DE102020006961A1 - Method for operating at least one fuel cell - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben wenigstens einer Brennstoffzelle (6) mit einer Festelektrolytmembran (9), einer Kathode (8) und einer Anode (7), wobei die Anode (7) zumindest einen OER-Katalysator aufweist, wobei die Brennstoffzelle (6) auf eine eventuelle Umpolung hin überwacht wird. Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass nach einer erkannten Umpolung ein Ablauf zur Regeneration des OER-Katalysators durchgeführt wird. Ferner ist ein Brennstoffzellensystem mit einer Steuerung (16) zur Durchführung des Verfahrens beschrieben. Außerdem ist ein Fahrzeug (1) mit einem solchen Brennstoffzellensystem beschrieben.The invention relates to a method for operating at least one fuel cell (6) with a solid electrolyte membrane (9), a cathode (8) and an anode (7), the anode (7) having at least one OER catalyst, the fuel cell (6 ) is monitored for possible polarity reversal. The method according to the invention is characterized in that after a polarity reversal is detected, a process for regenerating the OER catalytic converter is carried out. A fuel cell system with a controller (16) for carrying out the method is also described. A vehicle (1) with such a fuel cell system is also described.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben wenigstens einer Brennstoffzelle nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art. Außerdem betrifft die Erfindung ein Brennstoffzellensystem mit einer solchen Brennstoffzelle sowie ein Fahrzeug mit einem derartigen Brennstoffzellensystem.The invention relates to a method for operating at least one fuel cell according to the type defined in more detail in the preamble of
Brennstoffzellensysteme, welche Brennstoffzellen, typischerweise in Form eines Stapels von Einzelzellen, aufweisen, sind soweit aus dem Stand der Technik bekannt. Solche Brennstoffzellensysteme können für vielfältige Zwecke der Stromversorgung eingesetzt werden. Insbesondere können sie zur Leistungsversorgung eines Fahrzeugs, also als wasserstoff-elektrisches Antriebssystem für ein Fahrzeug genutzt werden. Insbesondere bei derartigen Anwendungen kommen typischerweise sogenannte PEM-Brennstoffzellen zum Einsatz, welche eine Festelektrolytmembran zwischen einer Kathode und einer Anode aufweisen, wobei die Kathode mit Luft und die Anode mit Wasserstoff, beispielsweise aus einem Druckgasspeicher, einem Kryospeicher oder dergleichen, versorgt wird.Fuel cell systems, which have fuel cells, typically in the form of a stack of individual cells, are known from the prior art. Such fuel cell systems can be used for a variety of power supply purposes. In particular, they can be used to supply power to a vehicle, ie as a hydrogen-electric drive system for a vehicle. In such applications in particular, so-called PEM fuel cells are typically used, which have a solid electrolyte membrane between a cathode and an anode, with the cathode being supplied with air and the anode with hydrogen, for example from a compressed gas store, a cryogenic store or the like.
