DE102007028296A1 - Vorrichtung und Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems (1) mit zumindest einer Brennstoffzelle (2), welche einen Kathodenraum (3) aufweist, mit einer zum Kathodenraum (3) führenden Zuführleitung (6) zum Zuführen von Oxidationsmittel, und einer vom Kathodenraum (3) wegführenden Abführleitung (7), in welcher ein erstes Absperrelement (12) angeordnet ist, wobei in der Zuführleitung (6) ein zweites Absperrelement (13) angeordnet ist. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems (1).

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems mit zumindest einer Brennstoffzelle, welche einen Kathodenraum aufweist, mit einer zum Kathodenraum führenden Zuführleitung zum Zuführen von Oxidationsmittel, und einer vom Kathodenraum wegführenden Abführleitung, in welcher ein erstes Absperrelement angeordnet ist. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems.
  • Eine der Hauptdegradationsmechanismen für den Brennstoffzellenstapel wird durch hohe Zellpotentiale verursacht. Als Schwellwert dafür wird eine Grenze für die elektrische Spannung von etwa 850 mV betrachtet. Verstärkt wird dieser Degradationseffekt durch die bei kleinen elektrischen Leistungen erhöhte Luftstöchiometrie, die zur starken Reduktion der Eintrittsfeuchte am Brennstoffzellenstapel führt.
  • Aus der DE 10 2004 057 140 A1 ist ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellenstapels bekannt, bei dem eine alterungsbedingte Degradation dadurch verhindert wird, dass das Oxidationsmittel zumindest zeitweise verdünnt wird, so dass die von jeder der Einzelzellen abgegebene Spannung unter einem kritischen Spannungswert bleibt. Darüber hinaus wird dort das vom Kathodenraum abströmende Kathodengas in einem Rezirkulationskreislauf rückgeführt. Des Weiteren ist in der Abführleitung, welche vom Kathodenraum wegführt, ein Ventil angeordnet, durch welche die Verdünnung des Oxidationsmittels geregelt werden kann.
  • Durch die Rückführung des Kathodenabgases kann auch eine Vermeidung von hohen Zellspannungen durch Sauerstoffabreichung erreicht werden. Darüber hinaus kann dadurch die Steigerung der Eintrittsfeuchte am Brennstoffzellenstapel auch die Rückführung feuchten Abgases ermöglicht werden.
  • Ein weiterer Hauptdegradationsmechnismus für den Brennstoffzellenstapel wird durch das Vorliegen von Gasgemischen aus Sauerstoff und Wasserstoff im Anodenraum der Brennstoffzelle, insbesondere beim Start der Brennstoffzelle, verursacht. Der Sauerstoff diffundiert dabei während des Systemstillstands über die Membran in den Anodenraum, wobei der Wasserstoff beim Start zugeführt wird.
  • Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems zu schaffen, bei dem die genannten Degradationsmechanismen zumindest wesentlich reduziert werden können.
  • Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung, welche die Merkmale nach Anspruch 1 aufweist, und ein Verfahren, welches die Merkmale nach Anspruch 10 aufweist, gelöst.
  • Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems mit zumindest einer Brennstoffzelle, welche einen Kathodenraum aufweist, umfasst eine zum Kathodenraum führende Zuführleitung zum Zuführen von Oxidationsmittel zum Kathodenraum. Darüber hinaus umfasst die Vorrichtung eine vom Kathodenraum der Brennstoffzelle wegführende Abführleitung, in welcher ein erstes Absperrelement angeordnet ist. In der Zuführleitung ist ein zweites Absperrelement angeordnet. Durch diese Ausgestaltung der Vorrichtung kann erreicht werden, dass die genannten Degradationsmechanismen zumindest reduziert werden können, da bedarfsabhängig ein Absperren des gesamten Systems gegenüber der Umgebung erfolgen kann.
