DE102011089094A1

DE102011089094A1 - Hochdruckbetrieb einer Brennstoffzellenanode

Info

Publication number: DE102011089094A1
Application number: DE102011089094A
Authority: DE
Inventors: Ulrich Gottwick; Gunter Wiedemann; Stefan Schoenbauer
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2011-12-20
Filing date: 2011-12-20
Publication date: 2013-06-20
Also published as: KR101994628B1; KR20130071380A

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Brennstoffzelle beziehungsweise eines Brennstoffzellensystems, welche/s eine Anode (1), eine Kathode (2) und einen dazwischen angeordneten Elektrolyten (3) umfasst, wobei die Anode (1) in einem Anodengasraum (A) angeordnet ist und die Kathode (2) in einem Kathodengasraum (K) angeordnet ist. Um das Brennstoffzellensystem zu vereinfachen und Gasverluste, welche üblicherweise durch Spülvorgänge (Purgen) entstehen, zu vermeiden werden dem Anodengasraum (A) ein Brenngas und dem Kathodengasraum (K) Sauerstoff derart zugeführt, dass der Druck (pA) im Anodengasraum (A) mindestens 1,5 bar höher als der Druck (pK) im Kathodengasraum (K) ist. Darüber hinaus betrifft die Erfindung eine Brennstoffzelle, ein Brennstoffzellensystem und ein mobiles oder stationäres System, wie ein Fahrzeug oder eine Kraft-Wärme-Kopplungsanlage.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Brennstoffzelle beziehungsweise eines Brennstoffzellensystems, eine Brennstoffzelle, ein Brennstoffzellensystem und ein mobiles oder stationäres System, wie ein Fahrzeug oder eine Kraft-Wärme-Kopplungsanlage.
Stand der Technik
Bei Brennstoffzellensystemen mit Protonenaustauschmembran (PEM; englisch: Proton Exchange Membrane) sammeln sich auf der Anodenseite neben Wasserstoff Fremdgase an, die im Wesentlichen aus Verunreinigungen des Brennstoffs, aus permeierten Gasen, wie Stickstoff und Wasserdampf, und gegebenenfalls flüssigem Wasser bestehen. Herkömmlicherweise werden diese Fremdgase durch Spülen, so genanntes Purgen, des Gasgemisches in der Konzentration begrenzt. Damit in den Gaskanälen des Brennstoffzellensystems keine Wasserstoffunterversorgung auftritt wird das Anodengas üblicherweise durch eine Düsenpumpe (englisch: Jet Pump) oder ein Wasserstoffrezirkulationsgebläse (HRB; englisch: Hydrogen Recirculation Blower) im Kreis rezirkuliert. Der Anodendruck wird herkömmlicherweise so eingeregelt, dass er im Wesentlichen dem Kathodendruck entspricht. Um dies zu erreichen werden herkömmlicherweise ein Wasserstoffdruckregelventil, ein Wasserstoffrezirkulationsgebläse und ein Purgeventil verbaut.
Die Druckschriften US 2007/0026268 A1 , US 2008/0124591 A1 und DE 10 2009 033 023 A1 beschreiben mit Wasserstoff betriebene Brennstoffzellensysteme.
Offenbarung der Erfindung
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Betrieb einer Brennstoffzelle beziehungsweise eines Brennstoffzellensystems, welche/s eine Anode, eine Kathode und einen dazwischen angeordneten Elektrolyten umfasst, wobei die Anode in einem Anodengasraum und die Kathode in einem Kathodengasraum angeordnet ist.
Dabei werden dem Anodengasraum ein Brenngas, insbesondere Wasserstoff, und dem Kathodengasraum Sauerstoff, insbesondere in Form von Luft, derart zugeführt werden, dass der Druck im Anodengasraum mindestens 1,5 bar höher als der Druck im Kathodengasraum ist.
Durch diese Maßnahme kann vorteilhafterweise eine ausreichende Brenngasversorgung, insbesondere Wasserstoffversorgung, selbst bei hohen Fremdgasanteilen und/oder großem Brenngasverbrauch sichergestellt werden.