Aus der
Der primäre Mechanismus einer Schädigung der Brennstoffzelle, welcher über den OER-Katalysator abgefedert werden kann, ist die Schädigung der Einzelelle infolge einer Umpolung derselben. Dieser im Englischen auch als Cell Reversal bezeichnete Schadensfall tritt immer dann auf, wenn eine Unterversorgung einer Einzelzelle mit Wasserstoff auftritt. In der praktischen Nutzung der Brennstoffzelle in einem großen Brennstoffzellenstapel mit beispielsweise 300 oder 400 Einzelzellen kann dies nicht immer vermieden werden. Eine derartige Umpolung einer oder mehrerer Einzelzellen kann beispielsweise dann auftreten, wenn die Wasserstoffversorgung entsprechend verschlechtert wird. Dies bedeutet, dass beispielsweise durch entstandenes Produktwasser während des Betriebs oder durch eine Eisbildung, insbesondere im Rahmen des Starts des Brennstoffzellensystems, einzelne Zellen nicht oder nicht ausreichend mit Wasserstoff versorgt werden. Sie ändern dann aufgrund der benachbarten Zellen ihre Polarität, was zu einer Oxidation des kohlenstoffhaltigen Trägers des Platin-Katalysators als primären Katalysator führt. Durch die Verwendung des eingesetzten OER-Katalysators lässt sich dies bis zu einem gewissen Grad abfedern bzw. die dadurch entstehenden Schädigungsprozesse lassen sich eindämmen. Sobald das der Unterversorgung mit Brennstoff zugrundeliegende Problem behoben ist, also dass Eis aufgetaut oder das Wasser entsprechend ausgeblasen ist, kann die Zelle dann wieder regulär arbeiten. Ansonsten müssen geeignete Gegenmaßnahmen ergriffen werden, bis hin zum Abschalten des gesamten Brennstoffzellenstapels.The primary mechanism of damage to the fuel cell, which can be cushioned via the OER catalyst, is damage to the individual cells as a result of polarity reversal. This type of damage, also known as cell reversal, always occurs when an individual cell is undersupplied with hydrogen. In the practical use of the fuel cell in a large fuel cell stack with, for example, 300 or 400 individual cells, this cannot always be avoided. Such a polarity reversal of one or more individual cells can occur, for example, when the hydrogen supply is correspondingly impaired. This means that individual cells are not or not sufficiently supplied with hydrogen, for example as a result of product water produced during operation or as a result of ice formation, in particular when the fuel cell system is started. They then change polarity due to the neighboring cells, resulting in oxidation of the carbonaceous support of the platinum catalyst as the primary catalyst. By using the OER catalyst used, this can be cushioned to a certain extent and the resulting damage processes can be contained. As soon as the problem underlying the lack of fuel has been rectified, i.e. that ice has thawed or the water has been blown out accordingly, the cell can then work normally again. Otherwise, suitable countermeasures must be taken, up to and including shutting down the entire fuel cell stack.
Dem Fachmann für Brennstoffzellensysteme ist es außerdem bekannt, dass beim Starten eines derartigen Brennstoffzellensystems, insbesondere nach einer längeren Stillstandszeit, in der Anode verbliebener Restwasserstoff herausdiffundiert ist, ein Start mit Luft bzw. Sauerstoff sowohl in der Anode als auch in der Kathode erfolgt. Durch den Start der Wasserstoffdosierung wird diese Luft in der Anode während des Starts der Brennstoffzelle durch eine Wasserstofffront verdrängt und quasi aus der Anode geschoben. Dies sorgt dafür, dass über die Anode eine Wasserstoff/Sauerstoff-Front läuft. Dies führt zu extremen Potenzialunterschieden im Bereich dieser Wasserstoff/Sauerstoff-Front, da vor der Front die Brennstoffzelle elektrochemisch noch nicht aktiv ist und unmittelbar nach der Front bereits die volle Betriebsspannung ansteht. Für die Lebensdauer der Brennstoffzelle kann dies ein erhebliches Problem darstellen, da in der Anode benötigte primäre Katalysatoren wie Platin meist auf kohlenstoffhaltigen Trägern vorgesehen sind, wobei diese Träger durch die Wasserstoff/Sauerstoff-Front oxidieren, sodass neben dem Trägermaterial auch Katalysator ausgetragen wird, und die Leistungsfähigkeit der Brennstoffzelle, und hier insbesondere ihrer Anode, über die Lebensdauer und die zunehmende Anzahl von Air/Air-Starts, also Starts mit Luft bzw. Sauerstoff sowohl in der Anode als auch in der Kathode, entsprechend absinkt.It is also known to those skilled in the art of fuel cell systems that when such a fuel cell system is started, particularly after a lengthy downtime, when the residual hydrogen remaining in the anode has diffused out, a start with air or oxygen takes place both in the anode and in the cathode. By starting the hydrogen metering, this air in the anode is displaced by a hydrogen front during the start-up of the fuel cell and, as it were, pushed out of the anode. This ensures that a hydrogen/oxygen front runs across the anode. This leads to extreme potential differences in the area of this hydrogen/oxygen front, since the fuel cell is not yet electrochemically active in front of the front and the full operating voltage is already present immediately after the front. This can pose a significant problem for the service life of the fuel cell, since the primary catalysts required in the anode, such as platinum, are usually provided on carbon-containing carriers, with these carriers oxidizing through the hydrogen/oxygen front, so that the catalyst is also discharged in addition to the carrier material, and the performance of the fuel cell, and in particular its anode, decreases accordingly over the service life and the increasing number of air/air starts, i.e. starts with air or oxygen both in the anode and in the cathode.
