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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Regeneration einer Brennstoffzelle im ausgeschalteten Zustand.
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Eine Brennstoffzelle des Brennstoffzellensystems eines Kraftfahrzeugs wird üblicherweise während des Betriebs konditioniert und kurz nach dem Abstellen über eine entsprechende Beaufschlagung mit Luft so eingestellt, dass sie wiedergestartet werden kann. Während des ausgeschalteten Zustands passiert nichts aktiv. In dieser unter Umständen sehr langen Zeitdauer ändern sich die Verhältnisse in der Brennstoffzelle stark. Durch Diffusion und Abkühlung treten inhomogene Zustände auf. Diese sorgen für schlechtere Bedingungen bei einem neuen Startvorgang.
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Aus der
JP 2006/134 767 A ist ein Festoxid-Brennstoffzellensystem bekannt, das eine Festoxid-Brennstoffzelle, eine Wasserelektrolyse-Einrichtung zum Erzeugen von Wasserstoff und Sauerstoff aus Wasser mit elektrischer Energie und einen Wasserstofftank zum Speichern des durch die Wasserelektrolyse erzeugten Wasserstoffs umfasst. Zumindest der in dem Wasserstofftank gespeicherte Wasserstoff wird beim Abschalten der Festoxidbrennstoffzelle einer Brennstoffelektrode der Festoxidbrennstoffzelle zugeführt. Durch das Spülen der Brennstoffelektrode mit Wasserstoff kann eine Oxidation und Beschädigung der Brennstoffelektrode verhindert werden.
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Die
US 2012 / 315 558 A1 offenbart ein Wasserstoffpassivierungs-Abschaltsystem für ein Brennstoffzellenkraftwerk. Während des Abschaltens der Anlage kann Wasserstoff zwischen einem Anodenströmungsweg und einem Kathodenströmungsweg übertragen werden, während ein Niederdruckwasserstoffgenerator selektiv eine ausreichende Menge Wasserstoff erzeugt und den Fluss des Niederdruckwasserstoffs stromabwärts von einem Wasserstoffeinlassventil in die Brennstoffzelle leitet, um die Brennstoffzelle in einem passiven Zustand zu halten.
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DE 10 2014 207 597 A1 betrifft eine regenerative Brennstoffzellenvorrichtung für ein Kraftfahrzeug, welche dazu ausgelegt ist, eine endotherme Elektrolyse unter Verbrauch eines bereitgestellten Stroms auszuführen und mittels einer zu der endothermen Elektrolyse reversiblen exothermen Reaktion Strom zu erzeugen. Die regenerative Brennstoffzellenvorrichtung ist zusätzlich direkt oder indirekt so an eine Wärmeübertragungsvorrichtung des Kraftfahrzeugs und/oder an eine Sorptionskältemaschine des Kraftfahrzeugs anbindbar, dass Abwärme der Brennstoffzellenvorrichtung zumindest teilweise an die Wärmeübertragungsvorrichtung weiterleitbar ist und/oder zumindest eine Untereinheit der Sorptionskältemaschine mittels zumindest eines Teils der Abwärme beheizbar ist.
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Vor diesem Hintergrund hat sich die Erfindung die Aufgabe gestellt, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Regeneration einer Brennstoffzelle zur Verfügung zu stellen, durch die bei ausgeschalteter Brennstoffzelle auftretende inhomogene Zustände in der Brennstoffzelle beseitigt werden.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 10. Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und den Abbildungen.
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Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Regeneration einer Brennstoffzelle in ausgeschaltetem Zustand, bei dem an die Elektroden der ausgeschalteten Brennstoffzelle ein Wechselstrom angelegt wird. Im Rahmen der vorliegenden Anmeldung soll der Begriff „Brennstoffzelle“ sowohl eine einzelne Brennstoffzelle als auch einen Brennstoffzellenstapel („Stack“), der eine Vielzahl einzelner Brennstoffzellen umfasst, mit einschließen. In der Regel umfassen in Kraftfahrzeugen eingesetzte Brennstoffzellensysteme mindestens einen Brennstoffzellenstapel.
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Während Phasen, in denen die Brennstoffzelle deaktiviert ist und die Zufuhr von Luft und Wasserstoff zur Brennstoffzelle gestoppt ist, wird ein oszillierender kleiner Strom aufgebracht, der sowohl positive als auch negative Phasen aufweist, also einen Nulldurchgang hat. Dabei ist das Brennstoffzellensystem deaktiviert, das Fahrzeug muss aber nicht stehen. Das Verfahren wird mit den in der Brennstoffzelle vorhandenen Gasen durchgeführt. Die effektive Leistung ist in dieser Situation gleich Null.
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In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens beträgt die Amplitude des Wechselstroms < 1% des Maximalstroms der Brennstoffzelle. In einer weiteren Ausführungsform beträgt die Amplitude des Wechselstroms von 0,1 A bis 10 A, beispielsweise 1 A bis 5 A.
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In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die Frequenz des Wechselstroms kleiner als 1000 Hz. In einer weiteren Ausführungsform beträgt die Frequenz des Wechselstroms von 1 Hz bis 500 Hz, beispielsweise von 10 Hz bis 100 Hz.
