AT524901B1 - Indikator-Brennstoffzelle für eine Indikation wenigstens eines Schädigungseffekts auf einen separaten Brennstoffzellenstapel eines Brennstoffzellensystems - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Indikator-Brennstoffzelle (10) für eine Indikation wenigstens eines Schädigungseffekts auf einen separaten Brennstoffzellenstapel (110) eines Brennstoffzellensystems (100), aufweisend einen Indikator- Anodenabschnitt (20) mit einem Indikator-Anodeneinlass (22) und einem Indikator- Anodenauslass (24) sowie einen Indikator-Kathodenabschnitt (30) mit einem Indikator- Kathodeneinlass (32) und einem Indikator-Kathodenauslass (34), wobei der Indikator- Anodenabschnitt (20) und der Indikator-Kathodenabschnitt (30) durch eine Indikator- Membran (40) für einen Brennstoffzellenbetrieb voneinander getrennt sind und die Indikator-Membran (40) wenigstens einen Schädigungsabschnitt (42) aufweist für eine gezielte und vorrangige Schädigung in Folge wenigstens eines Schädigungseffekts des Brennstoffzellenstapels (110), weiter aufweisend ein Ermittlungsmodul (50) für eine Ermittlung eines Spannungsparameters (UP) und/oder eines Stromparameters (IP) der Indikator-Membran (40) im Brennstoffzellenbetrieb und ein Vergleichsmodul (60) für einen Vergleich des ermittelten Spannungsparameters (UP) und/oder Stromparameters (IP) mit einem Schädigungsgrenzwert (SG), wobei der Schädigungsabschnitt (42) der Indikator-Membran (40) eine Indikator- Beschichtung (44) aufweist.
Description
INDIKATOR-BRENNSTOFFZELLE FÜR EINE INDIKATION WENIGSTENS EINES SCHÄDIGUNGSEFFEKTS AUF EINEN SEPARATEN BRENNSTOFFZELLENSTAPEL EINES BRENNSTOFFZELLENSYSTEMS
[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft eine Indikator-Brennstoffzelle für eine Indikation wenigstens eines Schädigungseffekts auf einen separaten Brennstoffzellenstapel eines Brennstoffzellensystems, ein Brennstoffzellensystem mit einer solchen Indikator-Brennstoffzelle sowie ein Indikationsverfahren für eine Indikation wenigstens eines Schädigungseffekts auf einen Brennstoffzellenstapel eines Brennstoffzellensystems.
[0002] Es ist bekannt, dass die Betriebsweise, die Gasqualität und/oder andere Parameter Einfluss auf die Haltbarkeit von Brennstoffzellen haben. Wird ein Brennstoffzellensystem in unterschiedlichen Betriebssituationen betrieben, so kann eine erhöhte Belastung durch unterschiedliche Schädigungseffekte entstehen. Beispielsweise kann eine schlechte Gasqualität mit hohem Schwefelanteil oder erhöhtem Kohlenmonoxidanteil zu einer Schädigung der Brennstoffzellen im Brennstoffzellenstapel führen. Dabei können solche Schädigungseffekte sowohl mit reversibler Schädigung als auch mit irreversibler Schädigung ausgebildet sein. Es ist daher notwendig, den Brennstoffzellenstapel hinsichtlich möglichst vieler Schädigungseffekte zu überwachen, um eine Beschädigung des Brennstoffzellenstapels so weit wie möglich zu vermeiden. Dies wird im Stand der Technik beispielsweise durch eine Überwachung von Stromparametern und/oder Spannungsparametern der einzelnen Brennstoffzellen im Brennstoffzellenstapel gewährleistet.
[0003] Die Überwachung der Brennstoffzellen im Brennstoffzellenstapel bringt jedoch eine Vielzahl von Nachteilen mit sich. Insbesondere wird auf diese Weise ein hoher konstruktiver Aufwand notwendig, da entweder alle Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels oder zumindest einige davon, welche in den Brennstoffzellenstapel integriert sind, mit entsprechenden Spannungsabnehmern und/oder Straomabnehmern versehen werden müssen. Ein weiterer Nachteil ist, dass die Schädigung durch eine Spannungsabnahme und/oder eine Stromabnahme erst erkannt werden kann, wenn der Schädigungseffekt am Brennstoffzellenstapel an der jeweiligen Brennstoffzelle bereits eingetreten ist. Handelt es sich bei dem Schädigungseffekt um eine irreversible Schädigung, hat diese irreversible Schädigung also bereits stattgefunden und zu einer reduzierten Haltbarkeit oder einer reduzierten Betriebsweise des Brennstoffzellenstapels geführt. Darüber hinaus ist die Integration von solchen Strom- und/oder Spannungsmessmöglichkeiten in bestehende Konstruktionsformen von Brennstoffzellenstapeln sehr aufwendig. Ein Nachrüsten einer solchen Erfassungsmöglichkeit bei bereits bestehenden Brennstoffzellensystemen ist gar nicht oder nur mit sehr hohem Aufwand möglich.
[0004] Brennstoffzellensystem mit einer Indikator-Brennstoffzelle sind beispielsweise aus der EP 1383192 A2 und der WO 200707829 A1 bekannt.
[0005] Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die voranstehend beschriebenen Nachteile zumindest teilweise zu beheben. Insbesondere ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, in kostengünstiger und einfacher Weise, eine Schädigung von Brennstoffzellen in einem Brennstoffzellenstapel eines Brennstoffzellensystems zu vermeiden und/oder zu reduzieren.
[0006] Die voranstehende Aufgabe wird gelöst durch eine Indikator-Brennstoffzelle mit den Merkmalen des Anspruchs 1, ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Anspruchs 8 sowie ein Indikationsverfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 12. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen IndikatorBrennstoffzelle beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem sowie dem erfindungsgemäßen Indikationsverfahren und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird beziehungsweise werden kann.
