fluidstrom innerhalb des anodenseitigen Rezirkulationskreises mittels der Saugstrahlpumpe umgewälzt, kann das beispielsweise als Tesla-Pumpe ausgebildete Förderaggregat als Viskosimeter zur Messung der Viskosität des Fluidstromes als Gemisch aus N2 und H2 genutzt werden.

Im erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren erfolgt die Absteuerung sich im Rezirkulationskreis anreichernden Stickstoffes, der durch Diffusion im kathodenseitigen Luftbad in den anodenseitigen H2 gelangt, nicht zeitgetaktet, sondern lastabhängig. Aufgrund dieser Lastabhängigkeit besteht keine zeitliche Vorherbestimmung, die Schaltspiele der Abblasventile sind daher in der Regel nicht als periodisch, sondern eher als aperiodisch zu definieren.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.

Es zeigen:

Figur 1 ein Systemschaubild eines Teils einer Brennstoffzelle mit anodenseitigem Rezirkulationskreis,

Figur 2 eine schematische Darstellung eines mittels eines Elektroantriebes angetriebenen Förderaggregates,

Figur 3 ein in einem anodenseitigen Fh-Pfad/Rezirkulationskreis angeordnetes Abblasventil, das über ein im Förderaggregat zugeordnetes Steuergerät betätigt wird und

Figur 4 über die Zeit aufgetragene Verläufe der Leistungsaufnahme des Förderaggregates, der Stickstoffkonzentration, der Betätigungszeitpunkte der Abblasventile sowie eine Leistungsaufnahmegrenze des Antriebes.

Ausführungsformen der Erfindung

In der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsformen der Erfindung werden gleiche oder ähnliche Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente in Einzelfällen verzichtet wird. Die Figuren stellen den Gegenstand der Erfindung nur schematisch dar.

Figur 1 zeigt ein Systemschaubild eines Teiles einer Brennstoffzelle mit einem anodenseitigen Rezirkulationskreis zur Förderung eines H2- Fluidstromes.

Figur 1 ist eine teilweise dargestellte Brennstoffzelle 10 zu entnehmen, deren Anodenseite durch Bezugszeichen 12 und deren Kathodenseite mit Bezugszeichen 20 gekennzeichnet sind. Aus einem nur schematisch angedeuteten Tank 22 strömt der Brennstoff, insbesondere gasförmiges H2 unter Zwischenschaltung einer Saugstrahlpumpe 18 auf der Anodenseite 12 der nur teilweise dargestellten Brennstoffzelle 10 zu. Von der Kathodenseite 20 diffundiert aus der dort transportierten Luft N2 auf die Anodenseite 12 und den dort umgewälzten Fluidstrom. Der Fluidstrom, insbesondere ein H2/N2- Gasgemisch, wird innerhalb eines anodenseitigen Rezirkulationskreises 14 entweder durch ein Förderaggregat 30, insbesondere ausgestaltet als Tesla- Pumpe, umgewälzt oder der Fluidstrom wird durch die Saugstrahlpumpe 18 innerhalb des Rezirkulationskreises 14 umgewälzt. Aus der Darstellung gemäß Figur 1 geht hervor, dass das Förderaggregat 30, insbesondere ausgestaltet als Tesla-Pumpe, einen Antrieb 50 aufweist. Auf einer durch den Antrieb 50 angetriebenen Welle 40 sind einzelne Scheiben angeordnet, durch deren Spalte der Fluidstrom gefördert wird. Das Förderaggregat 30, angetrieben durch den Antrieb 50, wird insbesondere bei niedrigeren Förderleistungen innerhalb des Rezirkulationskreises 14 eingesetzt; werden erhöhte Fluidvolumina umgewälzt, so erfolgt dies mittels der Saugstrahlpumpe 18. Wie aus dem Systemschaubild gemäß Figur 1 hervorgeht, ist dem Förderaggregat 30 ein Abblasventil 54 zugeordnet, über welches überflüssiger Stickstoff aus dem Rezirkulationskreis 14 abgesteuert werden kann.

Figur 2 ist eine schematische Darstellung eines Förderaggregates zu entnehmen.

