DE102020214583A1 - Wasserstoffreinheit - Google Patents

Wasserstoffreinheit Download PDF

Info

Publication number
DE102020214583A1
DE102020214583A1 DE102020214583.0A DE102020214583A DE102020214583A1 DE 102020214583 A1 DE102020214583 A1 DE 102020214583A1 DE 102020214583 A DE102020214583 A DE 102020214583A DE 102020214583 A1 DE102020214583 A1 DE 102020214583A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
fuel cell
hydrogen
cascade
measuring
voltage
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
DE102020214583.0A
Other languages
English (en)
Inventor
Torsten Brandt
Michael Braunecker
Stefan Siedler
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Original Assignee
Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens Energy Global GmbH and Co KG filed Critical Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Priority to DE102020214583.0A priority Critical patent/DE102020214583A1/de
Priority to CA3202380A priority patent/CA3202380A1/en
Priority to KR1020237019997A priority patent/KR20230106680A/ko
Priority to CN202180077717.4A priority patent/CN116670872A/zh
Priority to PCT/EP2021/079657 priority patent/WO2022106159A1/de
Priority to EP21809930.7A priority patent/EP4214784A1/de
Priority to US18/036,512 priority patent/US20240011935A1/en
Publication of DE102020214583A1 publication Critical patent/DE102020214583A1/de
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04791—Concentration; Density
    • H01M8/04798—Concentration; Density of fuel cell reactants
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/403—Cells and electrode assemblies
    • G01N27/406—Cells and probes with solid electrolytes
    • G01N27/407—Cells and probes with solid electrolytes for investigating or analysing gases
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/0444—Concentration; Density
    • H01M8/04447—Concentration; Density of anode reactants at the inlet or inside the fuel cell
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/416—Systems
    • G01N27/417—Systems using cells, i.e. more than one cell and probes with solid electrolytes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/04537—Electric variables
    • H01M8/04544—Voltage
    • H01M8/04552—Voltage of the individual fuel cell
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/04537—Electric variables
    • H01M8/04544—Voltage
    • H01M8/04559—Voltage of fuel cell stacks
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/249—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells comprising two or more groupings of fuel cells, e.g. modular assemblies
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (1) zur Bestimmung der Reinheit von Wasserstoff, umfassend eine Mess-Brennstoffzellenkaskade (2) mit mindestens einer Mess-Brennstoffzelle (3), einem Wasserstoffeingang (4) und einem Wasserstoffausgang (5), weiter umfassend eine mit dem Mess-Brennstoffzellenstapel (2) elektrisch verbundene Zellspannungsüberwachungseinheit (6), die einen Spannungsausgang (7) des Mess-Brennstoffzellenstapels (2) überwacht, und ein in Strömungsrichtung des Wasserstoffs hinter der Mess-Brennstoffzellenkaskade (2) angeordnetes Ventil (8) zur Ermöglichung eines Dead-End-Betriebs der Mess-Brennstoffzellenkaskade (2), wobei die Vorrichtung (1) zur Bestimmung der Reinheit von Wasserstoff ferner eine mit der Zellspannungsüberwachungseinheit (6) verbundene Auswerteeinheit (9) umfasst, die ein einem Spannungsausgang (7) der Mess-Brennstoffzellenkaskade (2) entsprechendes Signal als eine Funktion der Zeit von der Zellspannungsüberwachungseinheit (6) empfängt, wobei die Auswerteeinheit (9) ausgebildet ist, aus dem empfangenen Signal die Reinheit von Wasserstoff zu ermitteln. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Bestimmung der Reinheit von Wasserstoff.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung der Reinheit von Wasserstoff. Die Erfindung betrifft ferner eine Brennstoffzellenanordnung umfassend eine derartige Vorrichtung. Schließlich betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Bestimmung der Reinheit von Wasserstoff.