[0007] Erfindungsgemäß ist eine Indikator-Brennstoffzelle für eine Indikation wenigstens eines
Schädigungseffekts auf einen separaten Brennstoffzellenstapel eines Brennstoffzellensystems ausgebildet. Hierfür weist die Indikator-Brennstoffzelle einen Indikator-Anodenabschnitt mit einem Indikator-Anodeneinlass und einem Indikator-Anodenauslass auf. Weiter ist die IndikatorBrennstoffzelle mit einem Indikator-Kathodenabschnitt, mit einem Indikator-Kathodeneinlass und einem Indikator-Kathodenauslass ausgestattet. Der Indikator-Anodenabschnitt und der IndikatorKathodenabschnitt sind voneinander durch eine Indikator-Membran für einen Brennstoffzellenbetrieb getrennt. Diese Indikator-Membran weist wenigstens einen Schädigungsabschnitt auf, für eine gezielte und vorrangige Schädigung in Folge wenigstens eines Schädigungseffekts des Brennstoffzellenstapels. Darüber hinaus ist die Indikator-Brennstoffzelle mit einem Ermittlungsmodul für eine Ermittlung eines Spannungsparameters und/oder eines Stromparameters der Indikator-Membran im Brennstoffzellenbetrieb sowie einem Vergleichsmodul für einen Vergleich des ermittelten Spannungsparameters und/oder Stromparameters mit einem Schädigungsgrenzwert ausgestattet.
[0008] Ein erfindungsgemäßer Kerngedanke liegt darin, dass eine Indikator-Brennstoffzelle separat von einem Brennstoffzellenstapel eines Brennstoffzellensystems ausgebildet ist. Wie dies später noch mit Bezug auf ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem näher erläutert wird, kann eine solche Indikator-Brennstoffzelle durch die Schnittstellen in Form des Indikator-Anodeneinlasses, des Indikator-Anodenauslasses, des Indikator-Kathodeneinlasses und des IndikatorKathodenauslasses in ein Brennstoffzellensystem separat vom Brennstoffzellenstapel integriert werden. Diese separate Ausbildung führt bereits zu einem ersten wesentlichen Vorteil der vorliegenden Erfindung, nämlich der Tatsache, dass keine Integration in den Brennstoffzellenstapel notwendig ist. Dies führt zu einer deutlichen Reduktion der Komplexität eines Brennstoffzellensystems, wie auch zu der Möglichkeit einer Nachrüstung bestehender Brennstoffzellensysteme.
[0009] Eine solche Indikator-Brennstoffzelle kann, je nach spezifischem Schädigungseffekt, in unterschiedlichste Abschnitte des Brennstoffzellensystems integriert werden. Insbesondere ist eine Integration im Anodenzuführabschnitt, im Anodenabführabschnitt, im Kathodenzuführabschnitt und/oder im Kathodenabführabschnitt möglich. Auch kann eine solche Indikator-Brennstoffzelle durch die spezifische Auswahl des Schädigungsabschnitts auf einen oder mehrere Schädigungseffekte spezifisch ausgebildet werden. Dies erlaubt es, nicht nur grundsätzlich eine Schädigungssituation und/oder eine Schädigungsgefahr für den Brennstoffzellenstapel zu erkennen, sondern auch spezifisch eine Zuordnung zu einem Schädigungseffekt zu ermöglichen.
[0010] Der erfindungsgemäße Kerngedanke basiert darauf, dass der Schädigungsabschnitt für eine gezielte und vorrangige Schädigung ausgebildet ist. Gezielt ist die Schädigung mit Bezug auf wenigstens einen Schädigungseffekt des Brennstoffzellenstapels. Der Schädigungsabschnitt ist also für eine gezielte Schädigung durch einen Schädigungseffekt, welcher auch den Brennstoffzellenstapel betreffen würde, ausgelegt. Unter einer vorrangigen Schädigung ist im Sinne der vorliegenden Erfindung eine Schädigung zu verstehen, welche beginnt und/oder stattfindet, bevor eine Schädigung durch denselben Schädigungseffekt im Brennstoffzellenstapel erfolgt. Mit anderen Worten wird die Indikator-Brennstoffzelle im Schädigungsabschnitt als Opfer-Brennstoffzelle oder Sollschädigungs-Brennstoffzelle zur Verfügung gestellt. Dies kann in unterschiedlichster Weise gewährleistet werden. Beispielsweise kann die Indikator-Brennstoffzelle einen identischen, im Wesentlichen identischen oder ähnlichen Aufbau, wie die einzelnen Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels aufweisen. Durch den Schädigungsabschnitt wird, beispielsweise mit Hilfe einer Indikator-Beschichtung, eine vorrangige Schädigung möglich, indem die Betriebsweise gezielt hinsichtlich wenigstes eines Schädigungseffekts geschwächt wird. So können beispielsweise minderwertigere oder andere Materialien oder Beschichtungen zu dieser vorrangigen und gezielten Schädigung bezüglich wenigstens eines Schädigungseffektes führen.
[0011] Aus der voranstehenden Erläuterung wird nun ersichtlich, dass beim Auftreten eines Schädigungseffekts durch die vorrangige Schädigung des Schädigungsabschnitts diese Schädigung zuerst an der Indikator-Brennstoffzelle auftritt, bevor bei Weiterbetrieb unter gleichen Schädigungseffekt-Bedingungen, die gleiche Schädigung auch im Brennstoffzellenstapel auftreten würde.