Figur 2 zeigt ein Förderaggregat 30, welches mittels eines Antriebes 50 angetrieben ist. Das Förderaggregat 30 umfasst mehrere auf einer angetriebenen Welle 40 angeordnete Scheiben 32. Die Scheiben 32 umfassen jeweils beidseitig Scheibenflächen 34, wobei die einzelnen Scheiben 32 sehr dünn ausgeführt sind und über Spalte 36 voneinander getrennt sind. Ein jeder Spalt 36 zwischen zwei benachbarten Scheiben 32, die an der Welle 40 aufgenommen sind, ist in einer Spaltweite 38 ausgeführt. Der Bereich der Spaltweite 38 liegt zwischen 0,3 mm bis 0,5 mm als Abstand der einzelnen Scheiben 32 voneinander.

Mittels des Förderaggregates 30 wird ein Fluidstrom im anodenseitigen Rezirkulationskreis 14 der Brennstoffzelle 10 umgewälzt. Der Fluidstrom tritt im Bereich der Welle 40 in das Förderaggregat 30 ein und wird wellennah über Durchbrüche 44, die sich in den Scheiben 32 befinden, in die Spalte 36 geführt. Aufgrund sich einstellender viskoser Reibkräfte 42 wird der Fluidstrom in Radialrichtung durch die Spalte 36 in Richtung einer Sammelspirale 46 gefördert.

Das Förderaggregat 30 umfasst ein Gehäuse 48, in dem die Welle 40 in hier nicht näher dargestellten Lagern angeordnet ist. Die Welle 40 ist über den Antrieb 50 angetrieben, bei dem es sich um einen elektrischen Antrieb handelt. Dieser treibt die Welle 40 des Förderaggregates 30 mit einem Antriebsmoment 52 an, welches durch ein Steuergerät 56, welches dem Antrieb 50 zugeordnet ist, kontinuierlich detektiert wird.

Figur 3 zeigt einen Ausschnitt aus dem anodenseitigen Rezirkulationskreis 14, innerhalb dessen der Fluidstrom gefördert wird, in den von der Kathodenseite 20 her IN durch Diffusion eintritt. Daher ändert sich im Fluidstrom, der den anodenseitigen Rezirkulationskreis 14 passiert, die Viskosität, die durch das Steuergerät 56 für den Antrieb 50 detektiert wird, was zu einer Änderung des Antriebsmomentes 52 führt. Über das Steuergerät 56, das dem Antrieb 50 zugeordnet ist, erfolgt die Betätigung eines Abblasventiles 54, so dass im anodenseitigen Rezirkulationskreis 14 überschüssiger Stickstoff abgesteuert werden kann.

Figur 4 zeigt, jeweils aufgetragen über die Zeitachse, die Verläufe der Leistungsaufnahme und des elektrischen Antriebes, die Ansteuerzeitpunkte des Abblasventiles, den Verlauf der Stickstoffkonzentration sowie die Grenze für eine Leistungsaufnahme des Antriebes des Förderaggregates.

Figur 4 ist zu entnehmen, dass eine Leistungsaufnahmegrenze 60 für den Antrieb 50 des Förderaggregates 30 konstant über die Zeit verläuft. Diese Grenze für die Leistungsaufnahme 60 des elektrischen Antriebes entspricht einem INh-Grenzwert, der im Fluidstrom, der im anodenseitigen Rezirkulationskreis 14 umgewälzt wird, entspricht. Beim erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren zum Betrieb der Brennstoffzelle 10 kommt es beim Betrieb der Brennstoffzelle 10 zu einer INh-Konzentrationssteigerung 74 im durch das Förderaggregat 30 umzuwälzenden Fluidstrom. Dies hat seine Ursache darin, dass aus dem kathodenseitigen Luftpfad Stickstoff in den anodenseitigen Rezirkulationskreis 14 diffundiert, in welchem ein Fluidstrom durch das Förderaggregat 30 kontinuierlich umgewälzt wird. Aufgrund der Änderung der Gaszusammensetzung innerhalb des Fluidstromes durch den eindiffundierenden Stickstoff ändert sich die Viskosität innerhalb des Fluidstromes. Dies wiederum bewirkt eine Änderung der Leistungsaufnahme des elektrischen Antriebes 50 des Förderaggregates 30, welche durch das Steuergerät 56, welches dem elektrischen Antrieb 50 zugeordnet ist, detektiert wird.

