DE102004015563B4

DE102004015563B4 - Verfahren zum Vorheizen von Brennstoffzellenstapeln

Info

Publication number: DE102004015563B4
Application number: DE102004015563A
Authority: DE
Inventors: Volker Drünert
Original assignee: Motors Liquidation Co
Current assignee: General Motors LLC
Priority date: 2003-04-03
Filing date: 2004-03-30
Publication date: 2007-11-08
Anticipated expiration: 2024-03-31
Also published as: DE102004015563A1; US20040197610A1; US7781117B2

Abstract

Verfahren zum Betrieb einer Brennstoffzelle, umfassend, dass:
eine erste wasserstoffhaltige Zufuhr an eine Anodenseite und eine zweite wasserstoffhaltige Zufuhr an eine Kathodenseite der Brennstoffzelle geliefert wird, wobei die erste wasserstoffhaltige Zufuhr ein erster Brennstoff und die zweite wasserstoffhaltige Zufuhr ein zweiter Brennstoff ist, der von dem ersten Brennstoff verschieden ist;
ein erstes Oxidationsmittel an die Anodenseite und ein zweites Oxidationsmittel an die Kathodenseite geliefert wird, die exotherm mit der ersten und der zweiten wasserstoffhaltigen Zufuhr reagieren; und
die Lieferung der zweiten wasserstoffhaltigen Zufuhr an die Kathodenseite und des ersten Oxidationsmittels an die Anodenseite beendet wird, wenn die Brennstoffzelle eine Schwellentemperatur erreicht.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Aufwärmen eines Brennstoffzellenstapels auf eine Schwellentemperatur.
Brennstoffzellensysteme werden zunehmend in einer breiten Vielzahl von Anwendungen als Energiequelle verwendet. Brennstoffzellenantriebssysteme sind auch zur Verwendung in Fahrzeugen als Ersatz für Verbrennungsmotoren vorgeschlagen worden. Die Brennstoffzellen erzeugen Elektrizität, die dazu verwendet wird, Batterien zu laden und/oder einen Elektromotor anzutreiben. Eine Brennstoffzelle mit Festpolymerelektrolyt umfasst eine Membran, die schichtartig zwischen einer Anode und einer Kathode angeordnet ist. Um Elektrizität durch eine elektrochemische Reaktion erzeugen zu können, wird Brennstoff, üblicherweise Wasserstoff (H₂), jedoch auch entweder Methan (CH₄) oder Methanol (CH₃OH), an die Anode geliefert, und ein Oxidationsmittel, wie beispielsweise Luft (O₂) wird an die Kathode geliefert. Die Quelle für Sauerstoff ist üblicherweise Luft.
Bei einer ersten Halbzellenreaktion erzeugt die Dissoziation des Wasserstoffs (H₂) an der Anode Wasserstoffprotonen (H⁺) und Elektronen (e^–). Die Membran ist protonenleitend und dielektrisch. Als Folge dessen werden die Protonen durch die Membran transportiert. Die Elektronen fließen durch eine elektrische Last (wie beispielsweise die Batterien oder den Elektromotor), die über die Membran geschaltet ist. Bei einer zweiten Halbzellenreaktion reagiert Sauerstoff (O₂) an der Kathode mit Protonen (H⁺), und Elektronen (e^–) werden aufgenommen, um Wasser (H₂O) zu bilden.
Für einen optimalen Betrieb, der durch einen Hochleistungsausgang und eine schnelle Leistungslieferung definiert ist, benötigen die Brennstoffzellen eine gewisse Betriebstemperatur. Die durch die elektrochemische Reaktion erzeugte Wärme erhöht die Betriebstemperatur der Brennstoffzelle. Überschüssige Wärme wird durch ein Kühlsystem abgeleitet.
Bei Frosttemperaturen (beispielsweise unter 0°C) ist ein schnelles Starten der Brennstoffzelle aufgrund des gefrorenen Wassers in der Brennstoffzelle und der Tatsache, dass die elektrochemische Reaktionsrate in der Brennstoffzelle erheblich vermindert ist, jedoch wesentlich schwieriger. Dies begrenzt einen Stromfluss und eine weitere Aufheizung der Brennstoffzelle auf die optimale Betriebstemperatur.
