DE102015213917A1 - Verfahren und System zum Ablassen von Anodenabgas einer Brennstoffzelle - Google Patents

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Abstract

Die hier offenbarte Technologie betrifft ein Verfahren zum Betreiben von mindestens einer Brennstoffzelle 100. Während einer Aufwärmphase der Brennstoffzelle 100 wird ein abzulassendes Anodenabgas zumindest zeitweise ausschließlich einer Kathode der Brennstoffzelle 100 zugeführt. Während einer sich an die Aufwärmphase anschließenden Betriebsphase der Brennstoffzelle 100 wird das abzulassende Anodenabgas zumindest teilweise dem Kathodenabgas beigemischt.

Description

  • Die hier offenbarte Technologie betrifft ein Verfahren und ein System zum Ablassen von Anodenabgas einer Brennstoffzelle.
  • Brennstoffzellensysteme als solche sind bekannt. Für die Brennstoffversorgung von Brennstoffzellensystemen wird beispielsweise Wasserstoff einer Anodeneingangsseite einer Brennstoffzelle zugeführt. Zur Verbesserung der Wasserstoffverteilung innerhalb der Brennstoffzelle wird ein Gasanteil über eine Rezirkulationspumpe vom Anodenaustritt zum Anodeneintritt gepumpt. Alternativ kann auch eine Venturi-Düse verwendet werden, die einen Unterdruck auf der Anodenaustrittsseite der Brennstoffzelle erzeugt, so dass so auch eine Gas-Rezirkulation erreicht wird. Beim Systemstart aber auch im Betrieb kommt es zu Stickstoff- und Flüssigwasseranreicherungen im Anodensubsystem. Beide Medien, Stickstoff und Flüssigwasser, müssen ab einer bestimmten Menge aus dem Anodenkreis genommen werden, was als Purge-Vorgang/Spülvorgang (für Gase) bzw. Drain-Vorgang/Entwässerungsvorgang (für Flüssigwasser) bezeichnet wird. Zur Steigerung der H2-Konzentration wird der dabei entstehende Druckabfall durch die Zugabe von Wasserstoff ausgeglichen. Das Entlüften/Entwässern führt dazu, dass sich die Menge an Stickstoff und Flüssigwasser im Anodensubsystem verringert und die Konzentration an Wasserstoff erhöht. Stickstoff und Flüssigwasser werden dabei in eine Abgasleitung des Brennstoffzellensystems eingebracht. Hierbei muss sichergestellt sein, dass ausreichend Kathodenabgas zur Verdünnung vorliegt. Ansonsten könnte sich eine unerwünscht hohe Konzentration an Wasserstoff im Abgas einstellen.
  • Um beim Kaltstart das Brennstoffzellensystem schnell auf Betriebstemperatur zu bringen, kann das Brennstoffzellensystem bei niedrigen Temperaturen weniger effizient betrieben werden. Besonders beim Kaltstart des Brennstoffzellensystems wird daher die Frischluftzufuhr und damit auch der Abgasmassenstrom begrenzt, um eine möglichst kurze Aufwärmzeit des Brennstoffzellensystems zu erreichen. Für die Anodenentlüftungsvorgänge kann beim Kaltstart nicht ausreichend Verdünnungsluft vorhanden sein, so dass die maximale Wasserstoff-Konzentration im Systemabgas überschritten werden könnten, wenn nicht zusätzliche Maßnahmen vorgesehen wären.