[0012] Im zweiten Teil einer erfindungsgemäßen Indikator-Brennstoffzelle wird nun eine Erkennung dieses Schädigungseffekts in der Schädigungssituation möglich. Hierfür wird ein Spannungsparameter und/oder ein Stromparameter mit dem Ermittlungsmodul ermittelt und durch Vergleich mit einem Schädigungsgrenzwert erkannt, ob der überwachte Schädigungseffekt aktuell aktiv oder inaktiv ist. Dies erlaubt es, durch die vorrangige und gezielte Schädigung eine Information zu erhalten, ob aktuell eine Schädigungssituation durch den überwachten wenigstens einen Schädigungseffekt vorliegt oder nicht. Durch die vorrangige Schädigung des Schädigungsabschnitts erfolgt dies zu einem Zeitpunkt, zu welchem noch keine oder nur in geringem Maße eine Schädigung der Brennstoffzellen im Brennstoffzellenstapel erfolgt ist.
[0013] Diese Information kann in unterschiedlichster Weise genutzt werden. Beispielsweise kann auf Basis eines erkannten Schädigungseffektes aktiv in die Kontrolle der Betriebsweise des Brennstoffzellensystems eingegriffen werden. So kann durch das Wissen über einen aktuell aktiven Schädigungseffekt eine Veränderung von Gaszusammensetzungen oder von anderen Betriebsparametern erfolgen, um diesen Schädigungseffekt wieder zu deaktivieren oder zumindest zu reduzieren. Jedoch ist es auch möglich, dass bei einer erkannten Schädigungssituation durch wenigstens einen Schädigungseffekt aktiv der Betrieb des Brennstoffzellenstapels vollständig eingestellt wird. Nicht zuletzt ist auf Basis einer erfindungsgemäßen Indikator-Brennstoffzelle selbstverständlich auch die reine Ausgabe einer Information über den aktuell aktiven Schädigungseffekt möglich. Die Indikator-Brennstoffzelle wird also als ein Schädigungssensor verwendet, welcher in beliebiger Weise seine Sensorinformation in nachfolgende Kontrollverfahren einbringen kann.
[0014] Es ist noch darauf hinzuweisen, dass eine Indikator-Brennstoffzelle insbesondere spezifisch für genau einen Schädigungseffekt ausgebildet ist. Da an einem Brennstoffzellenstapel unterschiedliche Schädigungseffekte möglich sind, können dementsprechend spezifisch für jeden dieser möglichen Schädigungseffekte spezifische Indikator-Brennstoffzellen an den entsprechend für diesen Schädigungseffekt spezifischen Orten im Brennstoffzellensystem angeordnet werden. Somit kann der erfindungsgemäße Vorteil einer frühzeitigen Erkennung von Schädigungseffekten an unterschiedlichen Orten und/oder für eine beliebige Anzahl von Schädigungseffekten für ein Brennstoffzellensystem vorgesehen oder sogar nachgerüstet werden.
[0015] Eine erfindungsgemäße Indikator-Brennstoffzelle kann dabei sowohl für den Brennstoffzellenbetrieb zur Stromerzeugung unter Brenngasverbrauch als auch für den Brennstoffzellenbetrieb für eine Brenngaserzeugung unter Stromverbrauch zur Verfügung gestellt werden. Beispielsweise kann es sich um eine SOFC- und/oder SOEC-Bauweise des Brennstoffzellensystems und der Indikator-Brennstoffzelle handeln. Darüber hinaus ist darauf hinzuweisen, dass als Stromparameter und/oder Spannungsparameter durch das Ermittlungsmodul insbesondere eine sogenannte CVM-Messung (Cell Voltage Measurement) durchgeführt wird. Insbesondere kann eine Total Harmonic Distortion Analysis (THDA) durchgeführt werden.
[0016] Es ist noch weiter darauf hinzuweisen, dass insbesondere bei Schädigungseffekten mit reversibler Schädigung, auch eine Regenerationsmöglichkeit in der Indikator-Brennstoffzelle vorgesehen sein kann. Beispielsweise ist es möglich, nach erkanntem Schädigungseffekt eine Regeneration mit einem Regenerationsgas für den Schädigungsabschnitt in der Indikator-Brennstoffzelle durchzuführen. Auf diese Weise ist die Sensorfunktion kontinuierlich einsetzbar, da der Sensoreffekt durch die Schädigungsmöglichkeit an einer regenerierten Indikator-Brennstoffzelle wieder hergestellt werden kann.
[0017] Es kann Vorteile mit sich bringen, wenn bei einer erfindungsgemäßen Indikator-Brennstoffzelle das Ermittlungsmodul und/oder das Vergleichsmodul für eine CVM-Auswertung, insbesondre in Form einer THDA-Analyse ausgebildet sind. Dabei ist insbesondere eine Auswertung eines Klirrfaktors der CVM-Auswertung in Form der THDA-Analyse zu verstehen. Selbstverständlich können jedoch auch andere Auswertungsformen mit einer solchen Auswertung kombiniert oder alternativ eingesetzt werden. Die Auswertung kann in das Ermittlungsmodul und/oder das Vergleichsmodul integriert sein. Auch ein separates Auswertemodul ist jedoch möglich.
[0018] Vorteile kann es mit sich bringen, wenn bei einer erfindungsgemäßen Indikator-Brenn-
stoffzelle der Schädigungseffekt der Indikator-Membran eine Indikator-Beschichtung aufweist, insbesondere aufgebracht durch wenigstens eines der folgenden Beschichtungsverfahren:
- Infiltration der Indikator-Membran, - Sputterbeschichtung der Indikator-Membran.
[0019] Bei der voranstehenden Aufzählung handelt es sich um eine nicht abschließende Liste. Selbstverständlich können auch unterschiedliche Beschichtungsarten für einen Schädigungsabschnitt kombiniert werden. Weist die Indikator-Membran zwei unterschiedliche Schädigungsabschnitte auf, so können diese durch identische oder durch unterschiedliche Beschichtungsarten erzeugt worden sein. Insbesondere erfolgt die Beschichtung vor der Integration der IndikatorMembran in die Indikator-Brennstoffzelle. Der Schädigungsabschnitt kann ein begrenzter Oberflächenabschnitt der Indikator-Membran sein. Auch ist es denkbar, das die komplette oder im Wesentlichen die komplette Oberfläche der Indikator-Membran als Schädigungsabschnitt ausgebildet ist.