Zudem kann so vorteilhafterweise das Brennstoffzellensystem stark vereinfacht und der Wirkungsgrad des Brennstoffzellensystems erhöht werden. Dadurch können wiederum vorteilhafterweise die Herstellungskosten und Betriebskosten des Brennstoffzellensystems reduziert werden.
Insbesondere kann dadurch die Anodendruckregelgenauigkeit gesenkt und auf ein Brenngasdruckregelventil sowie Spülmaßnahmen/Purgemaßnahmen zur Beseitigung von Fremdgasen, insbesondere unter Ausblasen des Purgegases, verzichtet werden.
Beispielsweise ist es möglich zwischen dem Brenngasspeicher und der Anode nur einen mechanischen, insbesondere ungeregelten, Druckminderer einzusetzen und auf ein aufwändiges Brenngasdruckregelventil und eine entsprechende Drucksensorik zu verzichten.
Dadurch dass auf ein Ausblasen von Purgegas verzichtet werden kann, können vorteilhafterweise Verluste von Brenngas, insbesondere Wasserstoff, durch Ausblasen des Purgegases vermieden werden. Zudem kann dadurch auch auf andere ansonsten mit dem Purgen einhergehende Maßnahmen, wie das so genannte Kathodenpurgen (einem Beimischen des aus der Anode ausgeblasenen brenngashaltigen Purgegases der angesaugten Luft, insbesondere zur Entsorgung von Wasserstoff) verzichtet werden.
Dadurch dass Brenngasverluste verringert werden können, kann wiederum vorteilhafterweise der Wirkungsgrad beziehungsweise die Effizienz des Systems gesteigert werden. Insofern das Verfahren in einem Fahrzeug eingesetzt wird, kann dadurch eine Vergrößerung der Fahrzeugreichweite erzielt werden.
Insofern Wasseransammlungen auf der Anodenseite durch andere Maßnahmen, beispielsweise eine später erläuterte wasserdampfundurchlässige Anode-Elektrolyt-Kathode-Anordnung oder eine dahingehend angepasste Betriebsstrategie, vermieden werden können, kann sogar komplett auf eine Brenngasrezirkulation und damit auf eine Brenngasrezirkulationsleitung sowie ein Brenngasrezirkulationsgebläse oder eine Brenngasrezirkulationspumpe verzichtet werden.
Der Druck im Anodengasraum kann beispielsweise mindestens 2 bar, insbesondere mindestens 3 bar, zum Beispiel mindestens 4 bar, höher sein als der Druck im Kathodengasraum.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform ist der Druck im Anodengasraum um einen Betrag in einem Bereich von ≥ 1,5 bar oder ≥ 2 bar oder ≥ 3 bar oder ≥ 4 bar bis ≤ 10 bar oder ≤ 8 bar oder ≤ 6 bar höher als der Druck im Kathodengasraum. Bei derartigen Druckunterschieden sind permeationsbedingte Brenngasverluste, insbesondere welche gegebenenfalls durch eine Permeation von Brenngas von der Anode durch den Elektrolyten in Richtung der Kathode verursacht werden könnten, vorteilhafterweise gering.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform liegt der Druck im Anodengasraum in einem Bereich von ≥ 4 bar bis ≤ 8 bar, beispielsweise von ≥ 4 bar bis ≤ 6 bar.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform liegt der Druck im Kathodengasraum in einem Bereich von ≥ 1 bar bis ≤ 3 bar, beispielsweise von ≥ 1,5 bar bis ≤ 2,7 bar.
Beispielsweise kann der Druck im Anodengasraum in einem Bereich von ≥ 4 bar bis ≤ 8 bar, beispielsweise von ≥ 4 bar bis ≤ 6 bar, und der Druck im Kathodengasraum in einem Bereich von ≥ 1 bar bis ≤ 3 bar, beispielsweise von ≥ 1,5 bar bis ≤ 2,7 bar, liegen.
Grundsätzlich ist es möglich auf ein Spülen, insbesondere Purgen, der Anode zur Beseitigung von Fremdgasen zu verzichten.
In Abhängigkeit von der Betriebsstrategie und dem Aufbau der Brennstoffzelle kann sich jedoch, insbesondere wenn die Kathodenseite sehr feucht betrieben wird und insbesondere die Anode-Elektrolyt-Kathode-Anordnung wasserdampfdurchlässig ist, gegebenenfalls flüssiges Wasser auf der Anodenseite ansammeln. Derartige Ansammlungen flüssigen Wassers können die aktive Fläche des Elektrolyten, insbesondere einer Protonenaustauschmembran, bedecken und die Funktionsfähigkeit einschränken.
