DE102014007013A1 - Process for heating a catalyst - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Aufheizen eines Elements (10) mit katalytisch aktivem Material in einem Abgasstrom einer Brennstoffzelle (2), welcher kathoden- und anodenseitige Abgase enthält, wobei gezielt ein Wasserstoffüberschuss zu dem Element (10) mit dem katalytisch aktiven Material geleitet wird. Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass hierzu die Brennstoffzelle (2) mit einem Wasserstoffüberschuss auf ihrer Anodenseite betrieben wird.The invention relates to a method for heating an element (10) with catalytically active material in an exhaust gas stream of a fuel cell (2), which contains cathode and anode side exhaust gases, with a targeted hydrogen excess is passed to the element (10) with the catalytically active material , The inventive method is characterized in that for this purpose the fuel cell (2) is operated with a hydrogen excess on its anode side.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Aufheizen eines Elements mit einem katalytisch aktiven Material in einem Abgasstrom einer Brennstoffzelle nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 und 3 näher definierten Art.The invention relates to a method for heating an element with a catalytically active material in an exhaust stream of a fuel cell according to the closer defined in the preamble of
Elemente mit katalytisch aktiven Materialien werden im Abgas von Brennstoffzellensystemen sehr häufig eingesetzt. Sie können insbesondere die Aufgabe haben, Restwasserstoff in den Abgasen aus der Anodenseite mit Restsauerstoff in den Abgasen aus der Kathodenseite entsprechend umzusetzen, um so zu verhindern, dass es zu Wasserstoffemissionen in die Umgebung des Brennstoffzellensystems kommt. In einigen Anwendungsfällen ist als Zusatznutzen außerdem eine Turbine vorgesehen, welche Energie aus den heißen Abgasen dieser katalytischen Nachverbrennung nutzt, um die Wärmeenergie, insbesondere in elektrische Energie oder in Antriebsenergie für eine Luftfördereinrichtung umzuwandeln. In diesem Zusammenhang kann beispielhaft auf die
Ein anderer Anwendungszweck für Elemente mit katalytisch aktivem Material in den Abgasstrecken von Brennstoffzellensystemen liegt darin, dass bei Brennstoffzellensystemen eventuelle Wasserstoffemissionen eine potentielle Gefahr darstellen, da ab einer kritischen Wasserstoffkonzentration von mehr als 4% in der Luft zündfähige Gemische entstehen können. Aus diesem Grund sind Wasserstoffsensoren sehr häufig in den Abgasen eines Brennstoffzellensystems angeordnet, um beispielsweise unerwünschte Wasserstoffemissionen aufgrund einer Undichtheit, eines Versagens der Membranen in der Brennstoffzelle oder dergleichen zuverlässig detektieren zu können, um so eine entsprechende Warnmeldung bzw. einen Alarm auszulösen und die Brennstoffzelle gegebenenfalls abzuschalten.Another application for elements with catalytically active material in the exhaust gas lines of fuel cell systems is that in fuel cell systems possible hydrogen emissions pose a potential danger, since from a critical hydrogen concentration of more than 4% in the air ignitable mixtures can arise. For this reason, hydrogen sensors are very often arranged in the exhaust gases of a fuel cell system, for example, to reliably detect unwanted hydrogen emissions due to leakage, failure of the membranes in the fuel cell or the like, so as to trigger a corresponding warning or alarm and the fuel cell, if necessary off.