Von daher sind zahlreiche Verfahren bekannt, der nachteiligen Auswirkung von Air/Air-Starts entgegenzuwirken, indem spezielle Prozeduren im Stillstand des Brennstoffzellensystems eingehalten werden, um eine möglichst große Wasserstoff-Schutzzeit (Hydrogen Protection Time) zu erreichen. Eine Strategie kann dabei ein zyklisches Nachdosieren von Wasserstoff im Stillstand sein. Ist nach einem gewissen Zeitablauf eine weitere Nachdosierung von Wasserstoff nicht sinnvoll oder nicht gewünscht, so muss ein Air/Air-Start bewusst in Kauf genommen werden. In diesem Zusammenhang beschreibt die
Die Aufgabe der hier vorliegende Erfindung besteht nun darin ein verbessertes Verfahren zum Betreiben wenigstens einer Brennstoffzelle mit einem OER-Katalysator anzugeben.The object of the present invention consists in specifying an improved method for operating at least one fuel cell with an OER catalyst.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen im Anspruch 1, und hier insbesondere im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1, gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen. Außerdem löst ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen im Anspruch 8 die Aufgabe. Auch hier ergibt sich eine besonders günstige Ausgestaltung des Brennstoffzellensystems aus dem abhängigen Anspruch. Letztlich kann außerdem ein Fahrzeug mit einem solchen Brennstoffzellensystem die Aufgabe lösen.According to the invention, this object is achieved by a method having the features in
Die Erfinder haben nun an PEM-Brennstoffzellen das Verhalten im Falle einer Zellumpolung, also eines Cell Reversals, ausgiebig untersucht. Bei Brennstoffzellen mit einem OER-Katalysator als sekundärem Katalysator in der Anode ist es dabei aufgefallen, dass kurzzeitig auftretende Umpolungs-Ereignisse relativ unkritisch sind und durch den OER-Katalysator weitestgehend ohne eine Schädigung der Brennstoffzelle abgefedert werden können. Längerfristige Umpolungen haben bei den Untersuchungen jedoch dazu geführt, dass das Problem durch den OER-Katalysator nicht oder mit zunehmender Zeitdauer nicht mehr so gut kompensiert werden kann. Dies scheint an einer zunehmenden „Vergiftung“ des OER-Katalysators während des Betriebs in der Umpolung zu liegen. Vermutlich lagern sich hier Kohlenstoff oder Kohlenstoffverbindungen an dem OER-Katalysator an, welche aus der parallelen nie gänzlich zu vermeidenden Oxidation des kohlenstoffhaltigen Trägers des primären Katalysators herrühren. Mit zunehmender „Vergiftung“ des OER-Katalysators kommt es dann zu einer immer schlechteren Wirkungsweise, sodass für eine zuverlässige Funktionalität ein entsprechend hoher Volumenanteil des sekundären Katalysators benötigt wird, was den Aufbau relativ aufwändig und teuer macht, und gegebenenfalls auch nachteilige Auswirkungen auf die elektrochemischen Vorgänge in der Brennstoffzelle im regulären Betrieb haben kann, da die benötigte vergleichsweise große Menge an OER-Katalysator die Funktionsfähigkeit und Zugänglichkeit des primären Katalysators wie beispielsweise Platin beeinträchtigen kann.The inventors have now extensively examined the behavior of PEM fuel cells in the event of cell polarity reversal, ie cell reversal. In the case of fuel cells with an OER catalyst as a secondary catalyst in the anode, it has been noticed that short-term polarity reversal events are relatively uncritical and can be largely cushioned by the OER catalyst without damaging the fuel cell. However, long-term polarity reversals have led to the fact that the problem cannot be compensated for by the OER catalytic converter or can no longer be compensated so well over time. This appears to be due to increasing "poisoning" of the OER catalyst during reverse polarity operation. Presumably, carbon or carbon compounds accumulate here on the OER catalyst, which result from the parallel oxidation of the carbon-containing support of the primary catalyst, which can never be completely avoided. With increasing "poisoning" of the OER catalyst, the mode of operation becomes worse and worse, so that a correspondingly high volume fraction of the secondary catalyst is required for reliable functionality, which makes the structure relatively complex and expensive, and possibly also adverse effects on the electrochemical Processes in the fuel cell can have during regular operation, since the comparatively large amount of OER catalyst required can impair the functionality and accessibility of the primary catalyst such as platinum.