EP 1 113 516 A1 beschreibt ein Verfahren zum Heizen einer kalten Membran-Elektroden-Einheit bei einem Kaltstart einer PEM-Brennstoffzelle. Hierzu wird einer O₂-reichen Zufuhr an die Kathode H₂ und einer H₂-reichen Zufuhr an die Anode O₂ beigemengt, um eine exotherme Reaktion von H₂ und O₂ an der Anode und der Kathode zu erzielen.
Aufgabe der vorliegende Erfindung ist es, ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems zur Verfügung zu stellen, das eine Brennstoffzelle und eine Steuerung umfasst. Die Steuerung steuert eine Lieferung von Brennstoff an eine Anodenseite und eine Ka thodenseite der Brennstoffzelle. Die Steuerung steuert eine Lieferung von Oxidationsmittel an die Anoden- und Kathodenseite, das exotherm mit dem Brennstoff reagiert, wenn eine Temperatur der Brennstoffzelle unter einer Schwellentemperatur liegt. Wenn die Temperatur größer als die Schwellentemperatur ist, beendet die Steuerung die Lieferung des Brennstoffs und des Oxi dationsmittels an die Anodenseite. Die Steuerung beendet eine Lieferung des Brennstoffes an die Kathodenseite und liefert eine wasserstoffhaltige Zufuhr an die Anodenseite.
Bei einer Ausführungsform liegt die Schwellentemperatur zwischen 0°C und 80°C.
Bei einer weiteren Ausführungsform kann der Brennstoff Methanol oder Methan sein. Die wasserstoffhaltige Zufuhr kann gasförmiger Wasserstoff sein, der durch Reformieren von Kohlenwasserstoff-Brennstoff erzeugt wird, und das Oxidationsmittel kann Sauerstoff sein.
Bei einer noch weiteren Ausführungsform liefert die Steuerung ausreichende Molverhältnisse des Brennstoffes an der Anoden- und Kathodenseite zu dem Oxidationsmittel an der Anoden- und Kathodenseite, um Wärme und elektrische Energie von der Brennstoffzelle zu erzeugen, wenn sich die Brennstoffzelle unterhalb der Schwellentemperatur befindet.
Bei einer anderen Ausführungsform liefert die Steuerung ein ausreichendes Molverhältnis des Brennstoffes an der Anoden- und Kathodenseite zu dem Oxidationsmittel an der Anoden- und Kathodenseite, um Wärmeenergie ohne Erzeugung von elektrischer Energie von der Brennstoffzelle zu erzeugen, wenn sich die Brennstoffzelle unterhalb der Schwellentemperatur befindet.
Weitere Anwendungsgebiete der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung offensichtlicher. Es sei angemerkt, dass die detaillierte Beschreibung und spezifische Beispiele, während sie die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung darstellen, nur zu Veranschaulichungszwecken und nicht dazu bestimmt sind, den Schutzumfang der Erfindung zu beschränken.
Die vorliegende Erfindung wird im Folgenden detaillierter unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, in welchen:
1 ein Funktionsblockschaubild eines beispielhaften Brennstoffzellensystems ist;
2A die elektrochemische Reaktion auf einer stöchiometrischen Basis an der Anoden- und Kathodenseite einer Membranelektrodenanordnung (MEA) mit einer elektrischen Last für ein auf Wasserstoff basierendes Brennstoffzellensystem zeigt;
2B den beschriebenen exothermen Aufwärmprozess ohne elektrische Last für ein auf Wasserstoff basierendes Brennstoffzellensystem zeigt;
3 ein Funktionsblockschaubild eines beispielhaften Brennstoffzellensystems auf Grundlage von zwei Typen unterschiedlicher Brennstoff- und Oxidationsmittellieferungen gemäß der vorliegenden Erfindung ist;
4A die elektrochemische Reaktion auf einer stöchiometrischen Basis an der Anoden- und Kathodenseite einer Membranelektrodenanordnung (MEA) mit einer elektrischen Last für ein auf Methanol basierendes Brennstoffzellensystem zeigt;
4B den beschriebenen exothermen Aufwärmprozess ohne elektrische Last für ein auf Methanol basierendes Brennstoffzellensystem zeigt;
5A die elektrochemische Reaktion auf einer stöchiometrischen Basis an der Anoden- und Kathodenseite einer Membranelektrodenanordnung (MEA) mit einer elektrischen Last für ein auf Methan basierendes Brennstoffzellensystem zeigt; und
5B den beschriebenen exothermen Aufwärmprozess ohne elektrische Last für ein auf Methan basierendes Brennstoffzellensystem zeigt.
