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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenvorrichtung mit einem Brennstoffzellenstapel, der mindestens eine Brennstoffzelle mit einer Feuchte bedürftigen Membran aufweist, mit einem Verdichter, der einem Luftversorgungspfad des Brennstoffzellenstapels zugeordnet ist, mit einem in dem Luftversorgungspfad stromab des Verdichters angeordneten Befeuchter und mit einem dem Luftversorgungspfad zugeordneten Bypass zur Umgehung des Befeuchters, umfassend die Schritte der Durchströmung des Befeuchters, wenn im Brennstoffzellenstapel die erforderliche Feuchte der Membran nicht gegeben ist und Umgehung des Befeuchters durch Durchströmung des Bypasses, wenn im Brennstoffzellenstapel die erforderliche Feuchte der Membran gegeben ist. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Brennstoffzellenvorrichtung und ein Kraftfahrzeug.
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Brennstoffzellenvorrichtungen werden für die chemische Umsetzung eines Brennstoffs mit Sauerstoff zu Wasser genutzt, um elektrische Energie zu erzeugen. Hierfür enthalten Brennstoffzellen als Kernkomponente die sogenannte Membran-Elektroden-Einheit (MEA für membrane electrode assembly), die ein Verbund aus einer protonenleitenden Membran und jeweils einer, beidseitig an der Membran angeordneten Elektrode (Anode und Kathode) ist. Zudem können Gasdiffusionslagen (GDL) beidseitig der Membran-Elektroden-Einheit an den der Membran abgewandten Seiten der Elektroden angeordnet sein. Im Betrieb der Brennstoffzellenvorrichtung mit einer Mehrzahl zu einem Brennstoffzellenstapel zusammengefasster Brennstoffzellen wird der Brennstoff, insbesondere Wasserstoff H2 oder ein wasserstoffhaltiges Gasgemisch der Anode zugeführt, wo eine elektrochemische Oxidation von H2 zu H+ unter Abgabe von Elektronen stattfindet. Über die Membran, welche die Reaktionsräume gasdicht voneinander trennt und elektrisch isoliert, erfolgt ein (wassergebundener oder wasserfreier) Transport der Protonen H+ aus dem Anodenraum in den Kathodenraum. Die an der Anode bereitgestellten Elektronen werden über eine elektrische Leitung der Kathode zugeleitet. Der Kathode wird Sauerstoff oder ein sauerstoffhaltiges Gasgemisch zugeführt, so dass eine Reduktion von O2 zu O2- unter Aufnahme der Elektronen stattfindet. Gleichzeitig reagieren im Kathodenraum diese Sauerstoffanionen mit den über die Membran transportierten Protonen unter Bildung von Wasser.
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Brennstoffzellenvorrichtungen benötigen ein sorgfältiges Wassermanagement, da es zum Einen erforderlich ist zu verhindern, dass zu viel Wasser sich in der Brennstoffzelle bzw. in dem Brennstoffzellenstapel befindet, was zu einer Blockade der Strömungskanäle für die Versorgung mit den Reaktanten führt. Befindet sich andererseits zu wenig Wasser in der Brennstoffzelle, ist die Protonenleitfähigkeit der Membran begrenzt, sodass auf eine ausreichende Feuchte und Wasserversorgung der Membran geachtet werden muss.
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Um für die Vielzahl der in einem Brennstoffzellenstapel zusammengefasster Brennstoffzellen ausreichend Sauerstoff aus der Luft zur Verfügung zu stellen, wird im Kathodenkreislauf zur Versorgung der Kathodenräume des Brennstoffzellenstapels Luft mit dem darin enthaltenen Sauerstoff mittels eines Verdichters verdichtet, so dass relativ warme und trockene komprimierte Luft vorliegt, deren Feuchte für die Verwendung in dem Brennstoffzellenstapel für die Membranelektrodeneinheit nicht ausreicht. Daher wird ein Befeuchter genutzt, der bei zwei gasförmigen Medien mit einem unterschiedlichen Feuchtegehalt eine Übertragung der Feuchte auf das trockenere Medium bewirkt, indem die durch den Verdichter bereitgestellte trockene Luft an einer für Wasserdampf durchlässigen Befeuchtermembran vorbeigeführt wird, deren andere Seite mit der feuchten Abluft aus dem Brennstoffzellenstapel bestrichen wird. Der Befeuchter bewirkt einen Druckverlust vor dem Brennstoffzellenstapel, so dass der Verdichter mit einer höheren Leistung betrieben werden muss.
