DE-102024210737-A1 - Funktionsüberwachung von Zu- und/oder Abführungen zum bzw. vom Anodenraum einer Brennstoffzelle

Abstract

Verfahren (100) zum Betreiben mindestens einer Brennstoffzelle (1), wobei die Brennstoffzelle (1) einen Anodenraum (2) für einen gasförmigen Brennstoff (3) und einen Kathodenraum (4) für ein Oxidationsmittel (5) aufweist, und wobei der Anodenraum (2) durch einen ionenleitfähigen Elektrolyten (6) vom Kathodenraum (4) getrennt ist, mit den Schritten: • es wird mindestens ein Ventil (7a-7d) betätigt (110), das die Zufuhr von Brennstoff (3) in den Anodenraum (2) oder die Abfuhr von Flüssigkeit und/oder Gas (8) aus dem Anodenraum (2) steuert; • anhand von Messwerten (9) mindestens einer Größe, die einen Zustand, und/oder ein Verhalten, der Brennstoffzelle (1) charakterisieren, wird geprüft (120), ob die Messwerte (9) eine erwartete Auswirkung der Betätigung des Ventils (7a-7d) anzeigen; und • in Antwort darauf, dass diese Messwerte (9) die erwartete Auswirkung der Betätigung des Ventils (7a-7d) nicht anzeigen, wird festgestellt (130), dass das Ventil (7a-7d), und/oder eine Leitung, in der dieses Ventil (7a-7d) angeordnet ist, nicht ordnungsgemäß funktioniert.

Inventors

• Batsuren Batchuluun
• Federico Isaja
• Erick Falcon Alva

Assignees

• Robert Bosch Gesellschaft mit beschränkter Haftung

Dates

Publication Date

20260507

Application Date

20241107

Claims (13)

