DE102018203760A1

DE102018203760A1 - Verfahren zur Konditionierung von mindestens einer Brennstoffzelle sowie Vorrichtung zur Konditionierung

Info

Publication number: DE102018203760A1
Application number: DE102018203760.4A
Authority: DE
Inventors: Dieter Hrabal; Peter Eichinger; Thomas Mertens; Markus Perchthaler
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2018-03-13
Filing date: 2018-03-13
Publication date: 2019-09-19

Abstract

Die offenbarte Technologie betrifft eine Vorrichtung zur Konditionierung von mindestens einer Brennstoffzelle 300 mit einer Kathode 310 und einer Anode 320 sowie ein Verfahren zur Konditionierung der Brennstoffzelle 300. Das Verfahren umfasst den Schritt, wonach Wasserdampf in die Kathode 310 und/oder in die Anode 320 eingebracht wird, wonach der Wasserdampf in einem Kondensationsbereich K auskondensiert wird, und wonach der Kondensationsbereich K innerhalb der Kathode 310 und/oder innerhalb der Anode 320 ausgebildet wird.

Description

Die hier offenbarte Technologie betrifft ein Verfahren zur Konditionierung von mindestens einer Brennstoffzelle. Ferner betrifft die hier offenbarte Technologie eine Vorrichtung zur Konditionierung von mindestens einer Brennstoffzelle.
Die volle Leistungsfähigkeit und Qualität eines Brennstoffzellenstapels ist nach seiner Herstellung noch nicht gegeben. Um diese zu erreichen, wird eine Konditionierung des Brennstoffzellenstapels vorgenommen, der auch als Break-In Prozess bezeichnet wird. Hierzu wird der Brennstoffzellenstapel bis zu mehrere Stunden auf speziellen Prüfständen aktiv betrieben. Durch den Break-In Prozess werden u.a. die Membran durchfeuchtet und etwaige Rückstände aus der Herstellung beseitigt. Nachteilig an diesem Verfahren ist, dass dieser Prozess vergleichsweise viel Zeit benötigt. Für eine Serienfertigung sind daher entsprechend viele Prüfstände erforderlich, die entsprechend viele Ressourcen binden.
Es ist eine bevorzugte Aufgabe der hier offenbarten Technologie, zumindest einen Nachteil von einer vorbekannten Lösung zu verringern oder zu beheben oder eine alternative Lösung vorzuschlagen. Es ist insbesondere eine bevorzugte Aufgabe der hier offenbarten Technologie, den Konditionierungsvorgang hinsichtlich des Ressourceneinsatzes zu verbessern und/oder zu beschleunigen. Weitere bevorzugte Aufgaben können sich aus den vorteilhaften Effekten der hier offenbarten Technologie ergeben. Die Aufgabe(n) wird/werden gelöst durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche. Die abhängigen Ansprüche stellen bevorzugte Ausgestaltungen dar.
Die hier offenbarte Technologie betrifft ein Verfahren zur Konditionierung von mindestens einer Brennstoffzelle mit einer Kathode und einer Anode, die i.d.R. durch einen ionenselektiven bzw. ionenpermeablen Separator getrennt sind. Die Anode wird mit Brennstoff versorgt. Bevorzugte Brennstoffe sind: Wasserstoff, niedrigmolekularer Alkohol, Biokraftstoffe, oder verflüssigtes Erdgas. Die Kathode wird mit Oxidationsmittel versorgt. 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®. In der Regel sind mehrere Brennstoffzellen zu einem Brennstoffzellenstapel bzw. Stack zusammengefasst. Solche Brennstoffzellenstapel werden in der Regel in Brennstoffzellensystemen eingesetzt. Ein Brennstoffzellensystem umfasst neben der mindestens einen Brennstoffzelle periphere Systemkomponenten (BOP-Komponenten), die beim Betrieb der mindestens einen Brennstoffzelle zum Einsatz kommen können. Das Brennstoffzellensystem ist beispielsweise für mobile Anwendungen wie Kraftfahrzeuge (z.B. Personenkraftwagen, Krafträder, Nutzfahrzeuge) gedacht, insbesondere zur Bereitstellung der Energie für mindestens eine Antriebsmaschine zur Fortbewegung des Kraftfahrzeugs.
