DE102013203310A1 - Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzelle - Google Patents

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzelle, welche eine Kathode, eine Anode, einer Membran und ggf. einen Kühlkanal aufweist. Um die negativen Folgen auf die Lebensdauer einer Brennstoffzelle zu verhindern oder mindestens zu mildern, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass bei jedem Startup- und/oder Shutdown-Vorgang ein geringes Volumen von Inertgas als Trennung der beiden Gasfronten eingesetzt werden kann, so dass das Inertgas den aus Diffusionsvorgängen vorhandenen Sauerstoff aus der Anode und/oder der Kathode verdrängt.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzelle, welche eine Kathode, eine Anode, eine Membran und ggf. einen Kühlkanal aufweist.
  • Beim Betrieb von Brennstoffzellen in Fahrzeugen gibt es zum Shutdown- und zum Startup-Vorgang unterschiedliche Strategien. Aber letztendlich führen die im Brennstoffzellenstapel verbleibenden Restgase Wasserstoff und Sauerstoff immer zu Reaktionen mit der Platin-Trägerstruktur (Kohlenstoff) und erzeugen CO2. Dies geschieht an der Grenzfläche zwischen den beiden Gasen, dem Katalysator und dem Kohlenstoffträger. Durch diese Reaktion geht der Träger für das Platin verloren. Es wird ausgespült, und damit die verfügbaren Reaktionszonen reduziert. Der umgekehrte Prozess findet aber auch beim nächsten Startup-Vorgang statt. Um im Prüfstandsbetrieb eine längere Lebensdauer des Brennstoffzellenstapels zu erreichen, werden die Brennstoffzellen daher mit Stickstoff gespült, um den direkten Kontakt der Reaktionspartner zu vermeiden. Im Fahrzeug ist diese Variante bisher nur durch Einsatz einer zusätzlichen Stickstoffflasche für das Spülen diskutiert worden.
  • Durch den Verlust von Reaktionszonen bei jedem Startup- und Shutdown-Vorgang wird der Wirkungsgrad des gesamten Systems zwar gering, aber doch merklich, reduziert. Außerdem geht Platin verloren, das sonst am Ende der Brennstoffzellenlebensdauer im Recyclingprozess wieder zurückgewonnen werden könnte. Eine zusätzliche Stickstoffflasche erhöht aber die Komplexität nicht nur des Fahrzeugs selbst, sondern auch für den Kunden (zusätzliches Tanken von Stickstoff) und führt außerdem zu einem erheblich höheren Gewicht und Volumen des gesamten Systems.
  • Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die negativen Folgen auf die Lebensdauer einer Brennstoffzelle zu verhindern oder mindestens zu mildern.
  • Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzelle, welche eine Kathode, eine Anode, einer Membran und ggf. einen Kühlkanal aufweist, erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass bei jedem Startup- und/oder Shutdown-Vorgang ein geringes Volumen von Inertgas als Trennung der beiden Gasfronten eingesetzt werden kann, so dass das Inertgas den aus Diffusionsvorgängen vorhandenen Sauerstoff aus der Anode und/oder der Kathode verdrängt und dass das Inertgas durch Prozesse, die im Rahmen des Brennstoffzellenbetriebes notwendigerweise stattfinden, erzeugt wird.
  • Mit dieser Maßnahme kann die Lebensdauer einer Brennstoffzelle erheblich gesteigert werden, und dies vor allem bei Brennstoffzellen im intermittierenden Betrieb mit vielen Starts und Stopps, aber auch bei längeren Stillstandszeiten. Zudem wird durch die Spülung der Anode der Wasserstoff kontrolliert ausgetragen und kann nicht durch kleinste, normalerweise nicht sicherheitsrelevante Undichtigkeitsstellen austreten. Dadurch wird eine ungewollte Wasserstoffanreicherung im Fahrzeug vermieden. Darüber hinaus ist es auch nicht erforderlich Inertgas mitführen zu müssen, da das Inertgas durch Prozesse, die im Rahmen des Brennstoffzellenbetriebes generiert werden, erzeugt wird.
  • Die Unteransprüche beinhalten vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren wird vorteilhafterweise nach einer längeren Stillstandsphase der Brennstoffzelle durchgeführt.
  • Als Inertgas wird vorzugsweise Stickstoff, Argon und/oder CO2 verwendet. Im Folgenden wird die Verwendung von Stickstoff skizziert.