Die Erfinder konnten jedoch erkennen, dass dieser Vergiftung über eine Regeneration des OER-Katalysators entgegengewirkt werden kann. Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben wenigstens einer Brennstoffzelle mit einer Festelektrolytmembran, einer Kathode und einer Anode, wobei die Anode zumindest einen OER-Katalysator aufweist, sieht es dementsprechend vor, dass die Brennstoffzelle auf eine eventuelle Umpolung hin überwacht wird, wobei nach einer erkannten Umpolung ein Ablauf zur Regeneration des OER-Katalysators durchgeführt wird. Ist also im Betrieb der wenigstens einen Brennstoffzelle, in der Praxis typischerweise eines Stapels von Brennstoffzellen, eine Umpolung einer oder mehrerer der Einzelzellen erkannt worden, dann wird im Anschluss, beispielsweise nach dem Abschalten des Brennstoffzellenstapels oder insbesondere bei einem regulären Wiederstart des Brennstoffzellenstapels, ein Ablauf zur Regeneration des OER-Katalysators durchgeführt. Über einen solchen lässt sich die Vergiftung ganz oder großenteils rückgängig machen, sodass im weiteren Betrieb der OER-Katalysator wieder mit seiner gewünschten Funktionalität zur Verfügung steht.However, the inventors were able to recognize that this poisoning can be counteracted by regenerating the OER catalyst. The method according to the invention for operating at least one fuel cell with a solid electrolyte membrane, a cathode and an anode, the anode having at least one OER catalyst, accordingly provides that the fuel cell is monitored for any polarity reversal, with a polarity reversal being detected Procedure for regenerating the OER catalyst is carried out. If, during operation of the at least one fuel cell, typically a stack of fuel cells in practice, a reversal of polarity of one or more of the individual cells has been detected, then, for example after the fuel cell stack has been switched off or in particular during a regular restart of the fuel cell stack, a sequence will occur performed to regenerate the OER catalyst. The poisoning can be reversed in whole or in large part via such a system, so that the OER catalyst is again available with its desired functionality during further operation.
Dabei kann gemäß einer sehr vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens die Zeit der aufgetretenen Umpolungen berücksichtigt werden. Sind diese Umpolungen für einen längeren Zeitraum aufgetreten, dann ist eine Regeneration in jedem Fall nötig und sollte vollständig durchgeführt werden. Ist die Umpolung jeweils nur für kurze Zeitspannen aufgetreten, dann kann die Regeneration nochmals zeitlich verschoben werden, beispielsweise indem ein Zähler gesetzt wird und nach Erreichen eines Vorgabewerts beim darauffolgenden Wiederstart oder Stillstand die Regeneration entsprechend durchgeführt wird.According to a very advantageous development of the method according to the invention, the time of the polarity reversals that occurred can be taken into account. If these polarity reversals have occurred for a longer period of time, regeneration is necessary in any case and should be carried out completely. If the polarity reversal only occurred for short periods of time, then the regeneration can be delayed again, for example by setting a counter and, after a preset value has been reached, during the subsequent restart or standstill, the regeneration is carried out accordingly.