Gemäß der hier offenbarten Technologie ist vorgesehen, dass Wasserdampf in die Kathode und/oder in die Anode der mindestens einen Brennstoffzelle eingebracht wird. Beispielsweise kann der Dampferzeuger Wasserdampf erzeugen und diesen Wasserdampf i) vor dem Stapeln einer in einem entsprechenden Werkzeug gehaltenen einzelnen Brennstoffzelle (Einzelzelle) oder ii) einem bereits gestapelten Brennstoffzellenstapel zuführen. Bevorzugt ist die Fluidverbindung zwischen der mindestens einen Brennstoffzelle und dem Dampferzeuger thermisch isoliert, um somit Kondensation vor Eintritt des Wasserdampfs in die mindestens eine Brennstoffzelle zumindest zu verringern. Mithin ist die hier offenbarte Vorrichtung zur Konditionierung von mindestens einer Brennstoffzelle also eingerichtet, Wasserdampf in die Kathode und/oder in die Anode der mindestens einen Brennstoffzelle einzubringen.
Gemäß der hier offenbarten Technologie ist zweckmäßig vorgesehen, dass der Wasserdampf in einem Kondensationsbereich auskondensiert wird. Der Kondensationsbereich wird innerhalb der Kathode bzw. innerhalb der Anode ausgebildet. Die Kondensation ist dabei der Übergang des Wasserdampfs vom gasförmigen Zustand in den flüssigen Aggregatszustand. Der Kondensationsbereich ist dabei der Bereich, in dem der Wasserdampf stärker kondensiert als in anderen Bereichen, beispielsweise kondensiert pro Zeiteinheit im Kondensationsbereich mindestens um den Faktor 1,5; 2; 5; 10 oder 20 mehr Wasser aus als in anderen Bereichen der Kathode bzw. Anode stromauf vom Kondensationsbereich. Insbesondere können zur Ausbildung des Kondensationsbereiches die Temperatur und/oder der Druck vom eingebrachten Wasserdampf innerhalb der Kathode und/oder der Anode derart verändert werden, dass der Wasserdampf im Kondensationsbereich stärker kondensiert als in anderen Bereichen der jeweiligen Kathode und/oder Anode. Die hier offenbarte Vorrichtung ist hierzu zweckmäßig eingerichtet, zur Kondensation des Wasserdampfs innerhalb eines Kondensationsbereiches die Temperatur und/oder der Druck vom eingebrachten Wasserdampf innerhalb der Kathode und/oder der Anode zu verändern. Zweckmäßig ist der Kondensationsbereich ein begrenzter Bereich des Kathoden- bzw. Anodenraums, der z.B. mindestens um den Faktor 3; 4; 5; oder 10 kleiner ist als der jeweilige Kathoden- bzw. Anodenraums, in der der Kondensationsbereich ausgebildet wird/ist.
Die Vorrichtung kann mindestens eine Temperiereinrichtung umfassen. Die Temperiereinrichtung ist eingerichtet, die Temperatur des eingebrachten Wasserdampfs zu verändern. Beispielsweise kann mindestens eine elektrische Widerstandsheizung, mindestens ein Peltier-Element und/oder eine entsprechende Fluidtemperiereinrichtung vorgesehen sein. Ein Peltier-Element hat den Vorteil, dass es sowohl zum Heizen als auch zum Kühlen verwendet werden kann. In einer Ausgestaltung kann die Temperiereinrichtung eingerichtet sein, verschiedene Bereiche der Kathode und/oder der Anode unterschiedlich zu temperieren.
Zweckmäßig wird der eingebrachte Wasserdampf innerhalb der Kathode bzw. innerhalb der Anode temperiert auf eine Temperatur zwischen 80 °C und 120 °C und bevorzugt zwischen 90 °C und 115 °C.
Bevorzugt kann der eingebrachte Wasserdampf in einem zum Eingang der Kathode bzw. Anode der Brennstoffzelle proximalen Bereich auf eine höhere Temperatur temperiert werden als in einem zum Eingang distalen Bereich.
Bevorzugt kann die Vorrichtung mindestens eine Druckänderungseinrichtung zur Veränderung vom Druck des eingebrachten Wasserdampfs umfassen.
Bevorzugt kann der Druck des eingebrachten Wasserdampfs in einem zum Eingang der Kathode bzw. Anode der Brennstoffzelle proximalen Bereich auf einen höheren Druck gebracht werden als in einem zum Eingang distalen Bereich.