  • Die DE 10 2004 055 158 A1 zeigt ein Brennstoffzellensystem mit einem Brennstoffzellenstapel. Das Anodenabgas wird der Kathodenseite zugeführt. Die anodenseitige Abgasleitung mündet auf der Saugseite des Verdichters in eine Zuführleitung der Kathodenseite. Ferner offenbart die DE 10115336 A1 ein Brennstoffzellensystem mit einer Rückführung von Anodenabgas zur Kathodenzuluft sowie eine weitere Leitung, die zu einer Abgasmischeinrichtung führt, die in der Kathodenabgasleitung stromab des Kathodenausgangs vorgesehen ist. Auch sind hier Wasserabscheider offenbart, die aus dem Anodenabgas und dem Kathodenabgas Wasser abscheiden, dass zur Befeuchtung der der Brennstoffzellen zugeführten Gasen dienen kann. Aus der WO 2008/052578 A1 ist ein Brennstoffzellensystem bekannt, bei dem eine Spülleitung von einem Rezirkulationskreis abzweigt. Die Spülleitung dient sowohl zum Entfernen von Wasser als auch zum Entfernen von anodenseitigem Brennstoffzellenabgas. Ferner ist ein Umschalter vorgesehen, der der die Spülleitung wahlweise an den kathodenseitigen Eingang oder den kathodenseitigen Ausgang anlegt.
  • Es ist eine Aufgabe der hier offenbarten Technologie, die Nachteile der vorbekannten Lösungen zu verringern oder zu beheben. Weitere Aufgaben ergeben sich aus den vorteilhaften Effekten der hier offenbarten Technologie. Die Aufgabe(n) wird/werden gelöst durch den Gegenstand des Patentanspruchs 1. Die abhängigen Ansprüche stellen bevorzugte Ausgestaltungen dar.
  • Die hier offenbarte Technologie betrifft ein Verfahren zum Betreiben von mindestens einer Brennstoffzelle eines Brennstoffzellensystems. Ein solches Brennstoffzellensystem umfasst mindestens eine Brennstoffzelle.
  • Das Brennstoffzellensystem ist beispielsweise für mobile Anwendungen wie Kraftfahrzeuge gedacht. In ihrer einfachsten Form ist eine Brennstoffzelle ein elektrochemischer Energiewandler, der Brennstoff und Oxidationsmittel in Reaktionsprodukte umwandelt und dabei Elektrizität und Wärme produziert. Die Brennstoffzelle umfasst eine Anode und eine Kathode, die durch einen ionenselektiven Separator getrennt sind. Die Anode weist eine Zufuhr für einen Brennstoff zur Anode auf. Bevorzugte Brennstoffe sind: Wasserstoff, niedrigmolekularer Alkohol, Biokraftstoffe, oder verflüssigtes Erdgas. Die Kathode weist beispielsweise eine Zufuhr für Oxidationsmittel auf. Bevorzugte Oxidationsmittel sind bspw. Luft, Sauerstoff und Peroxide. Der ionenselektive Separator kann bspw. als Protonenaustauschmembran (proton exchange membrane, PEM) ausgebildet sein. Bevorzugt kommt eine kationenselektive Polymerelektrolytmembran zum Einsatz. Materialien für eine solche Membran sind beispielsweise: Nafion®, Flemion® und Aciplex®. Ein Brennstoffzellensystem umfasst mindestens eine Brennstoffzelle sowie periphere Systemkomponenten (BOP-Komponenten), die beim Betrieb der mindestens einen Brennstoffzelle zum Einsatz kommen können. In der Regel sind mehrere Brennstoffzellen zu einem Brennstoffzellenstapel bzw. Stack zusammengefasst.
  • Gemäß dem hier offenbarten Verfahren wird während einer ersten Zeitspanne ein abzulassendes Anodenabgas der Brennstoffzelle zumindest zeitweise ausschließlich der Kathode der Brennstoffzelle zugeführt. Das Anodenabgas ist dabei das Gasgemisch, welches die Anode der Brennstoffzelle verlässt. Das abzulassende Anodenabgas ist der Teil des Abgases, der nicht rezirkuliert wird. Insbesondere ist das abzulassende Anodenabgas der Teil des Anodenabgases, der über das Entlüftungsventil bzw. Purgeventil dem Anodensubsystem entnommen wird. Durch Purging-Vorgänge wird dieser Teil des Anodenabgases, im Wesentlichen Wasserdampf, Stickstoff sowie Wasserstoff, dem Anodenabgas entnommen. Als Rezirkulation wird in diesem Zusammenhang die Rückführung des Anodenabgases in die Anodenzuluft bzw. den Anodeneinlass bezeichnet. Zeitweise kann während der Purging-Vorgänge das abzulassende Abgas bevorzugt komplett in die Kathode abgelassen werden.