[0020] Vorteilhaft ist es weiter, wenn bei einer erfindungsgemäßen Indikator-Brennstoffzelle der Schädigungsabschnitt spezifisch für genau einen Schädigungseffekt ausgebildet ist. Darunter ist beispielsweise eine erhöhte Gaskonzentration, beispielsweise ein hoher Schwefelanteil, ein hoher Kohlenmonoxidanteil oder aber Kohlenstoffablagerungen im Bereich der Membran zu verstehen. Auch andere, auf die Betriebsweise fokussierte Schädigungseffekte, beispielsweise ein Druckverhältnis und ein Temperaturverlauf, können hier als spezifischer Schädigungseffekt für den Schädigungsabschnitt ausgewählt werden. Wie bereits erläutert worden ist, sind auch mehrere Schädigungsabschnitte für unterschiedliche Schädigungseffekte in einer Indikator-Brennstoffzelle kombiniert denkbar. Insbesondere in Situationen, welche einen komplexen Schädigungseffekt beinhalten, welcher beispielsweise auf einer Kombination eine Temperatursituation und zweier Gaskonzentrationen beruht, kann in erfindungsgemäßer Weise einfach und kostengünstig überwacht werden, da nicht die Ursache, sondern die tatsächliche Schädigung erkannt wird. Dies erlaubt eine Uberwachung auch für Schädigungseffekte, deren physikalischer und/oder chemischer Schädigungsmechanismus nicht oder nur teilweise bekannt sind.
[0021] Vorteilhaft ist es ebenfalls, wenn bei einer erfindungsgemäßen Indikator-Brennstoffzelle die Indikator-Brennstoffzelle eine Indikator-Heizvorrichtung aufweist für ein aktives Temperieren, insbesondere der Indikator-Membran. In verschiedenen Betriebssituationen, insbesondere im Startbetrieb eines Brennstoffzellensystems, sind einzelne Komponenten üblicherweise noch nicht auf der notwenigen Betriebstemperatur. Eine solche Betriebstemperatur liegt bei einem SOFC/ SOEC-Brennstoffzellensystem beispielsweise auf bis zu 1000 °C. Um auch in einer solchen Betriebssituation eine Sensorfunktionalität der Indikator-Brennstoffzelle zu ermöglichen, kann ein aktives Temperieren mittels der Indikator-Heizvorrichtung Vorteile mit sich bringen. Dabei kann es sich zum Beispiel um eine elektrische Heizvorrichtung handeln. Eine solche Indikator-Heizvorrichtung ist insbesondere dann von Vorteil, wenn die Indikator-Brennstoffzelle außerhalb einer Hot Box des Brennstoffzellensystems angeordnet ist. Selbstverständlich sind auch andere Temperier-Möglichkeiten denkbar. Auch eine Integration in ein Temperiersystem des Brennstoffzellensystems ist möglich.
[0022] Weiter von Vorteil ist es, wenn bei einer erfindungsgemäßen Indikator-Brennstoffzelle die Indikator-Membran bis auf den Schädigungsabschnitt identisch oder im Wesentlichen identisch mit den Stapel-Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels ausgebildet ist. Bei einer Verwendung für ein spezifisches Brennstoffzellensystem, bildet also die Indikator-Brennstoffzelle die entsprechenden Stapel-Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels nach und kann auf diese Weise den gewünschten Effekt der Früherkennung für das eingesetzte Brennstoffzellensystem zur Verfügung stellen. Die Aussagekraft der Ermittlung und des Vergleichs mit dem Schädigungsgrenzwertes wird auf diese Weise für das Brennstoffzellensystem deutlich erhöht, bei gleichbleibender Funktionalität.
[0023] Vorteilhaft ist es weiter, wenn bei einer erfindungsgemäßen Indikator-Brennstoffzelle der Indikator-Anodenabschnitt und/oder der Indikator-Kathodenabschnitt einen Indikator-Quelleneinlass aufweist für ein Einbringen eines spezifischen Indikatorgases. Beispielsweise kann es sich
bei diesem Indikatorgas um ein Regenerationsgas handeln, um eine Regeneration einer Indikator-Brennstoffzelle nach Erkennung eines aktiven Schädigungseffektes durchzuführen. Auch kann bei der Durchführung und Zufuhr einer definierten Gaszusammensetzung als Indikatorgas eine Kalibrierung des später noch erläuterten Indikationsverfahrens zur Verfügung gestellt werden.
[0024] Ebenfalls Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Brennstoffzellensystem für einen Brennstoffzellenbetrieb. Ein solches Brennstoffzellensystem weist einen Brennstoffzellenstapel mit einem Anodenabschnitt, mit einem Anodenzuführabschnitt und einem Anodenabführabschnitt auf. Weiter ist der Brennstoffzellenstapel mit einem Kathodenabschnitt, mit einem Kathodenzuführabschnitt und einem Kathodenabführabschnitt ausgestattet. Der Brennstoffzellenstapel wird durch eine Vielzahl von Stapel-Brennstoffzellen ausgebildet und weist im Anodenzuführabschnitt, im Anodenabführabschnitt, im Kathodenzuführabschnitt und/oder im Kathodenabführabschnitt zumindest eine erfindungsgemäße Indikator-Brennstoffzelle auf. Damit bringt ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem die gleichen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit Bezug auf eine erfindungsgemäße Indikator-Brennstoffzelle erläutert worden sind. Unter einem Brennstoffzellenbetrieb ist hier sowohl ein Gaserzeugungsbetrieb unter Verbrauch von elektrischem Strom als auch ein Stromerzeugungsbetreib unter dem Verbrauch von Brenngas zu verstehen. Selbstverständlich können auch zwei oder mehr Indikator-Brennstoffzellen an unterschiedlichen Orten und/oder für unterschiedliche spezifische Schädigungseffekte vorgesehen sein.