Bevorzugt ist die Vorrichtung eingerichtet, den Wasserdampf der mindestens einen Brennstoffzelle über die Fluidverbindung mit einem Einlassdruck am Einlass der Anode bzw. Kathode bereitzustellen, der höher ist als der Atmosphärendruck.
Zweckmäßig ist der Einlassdruck im Eingangsbereich der mindestens einen Brennstoffzelle die um einen Betrag zwischen 0,1 bar und 5 bar,
bevorzugt um einen Betrag zwischen 0,25 bar und 2,5 bar, und besonders bevorzugt um einen Betrag zwischen 0,5 bar und 1,5 bar größer als der Atmosphärendruck.
Beispielsweise kann die Druckänderungseinrichtung ein entsprechend regelbares bzw. steuerbares Ventil umfassen, welches mit der mindestens einen Brennstoffzelle fluidverbunden ist, und welches bevorzugt stromab der mindestens einen Brennstoffzelle angeordnet ist.
Die hier offenbarte Technologie kann den Schritt umfassen, wonach die Temperatur und/oder der Druck vom eingebrachten Wasserdampf derart verändert werden, dass zu einem ersten Zeitpunkt der Konditionierung der mindestens einen Brennstoffzelle (z.B. Beginn vom Austragen von Verunreinigungen und/oder der Konditionierung) der Kondensationsbereich weiter stromab in der jeweiligen Kathode und/oder Anode angeordnet ist als zu einem zweiten Zeitpunkt der Konditionierung der mindestens einen Brennstoffzelle (z.B. kurz vor Ende vom Austragen von Verunreinigungen bzw. der Konditionierung). Der erste Zeitpunkt der Konditionierung liegt dabei zeitlich vor dem zweiten Zeitpunkt der Konditionierung. Mit anderen Worten kann das Verfahren den Schritt umfassen, wonach der Kondensationsbereich während der Kondensation zumindest teilweise entgegen der Strömungsrichtung vom Wasserdampf durch die Kathode bzw. Anode wandert. Bevorzugt wandert der Kondensationsbereich von einem Bereich proximal zum Auslass der Kathode bzw. Anode zu einem Bereich proximal zum Einlass der Kathode bzw. Anode, wobei der Wasserdampf durch den Einlass einströmt und durch den Auslass ausströmt.
Das hier offenbarte Verfahren kann den Schritt umfassen, wonach solange Wasserdampf in die Kathode und/oder in die Anode der mindestens einen Brennstoffzelle eingebracht wird, bis der Feuchtegehalt des ionenselektiven Separators der mindestens einen Brennstoffzelle gleich oder größer ist als ein Grenzfeuchtegehalt. Der Grenzfeuchtegehalt ist dabei so gewählt, dass der ionenselektive Separator für die elektrochemische Reaktion der Brennstoffzelle ausreichend feucht ist.
In einer Ausgestaltung der offenbarten Technologie wird in einem ersten Schritt der ionenselektive Separator solange befeuchtet, bis der Feuchtegehalt des ionenselektiven Separators gleich oder größer ist als ein Grenzfeuchtegehalt und in einem anschließenden zweiten Schritt wird durch Kondensation von Wasserdampf etwaige Verunreinigung ausgetragen. Bevorzugt wird der Wasserdampf dabei in dem hier offenbarten Kondensationsbereich kondensiert. Diese sequenzielle Abfolge kann aber auch anders verwirklicht sein. Beispielsweise kann vorab das Austragen der Verunreinigung erfolgen. Ferner kann auch die während der Kondensation in den Separator eingebrachte Feuchtigkeit mit berücksichtigt werden.
Das hier offenbarte Verfahren kann den Schritt umfassen, wonach nach der Befeuchtung des ionenselektiven Separators bzw. nach dem Austragen der Verunreinigung durch Ausbilden des Kondensationsbereichs die mindestens eine Brennstoffzelle gespült wird, insbesondere durch ein Inertgas wie beispielsweise Stickstoff.
