DE102019217802A1

DE102019217802A1 - Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzelleneinheit

Info

Publication number: DE102019217802A1
Application number: DE102019217802.2A
Authority: DE
Inventors: Udo Riegler
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2019-11-19
Filing date: 2019-11-19
Publication date: 2021-05-20

Abstract

Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzelleneinheit als Brennstoffzellenstapel zur elektrochemischen Erzeugung von elektrischer Energie mit einer übereinander angeordneten Anzahl an Brennstoffzellen, die Brennstoffzellen umfassend je einen Gasraum für Brennstoff, je einen Gasraum (32) für Oxidationsmittel, je eine Protonenaustauschermembran und je eine Bipolarplatte mit den Schritten: Durchleiten eines Brennstoffes durch die Gasräume für Brennstoff, Durchleiten eines Oxidationsmittels durch die Gasräume (32) für Oxidationsmittel, Durchleiten von Protonen durch die Protonenaustauschermembranen, so dass mittels einer elektrochemischen Reaktion eine elektrische Spannung an den Bipolarplatten erzeugt wird, wobei während eines n-ten Teilvolumenstromerhöhungszeitraumes bei einer n-ten Teilanzahl der Gasräume (31) für Oxidationsmittel einer n-ten Teilanzahl der Brennstoffzellen durch die n-te Teilanzahl der Gasräume (31) für Oxidationsmittel ein größerer Volumenstrom an Oxidationsmittel geleitet wird als bei einer anderen Teilanzahl der Gasräume (31) für Oxidationsmittel einer anderen Teilanzahl der Brennstoffzellen und zeitlich aufeinanderfolgend in einem Volumenstromerhöhungszyklus n Teilvolumenstromerhöhungszeiträume ausgeführt werden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzelleneinheit gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 und eine Brennstoffzelleneinheit gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 12.
Stand der Technik
Brennstoffzelleneinheiten als galvanische Zellen wandeln mittels Redoxreaktionen an einer Anode und Kathode kontinuierlich zugeführten Brennstoff und Oxidationsmittels in elektrische Energie und Wasser um. Brennstoffzellen werden in den unterschiedlichsten stationären und mobilen Anwendungen eingesetzt, beispielweise in Häusern ohne Anschluss an ein Stromnetz oder in Kraftfahrzeugen, im Schienenverkehr, in der Luftfahrt, in der Raumfahrt und in der Schifffahrt. In Brennstoffzelleneinheiten sind eine Vielzahl von Brennstoffzellen übereinander in einem Stapel als Stack angeordnet.
In Brennstoffzelleneinheiten sind eine große Anzahl von Brennstoffzellen übereinander zu einem Brennstoffzellenstapel angeordnet. Innerhalb der Brennstoffzellen ist jeweils ein Gasraum für Oxidationsmittel vorhanden, das heißt ein Strömungsraum zum Durchleiten von Oxidationsmittel, wie beispielsweise Luft aus der Umgebung mit Sauerstoff. Der Gasraum für Oxidationsmittel ist von Kanälen und von einer Gasdiffusionsschicht für eine Kathode gebildet. Die Kanäle sind teilweise von einer entsprechenden Struktur einer Bipolarplatte gebildet und durch die Gasdiffusionsschicht gelangt das Oxidationsmittel, nämlich Sauerstoff, zu der Kathode der Brennstoffzellen. An den Kathoden entsteht aufgrund der elektrochemischen Reaktion Wasser, sodass es dadurch an dem Gasraum für Oxidationsmittel, insbesondere an der Gasdiffusionsschicht, zu einer Anreicherung von Wasser bzw. Kondensat kommt. Die Anreicherung von Wasser im Bereich der Kathode, das heißt insbesondere an der Gasdiffusionsschicht für die Kathode, führt zu einer Unterversorgung der Katalysatorschicht mit Oxidationsmittel aufgrund der Flutung der Gasdiffusionsschicht mit Wasser, sodass dadurch die von der Brennstoffzelle erzeugte elektrische Spannung stark abnimmt. Ferner verursacht dies eine erhöhte Alterung der Brennstoffzelle aufgrund der Anreicherung mit Wasser. Aus diesem Grund wird versucht, derartige Anreicherungen von Wasser in dem Gasraum für Oxidationsmittel zu vermeiden. Die Luft aus der Umgebung wird mit einer Gasfördereinrichtung, beispielsweise einem Gebläse oder einem Kompressor, in die Gasräume für Oxidationsmittel eingeleitet. Im Spitzenlastbetrieb einer Brennstoffzelleneinheit treten pro Zeiteinheit große Mengen an Reaktionswasser an der Kathode auf. Um diese großen Mengen an Reaktionswasser ableiten zu können, ist es notwendig, den Volumenstrom innerhalb der Gasräume zu erhöhen, insbesondere auf eine turbulente Luftströmung in den Gasräumen für das Oxidationsmittel. Luft als Oxidationsmittel wird von der Gasfördereinrichtung in die Gasräume für Oxidationsmittel eingeleitet und zur Erzielung eines derart hohen Volumenstroms mit einer turbulenten Luftströmung zur Austragung des Reaktionswassers bzw. des Kondensates ist eine sehr hohe Leistung der Gasfördereinrichtung notwendig. Um eine derart hohe Leistung der Gasfördereinrichtung zu erhalten, ist es notwendig, beispielsweise 20 % bis 30 % der elektrischen Leistung der Brennstoffzelleneinheit zum Antrieb der Gasfördereinrichtung zu verwenden. Dadurch sinkt der Gesamtwirkungsgrad der Brennstoffzelleneinheit stark ab, sodass dadurch das Problem nicht sinnvoll gelöst werden kann.
Die WO 2005/121917 A1 zeigt eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Steuerung von unterschiedlichen Strömungsfeldern innerhalb einer Brennstoffzelle. Mittels Ventilen können verschiedenen Strömungskanäle innerhalb einer Brennstoffzelle geöffnet und geschlossen werden.
Die DE 10 2006 019 114 A1 offenbart ein Brennstoffzellensystem mit einer Vielzahl von Brennstoffzellen, wobei jede der Brennstoffzellen eine Membranelektrodenanordnung, eine Anodenkatalysatorschicht auf einer ersten Seite der Membranelektrodenanordnung und eine Kathodenkatalysatorschicht auf einer zweiten Seite der Membranelektrodenanordnung umfasst, wobei die Vielzahl von Brennstoffzellen in zumindest zwei Stufen angeordnet sind, wobei die Vielzahl von Brennstoffzellen in jeder der zumindest zwei Stufen in einer parallelen Anordnung angeordnet sind und die Stufen in einer seriellen Anordnung angeordnet sind, wobei eine erste Stufe eine erste Vielzahl von Brennstoffzellen aufweist und eine zweite Stufe eine zweite Vielzahl von Brennstoffzellen aufweist, wobei die erste Vielzahl von Brennstoffzellen eine größere Anzahl von Brennstoffzellen als die zweite Vielzahl von Brennstoffzellen umfasst; einem Anodengaseinlassverteiler in Verbindung mit der ersten Stufe; zumindest einem Einlass/Austragsverteiler für Anodengas, wobei der Einlass/Austragsverteiler für Anodengas ermöglicht, dass Anodenabgas die erste Stufe verlassen kann, und ermöglicht, dass das Anodenabgas in die zweite Stufe eintreten kann; und einem Anodengasaustragsverteiler in Verbindung mit der zweiten Stufe.
Die US 9 583 299 B2 zeigt eine Strömungsplatte zur Anordnung zwischen einer Gasdiffusionsschicht und einer ebenen Platte zur Erzeugung eines Strömungsmusters für Brennstoff oder Oxidationsmittel einer Brennstoffzelle.
Offenbarung der Erfindung
Vorteile der Erfindung
Erfindungsgemäßes Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzelleneinheit als Brennstoffzellenstapel zur elektrochemischen Erzeugung von elektrischer Energie mit einer übereinander angeordneten Anzahl an Brennstoffzellen, die Brennstoffzellen umfassend je einen Gasraum für Brennstoff, je einen Gasraum für Oxidationsmittel, je eine Protonenaustauschermembran und je eine Bipolarplatte mit den Schritten: Durchleiten eines Brennstoffes durch die Gasräume für Brennstoff, Durchleiten eines Oxidationsmittels durch die Gasräume für Oxidationsmittel, Durchleiten von Protonen durch die Protonenaustauschermembranen, so dass mittels einer elektrochemischen Reaktion eine elektrische Spannung an den Bipolarplatten erzeugt wird, wobei während eines n-ten Teilvolumenstromerhöhungszeitraumes bei einer n-ten Teilanzahl der Gasräume für Oxidationsmittel einer n-ten Teilanzahl der Brennstoffzellen durch die n-te Teilanzahl der Gasräume für Oxidationsmittel ein größerer Volumenstrom an Oxidationsmittel geleitet wird als bei einer anderen Teilanzahl der Gasräume für Oxidationsmittel einer anderen Teilanzahl der Brennstoffzellen und zeitlich aufeinanderfolgend in einem Volumenstromerhöhungszyklus n Teilvolumenstromerhöhungszeiträume ausgeführt werden. Lediglich bei einer n-ten Teilanzahl der Brennstoffzellen, das heißt einer n-ten Teilanzahl der Gasräume dieser Brennstoffzellen, wird während eines n-ten Teilvolumenstromerhöhungszeitraums der Volumenstrom an Oxidationsmittel erhöht und bei der anderen Teilanzahl der Gasräume der anderen Teilanzahl der Brennstoffzellen bleibt der Volumenstrom an Oxidationsmittel im Wesentlichen unverändert und/oder konstant. Dadurch wird in vorteilhafter Weise weniger elektrische Leistung oder mechanische Leistung zum Antrieb der Gasfördereinrichtung benötigt, weil nur in einer n-ten Teilanzahl der Gasräume für Oxidationsmittel der Volumenstrom erhöht wird. Dadurch kann einerseits in der n-ten Teilanzahl der Gasräume für Oxidationsmittel das Reaktionswasser entfernt werden aufgrund des großen Volumenstroms und trotzdem wird für den Antrieb der Gasfördereinrichtung eine lediglich kleine Leistung benötigt. Durch das aufeinanderfolgende und sequenzielle Ausführen von n-Teilvolumenstromerhöhungszeiträumen je in der n-ten Teilanzahl der Gasräume für Oxidationsmittel kann dadurch in sämtlichen Gasräumen für Oxidationsmittel eine zeitlich aufeinanderfolgende Erhöhung des Volumenstroms erreicht werden und damit auch ein Abtransport des Wassers und/oder Kondensats in sämtlichen Gasräumen für Oxidationsmittel der Brennstoffzelle während des Volumenstromerhöhungszyklus.
In einer ergänzenden Variante sind in den n-Teilvolumenstromerhöhungszeiträumen die je n-te Teilanzahl der Gasräume für Oxidationsmittel unterschiedliche Gasräume für Oxidationsmittel.
In einer zusätzlichen Variante sind die Summe der n-ten Teilanzahlen der Gasräume für Oxidationsmittel wenigstens 80 % oder 90 % der Gasräume für Oxidationsmittel, insbesondere sämtliche Gasräume für Oxidationsmittel, der Bren nstoffzellenei nheit.
In einer weiteren Ausgestaltung sind die Gasräume für Oxidationsmittel in 2 bis 50, insbesondere 3 bis 20, Teilanzahlen unterteilt, sodass n gleich 2 bis 50, insbesondere 3 bis 20, ist.
In einer ergänzenden Ausgestaltung umfassen die n Teilanzahlen der Brennstoffzellen der Brennstoffzelleneinheit im Wesentlichen eine identische Anzahl an Brennstoffzellen. Eine im Wesentlichen identische Anzahl an Brennstoffzellen der Teilanzahlen der Brennstoffzellen bedeutet vorzugsweise, dass sich die Anzahlen bzw. Teilanzahlen der Brennstoffzellen um weniger als 30 %, 20 %, 10 % oder 5 % unterscheiden.
In einer ergänzenden Variante wird während eines n-ten Teilvolumenstromerhöhungszeitraumes bei der n-ten Teilanzahl der Gasräume für Oxidationsmittel der n-ten Teilanzahl der Brennstoffzellen das Oxidationsmittel als turbulente Strömung durch die Gasräume für Oxidationsmittel geleitet und bei dem anderen Teil der Gasräume für Oxidationsmittel der Brennstoffzellen wird das Oxidationsmittel mit einer laminaren Strömung durch die Gasräume für Oxidationsmittel geleitet. Vorzugsweise tritt eine turbulente Strömung bei einer Reynoldszahl Re von größer Re = 2315 oder größer 3000 Re auf. Zweckmäßig tritt eine laminare Strömung bei einer Reynoldszahl Re keiner als 2315 auf.
In einer zusätzlichen Ausgestaltung wird bei der anderen Teilanzahl der Gasräume für Oxidationsmittel während eines Teilvolumenstromerhöhungszeitraumes der Brennstoffzellen der Volumenstrom des Oxidationsmittels im Vergleich zu dem Volumenstrom vor Beginn des Volumenstromerhöhungszyklus im Wesentlichen konstant gehalten. Im Wesentlichen konstant gehalten bedeutet vorzugsweise, dass sich der Volumenstrom im Vergleich zu dem Volumenstrom vor Beginn des Volumenstromerhöhungszyklus im Vergleich zu dem Volumenstrom während des Teilvolumenstromerhöhungszeitraumes der anderen Teilzahl der Gasräume um weniger als 30 %, 20 %, 10 % oder 5 % unterscheidet.
In einer ergänzenden Variante ist die Summe der durch die Gasräume für Oxidationsmittel der Brennstoffzellen geleiteten Volumenströme während des Volumenstromerhöhungszyklus um einen Volumenstromdifferenzbetrag größer als vor und/oder nach dem Volumenstromerhöhungszyklus.
In einer zusätzlichen Variante entspricht der Volumenstromdifferenzbetrag im Wesentlichen dem Betrag der Differenz der Summe der Volumenströme in der n-ten Teilanzahl der Gasräume für das Oxidationsmittel vor oder nach dem Volumenstromerhöhungszyklus und während eines Teilvolumenstromerhöhungszeiträume. Der Volumenstromdifferenzbetrag entspricht im Wesentlichen dem Betrag der Differenz der Summe der Volumenströme in der n-ten Teilanzahl der Gasräume für das Oxidationsmittel vor oder nach dem Volumenstromerhöhungszyklus und während eines Teilvolumenstromerhöhungszeitraumes, das heißt unterscheidet sich um weniger als 30 %, 20 %, 10 % oder 5 %.
In einer ergänzenden Variante wird die Summe der Volumenströme in der n-ten Teilanzahl der Gasräume für Oxidationsmittel der Brennstoffzellen für einen Teilvolumenstromerhöhungszeitraum erhöht, insbesondere um den Volumendifferenzbetrag erhöht, indem die Förderleistung einer Gasfördereinrichtung erhöht wird und/oder der Einlassdruck des Oxidationsmittels in die Gasräume der n-ten Teilanzahl der Gasräume für Oxidationsmittel erhöht wird und/oder der Auslassdruck des Oxidationsmittels aus den Gasräumen der n-ten Teilanzahl der Gasräume für Oxidationsmittel reduziert wird.