Aus Figur 4 geht hervor, dass eine Leistungsaufnahme 62 des elektrischen Antriebes 50 aufgrund des eindiffundierenden Stickstoffes in den anodenseitigen Rezirkulationskreis 14 ansteigt, bis die Leistungsaufnahme 62 die Leistungsaufnahmegrenze 60 erreicht. Zu diesem Zeitpunkt, der einem Auslösezeitpunkt 64 zur Betätigung des Abblasventiles 54 entspricht, wird dieses geöffnet, so dass während einer Betätigungsdauer 68 des Abblasventiles 54 eine IN - Konzentrationsverringerung 72 erfolgt. Während der Betätigungsdauer 68 des Abblasventiles 54 kommt es mithin zu einer Absenkung der IN - Konzentration im durch das Förderaggregat 30 umzuwälzenden Fluidstrom. Nach Ablauf der Betätigungsdauer 68 ist die N2- Konzentration im Fluidstrom wieder abgesunken. Aufgrund dessen wiederum ändert sich das Antriebsmoment 52, das der elektrische Antrieb 50 des Förderaggregates 30 auf die Welle aufbringt. Während einer Zeit t kommt es wieder zu einem Anstieg der Stickstoffkonzentration 66 im Fluidstrom, so dass das Antriebsmoment 52 des elektrischen Antriebes 50 wieder ansteigt, bis ein weiteres Mal die Leistungsaufnahmegrenze 60 für den Antrieb 50 erreicht ist. Da erneut der Auslösezeitpunkt 64 zur Betätigung des Abblasventiles 54 erreicht ist, öffnet dieses, so dass es im Fluidstrom zu einer IN - Konzentrationsverringerung 72 entsprechend der Länge der Betätigungsdauer 68 des Abblasventiles 54 kommt. Mithin kommt es durch das erfindungsgemäß vorgeschlagene Verfahren zu einer Abkehr von einer zeitgetakteten Betätigung des Abblasventiles 54 hin zu einer lastabhängigen Betätigung des Abblasventiles, abhängig von der im umzuwälzenden Fluidstrom enthaltenen INfe- Konzentration.

Da durch das erfindungsgemäß vorgeschlagene Verfahren eine lastabhängige Betätigung des Abblasventiles 54 erfolgt, sinkt die Gefahr, dass Brennstoff verloren geht, einerseits signifikant; des Weiteren kann bei einem lastabhängigen Betätigen des Abblasventiles 54 ein rechtzeitiges Ablassen von Wasser erreicht werden, bevor es im Brennstoffzellenstapel zu einem Leistungsbeziehungsweise Wirkungsgradverlust kommt.

Für den Fall, dass im anodenseitigen Rezirkulationskreis 14 eine Saugstrahlpumpe 18 enthalten ist, kann eine Information zur Betätigung des Abblasventiles 54 erreicht werden; dazu wird auf die zurückgespeiste Leistung zurückgegriffen. In diesem Fall können die Scheiben 32 des in Figur 1 schematisch dargestellten Förderaggregates 30 als Viskosimeter verwendet werden. Die Saugstrahlpumpe 18 fördert ein größeres Volumen an Fluidstrom durch den Rezirkulationskreis 14 verglichen mit der Förderleistung des Förderaggregates 30, welches vorzugsweise als Tesla- Pumpe beschaffen ist. Wird die Umwälzung des Fluidstroms im Rezirkulationskreis 14 durch die Saugstrahlpumpe 14 aufrecht erhalten, so kann dann das Förderaggregat 30 als Viskosimeter genutzt werden und die sich im Fluidstrom einstellende Viskosität des Gasgemisches aus F und IN feststellen. Dies kann anhand der zurückgespeisten Leistung erfolgen, um ein Beispiel zu nennen.

Im Diagramm gemäß Figur 4 ist jeweils ein Auslösezeitpunkt 64 dargestellt, bei dessen Erreichen das Abblasventil 54 betätigt wird, so dass im anodenseitigen Rezirkulationskreis 14 angesammelter überschüssiger Stickstoff abgesteuert werden kann. Bei dem Förderaggregat 30 handelt es sich bevorzugt um ein solches, welches eine Anzahl nebeneinander angeordneter Scheiben 32 aufweist, die unter Ausbildung von Spalten 36 mit einer geringen Spaltweite 38 am Umfang der Welle 40 angeordnet sind. Die einzelnen Scheibenflächen 34 der nebeneinander angeordneten Scheiben 32 begrenzen jeweils die Spalte 36. Der Fluidtransport erfolgt ausgehend von Durchbrüchen 44, die achsnah zur Welle 40 ausgeführt sind, durch die Spalte 36 bei Rotation der Scheiben 32 in Richtung der Sammelspirale 46.

Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr ist innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen.