DE102009006129A1 - Brennstoffzelle, Brennstoffzellensystem und Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzelle - Google Patents

Brennstoffzelle, Brennstoffzellensystem und Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzelle Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle (10) für ein Brennstoffzellensystem, insbesondere eines Fahrzeugs, mit einer Anode (12) und einer Kathode (14), wobei die Anode (12) mit einem Brennstoff und die Kathode (14) mit einem Oxidationsmittel beaufschlagbar ist, und wobei ein Schwingungsanregungselement (22) vorgesehen ist, mittels welchem die Brennstoffzelle (10) zumindest bereichsweise mit einer erzwungenen Schwingung beaufschlagbar ist. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Brennstoffzellensystem, insbesondere eines Fahrzeugs, mit einer solchen Brennstoffzelle (10) und ein Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzelle (10).

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle für ein Brennstoffzellensystem, insbesondere eines Fahrzeugs, mit einer Anode und einer Kathode, wobei die Anode mit einem Brennstoff und die Kathode mit einem Oxidationsmittel beaufschlagbar ist. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Brennstoffzellensystem, insbesondere für ein Fahrzeug, mit wenigstens einer solchen Brennstoffzelle sowie ein Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzelle für ein Brennstoffzellensystem.
  • Eine Brennstoffzelle der eingangs genannten Art ist aus dem Stand der Technik bekannt. Bei einer derartigen Brennstoffzelle kann es Situationen geben, in welchen ein Entfernen eines gegebenenfalls sich in der Brennstoffzelle befindenden flüssigen Mediums erwünscht ist. Hierbei ist es bei aus dem Stand der Technik bekannten Brennstoffzellen, insbesondere bei in einem Brennstoffzellenstapel eines Brennstoffzellensystems für ein Fahrzeug angeordneten Brennstoffzellen, bekannt, die Brennstoffzelle mit einem Luftstrom zu beaufschlagen und so das flüssige Medium aus der Brennstoffzelle auszutragen.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Brennstoffzelle und ein Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzelle der eingangs genannten Art zu schaffen, bei welcher bzw. bei welchem ein Entfernen eines gegebenenfalls sich in der Brennstoffzelle befindenden flüssigen Mediums erleichtert ist.
  • Diese Aufgabe wird durch eine Brennstoffzelle mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Des Weiteren wird diese Aufgabe durch ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Patentanspruchs 8, und durch ein Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzelle mit den Merkmalen des Patentanspruchs 9 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den jeweils abhängigen Patentansprüchen angegeben.
  • Bei der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle für ein Brennstoffzellensystem, insbesondere eines Fahrzeugs, mit einer Anode und einer Kathode, wobei die Anode mit einem Brennstoff und die Kathode mit einem Oxidationsmittel beaufschlagbar ist, ist ein Schwingungsanregungselement vorgesehen, mittels welchem die Brennstoffzelle zumindest bereichsweise mit einer erzwungenen Schwingung beaufschlagbar ist. Bei aktiviertem Schwingungsanregungselement ist ein Entfernen eines gegebenenfalls sich in der Brennstoffzelle befindenden Mediums, beispielsweise durch Beaufschlagen der Brennstoffzelle mit einem Luftstrom, erleichtert. Bei dem flüssigen Medium kann es sich insbesondere um Produktwasser handeln. Kühlt bei einer Betriebsunterbrechung die Brennstoffzelle ab oder liegen sinkende Außentemperaturen vor, so ist eine Kondensation von Produktwasser und damit eine Bildung von Tropfen flüssigen Produktwassers in der Brennstoffzelle verstärkt gegeben.
  • Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass ein Entfernen derartiger Tropfen von Vorteil ist, um einerseits eine weitgehend ungehinderte Beaufschlagung der Kathode mit dem Oxidationsmittel bzw. der Anode mit dem Brennstoff zu gewährleisten. Andererseits ist infolge eines Entfernens der Tropfen aus der Brennstoffzelle eine Einschränkung der Funktionstüchtigkeit oder eine Beschädigung der Brennstoffzelle infolge eines Gefrierens der Tropfen vermeidbar.
