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Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem mit einer eine Spannung erzeugenden Brennstoffzelle, die eine Anode, eine Kathode sowie eine die Kathode von der Anode trennende ionenleitfähige Membran umfasst. Zudem weist das Brennstoffzellensystem einen Speicher auf, in welchem mindestens ein Kontaminant speicherbar oder gespeichert ist. Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Brennstoffzellensystems.
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Im Betrieb wird die Brennstoffzelle durch Verunreinigungen kontinuierlich kontaminiert, die durch die Reaktanten in die Brennstoffzelle eingetragen werden. Beispielsweise kann eine Verschmutzung der kathodenseitig zugeführten Luft die Leistungsfähigkeit der Brennstoffzelle mindern. Aber auch der anodenseitig zugeführte Wasserstoff kann Verunreinigungen enthalten, die die Leistung der Brennstoffzelle mindern. Zur Herstellung der vollen Leistungsfähigkeit werden daher regelmäßig Reinigungsvorgänge durchgeführt.
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Um Verunreinigungen der Brennstoffzelle zu unterbinden, schlägt die
EP 1 349 638 B1 den Einsatz eines Luftfiltergeräts vor, um insbesondere Verunreinigungen der den Kathoden zugeführten Luft herauszufiltern. Zur Reinigung des Luftfiltergeräts können die Verunreinigungen auch wieder ausgegeben werden, was allerdings nur geschieht, wenn die einströmende Luft unterhalb eines vorgegebenen Verschmutzungsgrades liegt. Die Leistung der Brennstoffzelle soll dabei nicht beeinträchtigt werden. Es hat sich als nachteilhaft erwiesen, dass beim Betrieb der Brennstoffzelle mit einer hohen Spannung eine beschleunigte Alterung der Brennstoffzelle eintritt.
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Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Brennstoffzellensystem der eingangs genannten Art derart weiterzubilden, dass eine Schädigung oder Alterung der Brennstoffzelle durch zu hohe Spannungen gemindert wird. Außerdem ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein entsprechendes Verfahren zum Betreiben eines solchen Brennstoffzellensystems bereitzustellen.
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Der das Brennstoffzellensystem betreffende Teil der Aufgabe wird durch ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen des Brennstoffzellensystems sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Das Brennstoffzellensystem zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass in einem Zeitpunkt eines erwarteten Erreichens oder Überschreitens oder bei einem tatsächlichen Erreichen oder Überschreiten einer Grenzspannung durch die von der Brennstoffzelle erzeugten Spannung der Speicher zeitweise derart mit der Brennstoffzelle verbindbar oder strömungsverbunden ist, dass der Brennstoffzelle der mindestens eine Kontaminant aus dem Speicher zugeführt wird.
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Durch diese Konfiguration ist eine gezielte Verunreinigung der Brennstoffzelle möglich, wodurch das Potential der Brennstoffzelle gesenkt wird. Damit lassen sich niedrigere Leistungen abrufen, wie sie beispielsweise im Stadtverkehr üblich sind. Aufgrund der gezielten Verunreinigung der Brennstoffzelle lässt sich die Effizienz insgesamt steigern und eine erhöhte Lebensdauer erreichen.
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Als Kontaminant kommen beispielsweise physikalische Kontaminanten infrage, die beispielsweise in Form von Partikeln vorliegen. Hier kommen beispielsweise Staub, Schmutz, Pollen, Insekten, Holzsplitter, Sägestaub, Metallpartikel und dergleichen infrage. Es kann aber auch ein chemischer Kontaminant vorliegen, welcher sich beispielsweise in der Atmosphäre befindet, wobei hierbei NOx, HC, CO, etc. zu nennen sind.
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Im Speicher wird ein geeigneter Kontaminant kontinuierlich gesammelt und dieser wird zum entsprechenden Zeitpunkt freigesetzt, um das Potential der Brennstoffzelle zu senken.