Derartige Wasseransammlungen können durch Spülen/Purgen ausgetragen werden. Daher kann es sinnvoll sein, auch bei einer mit einem erfindungemäßen Betriebsverfahren betriebenen Brennstoffzellesystem eine Brenngasrezirkulation, insbesondere mittels eines Brenngasrezirkulationsgebläses oder einer Brenngasrezirkulationspumpe, vorzusehen, um das Wasser auszublasen und beispielsweise das Wasser in einem Kondensatbehälter zu sammeln. Zum Beispiel über einen Schwimmerschalter und/oder ein Ablassventil kann das in dem Kondensatbehälter gesammelte Wasser entsorgt werden. Dabei ist es jedoch nicht notwendig Purgegase abzulassen, weshalb auch bei einer derartigen Vorgehensweise keine Brenngasverluste auftreten.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform umfasst das Verfahren daher einen Verfahrensschritt, in dem der Anodengasraum mit Anodengas beziehungsweise (Rest-)Brenngas, insbesondere unter Rezirkulation des Gases, gespült/gepurged wird, wobei das Gas nach dem Spülen nicht ausgeblasen wird. Unter Anodengas kann dabei insbesondere ein im Bereich des Anodengasraums auftretendes Gas beziehungsweise Gasgemisch verstanden werden.
Hinsichtlich weiterer Merkmale und Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens wird hiermit explizit auf die Erläuterungen im Zusammenhang mit der später erläuterten, erfindungsgemäßen Brennstoffzelle, dem später erläuterten, erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem, dem später erläuterten, erfindungsgemäßen mobilen oder stationären System sowie auf die Figur und die Figurbeschreibung verwiesen.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Brennstoffzelle, insbesondere zum Betrieb mit einem erfindungsgemäßen Verfahren, welche eine Anode, eine Kathode und einen dazwischen angeordneten Elektrolyten umfasst.
Der Elektrolyt weist dabei, insbesondere in einer sich von der Anode zur Kathode erstreckenden Richtung, eine Druckfestigkeit von beispielsweise ≥ 0,4 N/mm² auf. Beispielsweise kann der Elektrolyt, insbesondere in einer sich von der Anode zur Kathode erstreckenden Richtung, eine Druckfestigkeit von ≥ 0,5 N/mm² oder ≥ 0,6 N/mm² aufweisen. Zum Beispiel kann der Elektrolyt, insbesondere in einer sich von der Anode zur Kathode erstreckenden Richtung, eine Druckfestigkeit von ≥ 0,4 N/mm² bis ≤ 1 N/mm², beispielsweise von ≥ 0,4 N/mm² oder ≥ 0,5 N/mm² oder ≥ 0,6 N/mm² bis ≤ 1 N/mm² oder ≤ 0,9 N/mm² oder ≤ 0,8 N/mm² oder ≤ 0,7 N/mm² oder ≤ 0,6 N/mm², aufweisen.
Dabei kann die Anode insbesondere in einem Anodengasraum und die Kathode in einem Kathodengasraum angeordnet sein. Dem Anodengasraum kann dabei insbesondere ein Brenngas, insbesondere Wasserstoff, und dem Kathodengasraum Sauerstoff, insbesondere in Form von Luft, zuführbar sein.