  • Dies kann auf verschiedene Arten geschehen. Zum einen kann die Brennstoffzelle kurzzeitig mit einem stöchiometrischen Mischungsverhältnis von ca. 1 und/oder < 1 (Lambda = 1) betrieben und die dabei anfallende und fast ausschließlich aus Inertgasen bestehende Abluft in einem Vorratsbehälter aufgefangen und beim nächsten Startvorgang zum Fluten der Anode und/oder der Kathode verwendet werden.
  • Zusätzlich kann auch das in der Abluft in Form von Dampf vorhandene Wasser kondensiert in einem Vorratsbehälter gespeichert werden.
  • Dieses Wasser kann gemäß einer bevorzugten Weiterbildung bei einem Startup-Vorgang der Brennstoffzelle bei hohen Temperaturen an die Membran gebracht werden, bevor die Membran sich durch das beim Betrieb der Brennstoffzelle entstehende Wasser selbst befeuchtet.
  • Bei einem Startup-Vorgang der Brennstoffzelle bei niedrigen Temperaturen, bei denen das Wasser in flüssiger oder fester Form vorliegt, verbleibt das Wasser dagegen in dem Vorratsbehälter.
  • Eine alternative Möglichkeit zur Gewinnung des Inertgases sieht vor, dass der Stickstoff über eine Stickstoffabscheidungseinheit abgeschieden und in einem Vorratsbehälter gesammelt wird.
  • Alternativ kann der Stickstoff auch als Abfallprodukt einer Sauerstoffanreicherungseinheit bereitgestellt und in einem Vorratsbehälter gesammelt werden.
  • Gemäß einer weiteren Alternative kann der Stickstoff aus der beim Betrieb der Brennstoffzelle entstehenden Prozessluft abgeschieden und in einem Vorratsbehälter gesammelt werden.
  • Weiterhin kann der Stickstoff über eine Abscheidungseinheit direkt aus der Umgebungsluft abgeschieden und in einem Vorratsbehälter gesammelt werden.
  • Gemäß einer weiteren Alternative kann das Inertgas durch eine Verringerung des Sauerstoffs der Luft erzeugt werden. Dabei erfolgt die Verringerung des Sauerstoffs der Luft beim Betrieb der Brennstoffzelle, durch Verbrennung z. B. in einer Brennkammer, durch eine katalytische Verbrennung, eine zusätzlich Mini-Brennstoffzelle, Oxidationsprozesse o. dgl.
  • Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung kann beim Startup-Vorgang zusätzlich Wasserstoff zugeführt werden. Auch das Zuführen von Luft beim Shutdown-Vorgang ist möglich.
  • Wenn mehrere Brennstoffzellen zu einem Brennstoffzellenstapel zusammengefasst sind, kann bei jedem Startup-Vorgang und/oder Shutdown-Vorgang die Anode (3) und/oder die Kathode (2) bei Bedarf mit einem Inertgas geflutet werden.
  • Eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann eine der Brennstoffzelle zugeordnete Stickstoffabscheidungseinheit aufweisen.
  • Alternativ kann auch eine Sauerstoffanreicherungseinheit vorgesehen sein. Weiterhin alternativ kann der Brennstoffzelle auch eine Brennkammer zugeordnet ist, insbes. dann, wenn die Sauerstoffreduktion beim Betrieb der Bernstoffzelle, durch Verbrennung z. B. in einer Brennkammer, durch eine katalytische Verbrennung, eine zusätzlich Mini-Brennstoffzelle, Oxidationsprozesse o. dgl. erfolgt.
  • Je nach Bedarf kann auch ein Vorratsbehälter für das Inertgas vorhanden sein.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich besonders für den Einsatz in einem Kraftfahrzeug
  • Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung anhand der Zeichnungen. Es zeigen:
  • 1 eine schematische Ansicht einer Brennstoffzelle, bei welcher das Fluten der Anode mit Stickstoff aus der Kathode oder einer Sauerstoffanreicherungseinheit erfolgt, und
  • 2 eine schematische Ansicht einer Brennstoffzelle, bei welcher das Fluten der Kathode mit Stickstoff aus einem Vorratsbehälter erfolgt.
  • In den Figuren sind nur die hier interessierenden Teile der Brennstoffzelle dargestellt, alle übrigen Elemente sind der Übersichtlichkeit halber weggelassen.