  • In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist mittels des Schwingungsanregungselements eine Tropfengröße des sich gegebenenfalls in der Brennstoffzelle befindenden Mediums verringerbar. Wird ein vergleichsweise großer Tropfen somit bei aktiviertem Schwingungsanregungselement in feine Tröpfchen zerstäubt, so ist ein Austreiben aus der Brennstoffzelle, beispielsweise durch Beaufschlagen mit dem Luftstrom, erleichtert. Des Weiteren sorgt ein Verringern der Tropfengröße dafür, dass die Wahrscheinlichkeit einer Beschädigung beim Einfrieren der Brennstoffzelle sehr weitgehend verringert ist. Darüber hinaus sind Brennstoff und/oder Oxidationsmittel führende Kanäle und/oder Diffusionsschichten oder dergleichen so besonders gut durchströmbar.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst das Schwingungsanregungselement einen, insbesondere in einem Frequenzbereich von 500 kHz bis 10 MHz, bevorzugt von 1 MHz bis 3 MHz, betreibbaren Ultraschallanreger. Durch ein solches hochfrequentes Schwingungsanregungselement ist ein besonderes feines Zerstäuben von Tropfen ermöglicht.
  • Als weiter vorteilhaft hat es sich gezeigt, wenn das Schwingungsanregungselement in einem Abschaltbetrieb der Brennstoffzelle zumindest zeitweise aktiviert ist. Dadurch ist sicherstellbar, dass mit dem Abschalten der Brennstoffzelle und dem damit einhergehenden Abkühlen sich verstärkt durch Kondensation bildende Produktwasser-Tröpfchen in einer Form vorliegen, welche erleichtert aus der Zelle austreibbar sind. Das Austreiben von in der Brennstoffzelle gebildetem oder sich beim Abkühlen bildendem Produktwasser sorgt dafür, dass eine Schädigung der Brennstoffzelle infolge eines Einfrierens vermeidbar ist. Des Weiteren ist bei ausgetriebenem flüssigem Produktwasser ein Gasfluss durch die Brennstoffzelle und insbesondere durch eine Gasdiffusionsschicht der Brennstoffzelle erleichtert.
  • Hierbei kann insbesondere das Aktivieren des Schwingungsanregungselements im Abschaltbetrieb in Abhängigkeit von einer Temperatur erfolgen. Beispielsweise ist bei einer vergleichsweise niedrigen Temperatur der Brennstoffzelle, welche zu einer verstärkten Kondensation von sich in der Brennstoffzelle befindendem Wasser führt, ein effizientes Austreiben bei aktiviertem Schwingungsanregungselement von Vorteil. Ebenso ist es von Vorteil, eine Aktivität des Schwingungsanregungselements davon abhängig zu machen, ob Umgebungstemperaturen von weniger als 0°C vorliegen, da bei solchen Umgebungstemperaturen ein Verbleiben vom flüssigem Produktwasser in der Brennstoffzelle besonders kritisch ist.
  • Von Vorteil ist es weiterhin, wenn das Schwingungsanregungselement zumindest bereichsweise mit einem Verteilelement für den Brennstoff und/oder für das Oxidationsmittel und/oder zumindest bereichsweise mit einem die Anode und die Kathode voneinander trennenden Trennelement in Anlage ist. Bei dem Verteilelement kann es sich insbesondere um eine Bipolarplatte handeln, welche zum Verteilen des Brennstoffstroms auf der Anode bzw. des Oxidationsmittelstroms auf der Kathode dienende Kanäle oder dergleichen aufweist. Mittels einer solchen Bipolarplatte ist darüber hinaus eine weitere Brennstoffzelle elektrisch kontaktierbar. Bei dem Trennelement handelt es sich bei für mobile Anwendungen, bevorzugt in einem Fahrzeug, einsetzbare Brennstoffzellen üblicherweise um eine Polymer-Elektrolyt-Membran (PEM). Das direkte Koppeln des Schwingungsanregungselements mit dem Trennelement und/oder mit dem Verteilelement ermöglicht ein besonders wirkungsvolles Beaufschlagen der Brennstoffzelle mit der erzwungenen Schwingung.
  • Ergänzend oder alternativ kann jedoch das Schwingungsanregungselement sich zumindest bereichsweise außerhalb eines die Brennstoffzelle oder den mehrere Brennstoffzellen beinhaltenden Brennstoffzellenstapel umgebenden Gehäuses befinden und so über ein Anregen des Gehäuses für ein Anregen von Komponenten der Brennstoffzelle sorgen.