Zweckmäßig wird bei der anderen Teilanzahl der Gasräume für Oxidationsmittel der Brennstoffzellen während des Teilvolumenstromerhöhungszeitraumes der Volumenstrom des Oxidationsmittels kleiner gehalten als in der n-ten Teilanzahl der Gasräume für Oxidationsmittel, indem der Einlassdruck des Oxidationsmittels in die Gasräume der anderen Teilanzahlen der Gasräume für Oxidationsmittel kleiner ausgeführt wird als bei der n-ten Teilanzahl der Gasräume und/oder der Auslassdruck des Oxidationsmittels aus den Gasräumen der anderen Teilanzahlen der Gasräume für Oxidationsmittel größer ausgeführt wird als bei der n-ten Teilanzahl der Gasräume.
Erfindungsgemäße Brennstoffzelleneinheit als Brennstoffzellenstapel zur elektrochemischen Erzeugung von elektrischer Energie mit einer Gasfördereinrichtung zum Fördern von Oxidationsmittel und mit einer übereinander angeordneten Anzahl an Brennstoffzellen, die Brennstoffzellen umfassend jeweils eine Protonenaustauschermembran, eine Anode, eine Kathode, eine Bipolarplatte, einen Gasraum für gasförmiges Oxidationsmittel für die Kathode mit einer Oxidationsmittel-Einlassöffnung zum Einleiten des Oxidationsmittels in den Gasraum für Brennstoff und einer Oxidationsmittel-Auslassöffnung zum Ausleiten des Oxidationsmittels aus dem Gasraum für Oxidationsmittel, wobei mit der Brennstoffzelleneinheit ein Verfahren gemäß einem oder mehrerer der vorhergehenden Ansprüche ausführbar ist.
In einer zusätzlichen Ausgestaltung ist die Förderleistung der Gasfördereinrichtung veränderbar, sodass mittels der Gasfördereinrichtung ein unterschiedlicher Volumenstrom an Oxidationsmittel durch die Gasräume für Oxidationsmittel der Brennstoffzelleneinheit förderbar ist.
In einer weiteren Ausgestaltung umfasst die Brennstoffzelleneinheit wenigstens ein Absperrorgan und mittels eines Öffnens des wenigstens einen Absperrorganes ist der Auslassdruck des Oxidationsmittels aus den Gasräumen der n-ten Teilanzahl der Gasräume für Oxidationsmittel, insbesondere an den Oxidationsmittel-Auslassöffnungen, reduzierbar.
In einer ergänzenden Ausgestaltung ist das wenigstens eine Absperrorgan als wenigstens ein Ventil, insbesondere Schieberventil, ausgebildet.
In einer ergänzenden Ausgestaltung ist der n-ten Teilanzahl der Gasräume für Oxidationsmittel jeweils ein erster Ausleitungssammelkanal und ein zweiter Ausleitungssammelkanal zugeordnet.
Vorzugsweise sind die zweiten Ausleitungssammelkanäle mittels eines Absperrorganes schließbar und öffenbar, sodass während eines geöffneten Absperrorganes in einem zweiten Ausleitungssammelkanal in der Teilanzahl der Gasräume für Oxidationsmittel, die diesem zweiten Ausleitungssammelkanal zugeordnet sind, ein größerer Volumenstrom durchgeleitet wird und/oder durchleitbar ist aufgrund der Absenkung des Druckes in den Oxidationsmittel-Auslassöffnungen der Gasräume für Oxidationsmittel.
In einer zusätzlichen Ausgestaltung ist der n-ten Teilanzahl der Gasräume für Oxidationsmittel jeweils ein Einleitungssammelkanal zugeordnet und mittels eines Absperrorganes sind die Einleitungssammelkanäle schließbar und offenbar, sodass während eines geöffneten Absperrorganes für einen Einleitungssammelkanal bei der diesem Einleitungssammelkanal zugeordneten Teilanzahl der Gasräume für Oxidationsmittel ein größerer Volumenstrom an Oxidationsmittel durchgeleitet wird.
In einer ergänzenden Ausgestaltung werden in den Brennstoffzellen die Gasräume für Oxidationsmittel, insbesondere sämtliche Gasräume sämtlicher Brennstoffzellen, der Brennstoffzelleneinheit parallel durchströmt.
Zweckmäßig ist die Brennstoffzelleneinheit dahingehend ausgebildet, so dass in den Brennstoffzellen die Gasräume für Oxidationsmittel, insbesondere sämtliche Gasräume sämtlicher Brennstoffzellen, der Brennstoffzelleneinheit parallel durchströmt werden.
In einer weiteren Ausgestaltung ist der Gasraum für Oxidationsmittel in einer Brennstoffzelle von wenigstens einem Kanal für Oxidationsmittel und/oder der Gasdiffusionsschicht zur Leitung von Oxidationsmittel zu der Kathode gebildet.
In einer ergänzenden Variante weisen die Brennstoffzellen, insbesondere sämtliche Brennstoffzellen, keine Absperrorgane, insbesondere Ventile, zur Veränderung von Strömungsräumen und/oder Strömungskanälen innerhalb eines Gasraumes für Oxidationsmittel je eine Brennstoffzelle auf.
Vorzugweise wird während des Betriebes der Brennstoffzelleneinheit Brennstoff zu den Anoden und ein Oxidationsmittel zu den Kathoden der Brennstoffzellen geleitet, so dass von den Brennstoffzellen elektrische Energie während des Betriebes erzeugt wird.
In einer weiteren Ausgestaltung beträgt die Zeitdauer je eines Teilvolumenstromerhöhungszeitraumes zwischen 1 s und 15 min, vorzugsweise zwischen 3 s und 7 min.
Zweckmäßig entspricht die Zeitdauer eines Volumenstromerhöhungszyklus der Summe der Zeitdauern der Teilvolumenstromerhöhungszeitraume und optional einer Zusatzzeit als der Zeitdauer zwischen den Teilvolumenstromerhöhungszeiträumen.
In einer ergänzenden Ausführungsform wird bei sämtlichen Teilvolumenstromerhöhungszeiträumen während eines n-ten Teilvolumenstromerhöhungszeitraumes bei der n-ten Teilanzahl der Gasräume für Oxidationsmittel der n-ten Teilanzahl der Brennstoffzellen das Oxidationsmittel als turbulente Strömung durch die Gasräume für Oxidationsmittel geleitet und bei dem anderen Teil der Gasräume für Oxidationsmittel der Brennstoffzellen das Oxidationsmittel mit einer laminaren Strömung durch die Gasräume für Oxidationsmittel geleitet wird.
In einer ergänzenden Ausführungsform ist der Volumenstrom in der n-ten Teilanzahl der Gasräume während des n-ten Teilvolumenstromerhöhungszeitraumes bei sämtlichen Teilvolumenstromerhöhungszeiträumen um 30%, 50%, 100%, 200 %, 300 %, 400% oder 500% größer als in der anderen Teilanzahl der Gasräume.
In einer ergänzenden Ausführungsform ist die Strömungsgeschwindigkeit des Oxidationsmittels in der n-ten Teilanzahl der Gasräume während des n-ten Teilvolumenstromerhöhungszeitraumes bei sämtlichen Teilvolumenstromerhöhungszeiträumen um 30%, 50%, 100%, 200 %, 300 %, 400% oder 500% größer als in der anderen Teilanzahl der Gasräume.
Zweckmäßig beträgt die mittlere Strömungsgeschwindigkeit des Oxidationsmittels in der anderen Teilanzahl der Gasräume während des n-ten Teilvolumenstromerhöhungszeitraumes bei sämtlichen Teilvolumenstromerhöhungszeiträumen zwischen 7 m/s und 14 m/s.