  • In beiden Figuren ist die Brennstoffzelle 1 bzw. ein Brennstoffzellenstapel durch eine Kathode 2, eine Anode 3 und einen dazwischen liegenden Kühlkanal 4 symbolisiert. Die Katode 2 ist mit einer Luftversorgung 5, die Anode 3 mit einer Wasserstoffversorgung 6 und der Kühlkanal 4 mit einer Kühlwasserversorgung 7 verbunden.
  • In dem an der Abflussseite der Anode 3 vorgesehenen Wasserstoffabfluss 8 ist ein Spülventil 9 vorgesehen. Weiterhin kann zwischen der Abflussseite der Anode 3 und dem Spülventil 9 eine Rezirkulationsleitung 10 vorgesehen sein, welche über eine Venturidüse oder Rezirkulationspumpe 11 in die Wasserstoffversorgung 6 mündet.
  • Weiterhin kann in der Luftversorgung 5 ein Druckförderer 12, z. B. ein Kompressor, ein Lüfter o. dgl. angeordnet sein.
  • Gemäß einer ersten, in 1 dargestellten Ausführungsform erfolgt das Fluten der Anode 3 mit Stickstoff aus der Kathode 2 oder aus einer Sauerstoffanreicherungseinheit 13.
  • Um die Anode 3 mit Stickstoff aus der Kathode 2 zu fluten, ist die Abgasleitung 14 der Kathode 3 über ein Ventil 15 mit einem Vorratsbehälter 16 verbunden, in dem aus dem Abgas der Kathode 2 gewonnener Stickstoff gespeichert werden kann. Der Vorratsbehälter 16 wiederum ist über ein Ventil 17 an die Wasserstoffversorgung 6 angeschlossen.
  • Um die Anode 3 mit Stickstoff aus der Sauerstoffanreicherungseinheit 13 zu fluten, ist die Sauerstoffanreicherungseinheit 13 in einer Bypassleitung 18 der Luftversorgung 5 angeordnet und über einen Sauerstoffejektor 19 mit dieser verbunden.
  • Von der Sauerstoffanreicherungseinheit 13 führt eine Stickstoffleitung 20 entweder zu dem Vorratsbehälter 16 oder direkt in die Wasserstoffversorgung 6.
  • Um die Anode 3 mit Stickstoff zu fluten, kann somit Stickstoff, der aus dem Abgas der Kathode 2 gewonnen wurde, entweder unter Zwischenlagerung in dem Vorratsbehälter 16 oder direkt in die Anode 3 eingespeist werden.
  • Sofern der Stickstoff als Abfallprodukt der Sauerstoffanreicherungseinheit 13 erzeugt wurde, kann dieser ebenfalls entweder unter Zwischenlagerung in dem Vorratsbehälter 16 oder direkt in die Anode 3 eingespeist werden
  • In 2 ist eine zweite Ausführungsform dargestellt, bei welcher die Kathode 2 mit Stickstoff aus einem Vorratsbehälter 21 geflutet werden kann. Dieser Vorratsbehälter 21 ist zwischen zwei Ventilen 22, 23 in einer Leitung 24 angeordnet, welche die Abgasleitung 14 mit der Luftversorgung 5 verbindet. In der Luftversorgung 5 bzw. der Abgasleitung 14 kann noch ein Ventil 25 bzw. 26 vorgesehen sein, um diese zu sperren.
  • Der Stickstoff kann auch bei dieser Ausführungsform aus dem Abgas der Kathode 2 gewonnen werden.
  • Somit kann Stickstoff aus dem Vorratsbehälter 21 in die Kathode 2 eingeleitet werden, um diese zu fluten.
  • Die Erfindung beschreibt somit ein Verfahren, bei dem zur Verhinderung bzw. Milderung der negativen Folgen der Start-/Stopp-Vorgänge auf die Lebensdauer einer Brennstoffzelle 1 vor jedem Startup-Vorgang (vor allem nach einer längeren Stillstandsphase) die Anode 3, also die Wasserstoffseite, und/oder die Kathode 2 mit Stickstoff, einem anderen Inertgas (z. B. Argon) und/oder CO2 geflutet wird. Dazu wird gleichzeitig das Spülventil 9 geöffnet.
  • Der einströmende Stickstoff verdrängt dabei den vorhandenen Sauerstoff aus der Anode 3 bzw. der Kathode 2.