  • Bevorzugt ist die erste Zeitspanne die Aufwärmphase der Brennstoffzelle. Die Aufwärmphase ist dabei die Phase, in der das Brennstoffzellensystem des Kraftfahrzeuges auf die (optimale) Betriebstemperatur erwärmt wird. Die Aufwärmphase beginnt i. d. R. mit der Aktivierung des Brennstoffzellensystems und endet mit dem Erreichen der Betriebstemperatur, ab welcher der Fahrbetrieb des Kraftfahrzeuges vom Fahrzeug bzw. einer Steuerung zugelassen wird. Besonders bevorzugt wird die Aufwärmphase der Brennstoffzelle bereits vor der Betätigung des Zündschlüssels bzw. des Starterknopfs aktiviert. Beispielsweise kann die Aufwärmphase durch ein Funksignal oder durch eine Zeitschaltuhr initiiert werden. In einer Ausgestaltung kann der Fahrzeugführer bspw. über eine entsprechende Software eines Mobiltelefons die Aufwärmung des Brennstoffzellensystems starten. Alternativ kann die Aufwärmphase mit dem Signal zum Entriegeln der Zentralverriegelung beginnen.
  • Besonders bevorzugt kann eine erste Zeitspanne eine Kalt- oder Froststartphase der Brennstoffzelle sein. Beim Betrieb von Brennstoffzellen ist insbesondere der Kaltstart (Start bei einer Umgebungstemperatur von 0°C bis 25°C) sowie der Froststart (Start bei einer Umgebungstemperatur unter 0°C) problembehaftet. Aus diesem Grund besteht ein Bedürfnis, das Brennstoffzellensystem möglichst schnell auf eine Betriebstemperatur zu bringen, bei der das System einen besseren Wirkungsgrad aufweist.
  • Gemäß der hier offenbarten Technologie wird während einer zweiten Zeitspanne das abzulassende Anodenabgas zumindest teilweise der Kathodenabgas beigemischt. Das Kathodenabgas ist dabei das Gas, das die Kathode verlässt. Bevorzugt ist die zweite Zeitspanne eine sich an die Aufwärmphase der Brennstoffzelle anschließende Betriebsphase der Brennstoffzelle. Die Betriebsphase tritt ein, nachdem die Brennstoffzelle ihre Betriebstemperatur erreicht hat. Die Betriebstemperatur kann bspw. ein zuvor festgelegter Temperaturwert sein.
  • Bevorzugt wird das Anodenabgas ausschließlich der Kathode zugeführt, wenn der Massenstrom an Luft, der der Kathode zu und/oder aus dieser abgeführt wird, unterhalb von einem Grenzwert liegt. Insbesondere kann der Grenzwert für den Massenstrom an Luft so gewählt sein, dass es zu keiner kritischen Wasserstoffkonzentration im Kathodenabgas kommt. Ferner bevorzugt wird das Anodenabgas ausschließlich der Kathode zugeführt, wenn die Wasserstoffkonzentration in zumindest einem Teilbereich des Kathodenabgases oberhalb von einem Wasserstoff-Grenzwert liegt. Anstatt den Massenstrom zu messen, könnte also auch direkt die Wasserstoffkonzentration im Kathodenabgas herangezogen werden. Mitunter kann also auch durch andere Parameter als die Brennstoffzellentemperatur festgelegt werden, ob das abzulassende Anodenabgas der Kathode (erste Zeitspanne) oder dem Kathodenabgas (zweite Zeitspanne) zugeführt wird.
  • Bevorzugt kann Wasser, das im Anodenabgas enthalten ist, aus dem Anodenabgas abgeschieden werden (Drain, Entwässerung). Besonders bevorzugt wird das Wasser dem Kathodenabgas beigemischt. Besonders bevorzugt wird das Wasser während des Aufwärmens der Brennstoffzelle dem Kathodenabgas zugemischt. Somit kann vorteilhaft die Gefahr verringert werden, dass sich Flüssigwasser im Brennstoffzellen-Stack ansammelt. und gleichmäßige Luftversorgung über alle Zellen stört. Ferner kann vorgesehen sein, dass bei höheren Betriebstemperaturen (> 80°C) das Flüssigwasser der Anodenseite zur Befeuchtung der Kathodenzuluft eingesetzt wird.