Gemäß einer außerordentlich günstigen Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann es dabei vorgesehen sein, dass der Ablauf zur Regeneration des OER-Katalysators das Herbeiführen eines Starts der Brennstoffzelle mit Sauerstoff im Bereich der Anode und der Kathode beinhaltet. Es wird hier also ein bewusster Air/Air-Start der Brennstoffzelle initiiert, um die Verunreinigungen im Bereich des OER-Katalysators entsprechend zu oxidieren und diesen wieder zu reinigen. Dies kann vom Ablauf her so gestaltet werden, dass beispielsweise eine Abschaltprozedur oder eine während des Stillstands des Brennstoffzellenstapels ablaufende Prozedur, welche eigentlich zur Erhöhung der Wasserstoffschutzzeit vorgesehen ist, nach einer erkannten Umpolung von Einzelzellen während der letzten Betriebsphase ausgesetzt wird, sodass also ein Air/Air-Start hier bewusst in Kauf genommen wird, um den OER-Katalysator entsprechend zu reinigen, wobei durch diesen Reinigungseffekt auch die nachteiligen Effekte des Air/Air-Starts entsprechend minimiert werden, da nun primär die an dem OER-Katalysator angelagerten Verunreinigungen durch Kohlenstoff oder Kohlenstoffverbindungen oxidiert werden und eben nicht oder nicht zu einem so großen Anteil wie sonst der Kohlenstoff des Trägers des primären Katalysators.According to an extraordinarily favorable development of the method according to the invention, it can be provided that the procedure for regenerating the OER catalyst includes bringing about a start of the fuel cell with oxygen in the area of the anode and the cathode. A deliberate air/air start of the fuel cell is initiated here in order to oxidize the impurities in the area of the OER catalyst and to clean it again. This can be designed in such a way that, for example, a switch-off procedure or a procedure that runs while the fuel cell stack is at a standstill, which is actually intended to increase the hydrogen protection time, is suspended after a detected polarity reversal of individual cells during the last operating phase, so that an air/ Air start is deliberately accepted here in order to clean the OER catalyst accordingly, with the disadvantageous effects of the air/air start also being correspondingly minimized by this cleaning effect, since now primarily the impurities deposited on the OER catalyst are caused by carbon or carbon compounds are oxidized and just not or not to such a large extent as otherwise the carbon of the support of the primary catalyst.
Gemäß einer außerordentlich günstigen Weiterbildung des Verfahrens kann es auch vorgesehen sein, dass vor dem Start der Brennstoffzelle Luft aktiv in die Anode eingebracht wird. Bei dieser Variante wird also nicht nur der Air/Air-Start bewusst in Kauf genommen, sondern er wird bewusst und aktiv herbeigeführt, beispielsweise für den Fall, dass lediglich sehr kurze Stillstandszeiten des Brennstoffzellensystems auftreten, welche typischerweise nicht zu einem Air/Air-Start führen würden. In diesem Fall kann aktiv Luft in den Bereich der Anode geleitet werden, beispielsweise indem eine geeignete Anbindung über eine Leitung mit einem Ventil zwischen der Anodenseite und der Kathodenseite vorgesehen wird und dieses Ventil immer dann geöffnet wird, wenn im vorherigen Betrieb eine Umpolung von Einzelzellen erkannt worden ist.According to an extraordinarily favorable development of the method, provision can also be made for air to be actively introduced into the anode before the fuel cell is started. In this variant, not only is the air/air start consciously accepted, but it is consciously and actively brought about, for example in the event that only very short downtimes of the fuel cell system occur, which typically do not result in an air/air start would lead. In this case, air can be actively directed into the area of the anode, for example by providing a suitable connection via a line with a valve between the anode side and the cathode side and this valve is always opened when a polarity reversal of individual cells is detected during previous operation has been.
