DE10013659A1

DE10013659A1 - Verfahren zum Behandeln von einer Brennstoffzelle, insbesondere eines Fahrzeugs, zuzuführenden Betriebsstoffen und entsprechende Brennstoffzellenvorrichtung

Info

Publication number: DE10013659A1
Application number: DE10013659A
Authority: DE
Inventors: Olaf Duebel
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2000-03-20
Filing date: 2000-03-20
Publication date: 2001-12-20

Abstract

Das Verfahren dient zum Behandeln von einer Brennstoffzelle (10), insbesondere eines Fahrzeugs, zuzuführenden Betriebsstoffen, mit folgenden Verfahrensschritten: DOLLAR A - Zuführen eines ersten Betriebsstoffs in eine Anodeneinheit (11) der Brennstoffzelle (10); DOLLAR A - Zuführen eines zweiten Betriebsstoffs in eine Kathodeneinheit (12) der Brennstoffzelle (10). DOLLAR A Hierbei ist vorgesehen, dass CO-Anteile im ersten Betriebsstoff zu CO¶2¶ oxidiert werden. Mittels einer Oxidationsstoffzuführleitung (14) erfolgt vorzugsweise eine stöchiometrische Zugabe von Luft in den ersten Betriebsstoff unmittelbar vor dessen Eintritt in die Anodeneinheit (11).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Behandeln von einer Brennstoffzelle, insbeson dere eines Fahrzeugs, zuzuführenden Betriebsstoffen, mit folgenden Verfahrensschritten:

- Zuführen eines ersten Betriebsstoffs in eine Anodeneinheit der Brennstoffzelle;
- Zuführen eines zweiten Betriebsstoffs in eine Kathodeneinheit der Brennstoffzelle,

gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ferner bezieht sich die Erfindung auf eine Brennstoffzellenvorrichtung, insbesondere ei nes Fahrzeugs, mit einer Brennstoffzelle, die anodenseitig mit einer ersten Betriebsstoff zuführleitung zur Beaufschlagung eines ersten Betriebsstoffs wirkverbunden ist, entspre chend Oberbegriff des Anspruchs 7.

Verfahren und Brennstoffzellenvorrichtungen der eingangs genannten Art sind bekannt. Beim Betreiben derartiger Brennstoffzellen-Systeme ergeben sich nachteilhafte Startzei ten, das heißt beim Starten auftretende Startperioden, während derer ein wirkungsgrad günstiges und leistungsoptimiertes Betreiben des entsprechenden Brennstoffzellen- Systems nicht möglich ist. Diese Startzeit wird im Wesentlichen durch das Betriebsver halten eines der Brennstoffzelle vorgeschalteten Reformers und durch die eingeschränkte CO-Toleranz der Brennstoffzelle beeinflusst. Der Reformer erzeugt bei Inbetriebnahme des Brennstoffzellen-Systems aus einem "kalten Betriebszustand" ein wasserstoffreiches Gas mit einer verhältnismäßig großen CO-Konzentration beispielsweise von 1 bis 3%. Da die im wasserstoffreichen Gas enthaltenen CO-Anteile die Betriebsleistung der Brennstoffzelle aufgrund einer nachteilhaften Belegung des Katalysators derselben für einen verhältnismäßig langen Zeitraum verringert, ist eine Zuführung eines derartig ausgebildeten Gasstroms (CO-haltiges, wasserstoffreiches Gas) in die Brennstoffzelle mög lichst zu vermeiden.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genann ten Art zu schaffen, mittels welchen in zuverlässiger und effektiver Weise eine Reduzie rung der Startzeit, insbesondere bei einem Kaltstart, einer Brennstoffzellenvorrichtung möglich ist.

Zur Lösung der Aufgabe wird ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorge schlagen, das sich dadurch auszeichnet, dass CO-Anteile im ersten Betriebsstoff zu CO₂ oxidiert werden. Aufgrund einer Oxidierung von CO-Anteilen zu CO₂-Anteilen im ersten Betriebsstoff ist es vorteilhafterweise möglich, die Startzeit während eines Betreibens eines Brennstoffzellen-Systems effektiv und zuverlässig zu reduzieren, da in dieser Wei se eine Zufuhr von CO in die Brennstoffzelle vermieden beziehungsweise der Zeitraum, während dessen sich CO in der Brennstoffzelle befindet, auf ein Minimum reduziert wer den kann. Durch die Reduzierung der Startzeit mittels einer Oxidation von CO-Anteilen im ersten Betriebsstoff wird nach einer minimalen Übergangszeit eine wirkungsgradgünstige und leistungsoptimierte Betreibung eines Brennstoffzellen-Systems ermöglicht. Dieser vorteilhafte Effekt ist insbesondere bei einem Kaltstart eines Brennstoffzellen-Systems von Bedeutung.