Die Konditionierung der mindestens einen Brennstoffzelle umfasst hierbei die Schritte zum Einrichten der mindestens einen Brennstoffzelle nach ihrer Montage (d.h. Montage der Einzelzelle bzw. gleichzeitige Montage mehrerer Brennstoffzellen während des Stapelns). Die Konditionierung umfasst hierbei zumindest die i) Befeuchtung des mindestens einen ionenselektiven Separators auf einen Feuchtegehalt, der gleich oder größer ist als ein Grenzfeuchtegehalt, und/oder ii) das zumindest teilweise Austragen von Verunreinigungen aus der mindestens einen Brennstoffzelle.
Die Konditionierung erfolgt bevorzugt vor der Erstinbetriebnahme des Kraftfahrzeuges. Bevorzugt erfolgt die Konditionierung vor dem Stapeln von mehreren Brennstoffzellen der mindestens einen Brennstoffzelle zu einem Brennstoffzellenstapel, insbesondere falls die Separatorplatten Monopolarplatten sind. Alternativ erfolgt die Konditionierung nach dem Stapeln von mehreren Elementen der mindestens einen Brennstoffzelle zu einem Brennstoffzellenstapel. Dies ist bevorzugt, wenn als Separatoren bereits vor dem Stapeln ausgebildete Bipolarplatten eingesetzt werden.
Insbesondere kann die Vorrichtung mindestens einen Dampferzeuger zur Bereitstellung von Wasserdampf für die mindestens eine Brennstoffzelle umfassen. Dampferzeuger sind aus dem Stand der Technik bekannt. In der Regel erhitzen sie Wasser zu Wasserdampf. Bevorzugt ist der Dampferzeuger eingerichtet, der mindestens einen Brennstoffzelle Wasserdampf mit dem gewünschten Einlassdruck im Einlassbereich der Brennstoffzelle bereitzustellen. Hierzu ist der Dampferzeuger i.d.R. fluidverbunden mit der mindestens einen Brennstoffzelle.
Die hier offenbarte Vorrichtung kann ferner mindestens eine Spülvorrichtung zum Spülen der mindestens einen Brennstoffzelle nach der Konditionierung umfassen. Bevorzugt kommt als Spülgas Inertgas, insbesondere Stickstoff zum Einsatz.
Die Vorrichtung umfasst zweckmäßig mindestens eine Fluidverbindung, welche den Wasserdampferzeuger und/oder die Inertgasspülvorrichtung mit der mindestens einen Brennstoffzelle fluidverbindet. Zweckmäßig kann mindestens eine Ventilvorrichtung in der Fluidverbindung vorgesehen sein, welche eingerichtet ist, die Bereitstellung von Wasserdampf bzw. von Spülgas zu unterbrechen.
Die hier offenbarte Vorrichtung kann ferner mindestens eine Haltevorrichtung zum Halten der mindestens einen Brennstoffzelle umfassen. In einer Ausgestaltung umfasst die Haltevorrichtung die mindestens eine Temperiereinrichtung. Beispielsweise kann die Haltevorrichtung zwei Werkzeughälften umfassen, in denen jeweils mindestens eine Temperiereinrichtung vorgesehen ist
Mit anderen Worten beschreibt die hier offenbarte Technologie insbesondere ein Verfahren, bei dem die Membranbefeuchtung und die Spülung aus dem herkömmlichen Break-in Prozess ausgelagert wird. Dies kann dadurch geschehen, dass die Brennstoffzellen mit Dampf oder heißem Wasser bei Überdruck im Rahmen eines spezifizierten Druckbereichs in einem Bearbeitungsschritt insbesondere vor dem Stapelprozess gespült wird. Hierzu kann beispielsweise eine einzelne Zelle in einer Vorrichtung

i) eingespannt und abgedichtet werden,
ii) mit heißem Dampf/Wasser anoden- und/oder kathodenseitig gespült werden, und
iii) anschließend ausgeblasen werden.

Mit dem hier offenbarten Verfahren und mit der hier offenbarten Vorrichtung ist es möglich, vergleichsweise ressourcenintensive Prüfstände durch vergleichsweise kostengünstige Prüfvorrichtungen zu ersetzen. Der eigentliche Break-in Prozess und der damit einhergehende Wasserstoffverbrauch wird verkürzt. Ferner lässt sich durch den höheren Dampfdurchsatz die Reinigung der Anode verbessern.