Neben dieser für den OER-Katalysator reinigenden Wirkung eines Air/Air-Starts haben die Erfinder außerdem erkannt, dass auch andere Möglichkeiten zur Regeneration des OER-Katalysators existieren. So kann es gemäß einer außerordentlich günstigen Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen sein, dass der Ablauf zur Regeneration des OER-Katalysators das Aufprägen einer der normalen Polung entsprechenden Spannung zumindest auf die umgepolte Brennstoffzelle beinhaltet. Ein solches Aufprägen eines Spannungsimpulses auf zumindest die umgepolte Einzelzelle oder in der Praxis häufig auch auf den ganzen Stapel von Einzelzellen in der Größenordnung und Polung der normalen Spannung, typischerweise in einer Größenordnung von mehr als 0,8 V je Einzelzelle gegenüber der Reversiblen Wasserstoffelektrode (RHE), kann ebenfalls ein positiver Effekt hinsichtlich der Regeneration des OER-Katalysators erreicht werden. Die benötigte Spannung kann dabei aus einer externen Spannungsquelle stammen. Bei einem Fahrzeugantriebssystem wird die Brennstoffzelle typischerweise durch eine Hybridbatterie unterstützt oder die Brennstoffzelle ist als sogenannter Range-Extender ausgebildet und lädt diese Batterie nach, während der Antrieb rein elektrisch aus dieser Batterie erfolgt. Eine solche Batterie bietet typischerweise eine ausreichende Leistung, um die benötigte Spannung zum Aufprägen eines Spannungspulses auf die dann im Stillstand befindliche Brennstoffzelle zu ermöglichen. Bei Bedarf kann auch über leistungselektronische Bauteile wie ein Hochsetzsteller oder dergleichen die Spannung auf das benötigte Niveau angehoben werden.In addition to this effect of an air/air start, which cleans the OER catalytic converter, the inventors have also recognized that there are also other possibilities for regenerating the OER catalytic converter. Thus, according to an extraordinarily favorable variant of the method according to the invention, it can be provided that the procedure for regenerating the OER catalytic converter includes impressing a voltage corresponding to the normal polarity at least on the polarity-reversed fuel cell. Such an imposition of a voltage pulse on at least the polarized individual cell or, in practice, often also on the entire stack of individual cells in the magnitude and polarity of the normal voltage, typically in the magnitude of more than 0.8 V per individual cell compared to the reversible hydrogen electrode (RHE ), a positive effect can also be achieved with regard to the regeneration of the OER catalyst. The required voltage can come from an external voltage source. In a vehicle drive system, the fuel cell is typically supported by a hybrid battery or the fuel cell is designed as a so-called range extender and recharges this battery while the drive is purely electrically powered from this battery. Such a battery typically offers sufficient power to enable the voltage required to impress a voltage pulse on the fuel cell, which is then at a standstill. If necessary, the voltage can also be increased to the required level using power electronic components such as a step-up converter or the like.
Ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem umfasst nun einen Stapel von Brennstoffzellen, welche in ihrer Anode einen OER-Katalysator aufweisen und sieht außerdem eine Einrichtung zur Detektion auftretender Zellumpolungen vor. Ein solches Brennstoffzellensystem ist dann mit einer Steuerung versehen, welche dazu eingerichtet ist, dass oben beschriebene Verfahren in der einen oder anderen Variante durchzuführen. Insbesondere kann das Brennstoffzellensystem gemäß einer sehr vorteilhaften Weiterbildung dabei ferner eine Hybridbatterie aufweisen, welche als externe Spannungsquelle nutzbar ist, insbesondere um zur Regeneration des OER-Katalysators einen Spannungspuls auf wenigstens eine der Brennstoffzellen, insbesondere jedoch den gesamten Brennstoffzellenstapel, aufzuprägen.A fuel cell system according to the invention now comprises a stack of fuel cells which have an OER catalyst in their anode and also provides a device for detecting cell polarity reversals that occur. Such a fuel cell system is then provided with a controller which is set up to carry out the method described above in one variant or the other. In particular, according to a very advantageous development, the fuel cell system can also have a hybrid battery, which can be used as an external voltage source, in particular to impress a voltage pulse on at least one of the fuel cells, but in particular on the entire fuel cell stack, to regenerate the OER catalyst.
