Titel

Prüfstand und Verfahren zur Konditionierung eines Brennstoffzellensystems

Die vorgestellte Erfindung betrifft ein Verfahren zur Konditionierung eines Brennstoffzellensystems und einen Prüfstand zum Konditionieren eines Brennstoffzellensystems.

Stand der Technik

Unmittelbar nach ihrer Herstellung erreichen Brennstoffzellen lediglich einen Bruchteil ihrer Sollleistung. Erst nach dem Konditionieren, d.h. einer vorgegebenen Prozedur zur Inbetriebnahme der Brennstoffzellen, erreichen die Brennstoffzellen ihre Sollleistung.

Zur Konditionierung wird ein Brennstoffzellensystem mit Betriebsmedien versorgt, sodass eine Spannung in dem Brennstoffzellensystem entsteht und elektrische Leistung bereitgestellt wird. Um das Brennstoffzellensystem nach der Konditionierung weiterzuverarbeiten, muss das Brennstoffzellensystem spannungsfrei sein.

Um ein Brennstoffzellensystem nach seiner Konditionierung spannungsfrei werden zu lassen, werden derzeit Absperrventile des Brennstoffzellensystems geöffnet, um jeweilige Betriebsmedien, insbesondere Wasserstoff, passiv aus dem Brennstoffzellensystem auszutragen. Entsprechend benötigt ein solcher Vorgang viel Zeit, bspw. mehrere Minuten. Daher stellt die Konditionierung eine Engstelle in einer Produktionskette zur Produktion von Brennstoffzellensystemen dar. Insbesondere durch bspw. temperaturbedingte und/oder bewegungsbedingte Diffusionsprozesse kann es zu Situationen kommen, in denen Restgas aus einer Umgebung in ein jeweiliges Brennstoffzellensystem eindringt und dessen Brennstoffzellenstapel unter Spannung setzt.

Offenbarung der Erfindung

Im Rahmen der vorgestellten Erfindung werden ein Verfahren und ein Prüfstand zum Konditionieren eines 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 Prüfstand und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.

Die vorgestellte Erfindung dient insbesondere dazu, eine Zeit bis zur Weiterverarbeitung eines Brennstoffzellensystems nach einer Konditionierung zu minimieren.

Es wird somit gemäß einem ersten Aspekt der vorgestellten Erfindung ein Verfahren zur Konditionierung eines Brennstoffzellensystems vorgestellt.

Das vorgestellte Verfahren umfasst das Konditionieren eines Brennstoffzellenstapels des Brennstoffzellensystems durch Versorgen des Brennstoffzellenstapels mit Betriebsmedien und das Spülen eines Anodensubsystems des Brennstoffzellenstapels mit Luft, nachdem die Versorgung des Brennstoffzellenstapels mit Betriebsmedien gestoppt wurde.

Unter einer Konditionierung eines Brennstoffzellensystems ist im Kontext der vorgestellten Erfindung ein Vorgang zu verstehen, bei dem ein Brennstoffzellensystem initial bzw. erstmalig mit Betriebsmedien versorgt wird, sodass eine Spannung in dem Brennstoffzellensystem entsteht und elektrische Leistung bereitgestellt wird, um Brennstoffzellen des Brennstoffzellensystems auf eine Sollleistung einzustellen.

Die vorgestellte Erfindung basiert auf dem Prinzip, dass ein unter Spannung stehender Brennstoffzellenstapel schnell in einen spannungsfreien Zustand überführt wird, indem ein Anodensubsystem des Brennstoffzellenstapels aktiv mit Luft von einer Luftversorgung versorgt wird.

Die erfindungsgemäß vorgesehene Luftversorgung kann bspw. ein Gebläse eines Prüfstands zum Konditionieren des Brennstoffzellensystems oder ein Gebläse des Brennstoffzellensystems selbst sein.

Durch das aktive Einleiten von Luft in das Anodensubsystem des Brennstoffzellenstapels wird Brennstoff bzw. Wasserstoff aus dem Brennstoffzellensystem ausgetrieben, sodass der Brennstoffzellenstapel innerhalb von wenigen Sekunden spannungsfrei ist.