  • Ist die Brennstoffzelle zumindest bereichsweise aus einem hydrophilen Material gebildet, so führt auch dies zu einem Verringern der Tropfengröße des gegebenenfalls sich in der Brennstoffzelle befindenden flüssigen Mediums. Dies ermöglicht ein Reduzieren der Aktivität des Schwingungsanregungselements und somit ein Verringern des Energiebedarfs des Schwingungsanregungselements.
  • Eine hydrophile Eigenschaft von Komponenten der Brennstoffzelle kann beispielsweise dadurch eingestellt werden, dass nur ein Teilbereich von mit dem flüssigen Medium in Kontakt bringbaren Komponenten der Brennstoffzelle mit einer hydrophoben Beschichtung, beispielsweise mit Teflon, versehen ist. Die nicht mit Teflon beschichteten Bereiche sind dann hydrophiler als die mit Teflon beschichteten. Ergänzend oder alternativ kann vorgesehen sein, beim Herstellen von Komponenten der Brennstoffzelle ein Spritzgussverfahren einzusetzen, wobei durch Variieren der Prozessparameter beim Spritzgießen eine Oberflächenbeschaffenheit des Materials so einstellbar ist, dass Tropfen sich vergleichsweise gut an dieser Oberfläche anlagern können. Eine derartige Oberfläche ist dann hydrophiler als eine Oberfläche mit Wasser abweisender Oberflächenstruktur.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt wird die oben genannte Aufgabe gelöst durch ein Brennstoffzellensystem, insbesondere für ein Fahrzeug, wobei das Brennstoffzellensystem eine erfindungsgemäße Brennstoffzelle aufweist.
  • Das, insbesondere für mobile Anwendungen, bevorzugt in einem Fahrzeug einsetzbare Brennstoffzellensystem kann eine Vielzahl von vorliegend nicht näher in ihren Funktionen beschriebenen weiteren Komponenten, beispielsweise entsprechende Zufuhrleitungen und Abfuhrleitungen für den Brennstoff bzw. für das Oxidationsmittel umfassen. Ebenso können, insbesondere ein Gebläse aufweisende, Rückführeinrichtungen vorgesehen sein. Das Oxidationsmittel kann Sauerstoff oder ein sauerstoffhaltiges Gas, z. B. Luft umfassen. Als Brennstoff ist insbesondere Wasserstoffgas einsetzbar. Zum Einstellen und Überwachen eines Drucks des Brennstoffs und/oder des Oxidationsmittels können entsprechende Einrichtungen, etwa Druckregelorgane, Ventile, Drucksensoren und dergleichen vorgesehen sein.
  • Die vorstehende Beschreibung von Komponenten des Brennstoffzellensystems ist beispielhaft und nicht abschließend oder einschränkend zu verstehen, und es kann eine Vielzahl weiterer, üblicher Komponenten vorhanden sein.
  • Ein Entfernen eines gegebenenfalls sich in der Brennstoffzelle befindenden flüssigen Mediums ist auch durch ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzelle erleichtert. Bei diesem Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzelle für ein Brennstoffzellensystem, insbesondere eines Fahrzeugs, mit einer Anode und einer Kathode, wobei die Anode mit einem Brennstoff und die Kathode mit einem Oxidationsmittel beaufschlagbar ist, wird mittels eines Schwingungsanregungselements die Brennstoffzelle zumindest bereichsweise mit einer erzwungenen Schwingung beaufschlagt.
  • Die für die erfindungsgemäße Brennstoffzelle beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen und Vorteile gelten auch für das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzelle.
  • Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
  • Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:
  • 1 eine schematische Darstellung einer einen Ultraschallanreger aufweisenden Brennstoffzelle eines Brennstoffzellensystems für ein Fahrzeug bei nicht aktiviertem Ultraschallanreger; und
  • 2 die Brennstoffzelle gemäß 1 bei im Abschaltbetrieb der Brennstoffzelle aktiviertem Ultraschallanreger.
  • Eine in 1 schematisch gezeigte Brennstoffzelle 10 ist Bestandteil eines Brennstoffzellenstapels, welcher eine Vielzahl von elektrisch miteinander gekoppelten Brennstoffzellen 10 umfasst. Ein Brennstoffzellensystem, welches einen solchen Brennstoffzellenstapel aufweist, ist vorliegend in einem Fahrzeug angeordnet.