  • Vorzugsweise werden beide Absperrelemente in einem spezifischen Betriebszustand des Brennstoffzellensystems geschlossen. Vorzugsweise werden beide Absperrelemente nach dem Abschalten des Brennstoffzellensystems geschlossen. Insbesondere kann durch die beiden Absperrelemente und deren Betriebsweise in dem genannten spezifischen Betriebszustand des Brennstoffzellensystems ermöglicht werden, dass der im Brennstoffzellensystem oder in einem Teilsystem vorliegende Oxidationsmittelanteil beim Abschalten des Brennstoffzellensystems verbraucht wird und das System oder das Teilsystem luftdicht abgeschlossen ist.
  • Indem die beiden Absperrelemente somit quasi am Systemeingang und am Systemausgang angeordnet sind kann dies zuverlässig erreicht werden.
  • Ein Absperrelement kann beispielsweise ein Ventil oder eine Klappe oder ein sonstiges Drosselelement sein.
  • Vorzugsweise ist das zweite Absperrelement stromauf eines in der Zuführleitung angeordneten Verdichters angeordnet. Das erste Absperrelement kann stromauf eines in der Abführleitung angeordneten Expanders angeordnet sein. Es kann auch vorgesehen sein, dass das erste Absperrelement stromab des in der Abführleitung angeordneten Expanders angeordnet ist.
  • Vorzugsweise umfasst die Vorrichtung eine Rezirkulationseinrichtung zur Rückführung des Kathodengases, wobei die Rezirkulationseinrichtung eine sich zwischen der Zuführleitung und der Abführleitung erstreckende Rückführleitung aufweist, in welche ein Strömungswiderstandselement angeordnet ist. Durch diese Rezirkulationseinrichtung wird ein Teil des Kathodengases in den Kathodenraum rückgeführt. Dies trägt ebenfalls positiv im Hinblick auf die Reduzierung der unerwünschten Zellpotentiale bei, wodurch die Lebensdauer des Brennstoffzellensystems erhöht werden kann. Darüber hinaus kann durch diese Rückführung des Kathodengases die Eintrittsfeuchte am Eingang der Brennstoffzelle erhöht werden.
  • Vorzugsweise zweigt die Rückführleitung stromauf des ersten Absperrelements von der Abführleitung ab und mündet stromab des zweiten Absperrelements in die Zuführleitung.
  • Es kann auch vorgesehen sein, dass die Rückführleitung unmittelbar an einer Stelle von der Abführleitung abzweigt, an der ein als 3-Wege-Element ausgebildetes erstes Absperrelement angeordnet ist. Vorzugsweise ist das 3-Wege-Element als 3-Wege-Ventil ausgebildet.
  • Vorzugsweise ist in der Rückführleitung ein als Rezirkulationsventil ausgebildetes Strömungswiderstandselement angeordnet.
  • Das in der Zuführleitung angeordnete zweite Absperrelement ist vorzugsweise als Oxidationsmittelregelventil und Systemeinlassklappe ausgebildet. Das in der Abführleitung angeordnete erste Absperrelement kann als Systemauslassklappe und bei Vorhandensein einer Rezirkulationseinrichtung zusätzlich als Rezirkulationsventil ausgebildet sein.
  • Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass das erste Absperrelement als Systemauslassklappe und Abgasregelventil ausgebildet ist und separat zu diesem ersten Absperrelement ein Rezirkulationsventil in der Rückführleitung der Rückführeinrichtung angeordnet ist.
  • Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems mit zumindest einer Brennstoffzelle, kann ein Oxidationsmittel über eine Zuführleitung dem Kathodenraum der Brennstoffzelle zugeführt werden. Ein Kathodengas kann vom Kathodenraum über eine Abführleitung abgeführt werden, wobei die Oxidationsmittelzufuhr zum Kathodenraum durch ein in der Zuführleitung angeordnetes zweites Absperrelement dosierbar ist und die Zuführleitung durch das zweite Absperrelement abgesperrt werden kann. Abhängig von einem spezifischen Betriebszustand des Brennstoffzellensystems wird die Zuführleitung durch das zweite Absperrelement und die Abführleitung durch ein in der Abführleitung angeordnetes erstes Absperrelement geschlossen. Durch diese Vorgehensweise können die genannten Hauptdegradationsmechanismen zumindest wesentlich reduziert werden, wodurch die Lebensdauer des Brennstoffzellensystems erhöht werden kann.