  • Die hier offenbarte Technologie umfasst ferner ein Brennstoffzellensystem mit mindestens einer Brennstoffzelle. Auf der Anodenseite des Brennstoffzellensystems ist mindestens ein Schaltmittel vorgesehen. Das Schaltmittel ist ausgebildet, während einer ersten Zeitspanne ein abzulassendes Anodenabgas der Brennstoffzelle zumindest zeitweise ausschließlich einer Kathode der Brennstoffzelle zuzuführen, und während einer zweiten Zeitspanne das abzulassende Anodenabgas zumindest teilweise dem Kathodenabgas beizumischen. Die Anodenseite, auch Anodensubsystem genannt, ist dabei der Anodenfluidstromkreis, der unter anderem die zum Anodeneinlass führende Anodenzuleitung, die vom Anodenauslass wegführende Anodenableitung und die Rezirkulationsleitung umfasst.
  • Die hier offenbarte Technologie wird nun anhand der schematischen 1 erläutert.
  • 1 zeigt ein Brennstoffzellensystem gemäß der hier offenbarten Technologie. Das Brennstoffzellensystem umfasst hier mehrere Brennstoffzellen 100, die zu einem Brennstoffzellenstapel zusammengeführt sind. Auf der Anodenseite ist ein Rezirkulationskreis 300 gezeigt. Als Brennstoff wird hier Wasserstoff eingesetzt. Der Wasserstoff strömt durch eine Anodenzuleitung 310 in einen Anodeneinlass 134 der Anode der Brennstoffzelle 100 ein. In der Brennstoffzelle 100 finden die vorbekannten elektrochemischen Reaktionen statt, bevor das Gas die Anode bzw. den Anodenraum durch den Anodenauslass 132 wieder verlässt. Stromab des Anodenauslasses 132 ist in der Anodenableitung 312 ein Wasserabschneider 330 angeordnet, in dem der Wasseranteil vom Anodenabgas abgeschieden wird. Die Rezirkulationspumpe 320 fördert das Anodenabgas wieder in die Anodenzuleitung 310 (Rezirkulation). Anstatt einer Pumpe 320 könnte ebenfalls eine Venturidüse 320 vorgesehen sein.
  • Stromab des Wasserabscheiders 330 ist hier ein Schaltmittel 340, 350 vorgesehen. Dieses Schaltmittel 340, 350 umfasst hier zwei regel- bzw. steuerbare Ventile 340, 350. Das erste Schaltventil 340 öffnet und schließt eine erste Verbindungsleitung 342, die stromauf der Kathode in die Kathodenzuluft 210 mündet. Das zweite Schaltventil 350 öffnet und schließt eine zweite Verbindungsleitung 352, die stromab der Kathode im Kathodenabgas 250 mündet. Die erste Verbindungsleitung 242 mündet hier in die Kathodenzuleitung. Sie könnte aber ebenfalls direkt am Kathodeneinlass 122 münden. Ferner könnte die Mündung 344 auch stromauf des Wärmetauschers 230 oder des Oxidationsmittelförderers 220 der Kathodenzuluft in die Kathodenzuluft 210 münden. Die Mündung 354 der zweiten Verbindungsleitung 352 endet in der Kathodenableitung 212. Während eines Purge-Vorgangs strömt das Anodenabgas zunächst durch die zweite Verbindungsleitung 352, bevor es schließlich stromab der Kathode der Kathodenabluft beigemischt wird. Eine Vorrichtung zur Beimischung ist beispielsweise in der DE 10 2013 218 958 A1 offenbart, die hiermit durch Bezug hier mit aufgenommen wird. Nicht dargestellt ist die Steuerung, die das Brennstoffzellensystem, insbesondere das erste und zweite Schaltmittel 340, 350, steuert. In der Kathodenabgasleitung kann ferner eine Vorrichtung zum Vermischen von Kathodenabgas und Anodenabgas vorgesehen sein.