Im Rahmen einer Ausführungsform umfasst der Elektrolyt eine Protonenaustauschmembran. Diese kann beispielsweise aus Nafion ausgebildet sein. Dabei ist es möglich eine ausreichende Druckfestigkeit der Membran (als solche) durch den Zusatz von Verstärkungsmitteln, wie Polytetrafluorethylen (PTFE) und/oder einen hohen chemischen Vernetzungsgrad zu erzielen. Alternativ oder zusätzlich dazu kann die Druckfestigkeit des Elektrolyten durch einen Träger, beispielsweise eine Trägerschicht realisiert werden.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform liegt der Elektrolyt, insbesondere auf der der Kathode zugewandten Seite, auf einem ebenen Bauteil auf. Insbesondere kann das ebene Bauteil dabei zumindest teilweise aus einem gasdurchlässigen, beispielsweise kleinporigen, Metallschaummaterial ausgebildet sein. Durch ein ebenes Bauteil kann die Toleranz des Elektrolyten gegenüber Druckdifferenzen verbessert werden, da der Elektrolyt bei Druckdifferenzen weniger Kräfte ertragen muss. Durch das Metallschaummaterial kann zudem die Gaszufuhr- und/oder Gasabfuhr gewährleistet werden. So kann vorteilhafterweise auf eine Struktur aus Rillen und/oder Stegen zur Ausbildung von Gaskanälen, welche bei Druckdifferenzen unerwünschte Kräfte auf den Elektrolyten ausüben könnten, zumindest in dem Bereich der Brennstoffzelle auf den der Elektrolyt aufliegt verzichtet werden. Insgesamt kann durch diese Maßnahmen vorteilhafterweise die Beständigkeit des Elektrolyten gegenüber Druckdifferenzen erhöht werden.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform ist die Anode-Elektrolyt-Kathode-Anordnung, insbesondere der Elektrolyt, wasserdampfundurchlässig. So kann vorteilhafterweise die Feuchte auf der Anodenseite soweit abgesenkt beziehungsweise vermieden werden, dass sich während des Betriebes und/oder bei Systemabkühlung kein flüssiges Wasser auf der Anodenseite ansammelt. Dies ermöglicht einen kompletten Verzicht auf eine Rezirkulation beziehungsweise Durchströmung/Purgen der Anode.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform ist die Protonenaustauschmembran wasserdampfundurchlässig. So kann vorteilhafterweise auf eine Rezirkulation beziehungsweise Durchströmung/Purgen der Anode verzichtet werden.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform weist die Anode-Elektrolyt-Kathode-Anordnung, insbesondere der Elektrolyt, eine Wasserdampfsperrschicht auf. So kann die Anode-Elektrolyt-Kathode-Anordnung vorteilhafterweise mit einer wasserdampfundurchlässigen Eigenschaft versehen werden. Beispielsweise kann die Wasserdampfsperrschicht parallel zur Oberfläche des Elektrolyten beziehungsweise der Membran ausgebildet sein. So kann vermieden werden, dass Wasser durch die Membran von der Kathodenseite zur Anodenseite durchdiffundiert. Insbesondere kann die Wasserdampfsperrschicht auf der Oberfläche des Elektrolyten beziehungsweise der Membran auf der Anodenseite, also der der Anode zugewandten Seite, ausgebildet sein. Vorzugswiese ist die Wasserdampfsperrschicht protonenleitfähig, insbesondere um eine gute Protonenleitfähigkeit von der Anodenseite zur Kathodenseite zu gewährleisten.
Hinsichtlich weiterer Merkmale und Vorteile der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle wird hiermit explizit auf die Erläuterungen im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren, dem später erläuterten, erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem, dem später erläuterten, erfindungsgemäßen mobilen oder stationären System sowie auf die Figur und die Figurbeschreibung verwiesen.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Brennstoffzellensystem, insbesondere zum Betrieb mit einem erfindungsgemäßen Verfahren, welches mindestens eine erfindungsgemäße Brennstoffzelle umfasst.
Das Brennstoffzellensystem kann insbesondere ein Brenngasversorgungssystem umfassen, welches dazu ausgelegt ist, die Anode mit Brenngas, insbesondere Wasserstoff, zu versorgen und gegebenenfalls Abgas von der Anode abzuführen.
Das erfindungsgemäße Betriebsverfahren ermöglicht es vorteilhafterweise das Brenngasversorgungssystem stark zu vereinfachen. So ist es möglich zwischen dem Brenngasspeicher und der Anode nur einen mechanischen, insbesondere ungeregelten, Druckminderer einzusetzen, beispielsweise welcher den im Brenngasspeicher vorliegenden Gasdruck, welcher zum Beispiel zwischen 700 bar im Fall eines vollen Brenngasspeichers und mindestens 2,5 bar beziehungsweise gegebenenfalls 20 bar im Fall eines fast leeren Brenngasspeichers liegen kann, auf zum Beispiel ≥ 4 bar bis ≤ 8 bar senken kann. Auf ein aufwändiges Brenngasdruckregelventil und eine entsprechende Drucksensorik kann dabei vorteilhafterweise verzichtet werden.