  • Vorzugsweise werden die beiden Absperrelemente beim Abschalten des Brennstoffzellensystems geschlossen, bevor der sich im Brennstoffzellensystem befindliche Restanteil des Oxidationsmittels verbraucht wird und das Brennstoffzellensystem gasdicht abgeschlossen wird.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen:
  • 1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
  • 2 ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
  • 3 ein drittes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung; und
  • 4 ein viertes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
  • In den Figuren werden gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
  • In 1 ist in einer schematischen Darstellung ein Brennstoffzellensystem 1 gezeigt, wobei lediglich die für das Verständnis der Erfindung erforderlichen Komponenten dargestellt sind.
  • Das Brennstoffzellensystem 1 umfasst eine Brennstoffzelle 2 mit einem Kathodenraum 3 und einem Anodenraum 4, welche durch eine Membran 5 separiert sind. Im Ausführungsbeispiel ist die Brennstoffzelle 2 als PEM-Brennstoffzelle ausgebildet, wobei diese spezifische Ausführung für die Erfindung nicht als einschränkend zu verstehen ist.
  • Vorzugsweise umfasst das Brennstoffzellensystem 1 einen Brennstoffzellenstapel mit einer Mehrzahl von Brennstoffzellen 2.
  • Darüber hinaus ist das Brennstoffzellensystem 1 im Ausführungsbeispiel als mobiles Brennstoffzellensystem ausgebildet, welches insbesondere in einem Fahrzeug angeordnet sein kann.
  • Des Weiteren umfasst das Brennstoffzellensystem 1 einen Zuführzweig mit einer Zuführleitung 6, über welche Oxidationsmittel zum Kathodenraum 3 geleitet werden kann. Als Oxidationsmittel kann Sauerstoff und insbesondere Luft vorgesehen sein.
  • Die Zuführleitung 6 mündet in den Kathodenraum 3, wobei von dem Kathodenraum 3 eine Abführleitung 7 wegführt. Über diese Abführleitung 7 wird Kathodengas abgeführt.
  • In der Zuführleitung 6 ist ein Verdichter 8 angeordnet, welcher über einen Motor 9 über eine Welle 10 angetrieben wird. Auf der Welle 10 sitzt auch ein mit der Abführleitung 7 verbundener Expander 11, beispielsweise eine Turbine. Auch dieser wird über den Motor 9 und die Welle 10 angetrieben.
  • Ein erstes Absperrelement 12 ist in der Abführleitung 7 stromab und somit in Strömungsrichtung des Kathodengases in der Abführleitung 7 nach dem Expander 11 angeordnet.
  • In der Zuführleitung 6 ist ein zweites Absperrelement 13 angeordnet, welches in der gezeigten Ausführung stromauf und somit in Strömungsrichtung des Oxidationsmittels in der Zuführleitung 6 vor dem Verdichter 8 angeordnet ist.
  • Die beiden Absperrelemente 12 und 13 sind zum Abschließen des Brennstoffzellensystems 1 nach außen hin vorgesehen.
  • In der in 1 dargestellten Ausführung umfasst das Brennstoffzellensystem 1 des Weiteren eine Rezirkulationseinrichtung 14, über welche das in dem Kathodenraum 3 gebildete Kathodengas über die Abführleitung 7, eine der Rezirkulationseinrichtung 14 zugeordnete Rückführleitung 15 und die Zuführleitung 6 wieder in den Kathodenraum 3 zurückgeführt werden kann.
  • Die Rückführleitung 15 erstreckt sich zwischen der Abführleitung 7 und der Zuführleitung 6, wobei die Rückführleitung 15 an der Abzweigung 16 und somit stromab des Expanders 11 von der Abführleitung 7 abzweigt. Die Rückführleitung 15 mündet an der Einmündung 17 in die Zuführleitung 6 ein, wobei die Einmündung 17 zwischen dem zweiten Absperrelement 13 und dem Verdichter 8 angeordnet ist.