Die folgende Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform ist lediglich beispielhafter Natur und nicht dazu bestimmt, die Erfindung, ihre Anwendung oder ihren Gebrauch zu beschränken. Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind in den Zeichnungen zur Bezeichnung gleicher bzw. ähnlicher Elemente dieselben Bezugszeichen verwendet.
In 1 ist ein Brennstoffzellensystem 10 gezeigt, das einen Brennstoffzellenstapel 12 umfasst. Das Brennstoffzellensystem 10 umfasst ein Nebensystem zur Lieferung und Konditionierung von Brennstoff (Brennstoffnebensystem) 13, das den Brennstoff an die Anodenseite des Brennstoffzellenstapels 12 mit einem geeigneten Druck, einer geeigneten Temperatur, einer geeigneten Feuchte wie auch einem geeigneten Massendurchsatz liefert. Um eine geeignete Brennstofflieferung zu ermöglichen, umfasst das Brennstoffnebensystem 13 mechanische und elektrische Steuervorrichtungen (nicht gezeigt), wie beispielsweise Ventile, Sensoren, Zumessvorrichtungen, Kompressoren wie auch Einspritzeinrichtungen. Das Brennstoffnebensystem 13 umfasst eine Brennstoffquelle 14, die Brennstoff liefert, wie auch eine Einheit zur Verarbeitung und Konditionierung von Brennstoff 16. Der Brennstoff wird durch eine Einspritzeinrichtung 18 selektiv an die Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels 12 geliefert. Beispielhafte Brennstoffe umfassen Wasserstoff, Methan, Methanol, Benzin oder andere Kohlenwasserstoff-Brennstoffe. Ein Brennstoffprozessor 16 spaltet katalytisch den Kohlenwasserstoff-Brennstoff in ein wasserstoffreiches Reformat oder eine wasserstoffhaltige Zufuhr auf, die H₂, CO₂, H₂O und CO umfasst. Jedoch ist in dem Fall, wenn der Brennstoff reiner Wasserstoff ist, ein derartiger Prozessor nicht erforderlich, und die wasserstoffhaltige Zufuhr umfasst H₂.
Oxidationsmittel wird an den Brennstoffzellenstapel 12 zur katalytischen Reaktion mit der wasserstoffhaltigen Zufuhr geliefert. Zu diesem Zweck umfasst das Brennstoffzelensystem 10 ein Nebensystem zur Lieferung und Konditionierung von Oxidationsmittel (Oxidationsmittelnebensystem) 20, das das Oxidationsmittel an die Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels 12 mit einem geeigneten Druck, einer geeigneten Temperatur, einer geeigneten Feuchte wie auch einem geeigneten Massendurchsatz liefert. Um eine geeignete Oxidationsmittellieferung zu ermöglichen, umfasst das Oxidationsmittelnebensystem 20 mechanische und elektrische Steuervorrichtungen (nicht gezeigt), wie beispielsweise Ventile, Sensoren, Zumessvorrichtungen, Kompressoren und Einspritzeinrichtungen. Das Oxidationsmittel ist typischerweise Luft, die durch einen Kompressor geliefert wird. Andere Oxidationsmittel können beispielsweise reinen Sauerstoff wie auch Peroxid (H₂O₂) in flüssiger oder dampfförmiger Form umfassen. Das Oxidationsmittel wird durch eine Einspritzeinrichtung 22 selektiv an die Anodenseite des Brennstoffzellenstapels 12 geliefert.