Es kann vorgesehen sein, dass das Verfahren auf einem Prüfstand durchgeführt wird.

Da eine Konditionierung in der Regel auf einem Prüfstand erfolgt, ist das vorgestellte Verfahren insbesondere zur Durchführung auf einem Prüfstand geeignet. Entsprechend kann bspw. eine Luftversorgung des Prüfstands zur Zufuhr von Luft in das Anodensubsystem des Brennstoffzellensystems verwendet werden.

Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass Luft zum Spülen des Anodensubsystems durch eine Anodenleitung zwischen einer Luftversorgung des Brennstoffzellensystems und dem Anodensubsystem geleitet wird.

Um eine effiziente und kontrollierte Einleitung einer Luftmasse in das Anodensubsystem sicherzustellen, eignet sich eine Anodenleitung, wie bspw. ein Rohr, dass Luft von der Luftversorgung zu dem Anodensubsystem leitet. Dabei kann die Anodenleitung über eine Schnittstelle mit dem Anodensubsystem mechanisch reversibel und fluidleitend gekoppelt sein. Alternativ kann die Anodenleitung eine Strömungsgeometrie, insbesondere eine Düse umfassen, die auf das Anodensubsystem, insbesondere einen Einlass des Anodensubsystems des Brennstoffzellensystems gerichtet ist.

Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass die Anodenleitung zwischen der Luftversorgung und dem Anodensubsystem ein drei-Wege-Ventil umfasst, das mit der Luftversorgung, einer Wasserstoffversorgung und dem Anodensubsystem fluidleitend gekoppelt ist.

Mittels eines Drei-Wege-Ventils kann eine gemeinsame Anodenleitung zur Versorgung des Anodensubsystems des Brennstoffzellensystems mit wahlweise Brennstoff oder Luft verwendet werden. Daher kann eine einzelne Gegenschnittstelle an dem Anodensubsystem zur Kopplung mit der Anodenleitung verwendet werden, um das Anodensubsystem mit Brennstoff zu konditionieren und anschließend mit Luft zu spülen.

Ein drei-Wege-Ventil stellt sicher, dass eine Wasserstoffzufuhr in die Anodenleitung unterbrochen ist, wenn die Anodenleitung mit Luft versorgt wird und umgekehrt.

Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass zum Ableiten der Luft aus dem Anodensubsystem ein Wasserstoffablassventil des Brennstoffzellenstapels geöffnet wird.

Zum Ableiten der Luft kann die Luft in dem Brennstoffzellensystem belassen werden, sodass diese bei einer Inbetriebnahme mit Brennstoff aus dem Anodensubsystem verdrängt wird. Um einen Durchfluss von Luft durch das Anodensubsystem zu ermöglichen und Brennstoff besonders gründlich und nachhaltig, d.h. zur Verhinderung von Diffusionsprozessen, aus dem Anodensubsystem auszutreiben, kann ein Wasserstoffablassventil des Brennstoffzellenstapels geöffnet werden.

Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass, nachdem die Versorgung des Brennstoffzellenstapels mit Betriebsmedien gestoppt wurde, das Anodensubsystem zunächst mit Stickstoff aus einer Stickstoffquelle und anschließend mit Luft von der Luftversorgung beströmt wird.

Da Luft in Kombination mit Wasserstoff zu einem zündfähigen Gemisch führen kann, kann ein Einleiten von Stickstoff, der für Wasserstoff ein inertes Gas darstellt, einen direkten Kontakt von Luft und Wasserstoff, und, dadurch bedingt, die Bildung eines zündfähigen Gemischs verhindern. Dabei kann die Stickstoffquelle bspw. ein Tank in einem jeweiligen Prüfstand sein.

Gemäß einem zweiten Aspekt betrifft die vorgestellte Erfindung einen Prüfstand zum Konditionieren eines Brennstoffzellensystems. Der Prüfstand umfasst eine Anodenleitung, die ein Anodensubsystem eines Brennstoffzellenstapels eines Brennstoffzellensystems mit einer Luftversorgung fluidleitend koppelt.