[0025] Vorteile bringt es mit sich, wenn bei einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem der Anodenabführabschnitt wenigstens einen Rezirkulationsabschnitt aufweist in fluidkommunizierender Verbindung mit dem Anodenzuführabschnitt für eine Rezirkulation von Anodenabgas. Je nach Betriebsart des Brennstoffzellensystems kann auch in diesem Rezirkulationsabschnitt des Anodenabführabschnitts eine erfindungsgemäße Indikator-Brennstoffzelle angeordnet werden.
[0026] Vorteilhaft ist es weiter, wenn bei einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem die zumindest eine Indikator-Brennstoffzelle einen Schädigungsabschnitt aufweist, welcher spezifisch für einen Schädigungseffekt durch eine diese Indikator-Brennstoffzelle durchströmende Gaskomponente ausgebildet ist. Je nach Ort der Indikator-Brennstoffzelle sind unterschiedliche Gaszusammensetzungen zu erwarten. Beispielsweise wird im Anodenzuführabschnitt ein Anodenzuführgas, im Anodenabführabschnitt ein Anodenabgas, im Kathodenzuführabschnitt ein Kathodenzuführgas und im Kathodenabführabschnitt ein Kathodenabgas strömen. Jeder dieser einzelnen Abschnitte mit den entsprechend spezifischen Gasen kann eine unterschiedliche Gaskomponente für einen Schädigungseffekt beinhalten. Somit ist die jeweilige Indikator-Brennstoffzelle vorzugsweise spezifisch für die jeweilige schädigende Gaskomponente ausgebildet. Gleiches gilt selbstverständlich auch dann, wenn zwei oder mehr verschiedene Indikator-Brennstoffzellen an unterschiedlichen Orten im Brennstoffzellensystem angeordnet sind.
[0027] Vorteile bringt es weiter mit sich, wenn bei einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem zumindest zwei Indikator-Brennstoffzellensysteme in unterschiedlichen Strömungspfaden und/oder mit unterschiedlichen Schädigungsabschnitten vorgesehen sind. Dies erlaubt es, mit den Indikator-Brennstoffzellen spezifisch zwei oder mehr unterschiedliche Schädigungseffekte zu überwachen und damit die erfindungsgemäßen Vorteile in breiterer Weise und insbesondere auch an unterschiedlichen Orten des Brennstoffzellensystems zur Verfügung zu stellen. Selbstverständlich können für unterschiedliche Orte und/oder unterschiedliche Schädigungseffekte auch unterschiedliche Schädigungsgrenzwerte für die Auswertung eingesetzt werden.
[0028] Ebenfalls Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Indikationsverfahren für eine Indikation wenigstens eines Schädigungseffekts auf einen Brennstoffzellenstapel eines Brennstoffzellensystems gemäß der vorliegenden Erfindung, aufweisend die folgenden Schritte:
- Ermitteln eines Spannungsparameters und/oder eines Stromparameters im Brennstoffzellenbetrieb der zumindest einen Indikator-Brennstoffzelle,
- Vergleichen des ermittelten Spannungsparameters und/oder Stromparameters mit einem Schädigungsgrenzwert,
- Ausgabe eines Indikationssignals bei Überschreiten des Schädigungsgrenzwertes.
[0029] Damit bringt ein erfindungsgemäßes Indikationsverfahren die gleichen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit Bezug auf ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem und/oder eine erfindungsgemäße Indikator-Brennstoffzelle erläutert worden sind. Die Ausgabe des Indikationssignals kann in einfachster Weise eine Signalausgabe in Form einer Alarmierung für eine Schädigungssituation beinhalten. Weiter kann das Indikationssignal auch als Kontrolleingabe für den Betrieb der Brennstoffzelle verwendet werden und somit zum vollständigen Ausschalten der Brennstoffzellen oder für einen definierten Kontrolleingriff in die Betriebsweise der Brennstoffzelle dienen.
[0030] Vorteilhaft ist es ebenfalls, wenn bei einem erfindungsgemäßen Indikationsverfahren nach Ausgabe eines Indikationssignals ein Regenerationszyklus an der Indikator-Brennstoffzelle durchgeführt wird. Da die Ausgabe eines Indikationssignals auf einer erkannten Schädigung des Schädigungsabschnitts der Indikator-Brennstoffzelle basiert, kann eine Regeneration bei einem reversiblen Schädigungseffekt diese Indikator-Brennstoffzelle wieder in ihren Ausgangszustand zurückversetzen. Dies erlaubt es in reversibler Weise, die Indikator-Brennstoffzelle mehrfach zu verwenden und nicht nach einmaliger Schädigungserkennung auszutauschen. Ein solcher Regenerationszyklus kann beispielsweise durch eine veränderte Betriebsweise und/oder durch die Zufuhr von Regenerationsgas in die Indikator-Brennstoffzelle zur Verfügung gestellt werden.
[0031] Vorteile bringt es ebenfalls mit sich, wenn bei einem erfindungsgemäßen Indikationsverfahren ein quantitativer Vergleich mit dem Schädigungsgrenzwert erfolgt, wobei im Falle eines Überschreitens der quantitative Grad des UÜberschreitens als Teil des Indikationssignals ausgegeben wird. Während grundsätzlich ein rein qualitatives Indikationssignal, also eine Information über ein Überschreiten des Schädigungsgrenzwertes für ein erfindungsgemäßes Indikationsverfahren ausreicht, kann die quantitative Weise der Überschreitung einen zusätzlichen Rückschluss auf den Grad des aktuellen Schädigungseffektes erlauben. Somit ist auch ein quantitativer Kontrolleingriff auf Basis dieser quantitativen Schädigungsinformation möglich.
