DE102008018941A1 - Oxidationsschutz für Brennstoffzellenanoden - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem (10) und einen Brennstoffzellenstapel (14). In einem Bereich einer Anode (21) des Brennstoffzellensystems (10) bzw. -stapels (14) ist eine Sauerstoffpumpe (22, 24) angeordnet, die dazu vorgesehen ist, ein Diffundieren von Sauerstoff (40, 42) in das Brennstoffzellensystem (10) bzw. den Brennstoffzellenstapel (14) zu verhindern.
Außerdem betrifft die Erfindung zwei Steuerungsgeräte (34). Das erste Steuerungsgerät (34) ist dazu vorgesehen, eine gepulste Gleichspannung oder eine Wechselspannung an die Sauerstoffpumpe (22, 24) eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems (10) bzw. -stapels (14) anzuschließen. Das zweite Steuerungsgerät (34) ist dazu vorgesehen, mittels der Sauerstoffpumpe (22, 24) eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems (10) bzw. -stapels (14) eine Sauerstoffpartialdruckmessung, eine Dichtigkeitsprüfung und/oder eine Umsatzmessung an dem Brennstoffzellensystem (10) bzw. -stapel (14) durchzuführen.
Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Schutz einer Anode (21) einer Brennstoffzelle. Dazu wird an eine Sauerstoffpumpe (22, 24), die in einem Bereich einer Anode (21) der Brennstoffzelle angeordnet ist, eine Spannung angelegt.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem.
  • Außerdem betrifft die Erfindung einen Brennstoffzellenstapel. Der Brennstoffzellenstapel kann auch als Brennstoffzellenstack bezeichnet werden.
  • Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Steuerungsgerät.
  • Des Weiteren betrifft die Erfindung ein weiteres Steuerungsgerät.
  • Schließlich betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Schutz einer Anode einer Brennstoffzelle.
  • Bei jedem Abkühlen beziehungsweise Herunterfahren eines Brennstoffzellensystems gelangt Sauerstoff durch Diffusion über Zuleitungen und Ableitungen – beispielsweise über ein Abgasrohr – in den Brennstoffzellenstapel und fördert dort eine Oxidation der Anoden. Diese Oxidation kann unerwünschte Wirkungen haben, die eine Langzeitstabilität des Betriebs des Brennstoffzellensystems nachteilig beeinflussen.
  • Zur Vermeidung dieser unerwünschten Oxidation werden in manchen konventionellen Brennstoffzellensystemen Flaschen mit Inertgas vorgehalten, mit denen das Brennstoffzellensystem bei einer Oxidationsgefahr für die Anoden geflutet wird und so ein Oxidieren der Anoden verhindert wird. Eine andere Möglichkeit zur Vermeidung der Oxidation ist eine Verwendung von Sauerstofffiltern, die in den Gaswegen zu und von den Anoden im System verbaut werden. Diese Sauerstofffilter oxidieren bei Anwesenheit von Sauerstoff zeitlich vor der Anode und verbrauchen dabei in Anodenwege hineindiffundierenden Sauerstoff, bevor der Sauerstoff die Anode beschädigt, so dass die Anode auch auf diese Weise vor Oxidation geschützt wird.
  • Nachteilig bei dem erstgenannten konventionellen Verfahren sind die Kosten, das zusätzliche Gewicht und der Wartungsaufwand für die Flaschen mit dem Inertgas, so dass dieses Verfahren allenfalls für Brennstoffzellensysteme mit großer Leistung annehmbar ist. Das zweitgenannte konventionelle Verfahren hat den Nachteil, dass die Sauerstofffilter während des gesamten Wirkbetriebs des Brennstoffzellensystems einen Druckverlust in denjenigen Leitungen verursachen, die zur Anode hinführen und von ihr wegführen. Dieser Druckver lust wirkt sich nachteilig auf einen Gesamtwirkungsgrad des Brennstoffzellensystems aus. Außerdem ist damit zu rechnen, dass die Sauerstofffilter nur eine begrenzte Anzahl von Redoxzyklen vertragen und dann ausgetauscht werden müssen.
  • Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Oxidationsschutz für Teile eines Brennstoffzellensystems bereitzustellen, der weniger Kosten, weniger zusätzliches Gewicht und weniger Wartungsaufwand verursacht, als das konventionelle Verfahren.
  • Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst.
  • Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
  • Die Erfindung baut auf einem gattungsgemäßen Brennstoffzellensystem dadurch auf, dass in einem Bereich einer Anode des Brennstoffzellensystems eine Sauerstoffpumpe angeordnet ist, die dazu vorgesehen ist, ein Diffundieren von Sauerstoff in den Brennstoffzellenstapel zu verhindern. Sauerstoffpumpen sind kostengünstig und wartungsfrei realisierbar.
  • Die Erfindung baut auf einem gattungsgemäßen Brennstoffzellenstapel dadurch auf, dass in einem Bereich einer Anode des Brennstoffzellenstapels eine Sauerstoffpumpe angeordnet ist, die dazu vorgesehen ist, ein Diffundieren von Sauerstoff in den Brennstoffzellenstapel zu verhindern.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform ist in einem Bereich eines Brennstoffzufuhranschlusses der Vorrichtung eine Sauerstoffpumpe angeordnet.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist in einem Bereich eines Anodenrestgasanschlusses eine Sauerstoffpumpe angeordnet. Vorzugsweise wird je eine Sauerstoffpumpe an dem Brennstoffzufuhranschluss und an dem Anodenrestgasanschluss angeordnet. Mit den Sauerstoffpumpen wird (über die Zu- und Ableitungsrohre) in das Brennstoffzellensystem eindiffundierender Sauerstoff in eine Umgebung des Brennstoffzellensystems abgepumpt, bevor er die Anode erreicht. Der Sauerstoff diffundiert damit nicht in die Anode ein und kann sie so nicht schädigen. Eine Oxidation der Anoden während des Abschaltvorgangs wird damit wirksam verhindert und eine Lebensdauer des Brennstoffzellenstapels verlängert.
  • In einer auch bevorzugten Ausführungsform umfasst die Sauerstoffpumpe eine Zelle (Pumpzelle), die auf Zirkonoxid basiert. Eine solche Art von Sauerstoffpumpe ist wartungsfrei und kann in einfach zu realisierender Weise durch Anlegen einer Spannung angetrieben werden.
  • Außerdem ist eine Ausführungsform vorteilhaft, in der die Sauerstoffpumpe eine Zelle umfasst, deren Elektroden aus Platin oder aus einem Perovskit bestehen.
  • In einer ebenfalls bevorzugten Ausführungsform ist die Sauerstoffpumpe in den Brennstoffzellenstapel integriert. Vorzugsweise ist hierfür die stromerzeugende Membran-Elektrodeneinheit jeder Zelle im Brennstoffzellenstapel (bzw. bei gasseitig serieller Verschaltung der ersten und letzten Zelle im Brennstoffzellenstapel) in jeweils einen stromerzeugenden Abschnitt und einen dem stromerzeugenden Abschnitt stromaufwärts beziehungsweise stromabwärts vor- beziehungsweise nachgelagerten sauerstoffpumpenden Abschnitt funktionell aufgeteilt. Der Elektrolyt des jeweiligen sauerstoffpumpenden Abschnitts kann vom stromerzeugenden Abschnitt getrennt angeordnet sein. Alternativ können sich die beiden Bereiche einen Elektrolyten teilen, wobei sie sich nur in den elektrischen Anschlüssen und mindestens einer Elektrode unterscheiden.
  • Die Erfindung baut auf einem gattungsgemäßen Steuerungsgerät dadurch auf, dass das Steuerungsgerät dazu vorgesehen ist, eine gepulste Gleichspannung oder eine Wechselspannung an die Sauerstoffpumpe einer Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7 anzulegen. Damit können unerwünschte Wirkungen in der Pumpzelle – wie beispielsweise eine Polarisation oder Elektrolyse eines Festelektrolyten – vermieden werden.