Durch die Anodenleitung kann, wie bereits zu dem vorgestellten Verfahren beschrieben, ein kontrolliertes Zuführen von Luft zu dem Anodensubsystem des Brennstoffzellenstapels erfolgen. Entsprechend kann ein jeweiliges Brennstoffzellensystem auf dem Prüfstand aufgebaut und dort mit der Anodenleitung verbunden, d.h. fluidleitend gekoppelt werden. Dabei kann die fluidleitende Kopplung über eine auf das Anodensubsystem des Brennstoffzellensystems gerichtete Düse oder eine mechanische Kopplung, über bspw. eine Schraub- bzw. Klemmverbindung, erfolgen.

Die Anodenleitung kann mit einer Luftversorgung des Prüfstands verbunden sein oder mit einer Luftversorgung des Brennstoffzellensystems fluidleitend verbindbar sein.

Es kann vorgesehen sein, dass die Anodenleitung über ein erstes Drei-Wege- Ventil mit der Luftversorgung und einer Brennstoffversorgung verbunden ist.

Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass die Anodenleitung über ein zweites Drei-Wege-Ventil mit einer Stickstoffquelle und der Brennstoffversorgung verbunden ist. Drei-Wege- Ventile, die mit der Anodenleitung, der Brennstoffversorgung und einer weiteren Gasversorgung verbunden sind, stellen sicher, dass bei einer Versorgung mit Gas aus der weiteren Gasversorgung, wie bspw. der Luftversorgung oder einer Stickstoffquelle, eine Zufuhr von Brennstoff zu dem Brennstoffzellensystem unterbrochen ist, sodass eine Bildung eines zündfähigen Gemischs verhindert wird.

Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass der Prüfstand eine Kathodenleitung umfasst, wobei die Kathodenleitung ein Kathodensubsystem des Brennstoffzellenstapels über ein drittes Drei-Wege-Ventil mit der Stickstoffquelle und der Luftversorgung verbindet.

Mittels eines dritten drei-Wege-Ventils kann, in Verbindung mit einer Kathodenleitung zur Zufuhr von Gas zu einem Kathodensubsystem eines jeweiligen Brennstoffzellensystems, das Kathodensubsystem mit Stickstoff bzw. Luft gespült werden, sodass auch ggf. durch Diffusionsprozesse in das Kathodensubsystem eingetragener Wasserstoff aus dem Brennstoffzellensystems ausgetragen werden kann.

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:

Figur 1 eine schematische Darstellung einer möglichen Ausgestaltung des vorgestellten Verfahrens anhand eines Diagramms, das einen Spannungsverlauf eines Brennstoffzellensystem über die Zeit abbildet,

Figur 2 eine mögliche Ausgestaltung des vorgestellten Prüfstands mit einem Brennstoffzellenstapel,

Figur 3 eine weitere mögliche Ausgestaltung des vorgestellten Prüfstands. In Figur 1 ist ein Diagramm 100 dargestellt, das sich auf seiner Abszisse 101 über die Zeit und auf seiner Ordinate 103 über eine Spannung erstreckt.

Zu einem Zeitpunkt TO wird eine Versorgung eines jeweiligen Brennstoffzellensystems mit Betriebsmedien, insbesondere mit Brennstoff, gestoppt.

Ein erster Verlauf 105 zeigt einen Spannungsabbau, wie er für Brennstoffzellensysteme nach dem Stoppen der Versorgung mit Betriebsmedien typisch ist. Durch Diffusionsprozesse wird eine Brennstoffkonzentration dem Brennstoffzellensystem kontinuierlich verdünnt, sodass die Spannung kontinuierlich abnimmt. Insbesondere ein Rebound zum Zeitpunkt TI erhöht die Dauer, bis das Brennstoffzellensystem verlässlich spannungsfrei ist erheblich.

Ein zweiter Verlauf 107 zeigt einen Spannungsverlauf, wie er für ein zur Konditionierung gemäß dem Stand der Technik auf einem Prüfstand betriebenes Brennstoffzellensystem typisch ist. Durch eine geschlossene Atmosphäre auf dem Prüfstand diffundiert Brennstoff aus dem Brennstoffzellenstapel und wieder zurück, sodass es zu einem unregelmäßigen Anstieg und Abfall der Spannung im Brennstoffzellensystem kommt und einige Zeit vergeht, bis das Brennstoffzellensystem verlässlich spannungsfrei ist.