Im Rahmen einer Ausführungsform weist das Brenngasversorgungssystem daher zwischen Brenngasspeicher und Anode kein Brenngasdruckregelventil auf.
Im Rahmen einer weiteren alternativen oder zusätzlichen Ausführungsform weist das Brenngasversorgungssystem daher zwischen Brenngasspeicher und Anode keinen Drucksensor auf.
Insofern das Brennstoffzellensystem Brennstoffzellen mit wasserdampfundurchlässigen Anode-Elektrolyt-Kathode-Anordnungen aufweist, kann zudem vorteilhafterweise auch auf eine Brenngasrezirkulation, und damit auf ein Brenngasrezirkulationsgebläse und/oder eine Brenngasrezirkulationspumpe, sowie auf einen Wasser-/Kondensat-Abscheider und ein Ablass-/Purge-Ventil verzichtet werden
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform weist das Brenngasversorgungssystem daher keine Brenngasrezirkulation, insbesondere keine Brenngasrezirkulationsleitung und/oder kein Brenngasrezirkulationsgebläse und/oder keine Brenngasrezirkulationspumpe, auf.
Im Rahmen einer weiteren alternativen oder zusätzlichen Ausführungsform weist das Brenngasversorgungssystem daher keinen Wasser-/Kondensat-Abscheider auf.
Im Rahmen einer weiteren alternativen oder zusätzlichen Ausführungsform weist das Brenngasversorgungssystem daher kein Ablass-/Purge-Ventil auf.
Hinsichtlich weiterer Merkmale und Vorteile des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems wird hiermit explizit auf die Erläuterungen im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren, der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle, dem später erläuterten, erfindungsgemäßen mobilen oder stationären System sowie auf die Figur und die Figurbeschreibung verwiesen.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein mobiles oder stationäres System, welches mindestens eine erfindungsgemäße Brennstoffzelle und/oder ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem umfasst und/oder ein erfindungsgemäßes Verfahren durchführt. Gegebenenfalls kann es sich bei dem erfindungsgemäßen System sogar um ein portables System handeln. Insbesondere kann es sich bei dem erfindungsgemäßen System um ein Fahrzeug, beispielsweise ein Hybrid-, Plug-in-Hybrid- oder Elektrofahrzeug, oder eine Kraft-Wärme-Kopplungsanlage, beispielsweise für ein Wohn- oder Geschäftshaus, eine Industrieanlage, ein Kraftwerk oder ein Fahrzeug, zum Beispiel eine Mikro-Kraft-Wärme-Kopplungsanlage, handeln. Unter einer (Mikro-)Kraft-Wärme-Kopplungsanlage kann insbesondere eine Anlage zur gleichzeitigen Erzeugung von Strom und Wärme aus einem Energieträger verstanden werden.
Hinsichtlich weiterer Merkmale und Vorteile des erfindungsgemäßen mobilen oder stationären Systems wird hiermit explizit auf die Erläuterungen im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren, der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle, dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem sowie auf die Figur und die Figurbeschreibung verwiesen.
Zeichnung
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Gegenstände werden durch die Zeichnung veranschaulicht und in der nachfolgenden Beschreibung erläutert. Dabei ist zu beachten, dass die Zeichnung nur beschreibenden Charakter hat und nicht dazu gedacht ist, die Erfindung in irgendeiner Form einzuschränken. Es zeigt
1 eine schematische Skizze einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems
1 zeigt, dass das Brennstoffzellensystem eine Brennstoffzelle aufweist, welche eine Anode 1, eine Kathode 2 und einen dazwischen angeordneten Elektrolyten 3 umfasst. Dabei ist die Anode 1 in einem Anodengasraum A und die Kathode 2 in einem Kathodengasraum K angeordnet. Der Pfeil veranschaulicht, dass der Elektrolyt 3 dabei in einer sich von der Anode 1 zur Kathode 2 erstreckenden Richtung eine Druckfestigkeit von ≥ 0,4 N/mm² aufweist. Dies ermöglicht es, die Anode 1 mit einem deutlich höheren Druck p_A, beispielsweise von etwa 6 bar, als die Kathode 2 zu betreiben, welche dabei beispielsweise bei einem Druck p_k von etwa 2 bar betrieben werden kann. Dies ermöglicht es, das Brennstoffzellensystem deutlich einfacher auszugestalten und mit einem höheren Wirkungsgrad zu betreiben.