  • Der oben erwähnte Stickstoff kann dabei aus unterschiedlichen Quellen stammen. Idealerweise kann er aber durch Prozesse, die im Rahmen des Brennstoffzellenbetriebs notwendigerweise stattfinden, erzeugt werden.
  • Beispielsweise kann die Brennstoffzelle 1 z. B. kurzzeitig mit stöchiometrischen Mischungsverhältnis von ca. 1 und/oder < 1, insbesondere 1 (Lambda = 1) betrieben werden. Die dann entstehende Abluft besteht fast ausschließlich aus Inertgasen (hauptsächlich Stickstoff, aber auch Argon und diverse Restgase). Dieses Gemisch kann dann in einem Vorratsbehälter aufgefangen und beim nächsten Startup-Vorgang benutzt werden.
  • Das Gemisch enthält außerdem in einer relativ hohen Konzentration Wasser in Form von Dampf aus der H2/O2-Reaktion, das auch in einem Vorratsbehälter gespeichert werden kann. Beim Startup-Vorgang mit hohen Temperaturen kann dadurch schon Wasser an die Membran der Brennstoffzelle 1 gebracht werden, bevor die Membran sich durch das bei der Reaktion entstehende Wasser selbst befeuchten muss.
  • Bei niedrigen Temperaturen liegt das Wasser jedoch in flüssiger oder auch fester Form vor und verbleibt daher im Vorratsbehälter. Das Wasser kann ggf. durch ein Ventil o. dgl. aus dem Vorratsbehälter abgelassen werden. Eine andere Möglichkeit besteht darin, Luft durch den Vorratsbehälter zuzuführen, um dadurch das Wasser aus dem Vorratsbehälter zu entfernen.
  • Eine zweite Variante ist die Bereitstellung über eine Stickstoffabscheidungseinheit, aber auch als „Abfallprodukt” einer Sauerstoffanreicherungseinheit 13. In jedem Fall wird im Betrieb ein Teil des Stickstoffs aus der Prozessluft abgeschieden und einem Vorratsbehälter 16 mit einem verfügbaren Prozessdruck von z. B. 2 bar, zugeführt. Beim Shutdown-Vorgang wird Stickstoff entnommen, wodurch sich der Druck im Vorratsbehälter 16 auf z. B. 1,6 bar verringert. Beim Startup-Vorgang wird der restliche im Vorratsbehälter 16 vorhandene Stickstoff verwendet, was zu einer weiteren Verringerung des Drucks im Vorratsbehälter 16 auf z. B. 1,1 bar führt,.
  • Aus diesem Vorrat wird dann sowohl der Spülvorgang beim Shutdown-Vorgang (Druck z. B. 2,0–1,6 bar) und beim nächsten Startup-Vorgang (Druck z. B. 1.5–1,1 bar) realisiert.
  • Die Stickstoffspülung kann in Form einer Stickstoffwand stattfinden. Um beim Startup-Vorgang den Stickstoff komplett durch die Brennstoffzelle 1 zu fördern, muss hierbei noch Wasserstoff aus dem Wasserstoffvorrat eingesetzt werden. Beim Shutdown-Vorgang geschieht dies mit Luft, für die der Druckförderer 12 aktiviert werden muss.
  • Wenn ausreichend viel Stickstoff erzeugt werden kann, kann auch ein aus mehreren Brennstoffzellen 1 bestehende Brennstoffzellenstapel komplett mit Stickstoff durchströmt werden.
  • Die erste Variante hat den Vorteil eines geringen Volumens für den Vorratsbehälter, die zweite Variante dagegen ist einfacher zu realisieren.
  • Der Stickstoff kann über eine Abscheidungseinheit ggf. auch direkt aus der Umgebungsluft gewonnen werden und während des Startup-Vorgangs durch den Brennstoffzellenstapel geführt werden. Auch in diesem Fall kann der ebenfalls gewonnene Sauerstoff kathodenseitig verwendet werden.
  • Das „Fluten” kann nicht nur anodenseitig, sondern auch auf der Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels oder auf beiden Seiten stattfinden.