[0032] Ebenfalls von Vorteil kann es sein, wenn bei einem erfindungsgemäßen Indikationsverfahren wenigstens zwei unterschiedliche Schädigungsgrenzwerte verwendet werden. Dabei können für unterschiedliche Indikator-Brennstoffzellen unterschiedliche Schädigungsgrenzwerte angesetzt werden. Jedoch ist auch für einen einzelnen Schädigungseffekt bei einem einzigen Schädigungsabschnitt die Verwendung unterschiedlicher Schädigungsgrenzwerte denkbar. So kann beispielsweise bei einem ersten Schädigungsgrenzwert eine reine Signalausgabe durch das Indikationssignal erfolgen, während bei weiterem Anstieg des Schädigungseffektes ab einer zweiten, höheren Schädigungsgrenze, der bereits erläuterte Kontrolleingriff erfolgen kann.
[0033] 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. Es zeigen schematisch:
[0034] Fig. 1 eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Indikator-Brennstoffzelle,
[0035] Fig. 2 eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Indikator-Brennstoffzelle,
[0036] Fig. 3 eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Indikator-Brennstoffzelle,
[0037] Fig. 4 eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Indikator-Brennstoffzelle,
[0038] Fig. 5 eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems,
[0039] Fig. 6 eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems,
[0040] Fig. 7 eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems,
[0041] Fig. 8 eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems und
[0042] Fig. 9 ein möglicher Verlauf bei einem erfindungsgemäßen Indikationsverfahren.
[0043] In Figur 1 ist schematisch eine erfindungsgemäße Indikator-Brennstoffzelle 10 dargestellt. Diese ist mit einem Indikator-Anodenabschnitt 20 und einem Indikator-Kathodenabschnitt 30 ausgestattet. Der Indikator-Anodenabschnitt 20 weist einen Indikator-Anodeneinlass 22 und einen Indikator-Anodenauslass 24 auf. Der Indikator-Kathodenabschnitt 30 ist mit einem Indikator-Kathodeneinlass 32 und einem Indikator-Kathodenauslass 34 ausgestattet. Somit bildet die Indikator-Brennstoffzelle 10 eine kleine Nachbildung einer normalen Stapel-Brennstoffzelle 112 des Brennstoffzellenstapels 110 aus, welche in den Fig. 5 bis 8 ersichtlich sind. Für den Betrieb als Brennstoffzelle ist die Indikator-Membran 40 vorgesehen, welche den Brennstoffzellenbetrieb ermöglicht. An dieser Indikator-Membran 40 ist auch ein Abgreifen des Spannungsparameters UP und/oder eines Stromparameters IP durch das Ermittlungsmodul 50 möglich. Die IndikatorMembran 40 ist darüber hinaus mit einem Schädigungsabschnitt 42 ausgestattet, welcher hier eine Indikator-Beschichtung 44 aufweist. Für den Fall, dass ein Schädigungseffekt eintritt und beispielsweise durch zu hohe Schwefel-Konzentration in einem der Gase ein Schädigungseffekt in der Indikator-Beschichtung 44 stattfindet, so führt dies zu einer signifikanten Veränderung des Spannungsparameters UP und/oder des Stromparameters IP. Diese signifikante Anderung wird durch die Ermittlung mit Hilfe des Ermittlungsmoduls 50 und anschließendem Vergleich mit einem Schädigungsgrenzwert SG im Vergleichsmodul 60 erkannt. Sobald ein Schädigungseffekt erkannt worden ist, wird, entsprechend dieser erkannten Schädigungssituation, das Indikationssignal IS ausgegeben.
[0044] In der Figur 2 ist eine Indikator-Brennstoffzelle 10 dargestellt, welche auf der Bauweise der Ausführungsform der Figur 1 basiert. Jedoch ist hier zusätzlich auch auf der Seite des Indikator-Anodenabschnitts 20 ein Schädigungsabschnitt 42 in Form einer Indikator-Beschichtung 44 vorgesehen. Auch ist hier direkt in die Indikator-Brennstoffzelle 10 eine Indikator-Heizvorrichtung 70 integriert, um beispielsweise im Startbetrieb eines Brennstoffzellensystems eine ausreichende Betriebstemperatur für die Indikator-Brennstoffzelle 10 zu gewährleisten.
[0045] Auch die Indikator-Brennstoffzelle der Figur 3 basiert auf den Ausführungsformen der Figur 1 und 2, wobei hier nur innerhalb des Indikator-Anodenabschnitts 20 der Schädigungsabschnitt 42 angeordnet ist. Jedoch ist hier zusätzlich ein Indikator-Quelleneinlass 80 vorgesehen, über welchen beispielsweise Regenerationsgas zur Regeneration eines geschädigten Schädigungsabschnittes 42 eingebracht werden kann.
[0046] Die Figur 4 zeigt eine Möglichkeit, wie eine Indikator-Brennstoffzelle 10 in einen Anodenzuführabschnitt 122, einen Anodenabführabschnitt 124, einen Kathodenzuführabschnitt 132 und/ oder einen Kathodenabführabschnitt 134 integriert werden kann. Hier kann beispielsweise rechts die Umgebungsluft als Zufuhr für den Indikator-Kathodenabschnitt 30 dienen, während der Indikator-Anodenabschnitt 20 direkt vom Anodenzuführgas und/oder Anodenabführgas durchströmt werden kann. Diese seitliche Integration der Indikator-Brennstoffzelle 10 erlaubt auch eine nachträgliche Integration in das Brennstoffzellensystem 100. Auch hier ist wieder ein Abgriff des Spannungsparameters UP und/oder des Stromparameters IP, durch das Ermittlungsmodul 50 möglich, sodass anschließend mit Hilfe des Vergleichsmoduls 60 ein Indikationssignal IS ausgegeben werden kann. Auch in der Figur 4 ist die Indikator-Brennstoffzelle 10 darüber hinaus mit einer Indikator-Heizvorrichtung 70 ausgestattet.