Durch Anhebung des Drucks auf der Anodenseite kann sichergestellt werden, dass selbst bei großem Verbrauch von Brenngas, insbesondere Wasserstoff, durch große abgegebene elektrische Ströme immer ausreichend Brenngas auf der Anodenseite der Brennstoffzelle vorhanden ist. Eine gleichzeitige Druckanhebung auf der Kathodenseite im Hinblick auf die Energiebilanz nicht sinnvoll, da ansonsten für die Luftverdichtung zu viel Energie aufgewendet würde.
Daher wird die Brennstoffzelle mechanisch so angepasst werden, dass der Elektrolyt 3 beispielsweise auf einem Träger aufliegt und trotz einer Druckdifferenzen zwischen Anode 1 und Kathode 2 von ≥ 4 bar nicht reißt. Beispielsweise kann eine metallschaumgeträgerte, wasserdampfundurchlässige Protonenaustauschmembran als Elektrolyt 3 eingesetzt werden.
1 illustriert, dass das Brennstoffzellensystem ein Brenngasversorgungssystem 10 umfasst, welches dazu ausgelegt ist, die Anode 1 mit Brenngas, beispielsweise Wasserstoff, zu versorgen.
1 veranschaulicht, dass das Brenngasversorgungssystem 10 dabei einen Brenngasspeicher 11 aufweist, welcher mit einem Brenngasspeicherdrucksensor 12 versehen ist, insbesondere um den Füllstand des Brenngasspeichers 11 zu bestimmen. Je nach Füllstand liegt in einem Wasserstoffspeicher 11 meist ein Druck zwischen etwa mindestens 2,5 bar gegebenenfalls sogar 20 bar im Fall eines leeren Tanks und etwa 700 bar im Fall eines vollen Tanks vor.
Der in dem Brenngasspeicher 11 vorliegende Druck wird durch einen einfachen mechanischen Druckminderer 13, welcher über keine aufwändige Regelung verfügt, reduziert. Aus Permeationskonstanten ist abschätzbar, dass Brenngasverluste durch eine Permeation von Brenngas durch den Elektrolyten 3 in Richtung der Kathode 2 vorteilhafterweise gering sind. Die ohnehin schon geringen Permeationsverluste können durch eine geeignete Auslegung des Druckminderers 13 weiter gesenkt werden.
Herkömmlicherweise weisen Brennstoffversorgungssysteme von Brennstoffzellensystemen zusätzlich zwischen dem Brenngasspeicher 11 beziehungsweise dem Druckminderer 13 und der Anode 1 beziehungsweise dem Anodengasraum A ein Brenngasdruckregelventil 14 auf, um den Brenngasdruck weiter abzusenken und präzise, insbesondere auf den Druck im Kathodengasraum K, einzustellen. Die gestrichelte Umrandung des Brenngasdruckregelventils 14 veranschaulicht, dass auf dieses Brenngasdruckregelventil 14 bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens verzichtet werden kann und dass in der gezeigten Ausführungsform das Brenngasversorgungssystem 10 kein derartiges Brenngasdruckregelventil 14 umfasst. Insofern das erfindungsgemäße Verfahren jedoch an einem Brennstoffzellensystem durchgeführt wird, welches ohnehin über ein derartiges Brenngasdruckregelventil 14 verfügt, kann das Brenngasdruckregelventil 14, anstelle eines speziell ausgelegten Druckminderers 13 dazu genutzt werden mögliche Drucküberhöhung zu reduzieren und Permeationsverluste weiter zu senken.
Der mit dem Bezugszeichen 15 gekennzeichnete gestrichelte Kreis symbolisiert, dass auch auf einen herkömmlicherweise zwischen dem Brenngasdruckregelventil 14 und der Anode 1 beziehungsweise dem Anodegasraum A positionierten Drucksensor 15 verzichtet werden kann, so dass in der gezeigten Ausführungsform das Brenngasversorgungssystem 10 auch keinen derartigen Drucksensor 15 umfasst.