Vorzugsweise beträgt die mittlere Strömungsgeschwindigkeit des Oxidationsmittels in der n-ten Teilanzahl der Gasräume während des n-ten Teilvolumenstromerhöhungszeitraumes bei sämtlichen Teilvolumenstromerhöhungszeiträumen zwischen 40 m/s und 80 m/s, insbesondere zwischen 50 m/s und 70m/s.
In einer weiteren Variante umfasst die Brennstoffzelleneinheit wenigstens eine Verbindungsvorrichtung, insbesondere mehrere Verbindungsvorrichtungen, und Spannelemente.
Vorzugsweise beträgt Druckdifferenz des Oxidationsmittels in der n-ten Teilanzahl der Gasräume während des n-ten Teilvolumenstromerhöhungszeitraumes bei sämtlichen Teilvolumenstromerhöhungszeiträumen zwischen der Oxidationsmittel-Einlassöffnung und der Oxidationsmittel-Auslassöffnung zwischen 0,8 bar und 1,6 bar.
In einer ergänzenden Ausgestaltung beträgt Druckdifferenz des Oxidationsmittels in der anderen Teilanzahl der Gasräume während des n-ten Teilvolumenstromerhöhungszeitraumes bei sämtlichen Teilvolumenstromerhöhungszeiträumen zwischen der Oxidationsmittel-Einlassöffnung und der Oxidationsmittel-Auslassöffnung zwischen 0,1 bar und 0,2 bar.
Vorzugweise ist die n-te Teilanzahl der Gasräume für Oxidationsmittels der n-ten Teilanzahl der Brennstoffzellen diejenige n-te Teilanzahl der Gasräume während des n-ten Teilvolumenstromerhöhungszeitraumes mit dem größeren Volumenstrom an Oxidationsmittel.
Vorzugweise ist die andere Teilanzahl der Gasräume für Oxidationsmittels diejenige Teilanzahl der Gasräume während des n-ten Teilvolumenstromerhöhungszeitraumes mit dem kleineren Volumenstrom an Oxidationsmittel.
In einer zusätzlichen Ausgestaltung ist die andere Teilanzahl der Gasräume für Oxidationsmittels sämtliche Gasräume für Oxidationsmittel ohne der n-ten Teilanzahl der Gasräume während des n-ten Teilvolumenstromerhöhungszeitraumes.
Zweckmäßig sind Komponenten für Brennstoffzellen Protonenaustauschermembranen, Anoden, Kathoden, Gasdiffusionsschichten und Bipolarplatten.
In einer weiteren Ausgestaltung umfassen die Brennstoffzellen jeweils eine Protonenaustauschermembran, eine Anode, eine Kathode, wenigstens eine Gasdiffusionsschicht und wenigstens eine Bipolarplatte.
In einer weiteren Ausführungsform ist die Verbindungsvorrichtung als ein Bolzen ausgebildet und/oder ist stabförmig und/oder ist als ein Spanngurt ausgebildet.
Zweckmäßig sind die Spannelemente als Spannplatten ausgebildet.
Erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, umfassend eine Brennstoffzelleneinheit als Brennstoffzellenstapel mit Brennstoffzellen, einen Druckgasspeicher zur Speicherung von gasförmigem Brennstoff, eine Gasfördervorrichtung zur Förderung eines gasförmigen Oxidationsmittels zu den Kathoden der Brennstoffzellen, wobei die Brennstoffzelleneinheit als eine in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebene Brennstoffzelleneinheit ausgebildet ist.
In einer weiteren Variante ist die Gasfördervorrichtung als ein Gebläse und/oder ein Kompressor und/oder eine Druckbehälter mit Oxidationsmittel ausgebildet.
Insbesondere umfasst die Brennstoffzelleneinheit wenigstens 3, 4, 5 oder 6 Verbindungsvorrichtungen.
In einer weiteren Ausgestaltung sind die Spannelemente plattenförmig und/oder scheibenförmig und/oder eben ausgebildet und/oder als ein Gitter ausgebildet.
Vorzugsweise ist der Brennstoff Wasserstoff, wasserstoffreiches Gas, Reformatgas oder Erdgas.
Zweckmäßig sind die Brennstoffzellen im Wesentlichen eben und/oder scheibenförmig ausgebildet.
In einer ergänzenden Variante ist das Oxidationsmittel Luft mit Sauerstoff oder reiner Sauerstoff.
Vorzugsweise ist die Brennstoffzelleneinheit eine PEM-Brennstoffzelleneinheit mit PEM-Brennstoffzellen.
Die Erfindung umfasst ferner ein Computerprogramm mit Programmcodemitteln, die auf einem computerlesbaren Datenträger gespeichert sind, um ein in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebenes Verfahren durchzuführen, wenn das Computerprogramm auf einem Computer oder einer entsprechenden Recheneinheit durchgeführt wird.
Bestandteil der Erfindung ist außerdem ein Computerprogrammprodukt mit Programmcodemitteln, die auf einem computerlesbaren Datenträger gespeichert sind, um ein in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebenes Verfahren durchzuführen, wenn das Computerprogramm auf einem Computer oder einer entsprechenden Recheneinheit durchgeführt wird.
Figurenliste
Im Nachfolgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt:

1 eine stark vereinfachte Explosionsdarstellung eines Brennstoffzellensystems mit Komponenten einer Brennstoffzelle,
2 eine perspektivische Ansicht eines Teils einer Brennstoffzelle,
3 einen Längsschnitt durch eine Brennstoffzelle,
4 eine perspektivische Ansicht einer Brennstoffzelleneinheit als Brennstoffzellenstapel, d. h. einen Brennstoffzellenstack,
5 einen Schnitt durch die Brennstoffzelleneinheit gemäß 4,
6 ein pneumatisches Schaltbild für die Gasräume für Oxidationsmittel einer Brennstoffzelleneinheit in einem ersten Ausführungsbeispiel,
7 ein pneumatisches Schaltbild für die Gasräume für Oxidationsmittel einer Brennstoffzelleneinheit in einem zweiten Ausführungsbeispiel und
8 ein stark vereinfachtes Ablaufschema der Schritte eines Verfahrens.

In den 1 bis 3 ist der grundlegende Aufbau einer Brennstoffzelle 2 als einer PEM-Brennstoffzelle 3 (Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle 3) dargestellt. Das Prinzip von Brennstoffzellen 2 besteht darin, dass mittels einer elektrochemischen Reaktion elektrische Energie bzw. elektrischer Strom erzeugt wird. An eine Anode 7 wird Wasserstoff H₂ als gasförmiger Brennstoff geleitet und die Anode 7 bildet den Minuspol. An eine Kathode 8 wird ein gasförmiges Oxidationsmittel, nämlich Luft mit Sauerstoff, geleitet, d. h. der Sauerstoff in der Luft stellt das notwendige gasförmige Oxidationsmittel zur Verfügung. An der Kathode 8 findet eine Reduktion (Elektronenaufnahme) statt. Die Oxidation als Elektronenabgabe wird an der Anode 7 ausgeführt.