  • In der gezeigten Ausführung ist das zweite Absperrelement 13 als Oxidationsmittelregelventil und als Systemeinlassklappe ausgebildet.
  • Das erste Absperrelement 12 ist als Drei-Wege-Ventil ausgebildet und insbesondere als Rezirkulationsventil und Systemauslassklappe konzipiert. Die Rückführleitung 15 zweigt somit unmittelbar von dem zweiten Absperrelement 13 ab.
  • In 2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel gezeigt, bei dem im Unterschied zur Ausführung gemäß 1 das erste Absperrelement 12 nicht als Drei-Wege-Ventil ausgebildet ist. Vielmehr ist dort vorgesehen, dass das erste Absperrelement 12 als Abgasregelventil und Systemauslassklappe ausgebildet ist. Ein separat dazu ausgebildetes Strömungswiderstandselement 18, welches im Ausführungsbeispiel ein Rezirkulationsventil ist, ist in der Rückführleitung 15 angeordnet. Bei dieser Ausführung zweigt die Rückführleitung 15 stromauf des ersten Absperrelements 12 und stromab des Expanders 11 von der Abführleitung 7 ab.
  • In 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel gezeigt, bei dem im Unterschied zur Ausgestaltung gemäß 1 das erste Absperrelement 12 zwischen dem Expander 11 und dem Kathodenraum 3 in der Abführleitung 7 angeordnet ist. Im Übrigen ist das Absperrelement 12 analog zum Absperrelement in 1 konzipiert.
  • In 4 ist ein viertes Ausführungsbeispiel gezeigt, bei dem das erste Absperrelement 12 analog zum Absperrelement 12 in 2 ausgebildet ist. Des Weiteren zweigt die Rückführleitung 15 an der Abzweigung 16 zwischen dem Expander 11 und dem Kathodenraum 3 von der Abführleitung 7 ab. In der Rückführleitung 15 ist wiederum ein Strömungswiderstandselement 18 gemäß der Ausführung in 2 angeordnet.
  • Durch die in den 1 bis 4 gezeigten Ausgestaltungen einer Vorrichtung zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems kann die Reduzierung der eingangs genannten Hauptdegradationsmechanismen erreicht werden. Die durch die genannten Hauptdegradationsmechanismen verursachten hohen Zellpotentiale können dadurch zumindest wesentlich reduziert werden, wobei zu diesem Zweck insbesondere die beiden Absperrelemente 12 und 13 vorgesehen sind, welche sich am Systemeinlass und am Systemauslass befinden, und welche beim Abstellen bzw. Abschalten des Brennstoffzellensystems 1 geschlossen werden, bevor der im Brennstoffzellensystem 1 befindliche Restsauerstoff verbraucht wird und das Brennstoffzellensystem 1 gasdicht abgeschlossen wird.
  • Gemäß den Ausführungen in 1 und 2 wird zur Kathodenrezirkulation ein Teil des Kathodengases vom Austritt des Expanders 11 zum Eintritt des Kompressors bzw. Verdichters 8 geführt. Durch das erste Absperrelement 12 wird die Menge des rezikulierten Kathodengases geregelt, wobei in Kombination mit dem zweiten Absperrelement 13, welches die Menge des zugeführten Oxidationsmittels regelt, eine entsprechende Verwendung vorgesehen ist.
  • In den Ausführungen gemäß 3 und 4 wird ein Teil des Kathodengases vom Eintritt des Expanders 11 zum Eintritt des Verdichters 8 geführt.
  • Insbesondere in den Ausführungen gemäß 1 und 2 kann auch eine Anordnung ohne den Expander 11 vorgesehen sein. Wird das Brennstoffzellensystems 1 abgestellt bzw. abgeschaltet, so wird nach Abreicherung des Oxidationsmittels durch die Kathodenrezirkulation in der Anordnung gemäß den Ausführungen in 1 und 3, das zweite Absperrelement 13 geschlossen sowie das erste Absperrelement 12 auf die Rezirkulationsposition gestellt, so dass das Brennstoffzellensystem 1 sauerstoffarm abgestellt ist und die Nachdiffusion von Sauerstoff erschwert oder verhindert wird.