Da herkömmlich aufgebaute Wasserstoffsensoren häufig sehr teuer und in ihrer Funktionalität, insbesondere für Fahrzeuganwendungen mit starken Wechseln in der Temperatur und einer sehr starken Belastung der Sensoren mit Feuchte sehr unzuverlässig in der Handhabung sind, können auch Elemente mit katalytisch aktivem Material zusammen mit Temperatursensoren eingesetzt werden, um eine kritische Wasserstoffkonzentration zu erfassen. Beispielhaft hinsichtlich eines solchen Aufbaus wird auf die Kombination eines Temperatursensors mit katalytischer Beschichtung und eines unbeschichteten Temperatursensors verwiesen, welche so aus der
Aus der nicht vorveröffentlichten älteren
All diese Elemente mit katalytisch aktiven Materialien im Abgas einer Brennstoffzelle haben dabei, und dies gilt insbesondere für Fahrzeuganwendungen, bei denen ein Start auch unter widrigen, beispielsweise feuchten und/oder sehr kalten Umgebungsbedingungen schnell und zuverlässig erfolgen muss, das Problem, dass sie, bis die Umsetzung von Wasserstoff startet, eine gewisse Zündtemperatur und Trockenheit erreicht haben müssen. Erst dann ist einerseits die zuverlässige Umsetzung von Restwasserstoff und andererseits der zuverlässige Einsatz als Konzentrationssensor für kritische Wasserstoffkonzentrationen möglich. Bei Katalysatoren zur Nachverbrennung von Restwasserstoff sind dabei, ähnlich wie bei Katalysatoren in der herkömmlichen Fahrzeugtechnik, elektrische Heizeinrichtungen bekannt. Diese belasten jedoch im Kaltstartfall die elektrischen Starterbatterien zusätzlich und weisen einen vergleichsweise schlechten Wirkungsgrad auf, da die elektrische Energie immer zuerst erzeugt und dann mit einem Speicherwirkungsgrad des Energiespeichers zwischengespeichert werden muss, bevor sie wieder verwendet wird.All these elements with catalytically active materials in the exhaust gas of a fuel cell have, and this is particularly true for vehicle applications where a start must be made quickly and reliably under adverse, such as humid and / or very cold environmental conditions, the problem that they, until the implementation of hydrogen starts, must have reached a certain ignition temperature and dryness. Only then, on the one hand, can the reliable conversion of residual hydrogen and, on the other, reliable use as a concentration sensor for critical hydrogen concentrations become possible. In catalysts for afterburning of residual hydrogen are, similar to catalysts in conventional vehicle technology, electric heaters known. However, these burden in the cold start case, the electric starter batteries in addition and have a comparatively poor efficiency, since the electrical energy must always be generated first and then cached with a storage efficiency of the energy storage before it is used again.
Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin, ein verbessertes Verfahren zum Aufheizen eines Elements mit katalytisch aktivem Material im Abgas einer Brennstoffzelle anzugeben, welches die genannten Nachteile vermeidet und darüber hinaus einen Zusatznutzen schaffen kann.The object of the present invention is now to provide an improved method for heating an element with catalytically active material in the exhaust gas of a fuel cell, which avoids the disadvantages mentioned and moreover can provide an added benefit.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 und/oder im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 3 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Verfahren sind in den abhängigen Unteransprüchen angegeben.According to the invention this object is achieved by a method having the features in the characterizing part of
Das erste erfindungsgemäße Verfahren, welches durch die Merkmale im Anspruch 1 beschrieben ist, nutzt ein herkömmliches Brennstoffzellensystem, bei dem das Element mit dem katalytisch aktiven Material insbesondere zur Umsetzung von Restwasserstoff vorgesehen ist, um Emissionen an die Umgebung zu verhindern. Zur Erwärmung bzw. Aufheizung des Elements mit katalytisch aktivem Material reicht es dann, so haben es die Erfinder erkannt, aus, wenn die Brennstoffzelle mit einem entsprechenden Wasserstoffüberschuss betrieben wird. Dieser Wasserstoff stellt einerseits eine gute Durchströmung der Brennstoffzelle selbst sicher, sodass eventuelle Feuchtigkeit, welche sich ggf. noch in der Brennstoffzelle befindet, sehr gut ausgetragen wird. Im Ergebnis gelangen dann in das Abgas der Brennstoffzelle vergleichsweise