Die Redoxgleichungen der elektrochemischen Vorgänge lauten:

Kathode: O₂ + 4 H⁺ + 4 e^- → 2 H₂O
Anode: 2 H₂ → 4 H⁺ + 4 e^-
Summenreaktionsgleichung von Kathode und Anode: 2 H₂ + O₂ → 2 H₂O

Die Differenz der Normalpotentiale der Elektrodenpaare unter Standardbedingungen als reversible Brennstoffzellenspannung oder Leerlaufspannung der unbelasteten Brennstoffzelle 2 beträgt 1,23 V. Diese theoretische Spannung von 1,23 V wird in der Praxis nicht erreicht. Im Ruhezustand und bei kleinen Strömen können Spannungen über 1,0 V erreicht werden und im Betrieb mit größeren Strömen werden Spannungen zwischen 0,5 V und 1,0 V erreicht. Die Reihenschaltung von mehreren Brennstoffzellen 2, insbesondere eine Brennstoffzelleneinheit 1 als Brennstoffzellenstapel 1 von mehreren übereinander angeordneten Brennstoffzellen 2, weist eine höhere Spannung auf, welche der Zahl der Brennstoffzellen 2 multipliziert mit der Einzelspannung je einer Brennstoffzelle 2 entspricht.
Die Brennstoffzelle 2 umfasst außerdem eine Protonenaustauschermembran 5 (Proton Exchange Membrane, PEM), welche zwischen der Anode 7 und der Kathode 8 angeordnet ist. Die Anode 7 und Kathode 8 sind schichtförmig bzw. scheibenförmig ausgebildet. Die PEM 5 fungiert als Elektrolyt, Katalysatorträger und Separator für die Reaktionsgase. Die PEM 5 fungiert außerdem als elektrischer Isolator und verhindert einen elektrischen Kurzschluss zwischen der Anode 7 und Kathode 8. Im Allgemeinen werden 12 µm bis 150 µm dicke, protonenleitende Folien aus perfluorierten und sulfonierten Polymeren eingesetzt. Die PEM 5 leitet die Protonen H⁺ und sperrt andere Ionen als Protonen H⁺ im Wesentlichen, so dass aufgrund der Durchlässigkeit der PEM 5 für die Protonen H⁺ der Ladungstransport erfolgen kann. Die PEM 5 ist für die Reaktionsgase Sauerstoff O₂ und Wasserstoff H₂ im Wesentlichen undurchlässig, d. h. sperrt die Strömung von Sauerstoff O₂ und Wasserstoff H₂ zwischen einem Gasraum 31 an der Anode 7 mit Brennstoff Wasserstoff H₂ und dem Gasraum 32 an der Kathode 8 mit Luft bzw. Sauerstoff O₂ als Oxidationsmittel. Die Protonenleitfähigkeit der PEM 5 vergrößert sich mit steigender Temperatur und steigenden Wassergehalt.
Auf den beiden Seiten der PEM 5, jeweils zugewandt zu den Gasräumen 31, 32, liegen die Elektroden 7, 8 als die Anode 7 und Kathode 8 auf. Eine Einheit aus der PEM 5 und den Elektroden 6, 7 wird als Membranelektrodenanordnung 6 (Membran Electrode Array, MEA) bezeichnet. Die Elektroden 7, 8 sind mit der PEM 5 verpresst. Die Elektroden 6, 7 sind platinhaltige Kohlenstoffpartikel, die an PTFE (Polytetrafluorethylen), FEP (Fluoriertes Ethylen-Propylen-Copolymer), PFA (Perfluoralkoxy), PVDF (Polyvinylidenfluorid) und/oder PVA (Polyvinylalkohol) gebunden sind und in mikroporösen Kohlefaser-, Glasfaser- oder Kunststoffmatten heißverpresst sind. An den Elektroden 6, 7 sind auf der Seite zu den Gasräumen 31, 32 hin normalerweise jeweils eine Katalysatorschichten 30 aufgebracht. Die Katalysatorschicht 30 an dem Gasraum 31 mit Brennstoff an der Anode 7 umfasst nanodisperses Platin-Ruthenium auf grafitierten Rußpartikeln, die an einem Bindemittel gebunden sind. Die Katalysatorschicht 30 an dem Gasraum 32 mit Oxidationsmittel an der Kathode 8 umfasst analog nanodisperses Platin. Als Bindemittel werden beispielsweise Nation®, eine PTFE-Emulsion oder Polyvinylalkohol eingesetzt.
Auf der Anode 7 und der Kathode 8 liegt eine Gasdiffusionsschicht 9 (Gas Diffusion Layer, GDL) auf. Die Gasdiffusionsschicht 9 an der Anode 7 verteilt den Brennstoff aus Kanälen 12 für Brennstoff gleichmäßig auf die Katalysatorschicht 30 an der Anode 7. Die Gasdiffusionsschicht 9 an der Kathode 8 verteilt das Oxidationsmittel aus Kanälen 13 für Oxidationsmittel gleichmäßig auf die Katalysatorschicht 30 an der Kathode 8. Die GDL 9 zieht außerdem Reaktionswasser in umgekehrter Richtung zur Strömungsrichtung der Reaktionsgase ab, d. h. in einer Richtung je von der Katalysatorschicht 30 zu den Kanälen 12, 13. Ferner hält die GDL 9 die PEM 5 feucht und leitet den Strom. Die GDL 9 ist beispielsweise aus einem hydrophobierten Kohlepapier und einer gebundenen Kohlepulverschicht aufgebaut.
Auf der GDL 9 liegt eine Bipolarplatte 10 auf. Die elektrisch leitfähige Bipolarplatte 10 dient als Stromkollektor, zur Wasserableitung und zur Leitung der Reaktionsgase durch eine Kanalstruktur 29 und/oder ein Flussfeld 29 und zur Ableitung der Abwärme, welche insbesondere bei der exothermischen elektrochemischen Reaktion an der Kathode 8 auftritt. Zum Ableiten der Abwärme sind in die Bipolarplatte 10 Kanäle 14 zur Durchleitung eines flüssigen oder gasförmigen Kühlmittels eingearbeitet. Die Kanalstruktur 29 an dem Gasraum 31 für Brennstoff ist von Kanälen 12 gebildet. Die Kanalstruktur 29 an dem Gasraum 32 für Oxidationsmittel ist von Kanälen 13 gebildet. Als Material für die Bipolarplatten 10 werden beispielsweise Metall, leitfähige Kunststoffe und Kompositwerkstoffe oder Grafit eingesetzt.
In einer Brennstoffzelleneinheit 1 und/oder einem Brennstoffzellenstapel 1 und/oder einem Brennstoffzellenstack 1 sind mehrere Brennstoffzellen 2 übereinander angeordnet (4). In 1 ist eine Explosionsdarstellung von zwei übereinander angeordneten Brennstoffzellen 2 abgebildet. Eine Dichtung 11 dichtet die Gasräume 31, 32 fluiddicht ab. In einem Druckgasspeicher 21 (1) ist Wasserstoff H₂ als Brennstoff mit einem Druck von beispielsweise 350 bar bis 700 bar gespeichert. Aus dem Druckgasspeicher 21 wird der Brennstoff durch eine Hochdruckleitung 18 zu einem Druckminderer 20 geleitet zur Reduzierung des Druckes des Brennstoffes in einer Mitteldruckleitung 17 von ungefähr 10 bar bis 20 bar. Aus der Mitteldruckleitung 17 wird der Brennstoff zu einem Injektor 19 geleitet. An dem Injektor 19 wird der Druck des Brennstoffes auf einen Einblasdruck zwischen 1 bar und 3 bar reduziert. Von dem Injektor 19 wird der Brennstoff einer Zufuhrleitung 16 für Brennstoff (1) zugeführt und von der Zufuhrleitung 16 den Kanälen 12 für Brennstoff, welche die Kanalstruktur 29 für Brennstoff bilden. Der Brennstoff durchströmt dadurch den Gasraum 31 für den Brennstoff. Der Gasraum 31 für den Brennstoff ist von den Kanälen 12 und der GDL 9 an der Anode 7 gebildet. Nach dem Durchströmen der Kanäle 12 wird der nicht in der Redoxreaktion an der Anode 7 verbrauchte Brennstoff und gegebenenfalls Wasser aus einer kontrollieren Befeuchtung der Anode 7 durch eine Abfuhrleitung 15 aus den Brennstoffzellen 2 abgeleitet.
