DE102006045921B4

DE102006045921B4 - Brennstoffzelle mit Vorrichtung zur quantitativen Bestimmung von Gasanteilen

Info

Publication number: DE102006045921B4
Application number: DE102006045921.0A
Authority: DE
Inventors: Ian Faye; Frank Brenner; Juergen Binder; Ulrich Gottwick
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2006-09-28
Filing date: 2006-09-28
Publication date: 2022-07-14
Anticipated expiration: 2026-09-29
Also published as: DE102006045921A1

Abstract

Brennstoffzelle (1) mit einem Brennstoff führenden Anodenbereich (2) und einem Sauerstoff führenden Kathodenbereich (3), dadurch gekennzeichnet, dass eine Vorrichtung (5) zur quantitativen Bestimmung von Gasanteilen im Anoden- und Kathodenbereich der Brennstoffzelle vorgesehen ist, wobei ein Signalerzeugungselement (7, 8) vorgesehen ist, das ein Ventil (9) ist, wobei ein Signalerfassungselement (11, 12) vorgesehen ist, das ein drucksensitives Element ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle mit einer Vorrichtung zur quantitativen Bestimmung von Gasanteilen.
Stand der Technik
Für einen ordnungsgemäßen Betrieb von Brennstoffzellen ist die anodenseitige Bereitstellung eines möglichst reinen Brennstoffs erforderlich. Im Lauf der Betriebszeit sammeln sich im Brennstoffzuführbereich der Brennstoffzelle jedoch neben dem Brennstoff zusätzlich noch weitere Fluide, wie z.B. Stickstoff oder Wasserdampf, aufgrund verschiedener Ursachen an. Zum einen können hierzu Verunreinigungen im Brennstoff ursächlich sein, zum anderen können auch diffusionsbedingt den Brennstoff verunreinigende Fluidanteile in den Anodenbereich wandern.
Zur Reduzierung dieser Fremdgasanteile, welche die Leistungsfähigkeit der Brennstoffzelle entsprechend verringern, ist das Ablassen des im Anodenbereich befindlichen Fluidgemisches bekannt. Hierzu hat sich der Begriff „Purgen“ etabliert.
Bei solchen regelmäßig durchzuführenden Purge-Vorgängen wird dementsprechend nicht nur Fremdgas aus dem Anodenbereich der Brennstoffzelle abgelassen, häufig direkt an die Umwelt, sondern auch der für den Betrieb der Brennstoffzelle erforderliche, darin noch enthaltene Brennstoff.
Die US 6 461 751 B1 beschreibt ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems und eine Vorrichtung zum Messen beispielsweise einer Oxidationsmittelkonzentration oder beispielsweise einer Wasserstoffkonzentration.
Die DE 34 29 367 A1 beschreibt ein System zur Bestimmung einzelner Komponenten eines Mischfluids.
Die US 2005/0044929 A 1 offenbart ein Messsystem für die Konzentration eines Fluides in einem Schlauch.
Die US 2002/0189367 A1 beschreibt ein System zur Bestimmung einer Durchflussrate eines Fluides, das durch ein Installationsrohr fließt.
Die US 6 502 465 B1 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung von Durchflussraten des Gases oder der Flüssigkeit in einem mehrphasigen Fluid.
Die EP 0 813 060 A2 beschreibt eine akustische Zelle mit einem Zellgehäuse und einem Durchflussmittel.
Die US 2005/0031917 A1 offenbart ein Wasserstoffpassivierungssystem für eine Brennstoffzelle.
Aufgabe und Vorteile der Erfindung
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine Brennstoffzelle der eingangs dargelegten Art zu verbessern.
Gelöst wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1. Durch die abhängigen Ansprüche werden vorteilhafte und zweckmäßig Weiterbildungen angegeben.
Dementsprechend betrifft die vorliegende Erfindung eine Brennstoffzelle mit einem Brennstoff führenden Anodenbereich und einem Sauerstoff führenden Kathodenbereich. Sie zeichnet sich dadurch aus, dass eine Vorrichtung zur quantitativen Bestimmung von Gasanteilen im Anoden- und/oder Kathodenbereich der Brennstoffzelle vorgesehen ist.
Durch die quantitative Bestimmung von Gasanteilen im Anodenbereich kann z.B. festgestellt werden, wie hoch der Fremdgasanteil im Brennstoffzuführbereich der Brennstoffzelle ist. Durch diese exakte Bestimmung des Brennstoffanteils in dem im Anodenbereich angereicherten Fluidgemisch können z.B. in verschiedenen Betriebszuständen der Brennstoffzelle entsprechende Reaktionen veranlasst werden. Beispielsweise kann in einem Normalbetrieb der Brennstoffzelle bei Unterschreiten eines bestimmten Brennstoffanteils im anodenseitigen Fluidgemisch ein sogenannter Purge-Vorgang eingeleitet werden. Demgegenüber kann aber bei einem Betrieb mit geringer Tankfüllung durch eine Herabsetzung des zulässigen Brennstoffanteilwertes im anodenseitigen Fluidgemisch ein entsprechender Purge-Vorgang auch erst zu einem späteren Zeitpunkt veranlasst werden.