Mit Vorteil ist der erste Betriebsstoff ein wasserstoffreiches Gas und der zweite Betriebs stoff Luft. Da ein einer Brennstoffzelle vorgeschalteter Reformer ein wasserstoffreiches Gas mit einer bei einem Kaltstart des Reformer-Brennstoffzellen-Systems verhältnis mäßig großen CO-Konzentration (beispielsweise 1 bis 3%) erzeugt, erlaubt eine Oxida tion von CO-Anteilen im ersten Betriebsstoff zu CO₂ eine betriebsgünstige Reduzierung der Startzeit bei Inbetriebnahme des Reformer-Brennstoffzellen-Systems.

Vorzugsweise werden die CO-Anteile mittels Zugabe von Luft zu CO₂ oxidiert. Durch die Zugabe von Luft wird in verhältnismäßig einfacher und zuverlässiger Weise eine Oxidati on der CO-Anteile im ersten Betriebsstoff zu CO₂ gewährleistet.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsvariante erfolgt die Zugabe von Luft in den ersten Betriebsstoff unmittelbar vor dessen Eintritt in die Anodeneinheit. Da bei einer Oxidation von CO zu CO₂ Wärmeenergie freigesetzt wird, ist es von besonderem Vorteil, unmittelbar vor Eintritt des ersten Betriebsstoffs in die Anodeneinheit Luft zur Oxidation von CO in CO₂ in den ersten Betriebsstoff zuzugeben, da in dieser Weise die entstehende Wär meenergie beim Oxidationsvorgang zur Aufheizung der Brennstoffzelle genutzt werden kann. Gleichzeitig wird der Wasserstoff des ersten Betriebsstoffs (wasserstoffreiches Gas) zur Erzeugung eines elektrischen Stroms in der Brennstoffzelle verwendet. Es fin den somit zwei gleichzeitig stattfindende parallele Prozesse, nämlich eine CO-Oxidation unter Freisetzung von Wärmeenergie und eine elektrochemische Umwandlung von Was serstoff unter Erzeugung eines elektrischen Stroms, statt. Aufgrund einer derartigen, deutlich erhöhten Freisetzung von Wärmeenergie wird das Brennstoffzellen-System sehr viel schneller aufgeheizt, so dass ein wirkungsgradgünstiges Betriebsverhalten der Brennstoffzelle beziehungsweise des Brennstoffzellen-Systems, insbesondere bei einem Kaltstart, schnell erreicht wird.

Mit Vorteil erfolgt eine stöchiometrische Zugabe von Luft in den ersten Betriebsstoff. Mit tels einer stöchiometrischen Zugabe von Luft in den ersten Betriebsstoff, der CO-Anteile enthält, ist eine zuverlässige Oxidation aller CO-Anteile in CO₂ möglich.

Vorteilhafterweise wird ein CO-Gehalt im ersten Betriebsstoff vor der Zugabe von Luft gemessen. Eine Messung des jeweils vorliegenden CO-Gehalts erlaubt eine zuverlässige stöchiometrische Zugabe von Luft in den ersten Betriebsstoff und somit eine effektive Oxidation von allen in diesem enthaltenen CO-Anteilen.

Zur Lösung der Aufgabe wird auch eine Brennstoffzellenvorrichtung, insbesondere eines Fahrzeugs, vorgeschlagen, die die Merkmale des Anspruchs 7 aufweist. Die erfindungs gemäße Brennstoffzellenvorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die erste Be triebsstoffzuführleitung mit einer Oxidationsstoffzuführleitung wirkverbunden ist. Eine der art ausgebildete Brennstoffzellenvorrichtung ermöglicht die Erzielung der bereits in Bezug auf das Verfahren erwähnten Vorteile.

Mit Vorteil ist die erste Betriebsstoffzuführleitung unmittelbar vor der Anodeneinheit der Brennstoffzelle mit der Oxidationsstoffzuführleitung wirkverbunden. Hierdurch wird er möglicht, die bei der Oxidation von CO in CO₂ freiwerdende Wärmeenergie zum Aufhei zen der Brennstoffzelle zu nutzen.