Eine Steuerung 24 steuert die Betriebsart des Brennstoffzellensystems 10. Bei der normalen Betriebsart des Brennstoffzellensystems 12 kommuniziert die Steuerung 24 mit dem Brennstoffnebensystem 13 wie auch dem Oxidationsmittelnebensystem 20, um die wasserstoffhaltige Zufuhr an die Anodenseite des Brennstoffzellenstapels 12 zu liefern und das Oxidationsmittel an die Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels 12 zu liefern. In einer Aufwärmbetriebsart wird eine Mischung aus wasserstoffhaltiger Zufuhr und/oder Oxidationsmittel an die Anodenseite des Brennstoffzellenstapels 12 geliefert wie auch eine Mischung aus Oxidationsmittel und/oder wasserstoffhaltiger Zufuhr an die Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels 12 geliefert wird. Die Mischung aus Oxidationsmittel und Brennstoff bewirkt eine exotherme Reaktion, die ein Aufwärmen des Brennstoffzellenstapels 12 beschleunigt.
Die Steuerung 24 unterscheidet zwischen den Betriebsarten des Brennstoffzellenstapels 12 durch Überwachung eines Signals von einem Temperatursensor 26. Die normale Betriebsart findet statt, wenn die Betriebstemperatur des Brennstoffzellenstapels 12 über einer gewissen Schwelle liegt. In diesem Fall kommuniziert die Steuerung 24 mit dem Brennstoffnebensystem 13, um den Durchsatz von Brennstoff zu der Anodenseite des Brennstoffzellenstapels 12 zu steuern. Die Steuerung 24 kommuniziert mit dem Oxidationsmittelnebensystem 20, um den Oxidationsmitteldurchsatz zu der Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels 12 zu steuern. Die Aufwärmbetriebsart findet statt, wenn die Temperatur des Brennstoffzellenstapels 12 unterhalb einer gewissen Schwelle liegt. Die Steuerung 24 kommuniziert mit der Einspritzeinrichtung 18, um den Durchsatz der wasserstoffhaltigen Zufuhr in die Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels 12 zu steuern. Die Steuerung 24 kommuniziert mit der Einspritzeinrichtung 22, um die Lieferung von Oxidationsmittel in die Anodenseite des Brennstoffzellenstapels 12 zu steuern. Die Steuerung 24 kommuniziert mit dem Brennstoffnebensystem 13, um die Lieferung der wasserstoffhaltigen Zufuhr zu der Anodenseite des Brennstoffzellenstapels 12 zu steuern und kommuniziert auch mit dem Oxidationsmittelnebensystem 20, um die Lieferung von Oxidationsmittel an die Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels 12 zu steuern.
Wie in den 2A und 2B gezeigt ist, werden sowohl die wasserstoffhaltige Zufuhr als auch das Oxidationsmittel während der Aufwärmperiode an sowohl die Anoden- als auch Kathodenseite geliefert. Die Einspritzeinrichtung 18 stellt den Durchsatz der wasserstoffhaltigen Zufuhr in die Kathodenseite ein. Die Einspritzeinrichtung 22 stellt den Durchsatz des Oxidationsmittels in die Anodenseite ein. An sowohl der Anoden- als auch der Kathodenseite erfolgt eine exotherme Reaktion, wenn die Mischung aus wasserstoffhaltiger Zufuhr und Oxidationsmittel mit den Katalysatoren an der Anode und der Kathode in Kontakt tritt. Die durch die exotherme Reaktion erzeugte Wärme heizt den Brennstoffzellenstapel 12 auf. Sobald sich der Brennstoffzellenstapel 12 auf einer Tempe ratur befindet, die größer als die obere Schwellentemperatur ist, kann der Brennstoffzellenstapel 12 in einen Normalbetrieb geschaltet werden. Dies kann ein allmählicher Prozess sein, der erreicht wird, indem die Konzentrationen der wasserstoffhaltigen Zufuhr in der Kathode und des Oxidationsmittels in der Anode allmählich auf Null abgesenkt werden. Es ist jedoch bevorzugt, dass der Brennstoffzellenstapel 12 eine Betriebstemperatur oder Schwellentemperatur vor einem Umschalten auf Normalbetrieb erreicht.