Ferner kann ein Fahrzeug mit einem derartigen Brennstoffzellensystem vorgesehen sein. Vor allem bei Anwendungen in Fahrzeugen, in denen es häufig zu Wiederstarts und Stillstandsphasen der Brennstoffzelle selbst bzw. des Brennstoffzellensystems kommt, lässt sich das entsprechende Verfahren ideal nutzen, da hier die Möglichkeiten für einen Eingriff zur Regeneration des OER-Katalysators entsprechend häufig und typischerweise im statistischen Zufall sehr zeitnah nach dem Auftreten einer Umpolung gegeben sind.Furthermore, a vehicle can be provided with such a fuel cell system. The corresponding method can be ideally used in applications in vehicles in which the fuel cell itself or the fuel cell system often has to be restarted and stopped, since the possibilities for intervention to regenerate the OER catalyst are correspondingly frequent and typically in the statistical coincidence very soon after the occurrence of a polarity reversal.
Ferner ist es so, dass Brennstoffzellensysteme in Fahrzeugen häufig auch unter widrigen Bedingungen betrieben werden, sodass beispielsweise durch kühle Umgebungstemperaturen das Auskondensieren und/oder Festfrieren von Produktwasser ein nicht zu unterschätzendes Problem darstellt, welches zu einem vermehrten Auftreten von Zellumpolungen beitragen kann, sodass insbesondere hier einerseits der Einsatz des OER-Katalysators als auch des erfindungsgemäßen Verfahrens zu seiner Regeneration besonders vorteilhaft und sinnvoll ist.Furthermore, it is the case that fuel cell systems in vehicles are often operated under adverse conditions, so that, for example, due to cool ambient temperatures, the condensation and/or freezing of product water is a problem that should not be underestimated, which can contribute to an increased occurrence of cell polarity reversals, so that particularly here on the one hand, the use of the OER catalyst and the method according to the invention for its regeneration is particularly advantageous and sensible.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen eines geeigneten Brennstoffzellensystems sowie des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich auch aus dem Ausführungsbeispiel, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben ist.Further advantageous configurations of a suitable fuel cell system and of the method according to the invention also result from the exemplary embodiment, which is described in more detail below with reference to the figures.
Dabei zeigen:
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1 eine schematische Ansicht eines möglichen Fahrzeugs gemäß der Erfindung; -
2 ein Diagramm der Zellspannung über der Zeit bei verschiedenen Fällen einer Umpolung; und -
3 ein Diagramm der Zellspannung über der auf einen Fall normierten Zeit der Umpolung einer Einzelzelle.
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1 a schematic view of a possible vehicle according to the invention; -
2 a diagram of the cell voltage over time in different cases of polarity reversal; and -
3 a diagram of the cell voltage versus the polarity reversal time of a single cell normalized to one case.