  • Die einzelne Brennstoffzelle 10 des Brennstoffzellenstapels umfasst eine Anode 12, welche als Gasdiffusionselektrode (gas diffusion electrode, GDE) ausgebildet ist. Die Anode 12 ist von einer ebenfalls als Gasdiffusionselektrode ausgebildeten Kathode 14 mittels einer Polymer-Elektrolyt-Membran (PEM) oder Protonenaustauschmembran (proton exchange membrane, PEM) als Beispiel für ein Trennelement 16 getrennt. Das Trennelement 16 ist bei der elektrochemischen Reaktion von Brennstoff und Oxidationsmittel für Protonen durchlässig, jedoch nicht für Elektronen.
  • Zum Zuführen und Verteilen von Wasserstoffgas als Brennstoff zu der Anode 12 sind in einer Bipolarplatte 18 Kanäle 20 ausgebildet. Die Bipolarplatte 18 dient als Verteilelement für den Brennstoff und gleichzeitig dem elektrischen Kontaktieren der benachbarten, gleichartig aufgebauten, jedoch vorliegend nicht gezeigten Brennstoffzelle 10 des Brennstoffzellenstapels. In analoger Weise weist die zum Zuführen und Verteilen von Luft als Oxidationsmittel vorgesehene kathodenseitige Bipolarplatte 18 ebenfalls entsprechende Kanäle 20 auf.
  • Die Brennstoffzelle 10 umfasst einen Ultraschallanreger 22, welcher vorliegend mit dem Trennelement 16, mit den Bipolarplatten 18 und mit den Gasdiffusionsschichten gekoppelt ist. 1 zeigt schematisch einen Zustand der Brennstoffzelle 10, bei welchem der Ultraschallanreger 22 nicht aktiviert ist. Entsprechend befinden sich sowohl im Bereich der Kanäle 20 als auch im Bereich der Anode 12 und der Kathode 14 eine vergleichsweise große Anzahl relativ großer Wassertropfen 24. Diese Wassertropfen 24 rühren unter anderem von bei der elektrochemischen Reaktion gebildetem Produktwasser her. Auch infolge einer Befeuchtung des Brennstoffstroms und/oder des Oxidationsmittelstroms wird jedoch Wasser in die Brennstoffzelle 10 eingebracht, welches sich in Form von Wassertropfen 24 in dieser befindet. Derartige Wassertropfen 24 bilden sich darüber hinaus beim Abschalten der Brennstoffzelle 10 bei der mit dem Abschalten einhergehenden Abkühlung infolge Kondensation verstärkt.
  • Ein Verbleiben dieser vergleichsweise großen Wassertropfen 24 in der Brennstoffzelle 10 nach dem Abschalten der Brennstoffzelle ist ungünstig, insbesondere, wenn Außentemperaturen von weniger als 0°C vorliegen. Einerseits führen die Wassertropfen 24 zu einer verringerten Durchlässigkeit der Gasdiffusionsschichten und der Kanäle 20. Andererseits kann durch Einfrieren der Wassertropfen 24 eine Beschädigung und/oder eine Einschränkung der Funktionstüchtigkeit der Brennstoffzelle 10 erfolgen. Vorliegend ist daher vorgesehen, in einem Abschaltbetrieb der Brennstoffzelle 10 den Ultraschallanreger 22 zu aktivieren.
  • Dies führt dazu, dass die großen Wassertropfen 24 zu vergleichsweise kleinen Wassertröpfchen 26 zerstäubt werden. Insbesondere in Zusammenschau von 1 und 2 ist erkennbar, dass eine Anzahl kleinvolumiger Wassertröpfchen 26 durch Aktivieren des Ultraschallanregers 22 sowohl innerhalb der Gasdiffusionsschichten als auch innerhalb der Kanäle 20 der Bipolarplatten 18 stark erhöht ist.