Eine beispielhafte Schwellentemperatur beträgt 0°C. Eine beispielhafte obere Schwellentemperatur beträgt 20°C, bei der ausreichend Strom unmittelbar von dem Brennstoffzellenstapel 12 verfügbar ist, um ein Fahrzeug anzutreiben. In dem Fall, dass die Temperatur des Brennstoffzellenstapels 12 unter die Schwellentemperatur abfällt, können die Einspritzeinrichtungen 18, 22 jeweils die wasserstoffhaltige Zufuhr an die Kathodenseite als auch das Oxidationsmittel an die Anodenseite liefern, um den Brennstoffzellenstapel 12 wieder aufzuwärmen.
Die Einspritzeinrichtungen 18, 22 können reguliert werden, um jeweils die Molverhältnisse der wasserstoffhaltigen Zufuhr und des Oxidationsmittels auf der Anodenseite und der Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels 12 einzustellen. Das Molverhältnis der wasserstoffhaltigen Zufuhr zu dem Oxidationsmittel kann entsprechend niedrigere Zündgrenzen überschreiten, da weder auf der Anodenseite noch auf der Kathodenseite Zündquellen vorhanden sind. Ferner sind die Drücke innerhalb der Anoden- und Kathodenseite nicht ausreichend, um eine Selbstentzündung zu bewirken. Während der Aufwärmbetriebsart ist es möglich, Strom zum Betreiben einer elektrischen Last zu erzeugen. Wie in 2A gezeigt ist, sind die Molverhältnisse ausreichend, um die Erzeugung von sowohl Strom als auch Wärme während der Aufwärmperiode zu ermöglichen. Wie in 2B gezeigt ist, sind die Molverhältnisse nicht ausreichend, um während der Aufwärmperiode Strom zu erzeugen.
Die relativen Mengen der wasserstoffhaltigen Zufuhr und des Oxidationsmittels basieren auf X- und Y-Faktoren für die Anoden- bzw. Kathodenseite. Die Faktoren X bzw. Y stellen die molare Beziehung zwischen der Menge an Kraftstoff, die an die Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels 12 geliefert wird, und der Menge an Oxidationsmittel, die an die Anodenseite des Brennstoffzellenstapels 12 geliefert wird, zu der Menge an überschüssigem Oxidationsmittel und überschüssigem Brennstoff, die für die exotherme Reaktion erforderlich sind, wie auch der resultierenden Wärme und dem resultierenden Wasser dar.
Wie in 1 gezeigt, ist, schaltet, sobald der Brennstoffzellenstapel 12 die obere Schwellentemperatur erreicht, das Brennstoffzellensystem 10 auf einen Normalbetrieb um. Das Ventil 18 wird geschlossen, um den Durchfluss des Brennstoffes in die Kathodenseite zu unterbinden. Das Ventil 22 wird geschlossen, um den Durchfluss von Oxidationsmittel in die Anodenseite des Brennstoffzellenstapels 12 zu unterbinden. Die Steuerung 24 steuert das Brennstoffnebensystem 13 und das Oxidationsmittelnebensystem 20, um die Anodenseite des Brennstoffzellenstapels 12 mit der wasserstoffhaltigen Zufuhr und die Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels 12 mit dem Oxidationsmittel zu versorgen.