1. Verfahren (100) zum Betreiben mindestens einer Brennstoffzelle (1), wobei die Brennstoffzelle (1) einen Anodenraum (2) für einen gasförmigen Brennstoff (3) und einen Kathodenraum (4) für ein Oxidationsmittel (5) aufweist, und wobei der Anodenraum (2) durch einen ionenleitfähigen Elektrolyten (6) vom Kathodenraum (4) getrennt ist, mit den Schritten: • es wird mindestens ein Ventil (7a-7d) betätigt (110), das die Zufuhr von Brennstoff (3) in den Anodenraum (2) oder die Abfuhr von Flüssigkeit und/oder Gas (8) aus dem Anodenraum (2) steuert; • anhand von Messwerten (9) mindestens einer Größe, die einen Zustand, und/oder ein Verhalten, der Brennstoffzelle (1) charakterisieren, wird geprüft (120), ob die Messwerte (9) eine erwartete Auswirkung der Betätigung des Ventils (7a-7d) anzeigen; und • in Antwort darauf, dass diese Messwerte (9) die erwartete Auswirkung der Betätigung des Ventils (7a-7d) nicht anzeigen, wird festgestellt (130), dass das Ventil (7a-7d), und/oder eine Leitung, in der dieses Ventil (7a-7d) angeordnet ist, nicht ordnungsgemäß funktioniert.
2. Verfahren (100) nach Anspruch 1 , wobei Messwerte (9) eines Drucks im Anodenraum (2) gewählt werden (121).
3. Verfahren (100) nach Anspruch 2 , wobei mindestens für den Zeitraum zwischen der Betätigung des Ventils (7a-7d) und der Aufnahme der für die Prüfung herangezogenen Messwerte (9) eine automatische Regelung für den Druck im Anodenraum (2) deaktiviert wird (121a).
4. Verfahren (100) nach einem der Ansprüche 2 bis 3 , wobei • ein erstes Ventil (7a-7d) betätigt wird (121b), um einen Zufluss von Brennstoff (3) zum Anodenraum (2) zu unterbinden, und • ein zweites Ventil (7a-7d) betätigt wird (121c), um einen Auslass aus dem Anodenraum (2) zu eröffnen.
5. Verfahren (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 4 , wobei das mindestens eine Ventil (7a-7d) in einem Zustand, in dem die mindestens eine Brennstoffzelle (1) keinen elektrischen Strom durch einen externen Verbraucher treibt, betätigt wird (111).
6. Verfahren (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 5 , wobei das mindestens eine Ventil (7a-7d) im Anschluss an eine Flutung des Anodenraums (2) mit Brennstoff (3) betätigt wird (112).
7. Verfahren (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 6 , wobei • ein Absperrventil (7a) zwischen Anodenraum (2) und Brennstoffversorgung, ASV, und/oder • ein Dosierventil (7b) für die Zuführung von Brennstoff (3) zum Anodenraum, HGI, und/oder • ein Ventil (7c) für die Ausleitung von Wasser aus dem Anodenraum (2), ADV, und/oder • ein Ventil (7d) für die Ausleitung von Inertgas aus dem Anodenraum (2), APV, als zu betätigendes Ventil (7a-7d) gewählt wird (113).
8. Verfahren(100) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 , wobei • mehrere Ventile (7a-7d) betätigt werden (114), die jeweils einen Auslass aus dem Anodenraum (2) eröffnen, und • diese Ventile (7a-7d) im Wechsel und nicht gleichzeitig geöffnet werden (115).
9. Verfahren (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 , wobei • das mindestens eine Ventil (7a-7d) nach einem vorgegebenen Zeitprogramm betätigt wird (116) und • die Prüfung (120), ob die Messwerte (9) eine erwartete Auswirkung dieser Betätigung anzeigen, eine Prüfung umfasst (122), ob dieses Zeitprogramm in den Messwerten (9) wiederzuerkennen ist.
10. Verfahren (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 , wobei eine Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzelle als mindestens eine Brennstoffzelle (1) gewählt wird (105).
11. Verfahren (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 10 , wobei in Antwort auf die Feststellung, dass das Ventil (7a-7d), und/oder eine Leitung, in der dieses Ventil (7a-7d) angeordnet ist, nicht ordnungsgemäß funktioniert, der weitere Betrieb der mindestens einen Brennstoffzelle (1) unterbunden wird (140).
12. Computerprogramm, enthaltend maschinenlesbare Anweisungen, die, wenn sie auf einem oder mehreren Computern ausgeführt werden, den oder die Computer veranlassen, das Verfahren (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 11 auszuführen.
13. Maschinenlesbarer Datenträger und/oder Downloadprodukt mit dem Computerprogramm nach Anspruch 12 .