Vorteilhaft lassen sich durch die wandernde Kondensationsfront zunächst Verunreinigungen austragen, die proximal zum Auslass angeordnet sind. Hierzu kann der Wasserdampf mit geringerem Strömungswiderstand durch die Flussfelder strömen, bevor er kondensiert. Durch das bereichsweise Ausspülen der Verunreinigungen proximal zum Auslass verringert sich dort im bereits gereinigten Bereich der Strömungswiderstand. Wandert der Kondensationsbereich allmählich entgegen der Strömungsrichtung während der Konditionierung vom Auslass zum Einlass, so können Verunreinigungen aus dem Kondensationsbereich ausgespült werden, wobei diese ausgespülten und zu transportierenden Verunreinigungen dann durch bereits gereinigte Bereich mit einem geringeren Strömungswiderstand strömen. Da jeweils nur in einem Teilbereich der Kathode bzw. Anode Verunreinigungen ausgespült werden, kann diese geringere Anzahl an Verunreinigungen besser transportiert werden. Gemäß dem hier offenbarten Verfahren verringert sich sowohl im Dampfbereich stromauf vom Kondensationsbereich als auch im gereinigten Bereich stromab vom Kondensationsbereich der Strömungswiderstand. Die Reinigung kann vorteilhaft effizienter und mit einem besseren Resultat erfolgen.
Ferner betrifft die hier offenbarte Technologie in einer alternativen Ausgestaltung ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Konditionierung von mindestens einer Brennstoffzelle mit einer Kathode und einer Anode, wobei Wasserdampf in die Kathode und/oder in die Anode eingebracht wird, wobei (anstatt eines im Vergleich zum gesamten Kathoden- bzw. Anodenraums kleinen Kondensationsbereiches) über den gesamten Raum bzw. der gesamten Wegstrecke der Kathode bzw. Anode eine Kondensation herbeigeführt wird, wobei die Kondensationsphase um den Faktor 2 oder 5 oder 10 kürzer ist als eine auf die Kondensationsphase folgende Dampfphasen, wobei in der Dampfphase Wasserdampf zum Abtransport vom während der Kondensationsphase auskondensiertem Wasser und darin gebundene Verunreinigungen in die Kathode bzw. Anode eingebracht wird, und wobei in der Kondensationsphase nur so viel Wasser kondensiert, wie für den Abtransport von Verunreinigungen erforderlich ist. Bevorzugt umfasst eine Konditionierung mindestens fünf oder mindestens zehn oder mindestens 20 jeweils abwechselnd aufeinander folgende Kondensationsphasen und Dampfphasen (gepulste Kondensation).
Die hier offenbarte Technologie wird nun anhand der Figuren erläutert. Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung der hier offenbarten Vorrichtung, und
2 eine schematische Darstellung des hier offenbarten Verfahrens.

Die 1 zeigt eine Ausgestaltung der hier offenbarten Vorrichtung. Die Vorrichtung ist hier eingerichtet, eine als Einzelzelle 300 ausgebildete Brennstoffzelle zu konditionieren. Die Einzelzelle 300 umfasst einen ionenselektiven Separator 330 sowie eine Kathode 310 und eine Anode 320. Die Kathode 310 und die Anode 320 werden hier beispielsweise von nicht näher gezeigten Separatorplatten mit ausgebildet. Die Elemente der Einzelzelle 300 werden hier durch die Werkzeughälften 41a, 41a verspannt.
Die Werkzeughälften 41a, 41a umfassen jeweils vier Temperiereinrichtungen 42a1, 42a2, 42a3, 42a4, 42b1, 42b2, 42b3, 42b4. Die Temperiereinrichtungen sind eingerichtet, die Einzelzelle 300 zu temperieren. Dabei kann vorgesehen sein, dass die Temperiereinrichtungen unterschiedliche Soll-Temperaturen aufweisen. Beispielsweise kann die Temperiereinrichtung 42a1, 42b1 eine höhere Temperatur aufweisen als die entsprechende Temperiereinrichtung 42a4, 42b4 derselben Werkzeughälfte 41a, 41a. Vorteilhaft kann somit sichergestellt werden, dass der Wasserdampf am Einlass nicht kondensiert und am Auslass in jedem Fall kondensiert vorliegt. Ein solches regelbares bzw. steuerbares Temperaturgefälle innerhalb der Einzelzelle 300 muss aber nicht vorgesehen sein. Ebenso kann die Temperatur über das gesamte Werkzeug konstant gehalten werden.