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Die Freisetzung des Kontaminanten lässt sich beispielsweise dadurch erreichen, dass der Speicher an eine mit der Brennstoffzelle strömungsverbundene Zufuhrleitung angeschlossen ist, und dass der mindestens eine Kontaminant über ein Ventil in die Zufuhrleitung einbringbar oder eingebracht ist. Damit wird das Ventil geöffnet und der Kontaminant strömt aus dem Speicher in die Zufuhrleitung und damit in die Brennstoffzelle, womit die Leistung der Brennstoffzelle gesenkt und damit auch die Spannung der Brennstoffzelle herabgesetzt wird.
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Alternativ kann der Speicher auch in eine mit der Brennstoffzelle strömungsverbundene Zufuhrleitung integriert sein, was Bauraumvorteile bringt. Hierzu kann dann eine den Speicher überbrückende Bypassleitung vorhanden sein, über welche der Brennstoffzelle ein unkontaminierter Reaktant zuführbar ist. Somit kann also je nach Leistungsanforderungen das Brennstoffzellensystem in einem kontaminierten Betrieb mit niedriger Leistleistungsabgabe oder in einem unkontaminierten Betrieb mit einer hohen Leistungsabgabe betrieben werden.
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Um in diesem Zusammenhang auch einen abgestuften oder Zwischenleistungsbetrieb realisieren zu können, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn an einem Verbindungspunkt der Bypassleitung mit der Zufuhrleitung ein Mehr- Wege-Ventil angeordnet ist, um einen ersten Anteil des der Brennstoffzelle zuzuführenden Reaktanten der Bypassleitung zuzuleiten und um einen zweiten Anteil des der Brennstoffzelle zuzuführenden Reaktanten in den oder durch den Speicher mit dem mindestens einen Kontaminanten zu leiten.
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Da sich häufig in der Umgebungsluft bereits eine Vielzahl von Kontaminanten vorfinden lässt, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Zufuhrleitung eine mit der Kathode der Brennstoffzelle strömungsverbundene Kathodenzufuhrleitung ist.
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Die das Verfahren betreffende Aufgabe wird mit einem Verfahren gemäß den Merkmalen des Anspruchs 6 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen des Verfahrens sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Das Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems mit einer Brennstoffzelle, die eine Anode, eine Kathode sowie eine die Anode von der Kathode trennende ionenleitfähige Membran umfasst, zeichnet sich insbesondere durch die folgenden Schritte aus:
- - Erstellen einer Prognose einer Spannung oder Messen einer von der Brennstoffzelle erzeugten Spannung, und
- - Zuführen von mindestens einem Kontaminanten an die Brennstoffzelle und damit Kontamination der Brennstoffzelle, wenn die prognostizierte Spannung oder die gemessene Spannung der Brennstoffzelle eine Grenzspannung erreicht oder überschreitet.
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Auch hierdurch ist der Vorteil gegeben, dass gezielt dann eine Verunreinigung der Brennstoffzelle hervorgerufen wird, wenn eine zu hohe Spannung von der Brennstoffzelle erzeugt wird, die zu einer unerwünschten verstärkten Alterung der Zelle führt.
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Um schon frühzeitig diejenigen Orte oder Stellen der Fahrtroute identifizieren zu können, an denen eine erhöhte Spannung zu einer verstärkten Alterung der Brennstoffzelle führt, hat es sich als sinnvoll erwiesen, wenn die Prognose der von der Brennstoffzelle erzeugten Spannung in Abhängigkeit einer mittels eines Navigationssystems gewählten Fahrtroute erstellt wird. Beispielsweise kann derjenige Streckenabschnitt, der sich im innerhalb einer Stadt bzw. innerorts befindet im Vorfeld als ein solcher Streckenabschnitt identifiziert werden, an welchem die Brennstoffzelle einer beschleunigten Alterung unterliegen wird, da an diesem Streckenabschnitt nur eine geringe Leistung von der Brennstoffzelle abgerufen wird. An dieser Stelle oder während der Fahrt entlang dem entsprechenden Streckenabschnitt wird also der Kontaminant der Brennstoffzelle zugeführt, um die Spannung der Brennstoffzelle zu senken.