Denkbar ist in entsprechender Weise grundsätzlich auch eine quantitative Fluidbestimmung im kathodenseitigen Brennstoffzellenbereich, beispielsweise zur Ermittlung des Sauerstoffanteils, gegebenenfalls ebenfalls mit entsprechend zu veranlassenden Eingriffsmaßnahmen in den Brennstoffzellenbetrieb, inklusive der Kontrolle der von der Brennstoffzelle versorgten Verbraucher, z.B. anhand einer priorisierten Verbraucherabschaltung.
Als besonders bevorzugt zur quantitativen Bestimmung von Gasanteilen wird die Verwendung einer Einheit zur Auswertung des Signalschwingverhaltens eines dem in der Brennstoffzelle befindlichen Gas und/oder Gasgemisches aufgeprägten Signals angesehen. Als Schwingung kann beispielsweise eine Druckschwingung ausgewertet werden, die beispielsweise aufgrund einer Volumens- und/oder Druckänderung über die Einleitung eines Druckimpulses oder dergleichen in dem Fluid hervorgerufen wurde. Als Schwingungs- oder Signalgenerator ist hierzu beispielsweise eine Verdichtungs- und/oder Entspannungsvorrichtung denkbar, z.B. ein Ventil, insbesondere ein Druckregelventil oder dergleichen.
Als besonders bevorzugt wird die Auswertung akustischer Schwingungen angesehen, da diese verhältnismäßig einfach zu erzeugen und auszuwerten sind. Neben der o.a. möglichen Erzeugung akustischer Wellen durch die Betätigung eines mechanischen Ventils und die damit einhergehende Anregung von Druck- und/oder Schallwellen ist aber auch die Verwendung eines elektroakustischen Signalelementes, z.B. in der Form eines elektrischen Mikrofons oder anderer zur Erzeugung akustischer Signale geeigneter Mittel möglich. Ein bevorzugter Wellenlängenbereich liegt hierbei im niederfrequenten, akustischen Bereich, denkbar sind aber auch Hochfrequente Wellenlängenbereiche, wie z.B. Ultraschall. Neben der Auswertung der Eigenschaften longitudinaler Wellenformen ist grundsätzlich die Auswertung aller Schwingungseigenschaften elektromagnetischer Felder denkbar.
Für die Auswertung dieser Welleneigenschaften wird bevorzugt die Verwendung einer Frequenz- und/oder Laufzeitdetektionseinheit vorgeschlagen. Dieser Vorgehensweise liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die Schwingungseigenschaften von Wellen, wie z.B. deren Frequenz- und/oder Laufzeit, abhängig von dem jeweiligen Stoff sind, in dem sie eingeleitet werden. So ist z.B. die Frequenz in reinem Wasserstoff ca. viermal höher als in reinem Stickstoff oder dreimal höher als im Wasserdampf. Durch Mehrfachreflexionen entstehen Druckschwingungen, die dem Systemdruck überlagert sind. Aus der Frequenz dieser Schwingungen oder auch durch die Laufzeitmessung der ersten Reflexion kann somit, z.B. im Anodenbereich der Brennstoffzelle, auf den darin befindlichen Fremdgasanteil geschlossen werden. Somit ist auf der Grundlage der des jeweiligen Mischungsverhältnisses des Gasgemisches eigenen Schwingungseigenschaft des darin eingeleiteten Signals eine Aussage über die Zusammensetzung dieses Gasgemisches möglich.
Die Frequenz oder Laufzeit kann z.B. auch mit einer elektronischen Schaltung aus dem zeitlichen Verlauf eines Drucksignals ermittelt werden. Denkbar ist hierzu die Verwendung eines Drucksensors, dessen Signal ausgewertet wird.
Nachdem eine entsprechende Einheit zur Erzeugung eines Anodengas-Ablassvorgangs einen bestimmten Anteil von Anodengas abgelassen hat, kann eine erneute Prüfung des anodenseitigen Fluidgemisches, welches in der Regel ein Gasgemisch ist, durchgeführt werden. Bei entsprechend kurzintervalligen Ablass- und Prüfvorgängen ist eine weitere Verbrauchsoptimierung durch entsprechend geringe Brennstoffverluste aufgrund derartiger Purge-Vorgänge möglich.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform kann es auch vorgesehen sein, dass durch erneute Messung beim Nachfüllen entschieden wird, wie lange ein solcher Purge-Vorgang dauern soll bzw. wie oft er zu wiederholen ist.
Im Weiteren ist grundsätzlich auch die Anordnung einer Einheit zum Ablass bzw. zur Spülung des Kathodenbereichs der Brennstoffzelle denkbar, um gegebenenfalls eine Ansammlung von darin unerwünschten Fluidanteilen zu begrenzen und/oder den darin vorhandenen Sauerstoffanteil zu variieren.
Ausführungsbeispiel
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Figuren und der darauf Bezug nehmenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen

1 eine beispielhafte, schematische Darstellung einer Brennstoffzellenanordnung,
2 beispielhaft eine schematische Messstrecke zur quantitativen Bestimmung eines Fluidgemisches und
3 eine beispielhafte, schematische Darstellung eines Signalverlaufs eines in ein Gasgemisch einer Brennstoffzelle eingeleiteten Signals.

Im Detail zeigt nun die 1 eine Brennstoffzelle 1 mit einem brennstoffführenden Anodenbereich 2 und einem Sauerstoffführenden Kathodenbereich 3, die durch eine Membran 4 voneinander getrennt sind. Mittels einer Vorrichtung 5 ist eine quantitative Bestimmung von Gasanteilen im Anoden- und/oder Kathodenbereich der Brennstoffzelle 1 möglich.
Diese Vorrichtung 5 umfasst eine Einheit 6 zur Auswertung des Signalschwingungsverhaltens eines dem in der Brennstoffzelle befindlichen Gas- und/oder Gasgemisch aufgeprägten Signals. Insbesondere bevorzugt ist diese Einheit 6 zur Auswertung der Frequenz und/oder der Laufzeit des dem Gasgemisch aufgeprägten Signals ausgebildet. Zur Einleitung eines entsprechenden Signals, z.B. im anodenseitigen Bereich der Brennstoffzelle 1, ist ein Signalerzeugungselement 7 vorgesehen, welches z.B. in der Form eines Ventils 9 oder eines elektroakustischen Elementes 10, beispielsweise in der Form eines Mikrofons realisiert sein kann. Das Ventil kann z.B. durch schnelles Schließen entsprechende Schwingungen in das anodenseitig vorhandene Fluid induzieren. Diese Schwingungen können mechanischer Art sein, so dass sie unter anderem im akustischen Wellenlängenbereich detektierbar sind, sie können aber auch als Druckimpuls oder Druckschwingungen eingeleitet werden.
Eine weitere Möglichkeit der Einleitung eines Signals, vorzugsweise im akustischen Bereich, kann beispielsweise durch ein elektroakustisches Element, z.B. in der Form des Mikrofons 10, ausgelöst werden.
In entsprechender Weise ist auch kathodenseitig der Brennstoffzelle eine entsprechende Signalgenerierung möglich. Beispielhaft ist hierzu lediglich ein Signalerzeugungselement 8, ebenfalls in der Form eine Mikrofons, dargestellt.
Zur Erfassung eines so in das anodenseitige Fluid induzierten Signals ist anodeneingangsseitig ein Signalerfassungselement 11 vorgesehen, z.B. in der Form eines drucksensitiven und/oder eines elektroakustischen Elementes. Ein drucksensitives Element kann beispielsweise ein Drucksensor sein. Ein elektroakustisches Element kann z.B. in der Form eines Mikrofons, eines Piezoelements oder dergleichen mehr ausgebildet und, wie der Sensor auch, mit der Auswerteeinheit 6 über entsprechend geeignete Leitungen verbunden sein.
Durch die Anordnung eines zweiten, vom ersten beabstandeten Signalerfassungselements 12 ist z.B. eine direkte Laufzeiterfassung für das in das Fluid eingeleitete Signal zwischen den beiden Signalerfassungselementen 11 und 12 möglich. Entsprechendes gilt auch für die beiden Signalerfassungselemente 13, 14, die gegebenenfalls für die Bestimmung der kathodenseitigen Fluidzusammensetzung vorgesehen werden können.
Bei einem festgestellten Unterschreiten eines Mindestwertes für den Brennstoffanteil im anodenseitigen Gasgemisch kann durch Betätigen einer Einheit 15 zur Erzeugung eines anoden-seitigen Gasablassvorgangs, vorzugsweise in Form eines Ventils 13, eine Anodenkanalspülung eingeleitet werden. Durch den über das Ventil 9 nachströmenden Brennstoff erhöht sich der Brennstoffanteil im anodenseitigen Fluidgemisch. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform kann bei einem solchen Purge- bzw. Spülvorgang die Durchführung einer oder auch mehrerer weiterer Messungen zur quantitativen Bestimmung von Gasanteilen in diesem Anodenkanal durchgeführt und basierend auf dem daraus hervorgehenden Messergebnis beispielsweise eine Spülzeitdauer oder Wiederholhäufigkeit festgelegt werden.