  • Die Erfindung baut auf einem gattungsgemäßen weiteren Steuerungsgerät dadurch auf, dass das Steuerungsgerät dazu vorgesehen ist, mittels der Sauerstoffpumpe einer Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8 eine Sauerstoffpartialdruckmessung, eine Dichtigkeitsprüfung und/oder eine Umsatzmessung an der Vorrichtung durchzuführen. Bei Verwendung von zwei auf Zirkonoxid basierenden Zellen kann in einem Wirkbetrieb (Stationärbetrieb) des Brennstoffzellensystems ein Sauerstoffpartialdruck vor und hinter dem Brennstoffzellenstapel gemessen werden, wobei die Zellen ohne Anlegen einer Spannung, d. h. stromlos, betrieben werden. Basierend auf einer Spannung, die an der Zelle gemessen wird, die bezüglich des Brennstoffzellenstapels (in Reformatflussrichtung gesehen) eingangsseitig angeordnet ist, kann eine Lambdaregelung für den vorgeschalteten Reformer realisiert werden. Bei Verwendung beider Spannungen, d. h. sowohl der Zellspannung der eingangsseitigen Zelle als auch der ausgangsseitigen Zelle hinter dem Brennstoffzellenstapel, kann auf einen Umsatz im Brennstoffzellenstapel rückgeschlossen werden. Darauf wiederum kann sich eine Umsatzregelung für den Brennstoffzellenstapel stützen. Außerdem kann – basierend auf den beiden gemessenen Spannungen – auch eine Dichtigkeitsprüfung im stromlosen Betrieb des Brennstoffzellenstapels durchgeführt werden. Dazu können die beiden gemessenen Spannungen in Sauerstoffpartialdrücke umgerechnet und in einem Steuerungsgerät miteinander verglichen werden. Bei einem gasdichten Brennstoffzellenstapel sind die beiden gemessenen Spannungen beziehungsweise die beiden Sauerstoffpartialdrücke gleich, bei einem undichten Brennstoffzellenstapel hingegen unterschiedlich.
  • Die Erfindung baut auf einem gattungsgemäßen Verfahren zum Schutz einer Anode einer Brennstoffzelle dadurch auf, dass eine Spannung an eine Sauerstoffpumpe angelegt wird, die in einem Bereich einer Anode der Brennstoffzelle angeordnet ist.
  • Die Erfindung wird nun mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen anhand besonders bevorzugter Ausführungsformen beispielhaft erläutert.
  • Es zeigen:
  • 1 ein schematisches Blockschaltbild einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems in einer Abschaltphase; und
  • 2 ein schematisches Blockschaltbild einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems im Wirkbetrieb.
  • Im Folgenden werden Merkmale der in den Figuren dargestellten Anordnung beschrieben, welche in einer gemeinsamen Ausführungsform verwirklicht sein können.
  • Das in 1 gezeigte Brennstoffzellensystem 10 umfasst einen Reformer 12, einen Brennstoffzellenstapel 14 und einen Nachbrenner 16. Im Wirkbetrieb wird von dem Reformer 12 ein Reformat über ein erstes Rohr 18 zu einer Anode 21 des Brennstoffzellenstapels 14 geleitet. Außerdem wird im Wirkbetrieb ausgehend von dem Brennstoffzellenstapel 14 ein Anodenrestgas über ein zweites Rohr 20 zu dem Nachbrenner 16 geleitet. Von dem Rohr 18 bzw. 20 sind in der Figur die vier sichtbaren Kanten der oberen und unteren Rohrwandung eines Schnitts durch das Rohr 18 bzw. 20 dargestellt. In der Wandung des Rohrs 18 bzw. 20 ist jeweils eine auf Zirkonoxid basierende erste Zelle 22 bzw. zweite Zelle 24, deren Elektroden 26, 28, 30, 32 aus Platin oder aus einem Perovskit bestehen, angeordnet. Ein elektrisches Steuerungsgerät 34 ist dazu vorgesehen, während eines Abschaltvorgangs des Brennstoffzellensystems mittels der zweipoligen elektrischen Anschlussleitungen 36 bzw. 38 jeweils eine Spannung an den Elektrodenpaaren 26, 28 bzw. 30, 32 anzulegen. Damit wird in den Rohren 18 bzw. 20 enthaltener Sauerstoff 40 bzw. 42 in die Umgebung 44, 46 gepumpt.