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Vorzugsweise weist das Brennstoffzellensystem oder das Navigationssystem eine Datenempfangseinrichtung auf, um Daten von einem Datendienst empfangen zu können. Die über den Datendienst abgerufenen Daten können beispielsweise die Emissionsbelastung an einem bestimmten Ort oder auch die Verkehrslage an einem bestimmten Streckenabschnitt sein. In diesem Zusammenhang hat es sich deshalb als vorteilhaft erwiesen, wenn die Prognose der von der Brennstoffzelle erzeugten Spannung in Abhängigkeit von entlang eines Streckenabschnitts der Fahrtroute ermittelten Verkehrsdaten erstellt wird. Somit kann beispielsweise bei einer stauträchtigen Route schon im Vorfeld der Kontaminant der Brennstoffzelle zugeführt werden, um an diesem Streckenabschnitt keine zu hohen Spannungen hervorzurufen, die zu einer verstärkten Alterung der Brennstoffzelle führten.
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Alternativ oder ergänzend ist es auch möglich, die Prognose der von der Brennstoffzelle erzeugten Spannung in Abhängigkeit eines historischen Betriebs des Brennstoffzellensystems vorzunehmen. Beispielweise kann hierfür eine Prozessoreinheit vorgesehen sein, die über einen Datenspeicher verfügt, in welchem Daten zum Betrieb des Brennstoffzellensystems hinterlegt sind. Diese Daten können uhrzeit- und/oder datumsbezogen sein, so dass das Brennstoffzellensystem beispielsweise frühzeitig darüber informiert ist, dass ein Fahrer in den Berufsverkehr oder in den Reiseverkehr aufbricht. Auch in solchen Fällen ist mit einem erhöhten Verkehrsaufkommen zu rechnen, womit nur eine geringe Leistungsabnahme von der Brennstoffzelle zu erwarten ist.
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Alternativ oder ergänzend hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die von der Brennstoffzelle erzeugte Spannung sowohl prognostiziert als auch gemessen wird, und wenn die Kontamination der Brennstoffzelle unterbrochen oder beendet wird, wenn die prognostizierte Spannung die Grenzspannung erreicht oder überschritten hat, aber die tatsächliche, gemessene Spannung hinter der Grenzspannung zurückbleibt. Dadurch wird denjenigen Fällen Rechnung getragen, in denen zwar erwartet wird, dass eine niedrige Leistungsanforderung vorliegt, tatsächlich aber eine hohe Leistungsanforderungen gewünscht ist, so dass dann keine Kontamination der Brennstoffzelle erfolgt.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems,
- 2 ein schematischer Ausschnitt eines Brennstoffzellensystems mit einem Speicher, der über ein Ventil mit einer Zufuhrleitung des Brennstoffzellenstapels verbunden ist, und
- 3 ein schematischer Ausschnitt eines Brennstoffzellensystems mit einem Speicher, der in eine Zufuhrleitung integriert ist und mittels einer Bypassleitung überbrückt werden kann.
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In 1 ist ein über eine Kommunikationsverbindung 10 mit einem Navigationssystem 9 verbundenes Brennstoffzellensystem 1 gezeigt, welches einen Brennstoffzellenstapel 11 umfasst, der eine Mehrzahl von in Reihe geschalteten Brennstoffzellen 2 aufweist. Die Reihenschaltung der Brennstoffzellen 2 ist in allen Figuren nur schematisch angedeutet. Das Brennstoffzellensystem 1 und das Navigationssystem 9 sind Teile eines nicht näher dargestellten Brennstoffzellenfahrzeugs.
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Jede der Brennstoffzellen 2 umfasst eine Anode und eine Kathode sowie eine die Anode von der Kathode trennende ionenleitfähige, insbesondere protonenleitfähige Membran. Die Membran ist aus einem lonomer, vorzugsweise einem sulfonierten Tetrafluorethylen-Polymer (PTFE) oder einem Polymer der perfluorierten Sulfonsäure (PFSA) gebildet. Alternativ kann die Membran als eine Hydrocarbon-Membran gebildet sein.
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Den Anoden und/oder den Kathoden kann zusätzlich ein Katalysator beigemischt sein, wobei die Membranen vorzugsweise auf ihrer ersten Seite und/oder auf ihrer zweiten Seite mit einer Katalysatorschicht aus einem Edelmetall oder aus Gemischen umfassend Edelmetalle wie Platin, Palladium, Ruthenium oder dergleichen beschichtet sind, die als Reaktionsbeschleuniger bei der Reaktion der jeweiligen Brennstoffzelle 2 dienen.