  • Das Gemisch 410 aus Kathodenabgas und Anodenabgas wird danach durch eine geeignete Abgasanlage in die Umgebung freigesetzt. Ferner nicht gezeigt sind eventuell vorgesehene Sensoren zur Bestimmung etwaiger Regelgrößen wie Temperatur, Luftmasse, und/oder Wasserstoffkonzentration.
  • Zweckmäßig kann während der Aufwärmphase (aber auch während der Betriebsphase) der Brennstoffzelle 100 die Wasserstoffkonzentration im Kathodenabgas oder der Luftmassenstrom gemessen werden. Steigt die Wasserstoffkonzentration über einen Grenzwert oder sinkt der Luftmassenstrom unter einen Grenzwert, so könnte das erste Schaltventil 340 geöffnet und das zweite Schaltventil 350 geschlossen werden. Das Anodenabgas strömt dann durch die erste Verbindungsleitung 342 und fließt an der Mündung 344 in die Kathodenzuleitung. Der Wasserstoff reagiert an den katalytischen Oberflächen der Kathode. Die Wasserstoffkonzentration in der Kathodenabluft kann somit reduziert werden.
  • Bei der Reaktion an den Oberflächen der Kathode wird Wärme freigesetzt, die dazu beiträgt, dass die Brennstoffzelle schnell ihre Betriebstemperatur erreicht. Bevorzugt wird während einer Aufwärmphase der Brennstoffzelle 100 ca. 5% bis ca. 20%, und besonders bevorzugt ca. 10% bis ca. 15% des maximalen Wasserstoffmassenstroms, der unter Volllast der mindestens einen Brennstoffzelle bzw. dem Anodensubsystem zugeführt wird, durch die erste Verbindungsleitung 342 abgelassen. Bei normalen Purge-Vorgängen wird i. d. R. lediglich max. 1% des max. Wasserstoffmassenstroms abgelassen. Hier könnte indes zur gezielten Erwärmung der Brennstoffzelle die Menge an Wasserstoff aktiv erhöht werden. Bevorzugt kann die Menge an abgelassenen Wasserstoff derart erhöht werden, bis im Kathodenabgas ein Wasserstoff-Grenzwert erreicht ist. Dieser Grenzwert kann voreingestellt sein. Dieser Grenzwert könnte beispielsweise je nach Abstellort (im Freien, in der Garage) variieren. Somit kann ein besonders effizientes Aufwärmen der Brennstoffzelle gewährleistet werden, ohne dass Abgase mit einer zu hohen Wasserstoff-Konzentration in die Umgebung abgelassen werden.
  • Nach Abschluss der Aufwärmphase wird die Brennstoffzelle im „normalen” Betriebsmodus betrieben. Das erste Schaltventil 340 kann dazu geschlossen und das zweite Schaltventil 350 kann dazu geöffnet sein. Der Brennstoff gelangt dann also nicht in die Kathode, sondern direkt in das Kathodenabgas 250. Dies hat den Vorteil, dass im Anodenabgas enthaltener Wasserstoff nicht auf der Kathodenseite der Brennstoffzelle reagiert und die Brennstoffzelle 100 zusätzlich erhitzt. Es kann aber auch beim normalen Betrieb der Brennstoffzelle in manchen Lastpunkten sinnvoll sein, ein Teil des Anodenabgases über das erste Schaltventil 340 stromauf der Kathode einzubringen. Vorteilhaft werden das erste und zweite Ventil 340, 350 derart angesteuert, dass im Wasserabscheider 330 angesammeltes Flüssigwasser durch die zweite Verbindungsleitung 352 direkt in die Kathodenableitung 212 abgelassen wird. Somit wird vorteilhaft vermieden, dass zu viel Flüssigwasser in die Kathode eindringt.