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Um Problemen bei einem Froststart bei Temperaturen unter dem Gefrierpunkt von Wasser vorzubeugen, wird in der
US 2006/0115699 A1 ein programmierbarer Controller genutzt, um ausgehend von der Temperatur der Brennstoffzelle deren Zielfeuchte nach dem Stopp der Energieproduktion durch die Zuführung angemessen befeuchtetes Gas einzustellen. Die
DE 100 21 946 B4 schlägt ein Wasserzuführsystem für eine Brennstoffzelle vor, bei dem durch Detektoren die Strömungsgeschwindigkeit, der Druck und die Temperatur der komprimierten Luft ermittelt wird, die der Brennstoffzelle zugeführt wird, wobei durch eine Wassermengen-Berechnungseinheit die erforderliche Wassermenge aus diesen Daten bestimmt wird, die der Brennstoffzelle zugeführt werden muss. Ein System zur Feuchtekontrolle einer Brennstoffzelle ist auch in der
CN 108232250 A offenbart, bei dem die Temperatur und die Feuchte der in den Brennstoffzellenstapel eintretenden Luft entsprechend der Bedürfnisse eingestellt wird.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren anzugeben, mit dem die Effizienz der Brennstoffzellenvorrichtung gesteigert werden kann. Aufgabe ist es weiterhin, eine verbesserte Brennstoffzellenvorrichtung und ein verbessertes Kraftfahrzeug bereit zu stellen.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1, durch eine Brennstoffzellenvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 9 und durch ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Durch das eingangs geschilderte Verfahren wird vermieden, dass der Befeuchter kontinuierlich durchströmt werden muss und die damit verbundenen Druckverluste vor dem Brennstoffzellenstapel permanent vorliegen. Es ist ermöglicht, den Befeuchter nur zu durchströmen, wenn die Zufuhr weiterer Feuchte zu dem Brennstoffzellenstapel erforderlich ist und ansonsten den Bypass zu nutzen, der nur einen geringeren Druckverlust verursacht. Da der Befeuchter infolge der Nutzung des Bypass seltener durchströmt wird, ist die Nutzung des Befeuchters reduziert, was einer Verlängerung seiner Lebensdauer entspricht. Der größte Vorteil bietet sich bei dem eingangs geschilderten Verfahren, wenn der gesamte Luftstrom zur Umgehung des Befeuchters durch den Bypass geleitet wird. Es ist allerdings auch möglich, nur einen Teil abzuleiten ohne vollständig auf die Vorteile dieses Verfahrens zu verzichten.
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Bevorzugt ist es, wenn im Brennstoffzellenstapel ein Feuchte speicherndes Teil vorhanden ist, aus dem an die Membran die erforderliche Feuchte abgegeben wird, da so Einfluss genommen werden kann auf die Zeiten, in denen ein Nutzung des Bypasses möglich und somit die Dauer des Einsatzes des Befeuchters reduziert ist. Es ist also nicht zwingend erforderlich, dass die Zeitdauer der Nutzung des Befeuchters und dessen Umgehung gleich groß bemessen sind, vielmehr kann die Zeitdauer der Nutzung deutlich kleiner ausfallen, so dass ein Verhältnis der Nichtnutzung zur Nutzung größer als 5 und insbesondere größer als 10 vorliegen kann. Als Feuchte speicherndes Material, das zusätzlich kapillaraktiv ist, kommt beispielsweise Calziumsilikat in Betracht.
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Wichtig ist es, dass für den störungsfreien Betrieb der Brennstoffzellenvorrichtung stets die erforderliche Feuchte der Membran gegeben ist, so dass darauf abgestellt wird, indem für die Feuchte der Membran ein Intervall zulässiger Werte vorgegeben und die Durchströmung des Bypasses initiiert wird, wenn die obere Grenze des Intervalls erreicht wird, und indem die Durchströmung des Bypasses beendet und die Durchströmung des Befeuchters wieder aufgenommen wird, wenn die untere Grenze des Intervalls erreicht wird. Die Feuchte kann beispielsweise mittels einer Elektroimpedanzspektroskopie (EIS) mittels eines Feuchtesensors ermittelt werden.
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Dabei besteht die Möglichkeit, dass das Intervall vorgegeben wird in Abhängigkeit mindestens eines Parameters, der einer Gruppe entnommen ist, die die Leistung, die Größe der Leistungsänderung, den Alterungszustand und die Umgebungstemperatur umfasst. Beispielsweise kann damit bei einer hohen Leistungsanforderung und damit großer Last ein anderes Intervall genutzt werden als bei einer geringen Last.
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Bevorzugt ist es, wenn als das die Feuchte speichernde Teil mindestens eine Gasdiffusionslage der Brennstoffzelle genutzt wird, da so die Komplexität der Brennstoffzelle nicht weiter gesteigert werden muss und bauraumsparend ein bereits vorhandenes Teil einer Doppelnutzung zugeführt werden.