[0047] Die Figur 5 zeigt ein Brennstoffzellensystem 100, welches mit einem Brennstoffzellenstapel 110 ausgestattet ist. Dieser Brennstoffzellenstapel 110 besteht aus einer Vielzahl von (hier beispielshaft dargestellten zwei) Stapel-Brennstoffzellen 112, welche jeweils eine Aufteilung in den Anodenabschnitt 120 und den Kathodenabschnitt 130 aufweisen. Wie bei einem Brennstoffzellensystem 100 üblich, ist im Anodenzuführabschnitt 122 beispielsweise ein nicht näher bezeichneter Reformer für das Anodenzuführgas vorgesehen. Die Abgase im Anodenabführabschnitt 124 und im Kathodenabführabschnitt 134 können über einen Oxidationskatalysator nachbehandelt werden, um anschließend noch über einen Wärmetauscher, in dem bereits erläuterten
Reformer, das Anodenzuführgas aufzuheizen.
[0048] Der Kerngedanke in einem solchen Brennstoffzellensystem 100 ist nun die Integration der Indikator-Brennstoffzelle 10 in Figur 5 in den Anodenzuführabschnitt 122 und damit separat vom Brennstoffzellenstapel 110. Uber eine entsprechende Bypassleitung ist diese Indikator-Brennstoffzelle 10 auch mit dem Kathodenzuführabschnitt 132 verbunden und bildet auf diese Weise für die spezifische und vorrangige Schädigung die Stapel-Brennstoffzellen 112 für die erfindungsgemäße Funktionalität nach.
[0049] Die Figur 6 basiert auf der Ausführungsform der Figur 5, wobei jedoch hier die IndikatorBrennstoffzelle 10 in den Anodenabführabschnitt 124 integriert ist. Auch hier besteht über einen Bypass eine Brennstoffzellenbetriebsmöglichkeit mit dem Kathodenzuführabschnitt 132.
[0050] In der Figur 7 ist die Indikator-Brennstoffzelle 10 in den Kathodenzuführabschnitt 132 mit einer entsprechenden Bypassanbindung an den Anodenzuführabschnitt 122 ausgebildet.
[0051] Die Figur 8 zeigt eine Variante, bei welcher die Indikator-Brennstoffzelle 10 in den Kathodenabführabschnitt 134 mit Bypass zum Anodenzuführabschnitt 122 kombiniert ist. Selbstverständlich können auch zwei oder mehr Indikator-Brennstoffzellen 10 an unterschiedlichen Orten zu einer Kombination der Ausführungsformen der Figuren 5, 6, 7 und 8 führen.
[0052] Figur 9 zeigt schematisch, wie bei der Durchführung eines erfindungsgemäßen Indikationsverfahrens der Stromparameter IP und/oder der Spannungsparameter UP überwacht werden. Diese steigen hier über den zeitlichen Verlauf an und erzeugen beim Überschreiten des Schädigungsgrenzwerts SG eine Ausgabe eines Indikationssignals IS. Dieses Indikationssignal IS kann nun für eine informative Ausgabe und/oder für einen Kontrolleingriff in die Betriebsweise des Brennstoffzellensystems 100 verwendet werden.
[0053] Die voranstehende Erläuterung der Ausführungsformen beschreibt die vorliegende Erfindung ausschließlich im Rahmen von Beispielen.
BEZUGSZEICHENLISTE
10 Indikator-Brennstoffzelle 20 Indikator-Anodenabschnitt 22 Indikator-Anodeneinlass 24 Indikator-Anodenauslass 30 Indikator-Kathodenabschnitt 32 Indikator-Kathodeneinlass 34 Indikator-Kathodenauslass 40 Indikator-Membran
42 Schädigungsabschnitt
44 Indikator-Beschichtung
50 Ermittlungsmodul
60 Vergleichsmodul
70 Indikator-Heizvorrichtung
80 Indikator-Quelleneinlass
100 Brennstoffzellensystem 110 Brennstoffzellenstapel 112 Stapel-Brennstoffzelle 120 Anodenabschnitt
122 Anodenzuführabschnitt 124 Anodenabführabschnitt 130 Kathodenabschnitt
132 Kathodenzuführabschnitt 134 Kathodenabführabschnitt
UP Spannungsparameter IP Stromparameter SG Schädigungsgrenzwert
IS Indikationssignal
Claims (15)
1. Indikator-Brennstoffzelle (10) für eine Indikation wenigstens eines Schädigungseffekts auf einen separaten Brennstoffzellenstapel (110) eines Brennstoffzellensystems (100), aufweisend einen Indikator-Anodenabschnitt (20) mit einem Indikator-Anodeneinlass (22) und einem Indikator-Anodenauslass (24) sowie einen Indikator-Kathodenabschnitt (30) mit einem Indikator-Kathodeneinlass (32) und einem Indikator-Kathodenauslass (34), wobei der Indikator-Anodenabschnitt (20) und der Indikator-Kathodenabschnitt (30) durch eine IndikatorMembran (40) für einen Brennstoffzellenbetrieb voneinander getrennt sind und die IndikatorMembran (40) wenigstens einen Schädigungsabschnitt (42) aufweist für eine gezielte und vorrangige Schädigung in Folge wenigstens eines Schädigungseffekts des Brennstoffzellenstapels (110), wobei ein Ermittlungsmodul (50) für eine Ermittlung eines Spannungsparameters (UP) und/oder eines Stromparameters (IP) der Indikator-Membran (40) im Brennstoffzellenbetrieb und ein Vergleichsmodul (60) für einen Vergleich des ermittelten Spannungsparameters (UP) und/oder Stromparameters (IP) mit einem Schädigungsgrenzwert (SG) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Schädigungsabschnitt (42) der IndikatorMembran (40) eine Indikator-Beschichtung (44) aufweist.