Eine Gasfördereinrichtung 22, beispielsweise als ein Gebläse 23 oder ein Kompressor 24 ausgebildet, fördert Luft aus der Umgebung als Oxidationsmittel in eine Zufuhrleitung 25 für Oxidationsmittel. Aus der Zufuhrleitung 25 wird die Luft den Kanälen 13 für Oxidationsmittel, welche eine Kanalstruktur 29 an den Bipolarplatten 10 für Oxidationsmittel bilden, zugeführt, so dass das Oxidationsmittel den Gasraum 32 für das Oxidationsmittel durchströmt. Der Gasraum 32 für das Oxidationsmittel ist von den Kanälen 13 und der GDL 9 an der Kathode 8 gebildet. Nach dem Durchströmen der Kanäle 13 bzw. des Gasraumes 32 für das Oxidationsmittel 32 wird das nicht an der Kathode 8 verbrauchte Oxidationsmittel und das an der Kathode 8 aufgrund der elektrochemischen Redoxreaktion entstehenden Reaktionswasser durch eine Abfuhrleitung 26 aus den Brennstoffzellen 2 abgeleitet. Eine Zufuhrleitung 27 dient zur Zuführung von Kühlmittel in die Kanäle 14 für Kühlmittel und eine Abfuhrleitung 28 dient zur Ableitung des durch die Kanäle 14 geleiteten Kühlmittels. Die Zu- und Abfuhrleitungen 15, 16, 25, 26, 27, 28 sind in 1 aus Vereinfachungsgründen als gesonderte Leitungen dargestellt und können konstruktiv tatsächlich unterschiedlich ausgebildet sein, beispielsweise als Bohrungen in einem Rahmen (nicht dargestellt) oder als fluchtende Bohrungen am Endbereich (nicht dargestellt) aufeinander liegender Bipolarplatten 10. Der Brennstoffzellenstack 1 zusammen mit dem Druckgasspeicher 21 und der Gasfördereinrichtung 22 bildet ein Brennstoffzellensystem 4.
In der Brennstoffzelleneinheit 1 sind die Brennstoffzellen 2 zwischen zwei Spannelementen 33 als Spannplatten 34 angeordnet. Eine obere Spannplatte 35 liegt auf der obersten Brennstoffzelle 2 auf und eine untere Spannplatte 36 liegt auf der untersten Brennstoffzelle 2 auf. Die Brennstoffzelleneinheit 1 umfasst ungefähr 200 bis 400 Brennstoffzellen 2, die aus zeichnerischen Gründen nicht alle in 4 dargestellt sind. Die Spannelemente 33 bringen auf die Brennstoffzellen 2 eine Druckkraft auf, d. h. die obere Spannplatte 35 liegt mit einer Druckkraft auf der obersten Brennstoffzelle 2 auf und die untere Spannplatte 36 liegt mit einer Druckkraft auf der untersten Brennstoffzelle 2 auf. Damit ist der Brennstoffzellenstapel 2 verspannt, um die Dichtheit für den Brennstoff, das Oxidationsmittel und das Kühlmittel, insbesondere aufgrund der elastischen Dichtung 11, zu gewährleisten und außerdem den elektrischen Kontaktwiderstand innerhalb des Brennstoffzellenstapels 1 möglichst klein zu halten. Zur Verspannung der Brennstoffzellen 2 mit den Spannelementen 33 sind an der Brennstoffzelleneinheit 1 vier Verbindungsvorrichtungen 39 als Bolzen 61 ausgebildet, welche auf Zug beansprucht sind. Die vier Bolzen 61 sind mit den Spanplatten 34 fest verbunden.
In 6 ist stark vereinfacht ein pneumatisches Schaltbild für die Gasräume 32 für Oxidationsmittel der Brennstoffzelleneinheit 1 in einem ersten Ausführungsbeispiel dargestellt. 1 und 2 dienen lediglich zur Darstellung des allgemeinen Prinzips einer Brennstoffzelleneinheit 1. Die in 6 dargestellte Brennstoffzelleneinheit 1 umfasst 16 Brennstoffzellen 2, sodass in der Brennstoffzelleneinheit 1 auch insgesamt 16 Gasräume 32 für Oxidationsmittel auftreten. In 6 sind somit lediglich im Wesentlichen nur die Gasräume 32 für Oxidationsmittel jeweils einer Brennstoffzelle 2 der Brennstoffzelleneinheit 1 abgebildet. Die Gasräume 32 sind dabei von Kanälen 13 für Oxidationsmittel an den Bipolarplatten 10 und von der Gasdiffusionsschicht 9 (GDL) gebildet. Die Gesamtanzahl der Brennstoffzellen 2 von 16 ist in vier Teilanzahlen unterteilt mit einer identischen Teilanzahl von Brennstoffzellen 2 innerhalb dieser Teilanzahlen, das heißt die Teilanzahl der Gasräume bei der Unterteilung mit n = 4 ist 4. Das Oxidationsmittel Luft wird durch eine Oxidationsmittel-Einlassöffnung 37 in die Gasräume 32 für Oxidationsmittel eingeleitet und durch eine Oxidationsmittel-Auslassöffnung 38 wieder aus den Gasräumen 32 ausgeleitet. An den Oxidationsmittel-Auslassöffnungen 38 wird das Oxidationsmittel Luft mit einem Druck von ungefähr 2 bis 2,5 bar aus den Oxidationsmittel-Auslassöffnungen 38 ausgeleitet. Mittels entsprechender Trennwände sind an den Oxidationsmittel-Auslassöffnungen 38 jeweils vier Oxidationsmittel-Auslassöffnungen 38 pneumatisch zusammengefasst und von jeweils einer Teilanzahl der Gasräume 32 für Oxidationsmittel wird die Luft als das Oxidationsmittel jeweils durch einen ersten Ausleitungssammelkanal 46 in einen ersten Behälter 47 für die Schalldämpfung eingeleitet. Der erste Behälter 47 weist eine Auslassöffnung 48 zur Ausleitung des Oxidationsmittels in die Umgebung auf. Ferner wird das Oxidationsmittel temporär während eines Teilvolumenstromerhöhungszeitraumes für jeweils eine Teilanzahl der Gasräume 32 für Oxidationsmittel durch einen zweiten Ausleitungssammelkanal 49 in einen zweiten Behälter 50 zur Schalldämpfung eingeleitet. Der zweite Behälter 50 weist eine Auslassöffnung 51 auf zur Ausleitung des Oxidationsmittels in die Umgebung. Die 16 Gasräume 32 für Oxidationsmittel sind in vier Teilanzahlen, das heißt n = 1 als erste Teilanzahl, n = 2 als zweite Teilanzahl und n = 3 als dritte Teilanzahl und n = 4 als vierte Teilanzahl unterteilt und jede Teilanzahl der Brennstoffzellen 2 bzw. der Gasräume 32 weist eine identische Teilanzahl von vier Gasräumen 32 auf.
In einem n = 1-ten Teilvolumenstromerhöhungszeitraum gemäß der Abbildung in 6 ist der zweite Ausleitungssammelkanal 49 für die erste Teilanzahl der Gasräume 32 bzw. Brennstoffzellen 2 geöffnet, sodass dadurch das Oxidationsmittel Luft aus den Oxidationsmittel-Auslassöffnungen 38 der ersten Teilanzahl der Gasräume 32 nicht nur durch den ersten Ausleitungssammelkanal 46, sondern auch durch den zweiten Ausleitungssammelkanal 49 in die Umgebung ausströmen kann und zusätzlich wird während dieses n = 1-ten Teilvolumenstromerhöhungszeitraums die Förderleistung der Gasfördereinrichtung 22 erhöht. Dabei entspricht die Erhöhung der Förderleistung der Gasfördereinrichtung 22 im Wesentlichen dem Volumenstrom der Luft, der durch den zweiten Ausleitungssammelkanal 49 aus der ersten Teilanzahl der Gasräume 32 ausgeleitet wird.