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Es besteht dabei gleichwohl die Möglichkeit, dass die mindestens eine Gasdiffusionslage hinsichtlich ihrer schwammartigen Eigenschaften optimiert ist, auch bezüglich der Eigenschaft, dass die Füllung des die Feuchte speichernden Teils schneller erfolgt als dessen Leerung.
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Vorteilhaft ist besonders, wenn für die Dauer der Durchströmung des Bypasses die Leistung des Verdichters reduziert wird. Der geringere Druckabfall kann also genutzt werden, um den Verdichter mit geringerer Leistung zu betreiben, ohne die Sauerstoffversorgung des Brennstoffzellenstapels zu beeinträchtigen. Dies ist mit einer weiteren Steigerung der Effizienz und einer geringeren Alterung des Verdichters verbunden.
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Die vorstehend geschilderten Vorteile und Wirkungen gelten sinngemäß auch für eine Brennstoffzellenvorrichtung mit einem Steuergerät, das eingerichtet ist zur Durchführung eines der vorstehend genannten Verfahren und für ein Kraftfahrzeug mit einer derartigen Brennstoffzellenvorrichtung.
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Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Es sind somit auch Ausführungen als von der Erfindung umfasst und offenbart anzusehen, die in den Figuren nicht explizit gezeigt oder erläutert sind, jedoch durch separierte Merkmalskombinationen aus den erläuterten Ausführungen hervorgehen und erzeugbar sind.
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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 vereinfachte, schematische Darstellung einer Brennstoffzellenvorrichtung mit einem dem Befeuchter in dem Luftversorgungspfad zugeordneten Bypass,
- 2 eine zeitabhängige Darstellung eines Lastprofils der Brennstoffzellenvorrichtung (oberer Graph) mit der zeitabhängigen Darstellung der relativen Feuchte der Membran innerhalb eines Zielbandes (untere Graph), und
- 3 die lastabhängige Darstellung des prozentualen Vorteils des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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In der 1 ist schematisch eine Brennstoffzellenvorrichtung 1 gezeigt, wobei diese einen Befeuchter 4 zur Feuchteregulierung einer Mehrzahl von in einem Brennstoffzellenstapel 2 zusammengefasster Brennstoffzellen umfasst.
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Jede der Brennstoffzellen umfasst eine Anode, eine Kathode sowie eine die Anode von der Kathode trennende, protonenleitfähige Membran. Die Membran ist aus einem lonomer, vorzugsweise einem sulfonierten Polytetrafluorethylen-Polymer (PTFE) oder einem Polymer der perfluorierten Sulfonsäure (PFSA) gebildet. Alternativ kann die Membran auch als eine sulfonierte 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 einem Gemisch umfassend Edelmetalle wie Platin, Palladium, Ruthenium oder dergleichen beschichtet sind, die als Reaktionsbeschleuniger bei der Reaktion der jeweiligen Brennstoffzelle dienen.
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Über einen Anodenraum kann der Anode Brennstoff (zum Beispiel Wasserstoff) aus einem Brennstofftank 5 zugeführt werden. In einer Polymerelektrolytmembranbrennstoffzelle (PEM-Brennstoffzelle) werden an der Anode Brennstoff oder Brennstoffmoleküle in Protonen und Elektronen aufgespaltet. Die PEM lässt die Protonen hindurch, ist aber undurchlässig für die Elektronen. An der Anode erfolgt beispielsweise die Reaktion: 2H2 → 4H+ + 4e- (Oxidation/Elektronenabgabe). Während die Protonen durch die PEM zur Kathode hindurchtreten, werden die Elektronen über einen externen Stromkreis an die Kathode oder an einen Energiespeicher geleitet.
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Über einen Kathodenraum kann der Kathode das Kathodengas (zum Beispiel Sauerstoff oder Sauerstoff enthaltende Luft) zugeführt werden, so dass kathodenseitig die folgende Reaktion stattfindet: O2 + 4H+ + 4e-→ 2H2O (Reduktion/Elektronenaufnahme).
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Da in dem Brennstoffzellenstapel 2 mehrere Brennstoffzellen zusammengefasst sind, muss eine ausreichend große Menge an Kathodengas zur Verfügung gestellt werden, so dass durch einen Verdichter 6 ein großer Kathodengasmassenstrom oder Frischgasstrom bereitgestellt wird, wobei infolge der Komprimierung des Kathodengases sich dessen Temperatur stark erhöht. Die Konditionierung des Kathodengases oder des Frischluftgasstroms, also dessen Einstellung hinsichtlich der im Brennstoffzellenstapel 2 gewünschten Temperatur und Feuchte, erfolgt in dem dem Verdichter 6 nachgelagerten Befeuchter 4, der eine Feuchtesättigung der Membranen der Brennstoffzellen zur Steigerung von deren Effizienz bewirkt, da dies den Protonentransport begünstigt.