Ein dritter Verlauf 109 zeigt einen Spannungsverlauf unter Verwendung des vorgestellten Verfahrens, bei dem ein Brennstoffzellensystem nach dem Zeitpunkt T0 aktiv mit Luft aus einer Luftversorgung gespült wird. Beim Vergleich der Verläufe 105, 107 und 109 wird ersichtlich, dass das vorgestellte Verfahren eine erhebliche Verkürzung der Zeit bis das Brennstoffzellensystem verlässlich spannungsfrei ist, bedingt.

In Figur 2 ist ein Prüfstand 200 dargestellt. Der Prüfstand umfasst eine Anodenleitung 201, die mit einem Einlassventil 203 eines Anodensubsystems 205 eines zu konditionierenden Brennstoffzellenstapels 207, einer Brennstoffversorgung 209 und einer Luftversorgung 211 über ein erstes Drei- Wege-Ventil 213 verbunden ist. Die Luftversorgung 211 dient während eines Betriebs des Brennstoffzellenstapels 207 zur Versorgung eines Kathodensubsystems 215 des Brennstoffzellenstapels 207 und ist entsprechend mit einem Kathodeneinlassventil 217 verbunden.

Für eine Konditionierung des Brennstoffzellenstapels 207 wird zunächst das Anodensubsystem 205 über die Brennstoffversorgung 209 mit Wasserstoff und das Kathodensubsystem 215 über die Luftversorgung 211 mit Luft versorgt, sodass eine Spannung an dem Brennstoffzellenstapel 107 anliegt und der Brennstoffzellenstapel 207 elektrische Leistung bereitstellt.

Nachdem die Versorgung des Anodensubsystems 205 mit Wasserstoff gestoppt ist, indem bspw. das erste Drei-Wege-Ventil 213 auf die Luftversorgung 211 gestellt wird, wird Luft in das Anodensubsystem 205 eingeleitet und Wasserstoff aus dem Anodensubsystem 205 verdrängt. Durch kontinuierliche Zufuhr von Luft in das Anodensubsystem 205 kann ein Einritt von Wasserstoff in das Anodensubsystem 205 durch Diffusionsprozesse verhindert werden.

Optional kann der Prüfstand ein Absaugsystem umfassen, das den aus dem Anodensubsystem 205 verdrängten Wasserstoff absaugt und dadurch einen Einritt von Wasserstoff in das Anodensubsystem 205 durch Diffusionsprozesse verhindert.

In Figur 3 ist der Prüfstand 200 mit einer optionalen Stickstoffquelle 219 dargestellt. Die Stickstoffquelle 219 ist ein zweites Drei-Wege-Ventil 221 mit der Brennstoffversorgung 209 und dem ersten Drei-Wege-Ventil 213 verbunden.

Das erste Drei-Wege-Ventil 213 ist hier mit der Luftversorgung 211, dem zweiten drei-Wege-Ventil 221 und dem Anodensubsystem 205 verbunden.

Ein drittes Drei-Wege-Ventil 223 ist mit der Luftversorgung 211, der Stickstoffquelle 219 und dem Kathodensubsystem 215 verbunden. Durch die Kopplung des Anodensubsystems 205 bzw. des Kathodensubsystems 215 mit der Stickstoffquelle 219 können diese zunächst mit Stickstoff beströmt bzw. gespült werden, sodass die Bildung eines zündfähigen Gemisches aus in dem Anodensubsystem 205 bzw. dem Kathodensubsystem 215 befindlichem Wasserstoff und zugeführter Luft verhindert wird. Erst nachdem bspw. eine vorgegebene Menge Stickstoff das Anodensubsystems 205 bzw. das Kathodensubsystems 215 eingeleitet wurde, wird das Anodensubsystem 205 bzw. das Kathodensubsystem 215 mit Luft von der Luftversorgung 211 beströmt.