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In einer Ausführungsform wird der Wechselstrom durch einen an eine HV-Batterie des Fahrzeugs angeschlossenen Wechselrichter erzeugt. In einer anderen Ausführungsform wird der Wechselstrom durch eine an das Fahrzeug angeschlossene externe Stromquelle bereitgestellt (vor allem bei Plug-in Hybriden). In einer Ausführungsform ist die externe Stromquelle das öffentliche Stromnetz.
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Der Wechselstrom oszilliert zwischen positiven und negativen Amplituden. Bei negativem Strom wird in der Brennstoffzelle lokal eine Elektrolyse durchgeführt und vorhandenes Wasser in H2 und O2 gespalten. Dies tritt vor allem dort in der Brennstoffzelle auf, wo sehr hohe Anteile an Flüssigwasser vorhanden sind. Bei positivem Strom wird lokal aus H2 und O2 Wasser gebildet. Wasser (teilweise auch Flüssigwasser) wird vor allem an Stellen auftreten, an denen eine geringe Feuchtigkeit vorhanden ist.
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Insgesamt ergibt sich also schon nach einer kurzen Aufprägung der Oszillation eine gleichmäßigere Verteilung der Feuchtigkeit entlang eines Kanals in der Brennstoffzelle. Erfindungsgemäß soll der Wechselstrom nicht dauerhaft aufgebracht werden, sondern nur so lange, bis sich eine homogene Aufteilung bspw. entlang eines Kanals oder über unterschiedliche Zellen eines Brennstoffzellenstapels eingestellt hat.
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In einer Ausführungsform des Verfahrens wird der Wechselstrom nach einer vorgegebenen Zeitdauer abgeschaltet. In einer Ausführungsform beträgt die vorgegebene Zeitdauer von 2 Sekunden bis 100 Sekunden, beispielsweise von 5 Sekunden bis 60 Sekunden.
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In einer Ausführungsform des Verfahrens wird gleichzeitig die Impedanz der Brennstoffzelle gemessen Es kann vor allem bei geringen Frequenzen eine Erhöhung des Widerstands festgestellt werden. Je länger die Regeneration durchgeführt wird, umso mehr wird sich die Impedanz einem Referenzwert annähern, der einer vollständig regenerierten Brennstoffzelle mit gleichmäßiger Feuchteverteilung entspricht. In einer Ausführungsform des Verfahrens wird der Wechselstrom abgeschaltet, wenn die Impedanz der Brennstoffzelle einen vorgegebenen Referenzwert erreicht hat. In einer anderen Ausführungsform wird der Wechselstrom abgeschaltet, wenn die gemessene Impedanz der Brennstoffzelle sich über die Zeit nicht mehr ändert, d. h. nicht mehr kleiner wird.
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In einer Ausführungsform des Verfahrens wird die Impedanz in regelmäßigen Zeitintervallen gemessen. In einer Ausführungsform erfolgt die Messung jede Sekunde. In einer anderen Ausführungsform erfolgt die Messung alle zwei Sekunden. In wieder einer anderen Ausführungsform erfolgt die Messung alle 5 Sekunden.
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In einer anderen Ausführungsform des Verfahrens wird die Impedanz kontinuierlich gemessen.
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Die Impedanz Z
FC(ω) der Brennstoffzelle kann durch folgende Gleichung beschrieben werden:
in der die Indices FC für Brennstoffzelle, PEM für Polymerelektrolytmembran, CA für Kathode und AN für Anode stehen.
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Gegenstand der Erfindung ist auch eine Regenerationsvorrichtung für eine Brennstoffzelle eines Kraftfahrzeugs. Die Vorrichtung ist dafür eingerichtet, einen Wechselstrom an die Elektroden der Brennstoffzelle anzulegen, während die Brennstoffzelle ausgeschaltet ist.
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In einer Ausführungsform umfasst die Vorrichtung einen Wechselrichter, der dafür eingerichtet ist, den Wechselstrom aus einer Gleichstromquelle zu erzeugen. In einer Ausführungsform ist die Gleichstromquelle eine HV-Batterie des Kraftfahrzeugs.
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In einer Ausführungsform ist die Vorrichtung mit einer fahrzeugexternen Wechselstromquelle verbunden. In einer Ausführungsform ist die fahrzeugexterne Wechselstromquelle ein öffentliches Stromnetz.
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In einer Ausführungsform ist die Vorrichtung dafür eingerichtet, die Impedanz der Brennstoffzelle zu messen. In einer weiteren Ausführungsform ist die Vorrichtung dafür eingerichtet, die gemessene Impedanz mit einem vorgegebenen Referenzwert zu vergleichen und den Wechselstrom abzuschalten, wenn die gemessene Impedanz dem vorgegebenen Messwert entspricht. In einer anderen Ausführungsform ist die Vorrichtung dafür eingerichtet, eine Veränderung der gemessenen Impedanz über die Zeit zu ermitteln und den Wechselstrom abzuschalten, wenn die Veränderung der gemessenen Impedanz über die Zeit nicht mehr größer ist als ein vorgegebener Minimalwert. In einer Ausführungsform ist die Vorrichtung dafür eingerichtet, den Wechselstrom abzuschalten, wenn sich die gemessene Impedanz über die Zeit nicht mehr verändert.