große Mengen an Wasserstoff, was potenziell zuerst einmal ein Nachteil zu sein scheint. Allerdings ist es durch die höhere Menge an Wasserstoff im Abgas sehr leicht möglich, eine Umsetzung von Wasserstoff und Sauerstoff an dem Element mit dem katalytisch aktiven Material zu zünden. Diese kann insbesondere passiv erfolgen, kann gegebenenfalls jedoch auch durch eine Zündeinrichtung wie eine Zündkerze oder dergleichen unterstützt werden. Durch den gegenüber dem herkömmlichen Betrieb deutlichen Überschuss an Wasserstoff, sodass sich insbesondere Konzentrationen von mehr als zwei Volumenprozent in den gemeinsamen Abgasen aus Kathodenraum und Anodenraum einstellen, wird eine zuverlässige Zündung erreicht und durch die bei der Umsetzung von Wasserstoff mit dem Restsauerstoff in der Kathodenabluft entstehende Reaktionswärme wird das Element mit dem katalytisch aktivem Material sicher und zuverlässig erwärmt. Nachdem dieses die gewünschte Temperatur erreicht hat, kann zu einem Betrieb der Brennstoffzelle mit einer normalen Wasserstoffmenge gewechselt werden. Nachdem das Element mit dem katalytisch aktiven Material die Betriebstemperatur erreicht hat, kann die Umsetzung auch sehr kleiner Restwasserstoffmengen in den Abgasen problemlos an dem katalytisch aktiven Material erfolgen.The first method according to the invention, which is described by the features in
Diese Vorheizung kann dabei nicht nur bei einem Element mit katalytisch aktivem Material erfolgen, welches zur Umsetzung von Restwasserstoff genutzt wird, sondern auch bei einem Element mit katalytisch aktivem Material, welches zusammen mit einem Temperatursensor als Wasserstoffkonzentrationssensor verwendet wird. Dies ist gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens so vorgesehen. Hierdurch ist es möglich, den Wasserstoffkonzentrationssensor aufzuheizen und diesen von potenzieller Feuchtigkeit und/oder Eis zu befreien, um eine zuverlässige Funktionalität nach der erfolgten Aufheizung in jedem Fall sicherzustellen.This preheating can be done not only in an element with catalytically active material, which is used to convert residual hydrogen, but also in an element with catalytically active material, which is used together with a temperature sensor as a hydrogen concentration sensor. This is provided in accordance with an advantageous development of the method. This makes it possible to heat the hydrogen concentration sensor and to free it of potential moisture and / or ice, in order to ensure reliable functionality after the successful heating in each case.
Nun ist es natürlich grundsätzlich wünschenswert, die Funktionalität eines für die Sicherheit relevanten Wasserstoffkonzentrationssensors auch bereits dann zur Verfügung zu haben, wenn beispielsweise die Brennstoffzelle selbst noch gar nicht in Betrieb ist bzw. mit Wasserstoff versorgt ist. In der alternativen parallelen Ausgestaltung des Verfahrens kann es deshalb vorgesehen sein, dass das Element mit dem katalytisch aktiven Material zusammen mit einem Temperatursensor als Wasserstoffkonzentrationssensor vorgesehen ist, wobei der Wasserstoffüberschuss in einer Bypassleitung um die Brennstoffzelle zu dem Element geführt wird. Eine solche Leitung, welche direkt von dem Brennstoff- bzw. Wasserstoffspeicher zu dem Element führt, ermöglicht so ein Aufheizen und damit letztlich eine zuverlässige Inbetriebnahme des als Wasserstoffsensor verwendeten Elements mit dem katalytisch aktiven Material parallel zu oder vor dem Start der eigentlichen Brennstoffzelle, sodass die Sicherheit hierdurch weiter erhöht werden kann.Of course, it is of course fundamentally desirable to have the functionality of a hydrogen concentration sensor relevant to safety already available if, for example, the fuel cell itself is not yet in operation or is supplied with hydrogen. In the alternative parallel embodiment of the method, it can therefore be provided that the element with the catalytically active material is provided together with a temperature sensor as a hydrogen concentration sensor, wherein the excess of hydrogen is guided in a bypass line to the fuel cell to the element. Such a line, which leads directly from the fuel or hydrogen storage to the element, thus enabling heating and thus ultimately reliable startup of the element used as a hydrogen sensor with the catalytically active material parallel to or before the start of the actual fuel cell, so that the Safety can be further increased thereby.