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft die Überwachung von Brennstoffzellen oder Brennstoffzellenstapeln auf Fehlfunktionen, die zu einer Unterversorgung mit Brennstoff und in der Folge zu Schäden an der Brennstoffzelle führen können. Stand der Technik In einer Brennstoffzelle werden auf zwei Seiten eines für Ionen durchlässigen Elektrolyten Brennstoff in einem Anodenraum und ein Oxidationsmittel in einem Kathodenraum vorgelegt. Ionen, wie etwa Wasserstoff-Ionen, aus dem Brennstoff wandern durch den Elektrolyten in den Kathodenraum, während Elektronen, die bei der Ionisierung des Brennstoffs abgegeben wurden, auf dem Umweg durch einen externen elektrischen Verbraucher zum Kathodenraum gelangen. Dort reagieren die Ionen, die Elektronen sowie der Sauerstoff aus dem Oxidationsmittel, um beispielsweise Wasser als Abfallprodukt zu bilden. Dieser Prozess ist darauf angewiesen, dass im Anodenraum in ausreichendem Maße Brennstoff vorhanden ist. Wenn es im Betrieb der Brennstoffzelle an Brennstoff mangelt, verändert sich das elektrische Potential an der Anode in einer Weise, dass unerwünschte elektrochemische Reaktionen in der Brennstoffzelle stattfinden. Diese Reaktionen können zu irreversiblen Schäden an der Brennstoffzelle führen. Offenbarung der Erfindung Die Erfindung stellt ein Verfahren zum Betreiben mindestens einer Brennstoffzelle bereit. Die Brennstoffzelle kann insbesondere beispielsweise in einen Brennstoffzellenstapel eingebunden sein. Die Brennstoffzelle weist einen Anodenraum für einen gasförmigen Brennstoff und einen Kathodenraum für ein Oxidationsmittel auf. Der Anodenraum ist durch einen ionenleitfähigen Elektrolyten vom Kathodenraum getrennt. Das Verfahren ist um eine Funktionsüberwachung für wichtige Komponenten, deren Versagen einen Brennstoffmangel herbeiführen könnte, erweitert. Zu diesem Zweck wird im Rahmen des Verfahrens mindestens ein Ventil betätigt, das die Zufuhr von Brennstoff in den Anodenraum oder die Abfuhr von Flüssigkeit und/oder Gas aus dem Anodenraum steuert. Es wird anhand von Messwerten mindestens einer Größe, die einen Zustand, und/oder ein Verhalten, der Brennstoffzelle charakterisieren, geprüft, ob die Messwerte eine erwartete Auswirkung der Betätigung des Ventils anzeigen. In Antwort darauf, dass diese Messwerte die erwartete Auswirkung der Betätigung des Ventils nicht anzeigen, wird festgestellt, dass das Ventil, und/oder eine Leitung, in der dieses Ventil angeordnet ist, nicht ordnungsgemäß funktioniert. Es wurde erkannt, dass die Ver- und Entsorgung des Anodenraums einer Brennstoffzelle oder eines Brennstoffzellenstapels ein vergleichsweise komplexes System mit mehreren Fehlerquellen ist, die jeweils zu einer Unterversorgung mit Brennstoff führen können. Der Brennstoff, wie beispielsweise Wasserstoffgas, muss auf dem Weg vom Vorratstank zum Anodenraum typischerweise zunächst durch ein Absperrventil (anode separation valve, ASV) und dann durch ein Dosierventil (hydrogen gas injector, HGI). Diese Redundanz aus mindestens zwei Ventilen ist erforderlich, damit der Druck des Vorratstanks von typischerweise 15 bar auf keinen Fall unkontrolliert in den Anodenraum gelangt, der diesen Druck nicht aushalten würde. Weiterhin fallen im Anodenraum Wasser und Stickstoff, die unerwünscht aus dem Kathodenraum durch den Elektrolyten in den Anodenraum diffundiert sind, zur Entsorgung an. Aus dem Wasser-Gas-Gemisch, das aus dem Anodenraum austritt, wird mit einem Wasserseparator der Großteil des Wassers abgetrennt und durch ein Ventil (anode drain valve, ADV) entsorgt. Nach dem Durchlaufen einer Verdichtungsstufe wird mit einem weiteren Separator ein Gemisch aus Stickstoff und noch ein wenig Wasser vom Wasserstoff abgetrennt und durch ein weiteres Ventil (anode purge valve, APV) entsorgt, bevor der verbleibende Wasserstoff mit frischem Wasserstoff zusammengeführt und in die Brennstoffzelle rezirkuliert wird. Die vielen an diesem Prozess beteiligten Ventile können beispielsweise ausfallen oder steckenbleiben. Weiterhin können Leitungen, in denen diese Ventile angeordnet sind, verstopfen. Dies betrifft insbesondere beispielsweise Leitungen, die Wasser-Gas-Gemische führen und vereisen können. All diese Fehlerquellen können gemäß dem hier vorgeschlagenen Verfahren durch das Betätigen von bereits vorhandenen Ventilen in Verbindung mit dem Beobachten von Messwerten mit bereits vorhandenen Messinstrumenten überprüft werden. Wenn ein Ventil betätigt wird und sich eine daraufhin zu erwartende Änderung der Messwerte nicht einstellt, liegt am Ventil selbst, und/oder in einem Pfad, in dem sich dieses Ventil befindet, ein Fehler vor. In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung werden Messwerte eines Drucks im Anodenraum gewählt. Diese Messwerte sind besonders aussagekräftig dahingehend, inwieweit ein Einlass in den Anodenraum, bzw. ein Auslass aus dem Anodenraum, ordnungsgemäß funktioniert. Weiterhin ist ein Messinstrument für den Druck im Anodenraum standardmäßig vorhanden. Besonders vorteilhaft wird