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Zu den Vorteilen der erfindungsgemäßen Lösung zählen eine gleichmäßige Feuchteverteilung innerhalb der Brennstoffzelle und eine geringere Degradation der Polymerelektrolytmembran. Zudem kann auf eine umfangreiche Konditionierung der Brennstoffzelle (bspw. für FSU) verzichtet werden. Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen.
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Es versteht sich, dass die vor anstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Die Erfindung ist anhand von Ausführungsformen in den Zeichnungen schematisch dargestellt und wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen weiter beschrieben. Es zeigen:
- 1 ein Brennstoffzellensystem mit einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Regenerationsvorrichtung;
- 2 ein Nyquist-Diagramm mit Ortskurven von Impedanzmessungen.
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1 zeigt ein Brennstoffzellensystem 10 mit einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Regenerationsvorrichtung 20. Abgebildet sind ein Brennstoffzellenstapel 11 mit Hilfsaggregaten. Über einen Verdichter 13, einen Ladeluftkühler 14 und einen Befeuchter 15 wird dem Brennstoffzellenstapel 11 Luft zugeführt; Wasserstoff wird dem Brennstoffzellenstapel 11 aus einem Wasserstofftank 18 über ein Reduzierventil 17 und eine Strahlpumpe 16 zugeführt. Ein Spülventil 19 ermöglicht das Spülen des Wasserstoff führenden Teils des Leitungssystems.
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Eine erfindungsgemäße Regenerationsvorrichtung 20 ist an die Elektroden 12 des Brennstoffzellenstapels 11 angeschlossen. Während das Brennstoffzellensystem 10 deaktiviert ist, die Ventile 17, 19 geschlossen sind und die Zuführung von Luft gestoppt ist, bringt die Regenerationsvorrichtung 20 über die Elektroden 12 einen Wechselstrom auf den Brennstoffzellenstapel 11 auf. Der Wechselstrom oszilliert zwischen positiven und negativen Stromamplituden. Bei negativem Strom wird in dem Brennstoffzellenstapel 11 lokal eine Elektrolyse durchgeführt und vorhandenes Wasser in H2 und O2 gespalten. Dies tritt vor allem dort in dem Brennstoffzellenstapel 11 auf, wo sehr hohe Anteile an flüssigem Wasser vorhanden sind. Bei positivem Strom wird lokal aus H2 und O2 Wasser gebildet. Wasser (teilweise auch flüssiges Wasser) wird vor allem an Stellen auftreten, an denen eine geringe Feuchtigkeit vorhanden ist. Das Verfahren wird mit den im Brennstoffzellenstapel 11 vorhandenen Gasen durchgeführt. In der dargestellten Ausführungsform ist die Regenerationsvorrichtung 20 an eine Wechselstromquelle 30 angeschlossen, beispielsweise ein öffentliches Wechselstrom netz.
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In einer Ausführungsform umfasst die Regenerationsvorrichtung eine Impedanz-Messvorrichtung. Die Messung der Impedanz ermöglicht es, den Fortschritt des Regenerationsprozesses zu verfolgen. Dies ist in 2 illustriert.
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2 zeigt ein Nyquist-Diagramm mit den Ortskurven zweier Impedanzmessungen. Die gestrichelte Kurve 1 ist die Ortskurve einer Referenzmessung einer vollständig regenerierten Brennstoffzelle. Die durchgezogene Kurve 2 ist die Ortskurve einer Messung einer Brennstoffzelle, in der eine Ungleichverteilung von Flüssigkeit vorliegt. Wie aus der Darstellung ersichtlich, ist der Unterschied der Ortskurven im rechten Teil des Diagramms besonders groß. Es ist daher sinnvoll, die Impedanzmessung bei niedrigen Frequenzen (< 1000 Hz) durchzuführen, um die Abweichung von der Referenzkurve genauer feststellen zu können. Während des Regenerationsvorgangs wird die Impedanz der Brennstoffzelle wiederholt oder auch kontinuierlich gemessen. Der Regenerationsvorgang wird beendet, wenn sich die Ortskurve der gemessenen Impedanz der Referenzkurve angeglichen hat oder sich die Impedanz der Brennstoffzelle nicht mehr verändert.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Brennstoffzellensystem
- 11
- Brennstoffzellenstapel
- 12
- Elektroden
- 13
- Verdichter
- 14
- Ladeluftkühler
- 15
- Befeuchter
- 16
- Strahlpumpe
- 17
- Reduzierventil
- 18
- Wasserstofftank
- 19
- Spülventil
- 20
- Regenerationsvorrichtung
- 30
- Steckdose/Netzanschluss
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- JP 2006134767 A [0003]
- US 2012/315558 A1 [0004]
- DE 102014207597 A1 [0005]