Vorzugsweise weist die erste Betriebsstoffzuführleitung ein Messmittel zur Ermittlung eines CO-Gehalts im ersten Betriebsstoff auf. Das Messmittel ermöglicht eine zuverläs sige und kontinuierliche Ermittlung des jeweils vorliegenden CO-Gehalts im ersten Be triebsstoff, wobei die Messdaten zu einer zuverlässigen, vorzugsweise stöchiometrischen Zugabe von Luft in den ersten Betriebsstoff zur Oxidation von CO in CO₂ genutzt werden können.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist die Oxidationsstoffzuführleitung ein mittels einer Steuereinheit einstellbares Ventil auf und ist das Messmittel mit der Steuer einheit wirkverbunden. Hierdurch ist eine schnelle, zuverlässige und betriebsangepasste Oxidation von CO in CO₂ in einem Brennstoffzellen-System möglich.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung.

Die Erfindung wird nachfolgend in einem Ausführungsbeispiel anhand einer zugehörigen Zeichnung näher erläutert. In einer einzigen Figur ist eine erfindungsgemäße Brennstoff zellenvorrichtung anhand eines Blockschaltbildes dargestellt.

Die Figur zeigt in schematischer Darstellung eine Brennstoffzellenvorrichtung mit einer Brennstoffzelle 10, die eine Anodeneinheit 11 und eine Kathodeneinheit 12 aufweist. Die Anodeneinheit 11 ist mit einem Reformer 21 mittels einer als Pfeil 13 dargestellten ersten Betriebsstoffzuführleitung eingangsseitig wirkverbunden. Eine als Pfeil 18 dargestellte zweite Betriebsstoffzuführleitung führt eingangsseitig in die Kathodeneinheit 12. Aus gangsseitig ist die Anodeneinheit 11 mit einer als Pfeil 19 dargestellten ersten Abgaslei tung und die Kathodeneinheit 12 mit einer als Pfeil 20 dargestellten zweiten Abgasleitung wirkverbunden. Der Reformer 21 ist eingangsseitig mit einer als Pfeil 22 dargestellten Wasser-Zuführleitung, einer als Pfeil 23 dargestellten Kraftstoff-Zuführleitung und einer als Pfeil 24 dargestellten Luft-Zuführleitung wirkverbunden. Dabei kann der Kraftstoff in Form eines Kohlenwasserstoffs, wie zum Beispiel Methanol, oder in Form eines Ge mischs verschiedener Kohlenwasserstoffe, wie zum Beispiel Benzin oder Diesel, ausge bildet sein. Der Reformer 21 dient zur Erzeugung eines wasserstoffreichen Gases, das mittels der als Pfeil 13 dargestellten ersten Betriebsstoffzuführleitung in die Anodenein heit 11 der Brennstoffzelle 10 zugeführt wird. Die zweite, als Pfeil 18 dargestellte Be triebsstoffzuführleitung dient zur Beaufschlagung der Kathodeneinheit 12 mit Luft. Die als Pfeil 19 dargestellte erste Abgasleitung dient zur Weiterleitung eines anodenseitigen Ab gases, welches Reste aus H₂, N₂, CO₂ enthält, während die als Pfeil 20 dargestellte zweite Abgasleitung zur Weiterleitung eines kathodenseitigen Abgases dient, welches Luft und Wasser enthält. Die erste Betriebsstoffzuführleitung ist mit einer als Pfeil 14 dar gestellten Oxidationsstoffzuführleitung wirkverbunden. Die Oxidationsstoffzuführleitung (Pfeil 14) weist ein Ventil 17 auf, welches mittels einer als Doppelpfeil 25 dargestellten Steuerleitung mit einer Steuereinheit 16 wirkverbunden ist. Die Steuereinheit 16 ist zu sätzlich mittels eines als Pfeil 15 dargestellten Messmittels operativ mit der ersten Be triebsstoffzuführleitung (Pfeil 13) wirkverbunden.

Das Messmittel (Pfeil 15) dient zur Ermittlung des jeweils vorliegenden CO-Gehalts im ersten Betriebsstoff, welcher in Form eines wasserstoffreichen Gases vom Reformer 21 mittels der ersten Betriebsstoffzuführleitung (Pfeil 13) in die Anodeneinheit 11 der Brenn stoffzelle 10 zugeführt wird. Die Messung des jeweils vorliegenden CO-Gehalts im ersten Betriebsstoff erfolgt stromaufwärts in Bezug auf die Wirkverbindung zwischen der ersten Betriebsstoffzuführleitung (Pfeil 13) und der Oxidationsstoffzuführleitung (Pfeil 14). Die Oxidationsstoffzuführleitung (Pfeil 14) dient zur vorzugsweise stöchiometrischen Zugabe von Luft in den ersten Betriebsstoff und somit zur Herbeiführung einer erwünschten Oxi dation von CO-Anteilen im ersten Betriebsstoff zu CO₂. Der CO-Gehalt im ersten Be triebsstoff wird somit vor der Zugabe von Luft gemessen, wobei die Zugabe von Luft in den ersten Betriebsstoff vorzugsweise unmittelbar vor dessen Eintritt in die Anodenein heit 11 erfolgt. Dabei ist die Steuereinheit 16 geeignet, die jeweils durch das Messmittel (Pfeil 15) ermittelten Messdaten zu verarbeiten und ein entsprechendes Steuersignal mittels der als Doppelpfeil 15 dargestellten Steuerleitung an das Ventil 17 zu übermitteln, um eine von der jeweils gemessenen CO-Konzentration im ersten Betriebsstoff abhängi ge Oxidationsstoff-Beaufschlagung desselben Betriebsstoffs mittels entsprechender Ver stellung des Ventils 17 einzuleiten.