Ein Absperrorgan 40 als ein Ventil 41, nämlich ein Schieberventil 42, weist eine Öffnung 43 auf. Das Schieberventil 42 kann von einem Aktuator 44 bewegt werden, sodass dadurch nacheinander mittels des Schieberventils 42 der zweite Ausleitungssammelkanal 49 für die erste Teilanzahl der Gasräume 32, die zweite Teilanzahl der Gasräume 32, die dritte Teilanzahl der Gasräume 32 und die vierte Teilanzahl der Gasräume 32 geöffnet wird. Der Aktuator 44 ist mit einer Verbindungsstange 45 mit dem Schieberventil 42 mechanisch gekoppelt. Bei einem geöffneten zweiten Ausleitungssammelkanal 49 wird somit ein Teilvolumenstromerhöhungszeitraum in der zweiten Teilanzahl der Gasräume 32 ausgeführt. In einem Normalleistungsbetrieb 54 (8) sind sämtliche zweite Ausleitungssammelkanäle 49 geschlossen und die Gasfördereinrichtung 22 wird mit einer normalen Förderleistung betrieben. In einem Spitzenlastbetrieb 55 der Brennstoffzelleneinheit 1 zur Erzeugung einer hohen elektrischen Spannung und Leistung treten an den Kathoden 8 große Mengen an Reaktionswasser auf. Zur Ableitung dieser großen Mengen an Reaktionswasser wird ein Volumenstromerhöhungszyklus 56 ausgeführt, indem nacheinander sequenziell zunächst ein erster Teilvolumenstromerhöhungszeitraum 57 ausgeführt wird, das heißt, dass der zweite Ausleitungssammelkanal 49 für die erste Teilanzahl der Gasräume 32 für Oxidationsmittel geöffnet ist und dadurch durch die erste Teilanzahl der Gasräume 32 für Oxidationsmittel ein größerer Volumenstrom an Oxidationsmittel durchgeleitet wird als durch die andere Teilanzahl n=2, 3 und 4 der Brennstoffzelleneinheit 1. Nacheinander wird somit zunächst zuerst der erste Teilvolumenstromerhöhungszeitraum 57, der zweite Teilvolumenstromerhöhungszeitraum 58, der dritte Teilvolumenstromerhöhungszeitraum 59 und der vierte Teilvolumenstromerhöhungszeitraum 60 ausgeführt. Während des Volumenstromerhöhungszyklus 56 mit den vier Teilvolumenstromerhöhungszeiträumen 57, 58, 59, 60 wird die Gasfördereinrichtung 22 mit einer erhöhten Förderleistung betrieben, das heißt durch die Zufuhrleitung 25 für Oxidationsmittel wird ein größerer Volumenstrom an Oxidationsmittel der Brennstoffzelleneinheit 1 zugeführt als während eines Normalleistungsbetriebs 54.
In 7 ist ein zweites Ausführungsbeispiel für das pneumatische Schaltbild für die Gasräume 32 für Oxidationsmittel der Brennstoffzelleneinheit 1 in einem zweiten Ausführungsbeispiel dargestellt. Im Nachfolgenden werden im Wesentlichen nur die Unterschiede zu dem in 6 dargestellten ersten Ausführungsbeispiel beschrieben. Zur sequenziellen und zeitlich aufeinanderfolgenden Erhöhung des Volumenstromes in jeweils einer Teilanzahl von Brennstoffzellen 2 bzw. Gasräume 32 für Oxidationsmittel wird das Oxidationsmittel mit einer Zusatzgasfördereinrichtung 52 und einen Einleitungssammelkanal 53 einer jeweiligen Teilanzahl der Gasräume 32 zugeführt. Mittels des Schieberventils 42 wird jeweils nur eine Teilanzahl der Gasräume 32 zusätzlich von der Zusatzgasfördereinrichtung 52 mit Oxidationsmittel beaufschlagt und sämtliche anderen Gasräume 32 der anderen Teilanzahl der Brennstoffzellen 2 und die Teilanzahl der Gasräume 32 werden mit der Gasfördereinrichtung 22 mit Oxidationsmittel beaufschlagt.
Insgesamt betrachtet sind mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben der Brennstoffzelleneinheit 1 und der erfindungsgemäßen Brennstoffzelleneinheit 1 wesentliche Vorteile verbunden. Im Spitzenlastbetrieb 55 der Brennstoffzelleneinheit 1 wird jeweils nur durch eine Teilanzahl der Gasräume 32 einer Teilanzahl der Brennstoffzellen 2 ein erhöhter größerer Volumenstrom an Oxidationsmittel durchgeleitet, sodass dadurch in diesen Gasräumen 32 eine turbulente Luftströmung auftritt. Während dieses erhöhten Volumenstroms mit der turbulenten Luftströmung kann aufgrund der turbulenten Luftströmung in den Gasräumen 32 an der Kathode 8 auftretendes Kondenswasser effektiv in die Umgebung abgeleitet werden. Da jedoch nur bei einer Teilanzahl der Gasräume 32 ein erhöhter Volumenstrom an Oxidationsmittel auftritt, wird somit für die Erhöhung der Förderleistung der Gasfördereinrichtung 22 lediglich eine geringfügig größere Förderleistung benötigt. Nach der Absenkung des Volumenstroms in den Teilanzahlen der Gasräume 32 tritt nicht sofort ein Umschlag der Strömung von turbulent auf laminar auf, sondern es tritt eine gewisse Zeit eine intermittierende Luftströmung auf. Diese Wirbelstrukturen während der turbulenten Strömung innerhalb der Gasräume 32 ermöglichen es, sowohl aus der Gasdiffusionsschicht 9 das Reaktionswasser in die Umgebung abzutransportieren als auch mittels Konvektion Flüssigwasser von der Bipolarplatte 10 abzutransportieren. Aufgrund der turbulenten Strömung treten in der Gasdiffusionsschicht 9 lokal Druckschwankungen auf im Bereich von einigen bis mehreren 10 mbar und diese Druckschwankungen treten auch nach der Reduzierung des Volumenstroms noch auf, sodass dadurch aufgrund dieser Druckschwankungen Gasgeschwindigkeit senkrecht zur Ebene der Gasdiffusionsschicht 9 in der Größenordnung von 1 m/s auftreten und dadurch besonders effektiv mittels Konvektion Kondenswasser aus der Gasdiffusionsschicht 9 abtransportiert werden kann in die Umgebung. In den Gasräumen 32 als der Teilanzahl der Gasräume 32 mit dem erhöhten größeren Volumenstrom kann dabei der Lambda-Wert von Werten im Bereich von 1,2 bis 5 auf Lambda-Werte im Bereich von 6 bis 16 erhöht werden. Die Zeitdauer eines Teilvolumenstromerhöhungszeitraumes liegt im Bereich von einigen Sekunden bis einigen Minuten. Die Zeitdauer eines Volumenstromerhöhungszyklus entspricht somit der Summe der Zeitdauern der Teilvolumenstromerhöhungszeiträume. In der Praxis weisen Brennstoffzelleneinheiten 1 beispielsweise 500 Brennstoffzellen 2 auf und bei einem Wert von n = 10 sind diese in jeweils eine Teilanzahl von 50 Brennstoffzellen 2 unterteilt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2005/121917 A1 [0004]
DE 102006019114 A1 [0005]
US 9583299 B2 [0006]

Claims

Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzelleneinheit (1) als Brennstoffzellenstapel (2) zur elektrochemischen Erzeugung von elektrischer Energie mit einer übereinander angeordneten Anzahl an Brennstoffzellen (2), die Brennstoffzellen (2) umfassend je einen Gasraum (31) für Brennstoff, je einen Gasraum (32) für Oxidationsmittel, je eine Protonenaustauschermembran (5) und je eine Bipolarplatte (10) mit den Schritten: - Durchleiten eines Brennstoffes durch die Gasräume (31) für Brennstoff, - Durchleiten eines Oxidationsmittels durch die Gasräume (32) für Oxidationsmittel, - Durchleiten von Protonen durch die Protonenaustauschermembranen (5), so dass mittels einer elektrochemischen Reaktion eine elektrische Spannung an den Bipolarplatten (10) erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, dass während eines n-ten Teilvolumenstromerhöhungszeitraumes bei einer n-ten Teilanzahl der Gasräume (31) für Oxidationsmittel einer n-ten Teilanzahl der Brennstoffzellen (2) durch die n-te Teilanzahl der Gasräume (31) für Oxidationsmittel ein größerer Volumenstrom an Oxidationsmittel geleitet wird als bei einer anderen Teilanzahl der Gasräume (31) für Oxidationsmittel einer anderen Teilanzahl der Brennstoffzellen (2) und zeitlich aufeinanderfolgend in einem Volumenstromerhöhungszyklus (56) n Teilvolumenstromerhöhungszeiträume (57, 58, 59, 60) ausgeführt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in den n-Teilvolumenstromerhöhungszeiträumen (57, 58, 59, 60) die je n-te Teilanzahl der Gasräume (31) für Oxidationsmittel unterschiedliche Gasräume (31) für Oxidationsmittel sind.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Summe der n-ten Teilanzahlen der Gasräume (31) für Oxidationsmittel wenigstens 80% oder 90% der Gasräume (31) für Oxidationsmittel, insbesondere sämtliche Gasräume (31) für Oxidationsmittel, der Brennstoffzelleneinheit (1) sind.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasräume (31) für Oxidationsmittel in 2 bis 50, insbesondere 3 bis 20, Teilanzahlen unterteilt sind, so dass n gleich 2 bis 50, insbesondere 3 bis 20, ist.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die n Teilanzahlen der Brennstoffzellen (2) der Brennstoffzelleneinheit (1) im Wesentlichen eine identische Anzahl an Brennstoffzellen (2) umfasst.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass während eines n-ten Teilvolumenstromerhöhungszeitraumes (57, 58, 59, 60) bei der n-ten Teilanzahl der Gasräume (31) für Oxidationsmittel der n-ten Teilanzahl der Brennstoffzellen (2) das Oxidationsmittel als turbulente Strömung durch die Gasräume (31) für Oxidationsmittel geleitet wird und bei dem anderen Teil der Gasräume für Oxidationsmittel der Brennstoffzellen (2) das Oxidationsmittel mit einer laminaren Strömung durch die Gasräume (31) für Oxidationsmittel geleitet wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei der anderen Teilanzahl der Gasräume (31) für Oxidationsmittel während eines Teilvolumenstromerhöhungszeitraumes (57, 58, 59, 60) der Brennstoffzellen (2) der Volumenstrom des Oxidationsmittels im Vergleich zu dem Volumenstrom vor Beginn des Volumenstromerhöhungszyklus (56) im Wesentlichen konstant gehalten wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Summe der durch die Gasräume (31) für Oxidationsmittel der Brennstoffzellen (2) geleiteten Volumenströme während des Volumenstromerhöhungszyklus (56) um einen Volumenstromdifferenzbetrag größer ist als vor und/oder nach dem Volumenstromerhöhungszyklus (56).
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Volumenstromdifferenzbetrag im Wesentlichen dem Betrag der Differenz der Summe der Volumenströme in der n-ten Teilanzahl der Gasräume (31) für das Oxidationsmittel vor oder nach dem Volumenstromerhöhungszyklus und während je eines Teilvolumenstromerhöhungszeitraumes (57, 58, 59, 60) entspricht.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Summe der Volumenströme in der n-ten Teilanzahl der Gasräume (31) für Oxidationsmittel der Brennstoffzellen (2) für einen Teilvolumenstromerhöhungszeitraum (57, 58, 59, 60) erhöht wird, insbesondere um den Volumendifferenzbetrag erhöht wird, indem die Förderleistung einer Gasfördereinrichtung (22) erhöht wird und/oder der Einlassdruck des Oxidationsmittels in die Gasräume (31) der n-ten Teilanzahl der Gasräume (31) für Oxidationsmittel erhöht wird und/oder der Auslassdruck des Oxidationsmittels aus den Gasräumen (31) der n-ten Teilanzahl der Gasräume (31) für Oxidationsmittel reduziert wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei der anderen Teilanzahl der Gasräume (31) für Oxidationsmittel der Brennstoffzellen (2) während des Teilvolumenstromerhöhungszeitraumes der Volumenstrom des Oxidationsmittels kleiner gehalten wird als in der n-ten Teilanzahl der Gasräume (31) für Oxidationsmittel indem der Einlassdruck des Oxidationsmittels in die Gasräume (31) der anderen Teilanzahl der Gasräume für Oxidationsmittel kleiner ausgeführt wird als bei der n-ten Teilanzahl der Gasräume (31) und/oder der Auslassdruck des Oxidationsmittels aus den Gasräumen (31) der anderen Teilanzahlen der Gasräume (31) für Oxidationsmittel größer ausgeführt wird als bei der n-ten Teilanzahl der Gasräume (31).
Brennstoffzelleneinheit (1) als Brennstoffzellenstapel (1) zur elektrochemischen Erzeugung von elektrischer Energie mit einer Gasfördereinrichtung (22) zum Fördern von Oxidationsmittel und mit einer übereinander angeordneten Anzahl an Brennstoffzellen (2), die Brennstoffzellen (2) umfassend jeweils - eine Protonenaustauschermembran (5), - eine Anode (7), - eine Kathode (8), - eine Bipolarplatte (10), - einen Gasraum (31) für gasförmiges Oxidationsmittel für die Kathode (8) mit einer Oxidationsmittel-Einlassöffnung (37) zum Einleiten des Oxidationsmittels in den Gasraum (31) für Brennstoff und einer Oxidationsmittel-Auslassöffnung (38) zum Ausleiten des Oxidationsmittels aus dem Gasraum (31) für Oxidationsmittel. dadurch gekennzeichnet, dass mit der Brennstoffzelleneinheit (1) ein Verfahren gemäß einem oder mehrerer der vorhergehenden Ansprüche ausführbar ist.
Brennstoffzelleneinheit nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Förderleistung der Gasfördereinrichtung (22) veränderbar ist, so dass mittels der Gasfördereinrichtung (22) ein unterschiedlicher Volumenstrom an Oxidationsmittel durch die Gasräume (31) für Oxidationsmittel der Brennstoffzelleneinheit (1) förderbar ist.
Brennstoffzelleneinheit nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzelleneinheit (1) wenigstens ein Absperrorgan (40) umfasst und mittels eines Öffnens des wenigstens einen Absperrorganes (40) der Auslassdruck des Oxidationsmittels aus den Gasräumen (31) der n-ten Teilanzahl der Gasräume (31) für Oxidationsmittel, insbesondere an den Oxidationsmittel-Auslassöffnungen (38), reduzierbar ist.
Brennstoffzelleneinheit nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Absperrorgan (40) als wenigstens ein Ventil (41), insbesondere Schieberventil (42), ausgebildet ist.