2. Indikator-Brennstoffzelle (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Ermittlungsmodul (50) und/oder das Vergleichsmodul (60) für eine CVM Auswertung, insbesondere in Form einer THDA Analyse ausgebildet sind.
3. Indikator-Brennstoffzelle (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Indikator-Beschichtung (44) aufgebracht ist durch wenigstens eines der folgenden Beschichtungsverfahren:
- Infiltration der Indikator-Membran (40) - Sputterbeschichtung der Indikator-Membran (40)
4. Indikator-Brennstoffzelle (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schädigungsabschnitt (42) spezifisch für genau einen Schädigungseffekt ausgebildet ist.
5. Indikator-Brennstoffzelle (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Indikator-Brennstoffzelle (10) eine Indikator-Heizvorrichtung (70) aufweist für ein aktives Temperieren, insbesondere der Indikator-Membran (40).
6. Indikator-Brennstoffzelle (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Indikator-Membran (40) bis auf den Schädigungsabschnitt (42) identisch oder im Wesentlichen identisch mit den Stapel-Brennstoffzellen (112) des Brennstoffzellenstapels (110) ausgebildet ist.
7. Indikator-Brennstoffzelle (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Indikator-Anodenabschnitt (20) und/oder der Indikator-Kathodenabschnitt (30) einen Indikator-Quelleneinlass (80) aufweist für ein Einbringen eines spezifischen Indikatorgases.
8. Brennstoffzellensystem (100) für einen Brennstoffzellenbetrieb, aufweisend einen Brennstoffzellenstapel (110) mit einem Anodenabschnitt (120) mit einem Anodenzuführabschnitt (122) und einem Anodenabführabschnitt (124) sowie einem Kathodenabschnitt (130) mit einem Kathodenzuführabschnitt (132) und einem Kathodenabführabschnitt (134), wobei der Brennstoffzellenstapel (110) eine Vielzahl von Stapel-Brennstoffzellen (112) aufweist und im Anodenzuführabschnitt (122), im Anodenabführabschnitt (124), im Kathodenzuführabschnitt (132) und/oder im Kathodenabführabschnitt (134) zumindest eine Indikator-Brennstoffzelle (10) mit den Merkmalen eines der Ansprüche 1 bis 7, angeordnet ist.
9. Brennstoffzellensystem (100) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Anodenabführabschnitt (124) wenigstens einen Rezirkulationsabschnitt aufweist in fluidkommunizierender Verbindung mit dem Anodenzuführabschnitt (122) für eine Rezirkulation von Anodenabgas.
10. Brennstoffzellensystem (100) nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Indikator-Brennstoffzelle (10) einen Schädigungsabschnitt (42) aufweist, welcher spezifisch für einen Schädigungseffekt durch eine diese Indikator-Brennstoffzelle (10) durchströmende Gaskomponente ausgebildet ist.
11. Brennstoffzellensystem (100) nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zwei Indikator-Brennstoffzellen (10) in unterschiedlichen Strömungspfaden und/oder mit unterschiedlichen Schädigungsabschnitten (42) vorgesehen sind.
12. Indikationsverfahren für eine Indikation wenigstens eines Schädigungseffekts auf einen Brennstoffzellenstapel (110) eines Brennstoffzellensystems (100) mit den Merkmalen eines der Ansprüche 8 bis 11, aufweisend die folgenden Schritte:
- Ermitteln eines Spannungsparameters (UP) und/oder eines Stromparameters (IP) im Brennstoffzellenbetrieb der zumindest einen Indikator-Brennstoffzelle (10), wobei die Indikator-Brennstoffzelle (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7 ausgebildet ist,
- Vergleichen des ermittelten Spannungsparameters (UP) und/oder Stromparameters (IP) mit einem Schädigungsgrenzwert (SG), _
- Ausgabe eines Indikationssignals (IS) bei Überschreiten des Schädigungsgrenzwertes (SG).
13. Indikationsverfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass nach Ausgabe eines Indikationssignals (IS) ein Regenerationszyklus an der Indikator-Brennstoffzelle (10) durchgeführt wird.
14. Indikationsverfahren nach einem der Ansprüche 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass ein quantitativer Vergleich mit dem Schädigungsgrenzwert (SG) erfolgt, wobei im Falle eines Überschreitens der quantitative Grad des Überschreitens als Teil des Indikationssignals (IS) ausgegeben wird.
15. Indikationsverfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei unterschiedliche Schädigungsgrenzwerte (SG) verwendet werden.
Hierzu 9 Blatt Zeichnungen
Priority Applications (2)
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| ATA50232/2021A AT524901B1 (de) | 2021-03-31 | 2021-03-31 | Indikator-Brennstoffzelle für eine Indikation wenigstens eines Schädigungseffekts auf einen separaten Brennstoffzellenstapel eines Brennstoffzellensystems |
| ATA8015/2022A AT525384B1 (de) | 2021-03-31 | 2021-11-15 | Flachschlüssel, Schlüsselrohling, Verfahren zu dessen Herstellung sowie Schließzylinder |
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Citations (3)
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| EP1383192A2 (de) * | 2002-07-05 | 2004-01-21 | Agilent Technologies, Inc. | Chemischer Nachweis in Brennstoffzellen-Systemen |
| WO2007078291A1 (en) * | 2005-12-30 | 2007-07-12 | Utc Power Corporation | Hydrogen sensor cell for detecting contaminants |
| AT522869A1 (de) * | 2019-11-26 | 2021-02-15 | Avl List Gmbh | Brennstoffzellenstapel, Indikator-Brennstoffzelle, Brennstoffzellensystem und |
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- 2021-03-31 AT ATA50232/2021A patent/AT524901B1/de active
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