In einer weiteren sehr günstigen Ausgestaltung der beiden beschriebenen Verfahren ist es ferner vorgesehen, dass der Wasserstoffüberschuss so eingestellt wird, dass sich eine Wasserstoffkonzentration von zwei bis vier Volumenprozent an dem Element mit dem katalytisch aktiven Material einstellt. Insbesondere eine solche Wasserstoffkonzentration mit ca. zwei bis vier Volumenprozent an Wasserstoff in dem an dem Element anlangenden Gasgemisch ist von besonderem Vorteil für die erfindungsgemäßen Verfahren. Ab einer Konzentration von ca. zwei Volumenprozent an Wasserstoff in den Gasen erfolgt bei ausreichender Anwesenheit von Sauerstoff, was bei einer Durchströmung der Kathode der Brennstoffzelle im Allgemeinen immer sichergestellt ist, eine sichere und zuverlässige Zündung im Bereich des katalytisch aktiven Materials. Damit kann auch unter widrigen Bedingungen die Aufheizung des katalytischen aktiven Materials sicher und zuverlässig erfolgen. Idealerweise bleibt die Wasserstoffkonzentration dabei jedoch im zeitlichen Mittel über 3 Sekunden unter vier Volumenprozent, da ab einer Wasserstoffkonzentration von ca. vier Volumenprozent in Luft, was in diesem Falle beispielsweise bei einer Durchströmung der Kathode ohne gleichzeitige Wasserstoffdosierung in die Brennstoffzelle als Maximum der Sauerstoffkonzentration angenommen werden kann, zündfähige Gemische von Wasserstoff und Sauerstoff entstehen können. Neben diesem Einhalten von Konzentrationen im zeitlichen Mittel über 3 Sekunden von maximal vier Volumenprozent darf die Konzentration selbst jedoch innerhalb dieser 3 Sekunden entsprechend schwanken, wobei Konzentrationsspitzen von bis zu acht Volumenprozent erreicht werden dürfen. Damit ist es möglich, kurze Konzentrationsspitzen von knapp acht Volumenprozent an Wasserstoff einzuleiten, um so beispielsweise auch unter sehr ungünstigen Bedingungen einen grundsätzlichen Umsatz des Wasserstoffs an dem Katalysator, also dessen sichere und zuverlässige Zündung, zu ermöglichen. Wird die Konzentration jedoch im zeitlichen Mittel unterhalb dieser vier Volumenprozent an Wasserstoff gehalten, dann kann in jedem Fall ausgeschlossen werden, dass ohne die Hilfe eines Katalysators zündfähige und damit potenziell sicherheitskritische Gemische entstehen und gegebenenfalls in die Umgebung gelangen können.In a further very favorable embodiment of the two methods described, it is further provided that the excess of hydrogen is adjusted so that sets a hydrogen concentration of two to four percent by volume of the element with the catalytically active material. In particular, such a hydrogen concentration with about two to four percent by volume of hydrogen in the gas mixture arriving at the element is of particular advantage for the processes according to the invention. From a concentration of about two percent by volume of hydrogen in the gases takes place with sufficient presence of oxygen, which is always ensured in a flow through the cathode of the fuel cell in general, a safe and reliable ignition in the range of the catalytically active material. Thus, even under adverse conditions, the heating of the catalytic active material can be done safely and reliably. Ideally, however, the hydrogen concentration during this time remains below four percent by volume for 3 seconds, since in this case, for example, a flow through the cathode without simultaneous hydrogen metering into the fuel cell is assumed to be the maximum oxygen concentration can form ignitable mixtures of hydrogen and oxygen. In addition to this maintenance of concentrations over a period of time of more than 3 seconds of a maximum of four percent by volume, however, the concentration itself may fluctuate correspondingly within these 3 seconds, whereby concentration peaks of up to eight percent by volume may be achieved. Thus, it is possible to initiate short concentration peaks of almost eight percent by volume of hydrogen, so as to allow, for example, even under very unfavorable conditions, a basic conversion of hydrogen to the catalyst, so its safe and reliable ignition. However, if the concentration is kept below this four volume percent of hydrogen over time, then it can be ruled out in each case that without the help of a catalyst ignitable and thus potentially safety-critical mixtures are formed and may possibly enter the environment.