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Über Anodenräume innerhalb des Brennstoffzellenstapels 11 wird den Anoder Brennstoff (z.B. Wasserstoff) zugeführt. In einer Polymerelektrolytmembranbrennstoffzelle (PEM-Brennstoffzelle) werden an der Anode Brennstoff oder Brennstoffmoleküle in Protonen und Elektronen aufgespaltet. Die Membran lässt die Protonen (z.B. H+) hindurch, ist aber undurchlässig für die Elektronen (e-). An der Anode erfolgt dabei die folgende Reaktion: 2H2 → 4H+ + 4e- (Oxidation/Elektronenabgabe). Während die Protonen durch die Membran zur Kathode hindurchtreten, werden die Elektronen über einen externen Stromkreis an die Kathode oder an einen Energiespeicher geleitet.
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Über Kathodenräume innerhalb des Brennstoffzellenstapels 11 kann den Kathoden Kathodengas (z.B. Sauerstoff oder Sauerstoff enthaltende Luft) zugeführt werden, so dass kathodenseitig die folgende Reaktion stattfindet: O2 + 4H+ + 4e- → 2H2O (Reduktion/Elektronenaufnahme).
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Die Anodenräume sind vorliegend über eine Anodenzufuhrleitung 12 mit einem den Brennstoff bereitstellenden Brennstoffspeicher 13 verbunden. Über eine Anodenrezirkulationsleitung 14 kann an den Anoden nicht abreagierter Brennstoff den Anodenräumen erneut zugeführt werden. Hierbei wird der Anodenrezirkulationsleitung 14 ein nicht näher dargestelltes Rezirkulationsgebläse zugeordnet bzw. fluidmechanisch in die Anodenrezirkulationsleitung 14 eingekoppelt. Zur Regelung der Zufuhr des Brennstoffes ist der Anodenzufuhrleitung 12 ein Brennstoffstellglied 15 zugeordnet bzw. in der Anodenzufuhrleitung 12 angeordnet. Dieses Brennstoffstellglied 15 ist vorzugsweise als ein Druckregelventil gebildet. Stromaufwärts des Druckregelventils ist ein Wärmetauscher 16 in Form eines Rekuperators zur (Vor-)Erwärmung oder Konditionierung des Brennstoffes angeordnet.
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Luft- oder kathodenseitig ist ein Verdichter 17 vorhanden, der vorliegend Umgebungsluft ansaugt und verdichtet. Aufgrund dieser Verdichtung erhöht sich die Temperatur des angesaugten Kathodengases, so dass es über eine Verdichterleitung 18 zunächst an einen Ladeluftkühler 19 geleitet wird, um es wieder auf eine gewünschte Temperatur herunter zu kühlen. Ausgehend vom Ladeluftkühler 19 wird das angesaugte, komprimierte Kathodengas einem Befeuchter 20 zugeleitet. Im Befeuchter 20 wird das trockene Kathodengases mit der Feuchtigkeit des Kathodenabgases, welches über eine Kathodenabgasleitung 21 dem Befeuchter 20 zugeführt wird, vermischt und damit ebenfalls befeuchtet, bevor es über die Kathodenzufuhrleitung 8 den Kathodenräumen des Brennstoffzellenstapels 11 zugeführt wird. Außerdem ist der Befeuchter 20 mit einer Abgasleitung 22 verbunden, über welche das verbleibende Kathodenabgas aus dem Brennstoffzellensystem 1 ausgeleitet wird.