Der Einlass der Kathode 310 sowie der Einlass der Anode 320 sind hier fluidverbunden mit dem Dampferzeuger 20 sowie mit der Spülvorrichtung 10 über die Fluidverbindung 30. Die Fluidverbindung 30 umfasst eine Isolation 32. Die thermische Isolation 32 stellt sicher, dass der Wasserdampf zwischen dem Dampferzeuger 20 und dem Einlass vom Werkzeug bzw. von der Kathode 31 0/Anode 320 nicht kondensiert. In der Fluidverbindung 30 bzw. im Dampferzeuger 20 oder in der Spülvorrichtung 10 sind entsprechende Ventile 22, 12 vorgesehen, die den Strömungspfad vom Dampferzeuger 20 bzw. von der Spülvorrichtung 10 während der Konditionierung bzw. während des Spülens (nach erfolgter Konditionierung) freigeben. Stromab vom Auslass der Kathode 310 bzw. der Anode 320 sind hier zwei Ventile 44a, 44b vorgesehen. Diese Ventile 44a, 44b sind eingerichtet, basierend auf einem entsprechenden Signal den Druckverlauf innerhalb der Kathode 310 bzw. der Anode 320 zu verändern. In einer Ausgestaltung stellt der Dampferzeuger 20 Wasserdampf am Einlass der Anode bzw. Kathode mit einem Einlassdruck p₁ bereit. Beispielsweise ist der Einlassdruck p₁ i.d.R. höher als der Atmosphärendruck. Der Druck p fällt dann innerhalb der Brennstoffzelle 300 über die Wegstrecke S aufgrund des Strömungswiderstandes allmählich ab. Der Bereich S_D stellt dabei den Bereich der Kathode bzw. Anode dar, in dem der Wasserdampf im Wesentlichen nicht auskondensiert bzw. um den Faktor 1,5; 2; 5; 10 oder 20 weniger auskondensiert als im Kondensationsbereich K. Im Kondensationsbereich K kondensiert der Wasserdampf zumindest in dem Maße, dass der Kondensationsbereich K Verunreinigungen mit ausspülen kann. Der Bereich SL ist der Bereich, in dem bereits vorher die Kondensation stattgefunden hat und aus dem bereits Verunreinigungen abtransportiert wurden. Dieser gereinigte Bereich SL weist nun einen geringeren Strömungswiderstand auf als vor der Reinigung. Durch den gereinigten Bereich SL kann das kondensierte Wasser sowie die aus dem Kondensationsbereich K ausgespülten Verunreinigungen abfließen. Auch in diesem Bereich SL kann weiterhin Wasserdampf auskondensieren.
Es kann beispielsweise vorgesehen sein, dass zur Befeuchtung des ionenpermeablen Separators 330 der Dampferzeuger 20 den Wasserdampf mit einer Temperatur von ca. 115°C am Einlass einbringt und die Vorrichtung 40 eingerichtet ist, den Wasserdampf auf einer Temperatur von ca. 115°C zu halten. In der Anode 320 bzw. Kathode 310 reduziert sich dann der Druck vom Wasserdampf von ca. 1,5 bar absolut auf Atmosphärendruck am Auslass. Somit kommt es vorteilhaft während der Befeuchtung nicht zur Kondensation.
Sollen nun Verunreinigungen ausgetragen werden, so kann zu Beginn der Wasserdampftemperaturverlauf T(s) so eingestellt werden, dass am Auslass der Wasserdampf eine Temperatur von unter 100°C aufweist. Somit bildet sich am Auslass der Kathode 310 bzw. der Anode 320 der Kondensationsbereich K aus. Sobald aus dem Kondensationsbereich K am Auslass die Verunreinigungen ausgespült wurden, kann z.B. der Druck in der mindestens einen Brennstoffzelle 300 erhöht werden, beispielweise indem der Dampferzeuger 20 und die Druckänderungseinrichtung 44a, 44b entsprechend angesteuert werden. Die Druckerhöhung innerhalb der mindestens einen Brennstoffzelle 300 bewirkt, dass auch der Taupunkt vom Wasserdampf steigt, beispielsweise auf den Wert T_k0 zum ersten Zeitpunkt t_k0 . Dies bewirkt, dass der Kondensationsbereich K wandert vom Auslass zu dem Ort stromauf vom Auslass, der in der 1 als K bezeichnet wird. Der gestrichelte Pfeil in der Brennstoffzelle 300 symbolisiert dabei das stromaufwärtige Wandern vom Kondensationsbereich K. Wird der Druck weiter gesteigert, so kann sich zu dem zweiten Zeitpunkt t_k1 der Kondensationsbereich dort ausbilden, wo der hier als konstant angenommene Temperaturverlauf vom Wasserdampf (durchgezogene Linie) die strichpunktierte Linie (Taupunkt Tk1) schneidet.