  • Die vorhergehende Beschreibung der vorliegenden Erfindung dient nur zu illustrativen Zwecken und nicht zum Zwecke der Beschränkung der Erfindung. Im Rahmen der Erfindung sind verschiedene Änderungen und Modifikationen möglich, ohne den Umfang der Erfindung sowie ihrer Äquivalente zu verlassen.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Brennstoffzellensystem
    2
    Kathode
    3
    Kühlkanal
    4
    Anode
    5
    Luftversorgung
    6
    Wasserstoffversorgung
    7
    Kühlwasserversorgung
    8
    Wasserstoffabfluss
    9
    Spülventil
    10
    Rezirkulationsleitung
    11
    Venturidüse oder Rezirkulationspumpe
    12
    Druckförderer
    13
    Sauerstoffanreicherungseinheit
    14
    Abgasleitung
    15
    Ventil
    16
    Vorratsbehälter
    17
    Ventil
    18
    Bypassleitung
    19
    Sauerstoffejektor
    20
    Stickstoffleitung
    21
    Vorratsbehälter
    22
    Ventil
    23
    Ventil
    24
    Leitung
    25
    Ventil
    26
    Ventil

Claims (21)

  1. Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzelle, welche eine Kathode, eine Anode, einer Membran und ggf. einen Kühlkanal aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass bei jedem Startup- und/oder Shutdown-Vorgang ein geringes Volumen von Inertgas als Trennung der beiden Gasfronten eingesetzt werden kann, so dass das Inertgas den aus Diffusionsvorgängen vorhandenen Sauerstoff aus der Anode (3) und/oder der Kathode (2) verdrängt.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluten insbes. nach einer längeren Stillstandsphase durchgeführt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Inertgas Stickstoff, Argon und/oder CO2 verwendet wird.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzelle (1) kurzzeitig mit einem stöchiometrischen Mischungsverhältnis von ca. 1 und/oder < 1 betrieben wird und dass die dabei anfallende und fast ausschließlich aus Inertgasen bestehende Abluft in einem Vorratsbehälter (16) aufgefangen und beim nächsten Startvorgang zum Fluten der Anode (3) und/oder der Kathode (2) verwendet wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das in der Abluft in Form von Dampf vorhandene Wasser kondensiert ebenfalls in einem Vorratsbehälter gespeichert wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Wasser bei einem Startup-Vorgang der Brennstoffzelle (1) bei hohen Temperaturen an die Membran gebracht wird, bevor die Membran sich durch das beim Betrieb der Brennstoffzelle (1) entstehende Wasser selbst befeuchtet.
  7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Wasser beim Startup-Vorgang der Brennstoffzelle (1) bei niedrigen Temperaturen, bei denen das Wasser in flüssiger oder fester Form vorliegt, in dem Vorratsbehälter verbleibt.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Stickstoff über eine Stickstoffabscheidungseinheit abgeschieden und in einem Vorratsbehälter gesammelt wird.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Stickstoff als Abfallprodukt einer Sauerstoffanreicherungseinheit (13) bereitgestellt und in einem Vorratsbehälter gesammelt wird.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Stickstoff aus der beim Betrieb der Brennstoffzelle (1) entstehenden Prozessluft abgeschieden und in einem Vorratsbehälter gesammelt wird.
  11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Stickstoff über eine Abscheidungseinheit direkt aus der Umgebungsluft abgeschieden und in einem Vorratsbehälter gesammelt wird.
  12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Inertgas durch eine Verringerung des Sauerstoffs der Luft bereitgestellt wird.
  13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Verringerung des Sauerstoffs der Luft beim Betrieb der Bernstoffzelle, durch Verbrennung z. B. in einer Brennkammer, durch eine katalytische Verbrennung, eine zusätzlich Mini-Brennstoffzelle, Oxidationsprozesse o. dgl. erfolgt.
  14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beim Startup-Vorgang zusätzlich Wasserstoff zugeführt wird.
  15. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beim Startup- und beim Shutdown-Vorgang die Anode und/oder die Kathode bei Bedarf mit einem Inertgas geflutet wird.
  16. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der gesamte aus mehreren Brennstoffzellen bestehende Brennstoffzellenstapel bei jedem Startup-Vorgang und/oder Shutdown-Vorgang mit einem Inertgas geflutet wird.
  17. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoffzelle eine Stickstoffabscheidungseinheit zugeordnet ist.
  18. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoffzelle eine Sauerstoffanreicherungseinheit zugeordnet ist.
  19. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoffzelle eine Brennkammer zugeordnet ist.
  20. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoffzelle ein Vorratsbehälter für das Inertgas zugeordnet ist.
  21. Kraftfahrzeug mit einer Brennstoffzelle, wobei die Brennstoffzelle nach dem vorbeschriebenen Verfahren betrieben wird.
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