  • Das in 2 dargestellte Brennstoffzellensystem 10 ist weitgehend genauso aufgebaut, wie das in 1 gezeigte Brennstoffzellensystem 10. In 2 werden die Zellen allerdings dadurch in einer umgekehrten Richtung betrieben, dass das Steuerungsgerät 34 über die Anschlussleitungen 36 bzw. 38 keine Spannung an die Zellen 22 bzw. 24 anlegt, sondern einen Wert einer durch die Zellen 22 bzw. 24 selbst erzeugten Spannung über die Anschlussleitungen 36 bzw. 38 erfasst und misst. Auswertungsmöglichkeiten der so festgestellten Spannungswerte sind im allgemeinen Teil beschrieben.
  • Die in der vorstehenden Beschreibung, in den Zeichnungen sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung wesentlich sein.
    • 10
    Brennstoffzellensystem
    12
    Reformer
    14
    Brennstoffzellenstapel
    16
    Nachbrenner
    18
    erstes Rohr
    20
    zweites Rohr
    21
    Anode
    22
    erste Zelle
    24
    zweite Zelle
    26
    erste Elektrode
    28
    zweite Elektrode
    30
    dritte Elektrode
    32
    vierte Elektrode
    34
    Steuerungsgerät
    36
    erste zweipolige Anschlussleitung
    38
    zweite zweipolige Anschlussleitung
    40
    Sauerstoff im ersten Rohr
    42
    Sauerstoff im zweiten Rohr
    44
    Umgebung des ersten Rohrs
    46
    Umgebung des zweiten Rohrs

Claims (10)

  1. Brennstoffzellensystem (10), dadurch gekennzeichnet, dass in einem Bereich einer Anode (21) des Brennstoffzellensystems (10) eine Sauerstoffpumpe (22, 24) angeordnet ist, die dazu vorgesehen ist, ein Diffundieren von Sauerstoff (40, 42) in den Brennstoffzellenstapel (14) zu verhindern.
  2. Brennstoffzellenstapel (14), dadurch gekennzeichnet, dass in einem Bereich einer Anode (21) des Brennstoffzellenstapels (14) eine Sauerstoffpumpe (22, 24) angeordnet ist, die dazu vorgesehen ist, ein Diffundieren von Sauerstoff (40, 42) in den Brennstoffzellenstapel (14) zu verhindern.
  3. Vorrichtung (10, 14) gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Bereich eines Brennstoffzufuhranschlusses (18) der Vorrichtung (10, 14) eine Sauerstoffpumpe (22) angeordnet ist.
  4. Vorrichtung (10, 14) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Bereich eines Ano denrestgasanschlusses (20) der Vorrichtung (10, 14) eine Sauerstoffpumpe (24) angeordnet ist.
  5. Vorrichtung (10, 14) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Sauerstoffpumpe (22, 24) eine Zelle (22, 24) umfasst, die auf Zirkonoxid basiert.
  6. Vorrichtung (10, 14) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Sauerstoffpumpe (22, 24) eine Zelle (22, 24) umfasst, deren Elektroden (26, 28, 30, 32) aus Platin oder aus einem Perovskit bestehen.
  7. Vorrichtung (10, 14) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Sauerstoffpumpe (22, 24) in den Brennstoffzellenstapel (14) integriert ist.
  8. Steuerungsgerät (34), dadurch gekennzeichnet, dass das Steuerungsgerät (34) dazu vorgesehen ist, eine gepulste Gleichspannung oder eine Wechselspannung an die Sauerstoffpumpe (22, 24) einer Vorrichtung (10, 14) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7 anzulegen.
  9. Steuerungsgerät (34), dadurch gekennzeichnet, dass das Steuerungsgerät (34) dazu vorgesehen ist, mittels der Sauerstoffpumpe (22, 24) einer Vorrichtung (10, 14) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8 eine Sauerstoffpartialdruckmessung, eine Dichtigkeitsprüfung und/oder eine Umsatzmessung an der Vorrichtung (10, 14) durchzuführen.
  10. Verfahren zum Schutz einer Anode (21) einer Brennstoffzelle, gekennzeichnet durch Anlegen einer Spannung an eine Sauerstoffpumpe (22, 24), die in einem Bereich einer Anode (21) der Brennstoffzelle angeordnet ist.
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