Die 2 zeigt schematisch ein Ablaufdiagramm des hier offenbarten Verfahrens. Mit dem Schritt S10 beginnt das Verfahren. Im Schritt S20 wird hier der ionenselektive Separator 330 befeuchtet. Hierzu wird der Wasserdampf über die Kathode bzw. Anode an die Membran-Elektroden Einheit (engl. membrane-electrode assembly bzw. MEA) herangeführt. Bevorzugt wird in diesem Schritt vermieden, dass der Wasserdampf in der Kathode bzw. Anode auskondensiert. Im Schritt S30 wird hier überprüft, ob der ionenselektive Separator 330 einen Feuchtegehalt FMEA, ist aufweist, der gleich oder größer ist als ein Grenzfeuchtegehalt F_MEA, grenz. Der Grenzfeuchtegehalt kann beispielsweise eine Mindestfeuchte sein, die für den störungsfreien Betrieb vom ionenselektiven Separator die 330 vorgeschrieben ist. Ist dies nicht der Fall, so wird der ionenselektive Separator 330 weiterhin befeuchtet (Schritt S20). Anderenfalls wird mit dem Austragen von Verunreinigungen begonnen. Hierzu wird gezielt der Kondensationsbereich K (vgl. 1) ausgebildet, der entgegen der Strömungsrichtung vom Wasserdampf derart wandert, wie es voranstehend bereits erläutert wurde. Nachdem die Verunreinigungen ausgetragen wurden erfolgt im anschließenden Schritt S50 das Spülen der mindestens einen Brennstoffzelle mit einem Spülgas, hier Stickstoff. Das Verfahren wird mit dem Schritt S60 beendet.
Aus Gründen der Leserlichkeit wurde vereinfachend der Ausdruck „mindestens ein(e)“ teilweise weggelassen. Sofern ein Merkmal der hier offenbarten Technologie in der Einzahl bzw. unbestimmt beschrieben ist (z.B. die/eine Kathode, die/eine Anode, die/eine Brennstoffzelle die/eine Vorrichtung, die/eine Temperiereinrichtung, die/eine Druckänderungseinrichtung, der/ein Dampferzeuger, etc.) so soll gleichzeitig auch deren Mehrzahl mit offenbart sein (z.B. die mindestens eine Kathode, die mindestens eine Anode, die mindestens eine Brennstoffzelle die mindestens eine Vorrichtung, die mindestens eine Temperiereinrichtung, die mindestens eine Druckänderungseinrichtung, der mindestens eine Dampferzeuger etc.). Die Vorrichtung wurde hier vorwiegend im Zusammenhang mit einer Vorrichtung zur Konditionierung einer Einzelzelle beschrieben. Dies muss aber nicht so sein, gleichsam kann die Vorrichtung eingerichtet sein, eine Mehrzahl von Brennstoffzellen bzw. einen Brennstoffzellenstapel zu konditionieren. Hierzu kann ein Dampferzeuger mit der Mehrzahl an Brennstoffzellen fluidverbunden sein, beispielsweise über entsprechende Vorverteilerstrukturen (manifolds) der Kathode bzw. Anode eines Brennstoffzellenstapels
Der Begriff „Anode“ bzw. „Kathode“ umfasst im Rahmen der hier offenbarten Technologie auch den Raum innerhalb der Brennstoffzelle bzw. des Brennstoffzellenstapels, der die Anode bzw. Kathode ausbildet. Die hier offenbarte Vorrichtung ist insbesondere eingerichtet, eines der hier offenbarten Verfahren auszuführen. Im Zusammenhang mit dem hier offenbarten Verfahren nun offenbarten Merkmale sollen gleichsam strukturelle Merkmale der Vorrichtung sein. Ebenso soll das hier offenbarte Verfahren die im Zusammenhang mit der Vorrichtung offenbarten Merkmale umfassen.