In der Darstellung der
Die Anode 7 wird nun in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel mit Wasserstoff aus einem Druckgasspeicher 10 über ein Druckregel- und Dosierventil 11 versorgt. Die Kathode 8 wird mit Luft aus einer angedeuteten Luftfördereinrichtung 12 als Sauerstofflieferant versorgt. Nicht verbrauchte Abluft gelangt über eine Abluftleitung 13 in die Umgebung des Fahrzeugs 1. In diese Abluftleitung mündet hier rein beispielhaft dargestellt auch eine mit 14 bezeichnete Abgasleitung aus der Anode 7. Dem Fachmann ist dabei klar, dass dieser Aufbau sehr stark vereinfacht und schematisiert dargestellt ist. Selbstverständlich könnten weitere Komponenten wie Befeuchter, ein Anodenkreislauf, ein Systembypass und dergleichen vorgesehen werden. Dies ist für die hier vorliegende Erfindung von untergeordneter Bedeutung und wird deshalb nicht weiter dargestellt und diskutiert.In the exemplary embodiment shown here, the
In den einzelnen Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels 6 besteht nun immer die prinzipielle Gefahr eines sogenannten Cell Reversals, also einer elektrischen Umpolung einer oder mehrerer der Einzelzellen. Im Allgemeinen ist der Mechanismus, welcher diese problematische Umpolung der Einzelzellen verursachen kann, eine verminderte Zufuhr von Brennstoff beispielsweise dadurch, dass Strömungskanäle in dem Brennstoffzellenstapel 6 oder der Einzelzelle durch Wasser oder Eis blockiert sind. Auch andere Mechanismen sind jedoch grundsätzlich denkbar. Eine Einrichtung zur Detektion solcher Umpolungen bzw. Cell Reversals ist in der Darstellung der
In der Darstellung der
Aus den Diagrammen in den
Verfahrensgemäß lässt sich dies in dem Brennstoffzellensystem, wie es beispielsweise in dem in
In der Darstellung der
Alternativ dazu ist es auch möglich, so haben es die Erfinder erkannt, die Regeneration über das Aufprägen eines Spannungsimpulses über eine externe Spannungsquelle vorzunehmen. Dieser Mechanismus ist in der Darstellung in dem Diagramm der
Je nach Bedarf und Situation kann dabei zwischen den verschiedenen Möglichkeiten zur Regeneration des OER-Katalysators gewählt werden. So kann beispielsweise ein Spannungsimpuls aufgeprägt werden, welcher typischerweise auf den gesamten Brennstoffzellenstapel 6 über die Hybridbatterie 5 als externe Spannungsquelle aufgeprägt werden kann. Ist die Nennspannung der Batterie dabei kleiner als die für die entsprechende Anzahl von Brennstoffzellen benötigte Spannung von wenigstens +0,8 V je Einzelzelle, kann im Bereich der Leistungselektronik 4 ein Hochsetzsteller oder dergleichen vorgesehen werden, um die benötigte Spannung bereitzustellen. Die Steuerung 16 löst diesen Impuls dann entsprechend aus und schaltet die Batterie und die Brennstoffzelle in der gewünschten Art zueinander. Die Alternative wäre das Zulassen oder aktive Herbeiführen eines Air/Air-Starts. Beide Möglichkeiten ließen sich prinzipiell auch kombinieren.Depending on the needs and situation, you can choose between the various options for regenerating the OER catalytic converter. For example, a voltage pulse can be impressed, which can typically be impressed on the entire
Da sich den Erfindern ja nun gezeigt hat, dass sehr kurzzeitige Umpolungen der Einzelzellen weniger kritisch als längerfristige Umpolungen sind, kann außerdem die Zeitspanne, während welcher die Umpolung aufgetreten ist, über die Einrichtung 15 erfasst werden. In diesem Fall könnte bei einer längeren Zeit der aufgetretenen Umpolungen schneller reagiert werden und bei lediglich kurzzeitigen Umpolungen noch abgewartet werden, beispielsweise indem ein Air/Air-Start oder ein Spannungspuls noch über ein, zwei Stillstandsphasen hinausgezögert wird, insbesondere bis eine aufsummierte Vorgabezeit von Umpolungen erreicht worden ist.Since the inventors have now shown that very short-term polarity reversals of the individual cells are less critical than long-term polarity reversals, the time period during which the polarity reversal occurred can also be recorded via the
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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited
- US 2017/0309924 A1 [0003]US 2017/0309924 A1 [0003]
- DE 102019001388 A1 [0006]DE 102019001388 A1 [0006]
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