  • Durch Wählen der Frequenz, mit welcher der Ultraschallanreger 22 betrieben wird, ist hierbei eine Größe der Wassertröpfchen 26 einstellbar. 2 zeigt die Brennstoffzelle 10 gemäß 1 bei aktiviertem Ultraschallanreger 22. Entsprechend befinden sich vergleichsweise viele fein zerstäubte Wassertröpfchen 26 in der Brennstoffzelle 10. Diese Wassertröpfchen 26 sind leicht durch Beaufschlagen der Brennstoffzelle 10 mit einem Luftstrom aus dieser entfernbar. Darüber hinaus sind fein zerstäubte Wassertröpfchen 26 hinsichtlich einer Verringerung der Durchlässigkeit der Gasdiffusionsschichten und der Kanäle 20 und hinsichtlich der mit dem Einfrieren von Wassertröpfchen 26 einhergehenden Folgen vergleichsweise unkritisch.
  • In einer alternativen, vorliegend nicht gezeigten Ausführungsform der Brennstoffzelle 10 kann zusätzlich eine Heizeinrichtung vorgesehen sein, mittels welcher die Brennstoffzelle 10 mit Wärme beaufschlagbar ist. Dieses Beaufschlagen mit Wärme kann zusätzlich zum Aktivieren des Ultraschallanregers 22, das Entfernen von flüssigem Wasser aus der Brennstoffzelle 10 unterstützend, zum Einsatz kommen. In vorteilhafter Weise kann die Heizeinrichtung hierbei einen Wärmespeicher umfassen oder als Wärmespeicher ausgebildet sein, so dass ein besonderes energieeffizientes Beaufschlagen der Brennstoffzelle 10 mit Wärme ermöglicht ist.
    • 10
    Brennstoffzelle
    12
    Anode
    14
    Kathode
    16
    Trennelement
    18
    Bipolarplatte
    20
    Kanal
    22
    Ultraschallanreger
    24
    Wassertropfen
    26
    Wassertröpfchen

Claims (10)

  1. Brennstoffzelle für ein Brennstoffzellensystem, insbesondere eines Fahrzeugs, mit einer Anode (12) und einer Kathode (14), wobei die Anode (12) mit einem Brennstoff und die Kathode (14) mit einem Oxidationsmittel beaufschlagbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein Schwingungsanregungselement (22) vorgesehen ist, mittels welchem die Brennstoffzelle (10) zumindest bereichsweise mit einer erzwungenen Schwingung beaufschlagbar ist.
  2. Brennstoffzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mittels des Schwingungsanregungselements (22) eine Tropfengröße eines sich gegebenenfalls in der Brennstoffzelle (10) befindenden flüssigen Mediums (24) verringerbar ist.
  3. Brennstoffzelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Schwingungsanregungselement einen, insbesondere in einem Frequenzbereich von 500 kHz bis 10 MHz, bevorzugt von 1 MHz bis 3 MHz, betreibbaren, Ultraschallanreger (22) umfasst.
  4. Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Schwingungsanregungselement (22) in einem Abschaltbetrieb der Brennstoffzelle (10) zumindest zeitweise aktiviert ist.
  5. Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Schwingungsanregungselement (22) zumindest bereichsweise mit einem Verteilelement (18) für den Brennstoff und/oder für das Oxidationsmittel und/oder zumindest bereichsweise mit einem die Anode und die Kathode voneinander trennenden Trennelement (16) in Anlage ist.
  6. Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzelle (10) zumindest bereichsweise aus einem hydrophilen Material gebildet ist.
  7. Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine, insbesondere einen Wärmespeicher umfassende, Heizeinrichtung vorgesehen ist, mittels welcher die Brennstoffzelle (10) mit Wärme beaufschlagbar ist.
  8. Brennstoffzellensystem, insbesondere für ein Fahrzeug, mit wenigstens einer Brennstoffzelle, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Brennstoffzelle (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 ausgebildet ist.
  9. Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzelle (10) für ein Brennstoffzellensystem, insbesondere eines Fahrzeugs, mit einer Anode (12) und einer Kathode (14), wobei die Anode (12) mit einem Brennstoff und die Kathode (14) mit einem Oxidationsmittel beaufschlagbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass mittels eines Schwingungsanregungselements (22) die Brennstoffzelle (10) zumindest bereichsweise mit einer erzwungenen Schwingung beaufschlagt wird.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Schwingungsanregungselement (22) in einem Abschaltbetrieb der Brennstoffzelle (10) zumindest zeitweise aktiviert wird.
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