Der Begriff „im Wesentlichen“ (z.B. „im Wesentlichen senkrechte Achse“) umfasst im Kontext der hier offenbarten Technologie jeweils die genaue Eigenschaft bzw. den genauen Wert (z.B. „senkrechte Achse“) sowie jeweils für die Funktion der Eigenschaft/ des Wertes unerhebliche Abweichungen (z.B. „tolerierbare Abweichung von senkrechte Achse“).
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.

Claims

Verfahren zur Konditionierung von mindestens einer Brennstoffzelle (300) mit einer Kathode (310) und einer Anode (320); wobei Wasserdampf in die Kathode (310) und/oder in die Anode (320) eingebracht wird; wobei der Wasserdampf in einem Kondensationsbereich (K) auskondensiert wird; und wobei der Kondensationsbereich (K) innerhalb der Kathode (310) und/oder innerhalb der Anode (320) ausgebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei zur Ausbildung des Kondensationsbereiches (K) die Temperatur und/oder der Druck vom eingebrachten Wasserdampf innerhalb der Kathode (310) und/oder innerhalb der Anode (320) derart verändert werden, dass der Wasserdampf im Kondensationsbereich (K) stärker kondensiert als in anderen Bereichen der Kathode (310) und/oder Anode (320).
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Temperatur und/oder der Druck vom eingebrachten Wasserdampf derart verändert werden, dass sich die Position des Kondensationsbereichs (K) innerhalb der Kathode (310) und/oder Anode (320) während Konditionierung der mindestens einen Brennstoffzelle verändert.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Temperatur und/oder der Druck vom eingebrachten Wasserdampf derart verändert werden, dass zu einem ersten Zeitpunkt (t_k0) der Konditionierung der Kondensationsbereichs (K) weiter stromab in der Kathode (310) und/oder Anode (320) angeordnet ist als zu einem zweiten Zeitpunkt (tk1) der Konditionierung; und wobei der erste Zeitpunkt zeitlich vor dem zweiten Zeitpunkt liegt.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei solange Wasserdampf in die Kathode (310) und/oder in die Anode (320) eingebracht wird, bis der Feuchtegehalt (FMEA, ist) eines ionenselektiven Separators (330) gleich oder größer ist als ein Grenzfeuchtegehalt (F_MEA, grenz).
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Konditionierung vor dem Stapeln von mehreren Brennstoffzellen zu einem Brennstoffzellenstapel erfolgt.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Konditionierung nach dem Stapeln von Elementen zu einem Brennstoffzellenstapel erfolgt.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Brennstoffzellenstapel in einem Kraftfahrzeug vorgesehen ist/wird, und wobei die Konditionierung vor der Erstinbetriebnahme des Kraftfahrzeugs erfolgt.
Vorrichtung (40) zur Konditionierung von mindestens einer Brennstoffzelle (300) mit einer Kathode (310) und einer Anode (320); wobei die Vorrichtung eingerichtet ist, Wasserdampf in die Kathode (310) und/oder in die Anode (320) einzubringen; wobei die Vorrichtung ferner eingerichtet ist, zur Kondensation des Wasserdampfs innerhalb eines Kondensationsbereiches (K) die Temperatur und/oder der Druck vom eingebrachten Wasserdampf innerhalb der Kathode (310) und/oder der Anode (320) zu verändern.
Vorrichtung (40) nach Anspruch 9, wobei die Vorrichtung (40) mindestens eine Temperiereinrichtung (42a1, 42a2, 42a3, 42a4, 42b1, 42b2, 42b3, 42b4) zur Veränderung der Temperatur des eingebrachten Wasserdampfs umfasst.
Vorrichtung (40) nach Anspruch 9 oder 10, wobei die Vorrichtung (40) mindestens eine Druckänderungseinrichtung (44a, 44b) zur Veränderung vom Druck des eingebrachten Wasserdampfs umfasst.
Vorrichtung (40) nach einem der Ansprüche 9 bis 11, wobei die Vorrichtung (40) mindestens einen Dampferzeuger (20) zur Bereitstellung von Wasserdampf für die mindestens eine Brennstoffzelle umfasst.
Vorrichtung (40) nach einem der Ansprüche 9 bis 12, wobei die Vorrichtung (40) mindestens eine Spülvorrichtung (10) zum Spülen der mindestens einen Brennstoffzelle nach der Konditionierung mit einem Spülgas umfasst.