In 3 ist ein beispielhaftes Brennstoffzellensystem 100 gezeigt. Ähnlich dem Brennstoffzellensystem 10, das oben beschrie ben ist, umfasst das Brennstoffzellensystem 100 den Brennstoffzellenstapel 12, das Brennstoffnebensystem 13 mit der Brennstoffquelle 14 und dem Brennstoffprozessor 16, das Oxidationsmittelnebensystem 20, die Steuerung 24 wie auch den Temperatursensor 26. Das Brennstoffzellensystem 100 umfasst ferner ein zweites Brennstoffnebensystem 40 und eine Einspritzeinrichtung 42, die den Durchsatz von Kohlenwasserstoff-Brennstoff von dem zweiten Brennstoffnebensystem 40 in die Anodenseite einstellt. Der Kohlenwasserstoffbrennstoff von dem zweiten Brennstoffnebensystem 40 ist von dem, der durch das Brennstoffnebensystem 13 geliefert wird, verschieden. Der von der zweiten Brennstoffquelle gelieferte Brennstoff umfasst Methanol oder Methan. Es sei jedoch angemerkt, dass der von dem zweiten Brennstoffnebensystem 40 gelieferte Brennstoff nicht auf Methanol und Methan beschränkt ist. Das Brennstoffzellensystem 100 umfasst auch ein zweites Oxidationsmittelnebensystem 44 und eine Einspritzeinrichtung 46, die die Lieferung des zweiten Oxidationsmittels an die Kathodenseite einstellt. Die Steuerung 24 kommuniziert mit dem Temperatursensor 26 und den Einspritzeinrichtungen 42, 46, um die Betriebsart des Brennstoffzellensystems 100 zu steuern.
Das zweite Brennstoffnebensystem 40 und das zweite Oxidationsmittelnebensystem 44 werden während der Aufwärmbetriebsart des Brennstoffzellensystems 100 verwendet. Die normale Betriebsart des Brennstoffzellensystems 100 ist ähnlich derjenigen, die vorher für das Brennstoffzellensystem 10 beschrieben worden ist. Jedoch steuert während der Aufwärmbetriebsart, wenn die Temperatur des Brennstoffzellenstapels unterhalb der Schwelle liegt, die Steuerung 24 die Lieferung von Oxidationsmittel von dem zweiten Oxidationsmittelnebensystem 44 an die Anodenseite und steuert die Lieferung von Brennstoff von dem zweiten Brennstoffnebensystem 40 an die Kathodenseite. Das Oxidationsmittel von dem zweiten Oxidationsmittelnebensystem 44 mischt sich mit der wasserstoffhaltigen Zufuhr von dem Brennstoffnebensystem 13. Der Brennstoff von dem zweiten Brennstoffnebensystem 40 mischt sich mit dem Oxidationsmittel von dem Oxidationsmittelnebensystem 20. Wie oben beschrieben wurde, findet an sowohl der Anoden- als auch Kathodenseite eine exotherme Reaktion statt, wenn die Mischungen mit den Katalysatoren an der Anode und Kathode in Kontakt treten. Sobald die Temperatur über die Schwelle ansteigt, schaltet das Brennstoffzelensystem 100 auf einen Normalbetrieb um.
Wie in 4A gezeigt ist, ist der Brennstoff, der von dem zweiten Brennstoffnebensystem 40 geliefert wird, Methanol (CH₃OH), und die Molverhältnisse sind ausreichend, um die Erzeugung von sowohl elektrischer Energie als auch Wärmeenergie während der Aufwärmperiode zu ermöglichen. Wie in 4B gezeigt ist, sind die Molverhältnisse nicht ausreichend, um während der Aufwärmperiode elektrische Energie zu erzeugen. Wie in 5A gezeigt ist, ist der Brennstoff Methan (CH₄), und die Molverhältnisse sind ausreichend, um die Erzeugung von sowohl elektrischer Energie als auch Wärmeenergie während der Aufwärmperiode zu ermöglichen. Wie in 5B gezeigt ist, sind die Molverhältnisse nicht ausreichend, um während der Aufwärmperiode elektrische Energie zu erzeugen. Das Molverhältnis des Brennstoffs zu dem Oxidationsmittel kann die entsprechenden geringeren Zündgrenzen überschreiten, da weder in der Anoden- noch der Kathodenseite Zündquellen vorhanden sind und die Drücke nicht ausreichend sind, um eine Selbstentzündung zu bewirken. Wie oben beschrieben ist, basieren die relativen Mengen von Brennstoff und Oxidationsmittel auf den Faktoren X und Y für die Anoden- bzw. Kathodenseite.