  • Die hier dargestellte Lösung ist insbesondere geeignet, selektiv über die erste Verbindungsleitung 342 das Anodenabgas stromauf der Kathode abzulassen und zudem über die zweite Verbindungsleitung 352 Anodenabgas in einen Bereich stromab der Kathode abzulassen.
  • Die hier vorgeschlagene Systemkonfiguration sieht also zwei Anodenentlüftungsventile 340, 350 vor. Entlüftungsventil 340 führt das Anodengasgemisch zum Kathodeneinlass 122 der Brennstoffzelle 100. Dieses Ventil 340 wird während der Startvorgänge des Systems verwendet, da hierbei oftmals die Frischluftmenge begrenzt ist. Der Wasserstoff aus dem Entlüftungsvorgang wird dabei in der Brennstoffzelle 100 umgesetzt und wird nicht im Abgas verdünnt, um in die Umwelt entlassen zu werden. Liegt ein ausreichend hoher Luftversorgungsmassenstrom und damit ein ausreichend hoher Abgasmassenstrom an, wird die Anodenentlüftung über Ventil 350 zur Verdünnung des Wasserstoffgases in das Abgas 250 vorgenommen.
  • 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.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102004055158 A1 [0004]
    • DE 10115336 A1 [0004]
    • WO 2008/052578 A1 [0004]
    • DE 102013218958 A1 [0017]

Claims (7)

  1. Verfahren zum Betreiben von mindestens einer Brennstoffzelle (100), wobei während einer Aufwärmphase der Brennstoffzelle (100) ein abzulassendes Anodenabgas der Brennstoffzelle (100) zumindest zeitweise ausschließlich einer Kathode der Brennstoffzelle (100) zugeführt wird, und wobei während einer sich an die Aufwärmphase der Brennstoffzelle (100) anschließenden Betriebsphase der Brennstoffzelle (100) das abzulassende Anodenabgas zumindest teilweise dem Kathodenabgas beigemischt wird.
  2. Verfahren Anspruch 1, wobei das Anodenabgas ausschließlich der Kathode zugeführt wird, wenn der Massenstrom an Luft, der der Kathode zu und/oder aus dieser abgeführt wird, unterhalb von einem Grenzwert liegt.
  3. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Anodenabgas ausschließlich der Kathode zugeführt wird, wenn die Wasserstoffkonzentration in zumindest einem Teilbereich des Kathodenabgases oberhalb von einem Wasserstoff-Grenzwert liegt.
  4. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei Wasser aus dem Anodenabgas abgeschieden wird, und wobei das Wasser während der Aufwärmphase dem Kathodenabgas beigemischt wird.
  5. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei während der Aufwärmphase der Brennstoffzelle (100) ca. 5% bis ca. 20%, besonders bevorzugt ca. 10% bis ca. 15% des maximalen Wasserstoffmassenstroms abgelassen wird.
  6. Brennstoffzellensystem mit mindestens eine Brennstoffzelle, wobei auf der Anodenseite des Brennstoffzellensystems mindestens ein Schaltmittel (340, 350) vorgesehen ist, wobei das Schaltmittel (340, 350) ausgebildet ist, während einer Aufwärmphase der Brennstoffzelle (100) ein abzulassendes Anodenabgas der Brennstoffzelle (100) zumindest zeitweise ausschließlich einer Kathode der Brennstoffzelle (100) zuzuführen, und während einer sich an die Aufwärmphase der Brennstoffzelle (100) anschließenden Betriebsphase der Brennstoffzelle (100) das abzulassende Anodenabgas zumindest teilweise dem Kathodenabgas beizumischen.
  7. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 6, wobei als Schaltmittel (340, 350) ein erstes Schaltventil (340) und ein zweites Schaltmittel (350) vorgesehen sind, wobei das erste Schaltmittel (340) die Anodenseite mit einer ersten Verbindungsleitung (342) verbindet, die in die Kathode oder in die Kathodenzuluft mündet, und wobei zweite Schaltmittel (350) die Anodenseite mit einer zweiten Verbindungsleitung (352) verbindet, die stromab der Kathode in das Kathodenabgas mündet.
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