In einer weiteren außerordentlich vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann es nun außerdem vorgesehen sein, dass der Wasserstoffüberschuss dazu genutzt wird, den Temperatursensor, sofern dieser vorhanden ist, zu überprüfen und/oder zu kalibrieren. Dies gilt insbesondere für den Fall, dass Wasserstoff durch die Brennstoffzelle oder bevorzugt um die Brennstoffzelle herum zu dem Element mit dem katalytisch aktiven Material geleitet wird, ohne das Wasserstoff in der Brennstoffzelle selbst aufgebraucht wird. Hierdurch kann vergleichsweise einfach bei typischerweise bekanntem Luftmassenstrom durch die Kathodenseite bzw. aus Erfahrung ausreichendem Sauerstoff und entsprechender Zudosierung von Wasserstoff beispielsweise in einer Bypassleitung um die Brennstoffzelle bei noch nicht mit Wasserstoff beaufschlagter Brennstoffzelle eine zuverlässige Vorhersage der an dem Element mit dem katalytisch aktiven Material ankommenden Wasserstoffkonzentration getroffen werden. Damit ist immer wieder während oder insbesondere vor Inbetriebnahme des Systems die Funktionsüberprüfung und/oder Kalibrierung des Temperatursensors des Wasserstoffkonzentrationssensors möglich. Dies erhöht die Sicherheit des Systems erheblich, da eine solche vor oder während des Betriebs beispielsweise einer Anlage in einem Fahrzeug vorgenommene Kalibrierung des Wasserstoffkonzentrationssensors zu einer erheblich höheren Sicherheit führt, da sowohl die grundsätzliche Funktion des Wasserstoffkonzentrationssensors festgestellt als auch seine Kalibrierung neu eingestellt werden kann. Dies erfolgt in Abhängigkeit der an dem Element mit dem katalytisch aktiven Material bereits aufgetretenen Alterung, beispielsweise einer Reduktion der katalytisch aktiven Masse durch thermische Effekte, Aufreißen oder Abplatzen von Beschichtungen oder dergleichen. Dies führt letztlich zu einer Erhöhung der Sicherheit.In a further extremely advantageous embodiment of the method according to the invention, it can now also be provided that the excess of hydrogen is used to check and / or to calibrate the temperature sensor, if present. This is especially true in the case that hydrogen is passed through the fuel cell or preferably around the fuel cell to the element with the catalytically active material without the hydrogen in the fuel cell itself being consumed. As a result, a reliable prediction of the hydrogen concentration arriving at the element with the catalytically active material can be achieved comparatively easily with typically known air mass flow through the cathode side or from experience of sufficient oxygen and hydrogen, for example in a bypass line around the fuel cell to be hit. Thus, the function check and / or calibration of the temperature sensor of the hydrogen concentration sensor is always possible during or in particular before the system is put into operation. This considerably increases the safety of the system, since such a calibration of the hydrogen concentration sensor carried out before or during operation of, for example, a system in a vehicle leads to a considerably higher safety, since both the fundamental function of the hydrogen concentration sensor can be determined and its calibration readjusted. This takes place as a function of the aging which has already occurred at the element with the catalytically active material, for example a reduction of the catalytically active material due to thermal effects, rupture or spalling of coatings or the like. This ultimately leads to an increase in security.