Wie in 3 gezeigt ist, schaltet, sobald der Brennstoffzellenstapel 12 die Schwellentemperatur erreicht, das Brennstoffzellensystem 100 auf einen Normalbetrieb um. Die Einspritzeinrichtung 42 wird geschlossen, um einen Durchfluss des Brennstoffes in die Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels 12 zu unterbinden. Das Brennstoffnebensystem 13 wird so gesteuert, um einen normalen Durchfluss der wasserstoffhaltigen Zufuhr in die Anodenseite zu ermöglichen. Die Einspritzeinrichtung 46 ist geschlossen, um einen Durchfluss des Oxidationsmittels in die Anodenseite des Brennstoffzellenstapels 12 zu unterbinden. Das Oxidationsmittelnebensystem 20 wird gesteuert, um einen normalen Durchfluss des Oxidationsmittels in die Kathodenseite zu ermöglichen.
Alternativ dazu kann jedoch während des Normalbetriebs das Brennstoffzellensystem 100 direkt durch den Brennstoff angetrieben werden, um den Bedarf nach der wasserstoffhaltigen Zufuhr zu vermeiden. Beispielsweise kann der Brennstoffzellenstapel 12 entweder ein Direkt-Methanol-Brennstoffzellenstapel (DMFC-Stack) in dem Fall von Methanol oder ein Festoxid-Brennstoffzellenstapel (SOFC-Stack) in dem Fall von Methan sein.
Für Fachleute ist es anhand der vorhergehenden Beschreibung offensichtlich, dass die breiten Lehren der vorliegenden Erfindung in einer Vielzahl von Formen ausgeführt werden können. Daher ist, während diese Erfindung in Verbindung mit einem bestimmten Ausführungsbeispiel beschrieben worden ist, der Schutzumfang der Erfindung nicht darauf beschränkt, da für Fachleute nach einem Studium der Zeichnungen, der Beschreibung wie auch der folgenden Ansprüche auch andere Abwandlungen offensichtlich sind.
Zusammengefasst wird das Verfahren mit einem Brennstoffzellensystem bestehend aus einer Brennstoffzelle und einer Steuerung gemäß 3 durchgeführt, die eine Lieferung von Brennstoff an eine Anodenseite und eine Kathodenseite der Brennstoffzelle steuert. Die Steuerung steuert eine Lieferung von Oxidationsmittel an die Anoden- und Kathodenseite, das exotherm mit dem Brennstoff reagiert, wenn eine Temperatur der Brennstoffzelle unterhalb einer Schwellentemperatur liegt. Wenn die Temperatur größer als die Schwellentemperatur ist, beendet die Steuerung die Lieferung des Brennstoffes und des Oxidationsmittels an die Anodenseite. Die Steuerung beendet die Lieferung des Brennstoffes an die Kathodenseite und liefert eine wasserstoffhaltige Zufuhr an die Anodenseite.

Claims

Verfahren zum Betrieb einer Brennstoffzelle, umfassend, dass: eine erste wasserstoffhaltige Zufuhr an eine Anodenseite und eine zweite wasserstoffhaltige Zufuhr an eine Kathodenseite der Brennstoffzelle geliefert wird, wobei die erste wasserstoffhaltige Zufuhr ein erster Brennstoff und die zweite wasserstoffhaltige Zufuhr ein zweiter Brennstoff ist, der von dem ersten Brennstoff verschieden ist; ein erstes Oxidationsmittel an die Anodenseite und ein zweites Oxidationsmittel an die Kathodenseite geliefert wird, die exotherm mit der ersten und der zweiten wasserstoffhaltigen Zufuhr reagieren; und die Lieferung der zweiten wasserstoffhaltigen Zufuhr an die Kathodenseite und des ersten Oxidationsmittels an die Anodenseite beendet wird, wenn die Brennstoffzelle eine Schwellentemperatur erreicht.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Schwellentemperatur zwischen 20°C und 80°C liegt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die erste oder zweite wasserstoffhaltige Zufuhr gasförmiger Wasserstoff ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die erste und/oder zweite wasserstoffhaltige Zufuhr ein wasserstoffreiches Reformat ist, das durch Reformierung eines Kohlenwasserstoff-Brennstoffes erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die erste und/oder zweite wasserstoffhaltige Zufuhr Methan und/oder Methanol umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das erste und/oder zweite Oxidationsmittel Sauerstoff ist.