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Vorliegend ist kathoden- oder luftseitig ein Speicher 3 vorhanden, in welchem mindestens ein Kontaminant zumindest zeitweise gespeichert ist. Der eine oder die mehreren Kontaminanten können der Brennstoffzelle 2 gezielt zugeführt werden, um das Potential der Brennstoffzelle 2 zu senken, wodurch eine gesteigerte Alterung der Brennstoffzelle 2 vermieden werden kann. Der Kontaminant wird der Brennstoffzelle 2 oder dem Brennstoffzellenstapel 11 in einem Zeitpunkt eines erwarteten Erreichens oder Überschreitens oder bei einem tatsächlichen Erreichen oder Überschreiten einer Grenzspannung durch die von der Brennstoffzelle 2 erzeugten Spannung zugeführt. Vorliegend ist zur Messung der Spannung der Brennstoffzelle 2 ein Spannungsmesser vorhanden, wobei dieser Spannungsmesser ein Einzelzellspannungsmesser sein kann oder auch ein Stapelspannungsmesser zur Messung der gesamten vom Brennstoffzellenstapel 11 bereitgestellten Spannung.
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In 2 ist eine beispielhafte Variante der Speicherung und der Freisetzung von Kontaminanten dargestellt. Hierbei ist eine Zufuhrleitung 4 vorhanden, die mit der Brennstoffzelle 2 bzw. mit dem Brennstoffzellenstapel 11 strömungsverbunden ist. Die Zufuhrleitung 4 ist vorliegend die Kathodenzufuhrleitung 8, wobei der Speicher 3 mit dem Kontaminanten über ein Ventil 5 mit der Kathodenzufuhrleitung 8 verbunden ist. Wird dieses Ventil 5 geöffnet, so wird der Kontaminant aus dem Speicher 3 in den Brennstoffzellenstapel 11 verbracht und senkt darin das Stapelpotential oder das eine oder die mehreren Einzelzellenpotenziate einzelner Brennstoffzellen 2.
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Eine weitere beispielhafte Variante zur Speicherung und zur Freisetzung von Kontaminanten ist in 3 gezeigt, wobei hier der Speicher 3 in die Zufuhrleitung 4 integriert ist, und wobei eine den Speicher 3 überbrückende Bypassleistung 6 vorgesehen ist. Über diese Bypassleitung 6 kann der Brennstoffzelle 2 bzw. dem Brennstoffzellenstapel 11 ein unkontaminierter Reaktant zugeführt werden. Vorliegend ist an einem Verbindungspunkt der Bypassleitung 7 mit der Zufuhrleitung 4 ein Mehr-Wege-Ventil 7 angeordnet, um einen ersten Anteil des der Brennstoffzelle 2 zuzuführenden Reaktanten der Bypassleitung 6 zuzuleiten und um einen zweiten Anteil des der Brennstoffzelle 2 zuzuführenden Reaktanten in den oder durch den Speicher 3 mit der mindestens einen Kontamination zu leiten. Das Mehr-Wege-Ventil 7 kann vorzugsweise mittels eines Steuergeräts angesteuert und automatisiert geschaltet werden. Der Anteil, der in den oder durch den Speicher 3 geführt ist, wird mit seinen Verunreinigungen ebenfalls der Brennstoffzelle 2 zugeführt, wodurch das Zellpotential gesenkt wird und eine verstärkte Alterung der Brennstoffzelle 2 vermieden ist.
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Die erfindungsgemäße Lösung zeichnet sich im Ergebnis also dadurch aus, dass das Brennstoffzellensystem 1 und insbesondere die Brennstoffzelle 2 eine gesteigerte Effizienz aufweist. Es führt zu einer reduzierten Alterung der Brennstoffzellen 2 im Brennstoffzellenstapel 11.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Brennstoffzellensystem
- 2
- Brennstoffzelle
- 3
- Speicher
- 4
- Zufuhrleitung
- 5
- Ventil
- 6
- Bypassleitung
- 7
- Mehr-Wege-Ventil
- 8
- Kathodenzufuhrleitung
- 9
- Navigationssystem
- 10
- Kommunikationsverbindung
- 11
- Ventil
- 12
- Bypassleitung
- 13
- Kathodenzufuhrleitung
- 14
- Anodenrezirkulationsleitung
- 15
- Brennstoffstellglied
- 16
- Wärmetauscher
- 17
- Verdichter
- 18
- Verdichterleitung
- 19
- Ladeluftkühler
- 20
- Befeuchter
- 21
- Kathodenabgasleitung
- 22
- Abgasleitung
- 23
- Datenempfangseinrichtung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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