Auch während des Betriebs einer Brennstoffzelle kann eine solche Kalibrierung immer wieder durchgeführt werden. Dies gilt insbesondere dann, wenn die Anodenseite der Brennstoffzelle mit einem sogenannten Anodenkreislauf betrieben wird. Bei einem solchen Anodenkreislauf wird das Abgas aus der Anode im Kreislauf beispielsweise über eine Gasstrahlpumpe oder ein Rezirkulationsgebläse zum Eingang des Anodenraums zurückgeführt und diesem typischerweise vermischt mit frischem Wasserstoff erneut zugeführt. In diesem Anodenkreislauf reichert sich dann mit der Zeit inertes Gas an, sodass die Abgase beispielsweise von Zeit zu Zeit aus diesem Anodenkreislauf abgelassen werden. In den Zeiten, in denen gerade kein Abgas aus dem Anodenkreislauf abgelassen wird, gelangt bei diesem Aufbau im Bereich des Wasserstoffsensors nur die Abluft aus der Kathode an. Für den Fall, dass diese Abluft keine Wasserstoffemissionen enthält, was auf eine Undichtheit innerhalb der Brennstoffzelle hindeuten würde, misst der Wasserstoffkonzentrationssensor also in dieser Situation keinen Wasserstoff. Ist ein solches Messergebnis festgestellt worden, kann die Bypassleitung um die Brennstoffzelle kurz geöffnet werden, um eine entsprechende Menge an Wasserstoff direkt zu dem Element mit dem katalytisch aktiven Material zu führen. Die jetzt auftretende Temperaturerhöhung kann dann einerseits zur Funktionsüberprüfung des Wasserstoffkonzentrationssensors und andererseits zu seiner Kalibrierung eingesetzt werden. Dies kann während des regulären Betriebs erfolgen und zwar immer dann, wenn gerade keine Abgase aus dem Anodenkreislauf in den Bereich der Abgasleitung gelangen. Hierdurch wird die Sicherheit des Systems noch weiter erhöht, da eine Überprüfung der Funktionalität und eine Kalibrierung des Wasserstoffkonzentrationssensors so auch während des Betriebs einfach und effizient möglich wird und dementsprechend häufig vorgenommen werden kann, um eine hohe Zuverlässigkeit der Funktion des Wasserstoffsensors zu gewährleisten.Even during operation of a fuel cell, such a calibration can be performed again and again. This is especially true when the anode side of the fuel cell is operated with a so-called anode circuit. In such an anode circuit, the exhaust gas is recirculated from the anode in the circuit, for example via a gas jet pump or a recirculation fan to the input of the anode compartment and this fed again mixed typically with fresh hydrogen. In this anode cycle then inert gas accumulates over time, so that the exhaust gases are discharged, for example, from time to time from this anode circuit. In the times in which no exhaust gas is discharged from the anode circuit, only the exhaust air from the cathode arrives at this structure in the region of the hydrogen sensor. In the event that this exhaust air contains no hydrogen emissions, which would indicate a leakage within the fuel cell, the hydrogen concentration sensor does not measure hydrogen in this situation. Once such a measurement result has been established, the bypass line around the fuel cell can be briefly opened in order to lead a corresponding amount of hydrogen directly to the element with the catalytically active material. The now occurring temperature increase can then be used on the one hand for functional testing of the hydrogen concentration sensor and on the other hand for its calibration. This can be done during normal operation, and indeed whenever no exhaust gases from the anode circuit enter the region of the exhaust pipe. As a result, the security of the system is further increased, since a review of the functionality and calibration of the hydrogen concentration sensor so easily and efficiently during operation and thus can be made frequently to ensure high reliability of the function of the hydrogen sensor.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Verfahren ergeben sich außerdem aus den Ausführungsbeispielen, welche nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben sind.Further advantageous embodiments of the method according to the invention also result from the exemplary embodiments, which are described in more detail below with reference to the figures.
Dabei zeigen:Showing:
In der Darstellung der
Dem Anodenraum
In der Darstellung der
Da das Element mit dem katalytisch aktiven Material beispielsweise zur Umsetzung von Restwasserstoff in der Abgasleitung
Dies kann beispielsweise bei der Darstellung des Brennstoffzellensystems
In dem Ausführungsbeispiel des Brennstoffzellensystems
In beiden Fällen, insbesondere jedoch bei dem Ausführungsbeispiel gemäß
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