  • In den Ausführungen gemäß 2 und 4 geschieht dies über das Schließen der beiden Absperrelemente 12 und 13 und das zumindest teilweise Öffnen, falls dies nicht ohnehin schon erfolgt ist, des Strömungswiderstandselements 18.
    • 1
    Brennstoffzellensystem
    2
    Brennstoffzelle
    3
    Kathodenraum
    4
    Anodenraum
    5
    Membran
    6
    Zuführleitung
    7
    Abführleitung
    8
    Verdichter
    9
    Motor
    10
    Welle
    11
    Expander
    12, 13
    Absperrelemente
    14
    Rezirkulationseinrichtung
    15
    Rückführleitung
    16
    Abzweigung
    17
    Einmündung
    18
    Strömungswiderstandselement

Claims (11)

  1. Vorrichtung zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems (1) mit zumindest einer Brennstoffzelle (2), welche einen Kathodenraum (3) aufweist, mit einer zum Kathodenraum (3) führenden Zuführleitung (6) zum Zuführen von Oxidationsmittel, und einer vom Kathodenraum (3) wegführenden Abführleitung (7), in welcher ein erstes Absperrelement (12) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass in der Zuführleitung (6) ein zweites Absperrelement (13) angeordnet ist.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass beide Absperrelemente (12, 13) in einem spezifischen Betriebszustand des Brennstoffzellensystems (1) geschlossen sind.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass beide Absperrelemente (12, 13) nach dem Abschalten des Brennstoffzellensystems (1) geschlossen sind.
  4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Absperrelement (13) stromauf eines mit der Zuführleitung (6) verbundenen Verdichters (8) angeordnet ist.
  5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Absperrelement (12) stromauf eines mit der Abführleitung (7) verbundenen Expanders (11) angeordnet ist.
  6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Absperrelement (12) stromab eines mit der Abführleitung (7) verbundenen Expanders (11) angeordnet ist.
  7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Rezirkulationseinrichtung (14) zur Rückführung des Kathodengases, welche eine sich zwischen der Zuführleitung (6) und der Abführleitung (7) erstreckende Rückführleitung (15) aufweist, in welcher ein Strömungswiderstandselement (18) angeordnet ist.
  8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückführleitung (15) stromauf des ersten Absperrelements (12) von der Abführleitung (7) abzweigt und stromab des zweiten Absperrelements (13) in die Zuführleitung (6) mündet.
  9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch eine Rezirkulationseinrichtung (14) zur Rückführung des Kathodengases, welche eine sich zwischen der Zuführlei tung (6) und der Abführleitung (7) erstreckende Rückführleitung (15) aufweist, und an der Abzweigung (16) der Rückführleitung (15) von der Abführleitung (7) ein als ein 3-Wege-Element, insbesondere ein 3-Wege-Ventil (13), ausgebildetes erstes Absperrelement (12) angeordnet ist.
  10. Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems (1) mit zumindest einer Brennstoffzelle (2), bei dem ein Oxidationsmittel über eine Zuführleitung (6) dem Kathodenraum (3) der Brennstoffzelle (2) zuführbar ist, und ein Kathodengas vom Kathodenraum (3) über eine Abführleitung (7) abführbar ist, wobei die Kathodengasabfuhr durch ein in der Abführleitung (6) angeordnetes erstes Absperrelement (12) dosierbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass abhängig von einem spezifischen Betriebszustand des Brennstoffzellensystems (1) die Zuführleitung (6) durch ein zweites Absperrelement (13) und die Abführleitung (7) durch das erste Absperrelement (12) geschlossen wird.
  11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Absperrelemente (12, 13) beim Abschalten des Brennstoffzellensystems (1) geschlossen werden, bevor der sich im Brennstoffzellensystem (1) befindliche Restanteil des Oxidationsmittels verbraucht wird und das Brennstoffzellensystem (1) gasdicht abgeschlossen wird.
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