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Der Befeuchter 4 verursacht einen Druckabfall des Frischluftstromes in dem Luftversorgungspfad 3, so dass der Verdichter 6 mit einer größeren Leistung betrieben werden muss, um dies auszugleichen und ausreichend Luft dem Brennstoffzellenstapel 2 zuzuführen. Um diesen Nachteil zu vermindern, ist ein modifiziertes Verfahren zum Betreiben der Brennstoffzellenvorrichtung 1 vorgesehen, die bezüglich des in dem Luftversorgungspfad 3 stromab des Verdichters 6 angeordneten Befeuchters 4 einen Bypass 7 aufweist. Dieses Verfahren umfasst die Schritte der Durchströmung des Befeuchters 4, wenn im Brennstoffzellenstapel 2 die erforderliche Feuchte der Membran nicht gegeben ist und Umgehung des Befeuchters 4 durch Durchströmung des Bypasses 7, wenn im Brennstoffzellenstapel 2 die erforderliche Feuchte der Membran gegeben ist. Da bei der Nutzung des Bypasses 7 der Druckabfall im Luftversorgungspfad 3 reduziert ist, wird für die Dauer der Durchströmung des Bypasses 7 die Leistung des Verdichters 6 reduziert, so dass dieser geringer belastet wird, was dessen Lebensdauer erhöht und die Effizienz des Gesamtsystems steigert. Auch wird die Lebensdauer des Befeuchters 4 erhöht, da für diesen eine reduzierte Betriebshäufigkeit vorliegt.
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Der Vorteil durch die Präsenz und die Nutzung des Bypasses 7 kann noch gesteigert werden, indem im Brennstoffzellenstapel 2 ein Feuchte speicherndes Teil vorhanden ist, aus dem an die Membran die erforderliche Feuchte abgegeben wird, da so die Zeitdauern für die Nutzung des Befeuchters 4 und dessen Umgehung nicht gleich groß bemessen sein müssen und ein schnellerer Feuchtetransport in den Brennstoffzellenstapel 2 möglich ist mit nachfolgendem langsamen Feuchteverbrauch. Die Füllung des die Feuchte speichernden Teils erfolgt also schneller als dessen Leerung. Als das die Feuchte speichernde Teil können die Gasdiffusionslagen der Brennstoffzelle genutzt werden, die auch hinsichtlich ihrer schwammartigen oder dochtartigen Eigenschaften optimiert sein können.
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Zweckmäßig wird das Verfahren so umgesetzt, dass für die Feuchte der Membran ein Intervall zulässiger Werte vorgegeben und die Durchströmung des Bypasses 7 initiiert wird, wenn die obere Grenze des Intervalls erreicht wird, und dass die Durchströmung des Bypasses 7 beendet und die Durchströmung des Befeuchters wieder aufgenommen wird, wenn die untere Grenze des Intervalls erreicht wird. Dadurch ergibt sich dann zeitlich ein sägezahnartiger Verlauf, wie dies in 2 dargestellt ist, wobei noch zu beachten ist, dass das Intervall nicht für alle Lastanforderungen gleich bestimmt sein muss, also sich ein Band 8 für die relative Zielfeuchte ergibt, also das Intervall vorgegeben wird in Abhängigkeit mindestens eines Parameters, der einer Gruppe entnommen ist, die die Leistung, die Größe der Leistungsänderung, den Alterungszustand und die Umgebungstemperatur umfasst. Dabei kann die Feuchte der Membran modellbasiert oder durch eine Messung bestimmt werden.
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Für die Realisierung dieses vorstehend geschilderten Verfahrens mit seinen Varianten wird ein der Brennstoffzellenvorrichtung 1 zugeordnetes Steuergerät genutzt, das entsprechend eingerichtet ist zur Durchführung des Verfahrens.
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Ein Kraftfahrzeug mit einer derartigen Brennstoffzellenvorrichtung 1 ist effizienter und verbrauchsgünstiger, wobei der Verbrauchsvorteil bei Durchführung des Verfahrens lastabhängig ist, wie der 3 entnommen werden kann, die mit steigender Last einen steigenden Verbrauchsvorteil A erkennen lässt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Brennstoffzellenvorrichtung
- 2
- Brennstoffzellenstapel
- 3
- Luftversorgungspfad
- 4
- Befeuchter
- 5
- Brennstofftank
- 6
- Verdichter
- 7
- Bypass
- 8
- Band
- A
- Verbrauchsvorteil
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2006/0115699 A1 [0005]
- DE 10021946 B4 [0005]
- CN 108232250 A [0005]