Für die Bevorratung des Brennstoffs ist ein Tank 16 vorgesehen, an dessen Auslass z.B. ein Druckminderer 17 für die ordnungsgemäße Brennstoffversorgung des Anodenbereichs 2 sorgt.
Die Versorgung des Kathodenbereichs 3 der Brennstoffzelle 1 kann über ein entsprechendes Fluidfördermittel 18, z.B. in der Form eines Verdichters, einer Pumpe oder dergleichen mehr erfolgen. Zur Beeinflussung der Fluidabfuhr aus dem Kathodenkanal 3 der Brennstoffzelle 1 kann gegebenenfalls eine weitere Einheit 16, wieder bevorzugt in der Form eines Ventils 19, vorgesehen sein. Hiermit ist unter anderem auch ein entsprechender Kathodengas-Ablassvorgang möglich, wie er prinzipiell oben für die Anodenseite beschrieben ist.
Die 2 zeigt beispielhaft eine schematische Messstrecke zur quantitativen Bestimmung von Gasanteilen in einem Anodenbereich 2 einer Brennstoffzelle 1. Als Länge der im Anodenkanal befindlichen Gassäule ist hier beispielhaft eine Distanz von „1“ = 0,5 m angegeben. Durch die mit dem Buchstaben „c“ gekennzeichneten beiden gegenläufigen, gestrichelten Pfeile 18 ist die Laufzeitgeschwindigkeit des in das Gasgemisch induzierten Signals, bezogen auf ein ganz bestimmtes Element, z.B. CN2 oder C_H2 dargestellt. In den darunter gezeigten drei Kästchen sind die entsprechenden übrigen diesbezüglichen Parameter angegeben.
Die 3 zeigt den zeitlichen Verlauf eines Ankerhubs H eines Taktventils über eine Periode Tv und den Anstieg des Druckes p in einem nachfolgenden Volumen. Durch Reflexionen entstehen Druckschwingungen im Millisekundenbereich, deren Frequenzen stark gasabhängig sind. Abhängig von den daraus hervorgehenden Frequenzen bzw. Laufzeiten ist somit ein Rückschluss auf die Zusammensetzung des zu überprüfenden Gasgemisches, anodenseitig und/oder kathodenseitig, möglich.

Claims

Brennstoffzelle (1) mit einem Brennstoff führenden Anodenbereich (2) und einem Sauerstoff führenden Kathodenbereich (3), dadurch gekennzeichnet, dass eine Vorrichtung (5) zur quantitativen Bestimmung von Gasanteilen im Anoden- und Kathodenbereich der Brennstoffzelle vorgesehen ist, wobei ein Signalerzeugungselement (7, 8) vorgesehen ist, das ein Ventil (9) ist, wobei ein Signalerfassungselement (11, 12) vorgesehen ist, das ein drucksensitives Element ist.
Brennstoffzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Einheit (6) zur Auswertung des Signalschwingungsverhaltens eines dem in der Brennstoffzelle befindlichen Gas und/oder Gasgemisches aufgeprägten Signals vorgesehen ist.
Brennstoffzelle nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass eine Frequenz- und/oder Laufzeitdetektionseinheit (6) des Signals vorgesehen ist.
Brennstoffzelle nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Signalerfassungselement (11, 12) ein drucksensitives und ein elektroakustisches Element ist.
Brennstoffzelle nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Einheit (15)zur Erzeugung eines Anodengas-Ablassvorganges vorgesehen ist.
Brennstoffzelle nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Einheit (16) zur Erzeugung eines Kathodengas-Ablassvorganges vorgesehen ist.