Die weiteren gestrichelten Linien in 1 veranschaulichen, dass in der gezeigten Ausführungsform Brenngasversorgungssystem 10 auch auf keine Brenngasrezirkulation 17, keinen Wasserabscheider 16 und kein Ablass-/Purge-Ventil 18 umfasst.
Das Brenngas wird somit im Rahmen der gezeigten Ausführungsform direkt vom Brenngasspeicher 11 über den, insbesondere ungeregelten, Druckminderer 13 in den Anodengasraum A beziehungsweise zur Anode 1 geführt. Gegebenenfalls kann der Anodengasraum A als Dead-End, also als eine Art Sackgasse, ausgestaltet sein und keine Ableitung zum Abführen des (Rest-)Brenngases nach dem Durchlaufen beziehungsweise Durchströmen des Anodengasraums A aufweisen. Es ist jedoch ebenso möglich an der stromabwärtigen Seite des Anodengasraums A beispielsweise ein Ventil (nicht dargestellt) vorzusehen, welches erst nach Abschluss einer Betriebsphase, beispielsweise nach Beendigung eine Fahrt mit einem Fahrzeug, oder nach einem längeren Betriebszeitraum oder bei Wartungsarbeiten, geöffnet wird, beispielsweise um noch in dem Anodengasraum A befindliches Brenngas, insbesondere Wasserstoff, durch Abreaktion mit Kathodengas zu entsorgen.
1 zeigt weiterhin, dass das Brennstoffzellensystem ein Sauerstoffversorgungssystem 20 umfasst, welches dazu ausgelegt ist, die Kathode 2 mit Sauerstoff, beispielsweise in Form von Luft, zu versorgen. 1 veranschaulicht, dass Luft angesaugt wird und in einem Verdichter 21 verdichtet wird. Anschließend wird die verdichtete Luft durch einen Gasbefeuchter 22 geführt, in dem die angesaugt Luft mit Feuchtigkeit aus Abluft aus dem Kathodengasraum K befeuchtet wird. 1 illustriert, dass stromaufwärts des Kathodengasraums K verschiedene Sensoren 23, 24, 25, beispielsweise ein Massenstromsensor, ein Drucksensor und ein Temperatursensor, vorgesehen sein können. Nach dem Durchströmen des Kathodengasraums K wird die Abluft über den bereits erläuterten Gasbefeuchter 22 und ein Druckregelventil 26 ausgeblasen.
Abschätzungen haben ergeben, dass insofern die Anode einer wasserdampfdurchlässige Brennstoffzelle mit einem Druck p_A, von 6 bar und deren Kathode mit einem Druck p_K, von 2 bar betrieben wird, bei 60 °C auf der Kathodenseite typische Partialdrücke am Stackeingang von ca 1,6 bar Stickstoff (N₂), 0,4 bar Sauerstoff (O₂) und ca. 0,2 bar Wasserdampf (H₂O) und am Stackausgang von ca 1,24 bar Stickstoff (N₂), ca. 0,16 bar Sauerstoff (O₂) und ca. 0,20 bar Wasserdampf (H₂O) vorliegen.
Auf der Anodenseite ist zunächst nur Brenngas, insbesondere Wasserstoff mit geringen Verunreinigungen entsprechend der Norm SAE J2719 bzw. ISO 14687-2 vorhanden. Im Betrieb reichern sich diese Verunreinigungen im Anodengasraum in dem Maße an, wie es sich aus dem Verhältnis von zuströmenden Fremdgasen und durch Permeation abströmenden Fremdgasen ergibt.