Der weitere konstruktive Aufbau und die Funktionsweise, insbesondere des Reformers 21 und der Brennstoffzelle 10, sind an sich bekannt und werden deshalb nicht im Detail dar gestellt beziehungsweise beschrieben.

Aufgrund der vorzugsweise stöchiometrischen Luftbeaufschlagung des CO-haltigen, wasserstoffreichen Gases ist es in vorteilhafter Weise möglich, insbesondere beim Start vorgang der Brennstoffzellenvorrichtung CO innerhalb der Brennstoffzelle 10 bezie hungsweise der Anodeneinheit 11 zu CO₂ zu oxidieren. Dabei kann die aufgrund der Oxidation freiwerdende Wärmeenergie zur Aufheizung der Brennstoffzelle 10 genutzt werden, was eine erhebliche Reduzierung der Startzeit des Reformer-Brennstoffzellen- Systems ermöglicht. Dabei erfolgt in der Brennstoffzelle 10 gleichzeitig ein in Bezug auf die CO-Oxidation paralleler Prozess einer elektrochemischen Umwandlung von Wasser stoff des ersten Betriebsstoffs (wasserstoffreiches Gas) zur Erzeugung eines elektrischen Stroms. Vorteilhafterweise ist es möglich, einen Produktstrom des Reformers 21 prak tisch bei Beginn der Inbetriebsetzung der Brennstoffzellenvorrichtung als Eduktstrom für die Brennstoffzelle 10 zu nutzen.

Claims

1. Verfahren zum Behandeln von einer Brennstoffzelle, insbesondere eines Fahr zeugs, zuzuführenden Betriebsstoffen, mit folgenden Verfahrensschritten:
Zuführen eines ersten Betriebsstoffs in eine Anodeneinheit der Brennstoffzelle;
Zuführen eines zweiten Betriebsstoffs in eine Kathodeneinheit der Brennstoffzel le,
dadurch gekennzeichnet, dass CO-Anteile im ersten Betriebsstoff zu CO₂ oxidiert werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Betriebs stoff ein wasserstoffreiches Gas und der zweite Betriebsstoff Luft ist.

3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die CO-Anteile im ersten Betriebsstoff mittels Zugabe eines Sauerstoff haltigen Betriebsstoffes, vorzugsweise Luft zu CO₂ oxidiert werden.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zugabe von Luft in den ersten Betriebsstoff unmittelbar vor dessen Eintritt in die Anodeneinheit (11) erfolgt.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine stöchiometrische Zugabe von Luft in den ersten Betriebsstoff erfolgt.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein CO-Gehalt im ersten Betriebsstoff vor der Zugabe von Luft gemessen wird.

7. Brennstoffzellenvorrichtung, insbesondere eines Fahrzeugs, mit einer Brennstoff zelle, die anodenseitig mit einer ersten Betriebsstoffzuführleitung zur Beaufschla gung eines ersten Betriebsstoffs wirkverbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Betriebsstoffzuführleitung (13) mit einer Oxidationsstoffzuführleitung (14) wirkverbunden ist.

8. Brennstoffzellenvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Betriebsstoffzuführleitung (13) unmittelbar vor der Anodeneinheit (11) der Brennstoffzelle (10) mit der Oxidationsstoffzuführleitung (14) wirkverbunden ist.

9. Brennstoffzellenvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Betriebsstoffzuführleitung (13) ein Messmittel (15) zur Ermittlung eines CO-Gehalts im ersten Betriebsstoff aufweist.

10. Brennstoffzellenvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Oxidationsstoffzuführleitung (14) ein mittels einer Steu ereinheit (16) einstellbares Ventil (17) aufweist und das Messmittel (15) mit der Steuereinheit (16) wirkverbunden ist.