Zusätzlich steigt durch Permeation über die Membran von der Kathode, die Konzentration von Stickstoff (N₂) und Wasserdampf (H₂O) im Anodengasraum an, bis die gasspezifischen Partialdrücke im Anodengasraum und Kathodengasraum ausgeglichen sind und im Anodengasraum am Stackeingang Partialdrücke von ca. 6 bis 3,9 bar Wasserstoff (H₂), 0 bis maximal 1,6 bar Stickstoff (N₂) und 0 bis maximal 0,2 bar Wasserdampf (H₂O) vorliegen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2007/0026268 A1 [0003]
US 2008/0124591 A1 [0003]
DE 102009033023 A1 [0003]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Norm SAE J2719 [0058]
ISO 14687-2 [0058]

Claims

Verfahren zum Betrieb einer Brennstoffzelle beziehungsweise eines Brennstoffzellensystems, welche/s – eine Anode (1), – eine Kathode (2) und – einen dazwischen angeordneten Elektrolyten (3) umfasst, wobei die Anode (1) in einem Anodengasraum (A) angeordnet ist, wobei die Kathode (2) in einem Kathodengasraum (K) angeordnet ist, wobei dem Anodengasraum (A) ein Brenngas, insbesondere Wasserstoff, und dem Kathodengasraum (K) Sauerstoff, insbesondere in Form von Luft, derart zugeführt werden, dass der Druck (p_A) im Anodengasraum (A) mindestens 1,5 bar höher als der Druck (p_K) im Kathodengasraum (K) ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Druck (p_A) im Anodengasraum (A) um einen Betrag in einem Bereich von ≥ 1,5 bar bis ≤ 10 bar höher ist als der Druck (p_K) im Kathodengasraum (K).
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Druck (p_A) im Anodengasraum (A) in einem Bereich von ≥ 4 bar bis ≤ 8 bar, insbesondere von ≥ 4 bar bis ≤ 6 bar, liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Druck (p_K) im Kathodengasraum (K) in einem Bereich von ≥ 1 bar bis ≤ 3 bar, insbesondere von ≥ 1,5 bar bis ≤ 2,5 bar, liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Verfahren einen Verfahrensschritt umfasst, in dem der Anodengasraum (A) mit Anodengas, insbesondere unter Rezirkulation des Gases, gespült wird, wobei das Gas nach dem Spülen nicht ausgeblasen wird.
Brennstoffzelle, insbesondere zum Betrieb mit einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, umfassend – eine Anode (1), – eine Kathode (2) und – einen dazwischen angeordneten Elektrolyten (3), wobei der Elektrolyt (3), insbesondere in einer sich von der Anode (1) zur Kathode (2) erstreckenden Richtung, eine Druckfestigkeit von ≥ 0,4 N/mm² aufweist.
Brennstoffzelle nach Anspruch 6, wobei der Elektrolyt (3) eine Protonenaustauschmembran umfasst.
Brennstoffzelle nach Anspruch 6 oder 7, wobei der Elektrolyt (3), insbesondere auf der der Kathode (2) zugewandten Seite, auf einem ebenen Bauteil aufliegt, insbesondere wobei das ebene Bauteil zumindest teilweise aus einem gasdurchlässigen Metallschaummaterial ausgebildet ist.
Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei die Anode-(1)-Elektrolyt-(3)-Kathode-(2)-Anordnung, insbesondere der Elektrolyt (3), wasserdampfundurchlässig ist.
Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei die Protonenaustauschmembran wasserdampfundurchlässig ist.
Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 6 bis 10, wobei die Anode-(1)-Elektrolyt-(3)-Kathode-(2)-Anordnung, insbesondere der Elektrolyt (3), eine Wasserdampfsperrschicht aufweist.
Brennstoffzellensystem, umfassend mindestens eine Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 6 bis 11,
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 12, wobei das Brennstoffzellensystem ein Brenngasversorgungssystem (10) umfasst, welches – zwischen Brenngasspeicher (11) und Anode (1) kein Brenngasdruckregelventil (14), und/oder – zwischen Brenngasspeicher (11) und Anode (1) keinen Drucksensor (15), aufweist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 12 oder 13, umfassend mindestens eine Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 9 bis 11, wobei das Brennstoffzellensystem ein Brenngasversorgungssystem (10) umfasst, welches: – keine Brenngasrezirkulation (17), insbesondere keine Brenngasrezirkulationsleitung und/oder kein Brenngasrezirkulationsgebläse und/oder keine Brenngasrezirkulationspumpe, und/oder – keinen Wasserabscheider (16) und/oder – kein Ablassventil (18), aufweist.
Mobiles oder stationäres System, insbesondere Fahrzeug oder Kraft-Wärme-Kopplungsanlage, umfassend mindestens eine Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 6 bis 11 und/oder ein Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 12 bis 14 und/oder durchführend ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5.