  • In einer Brennstoffzelle wird durch die elektrochemische Verbindung von Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O2) zu Wasser (H2O) elektrischer Strom mit hohem Wirkungsgrad erzeugt. Der Vorgang der Verbindung von Wasserstoff und Sauerstoff erfolgt an einem Elektrolyten. Eine einzelne Brennstoffzelle liefert eine Betriebsspannung von maximal etwa 1,1 V. Daher wird häufig eine Vielzahl von Brennstoffzellen zu einem Brennstoffzellenstapel zusammengeschlossen. Mit in Reihe geschalteten Brennstoffzellen lassen sich Betriebsspannungen von 100 V und mehr erzeugen.
  • Während des Betriebs werden einer Brennstoffzelle ein wasserstoffhaltiges Gas und ein sauerstoffhaltiges Gas zugeführt. Diese beiden Gase werden im Folgenden als Betriebsgase bezeichnet. Als Brenngas findet beispielsweise Methan, Erdgas, Kohlegas oder auch reiner Wasserstoff (H2) Verwendung. Als Oxidationsgas wird in der Regel Luft, aber auch reiner Sauerstoff (02) verwendet. Zum Betrieb der Brennstoffzelle wird das Brenngas in den Anodengasraum der Brennstoffzelle geführt, von wo es durch die gasdurchlässige Anode zum Elektrolyten gelangt. Das Oxidationsgas wird in den Kathodengasraum der Brennstoffzelle geleitet und dringt von dort durch die ebenfalls gasdurchlässige Kathode auch zum Elektrolyten vor. Je nach Durchlässigkeit des Elektrolyten für Sauerstoff oder Wasserstoffionen werden die Sauerstoffionen aus dem Oxidationsgas und die Wasserstoffionen aus dem Brenngas an der einen oder anderen Seite des Elektrolyten zusammengeführt, wodurch dann durch die elektrochemische Verbindung von Wasserstoff und Sauerstoff zu Wasser Strom und auch Wärme erzeugt wird.
  • Brennstoffzellen benötigen für einen fehlerfreien Betrieb das Betriebsgas Wasserstoff in einer ausreichend hohen Reinheit. Bei Industriegasen wird die Reinheit mit Hilfe von Codewerten ausgedrückt. Dabei bezeichnet die erste Ziffer die Anzahl der „Neuner“, die zweite Ziffer ist die erste von „Neun“ abweichende Dezimalstelle. Beispielsweise steht Wasserstoff 5.0 für eine Reinheit, bei der der Volumenanteil von Wasserstoff 99,9990% beträgt. Eine kontinuierliche Bestimmung der Qualität/Reinheit von Wasserstoff für den Betrieb in Brennstoffzellen mit einer ausreichend hohen Genauigkeit ist derzeit nicht möglich.
  • Überhaupt ist eine Messung der Gasqualität von Wasserstoff derzeit nur sehr aufwendig möglich. Sie wird mit Hilfe von Gaschromatographen durchgeführt, welche von Gasproben gespeist werden. Diese Gasproben müssen, um eine entsprechende Reinheit untersuchen zu können, von dem Betriebsgas genommen werden. Die Genauigkeit dieser Messmethode hat jedoch auch ihre Grenzen (eine Qualität von 5.0 Wasserstoff kann in Standard-Messaufbauten nicht nachgewiesen werden) und kann auch nicht alle Fremdgasanteile bestimmen.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur Bestimmung der Reinheit von Wasserstoff bereitzustellen, die eine Bestimmung einer Gasqualität ermöglicht. Insbesondere soll die Vorrichtung eine kontinuierliche Bestimmung der Gasqualität ermöglichen. Ferner ist es Aufgabe der Erfindung, eine Brennstoffzellenanordnung mit einer Vorrichtung zur Bestimmung der Reinheit von Wasserstoff bereitzustellen. Schließlich ist es eine Aufgabe der Erfindung, ein entsprechendes Verfahren zur Bestimmung der Reinheit eines Gases, insbesondere von Wasserstoff, anzugeben.
  • Die Erfindung löst die auf eine Vorrichtung zur Bestimmung der Reinheit von Wasserstoff gerichtete Aufgabe, indem sie vorsieht, dass eine derartige Vorrichtung zur Bestimmung der Reinheit von Wasserstoff, umfassend eine Mess-Brennstoffzellenkaskade mit mindestens einer Mess-Brennstoffzelle, einem Wasserstoffeingang und einem Wasserstoffausgang, weiter umfassend eine mit der Mess-Brennstoffzellenkaskade elektrisch verbundene Zellspannungsüberwachungseinheit, die einen Spannungsausgang der Mess-Brennstoffzellenkaskade überwacht, und ein in Strömungsrichtung des Wasserstoffs hinter der Mess-Brennstoffzellenkaskade angeordnetes Ventil zur Ermöglichung eines Dead-End-Betriebs der Mess-Brennstoffzellenkaskade, eine mit der Zellspannungsüberwachungseinheit verbundene Auswerteeinheit umfasst, die ein einem Spannungsausgang der Mess-Brennstoffzellenkaskade entsprechendes Signal als eine Funktion der Zeit von der Zellspannungsüberwachungseinheit empfängt, wobei die Auswerteeinheit ausgebildet ist, aus dem empfangenen Signal die Reinheit von Wasserstoff zu ermitteln.
  • Die Erfindung sieht einen Dead-End-Betrieb auf der Wasserstoff-Seite (Anodenseite) vor, sowie einen Sauerstoff- oder Luft-Betrieb auf der Kathodenseite. Ein Dead-End-Betrieb bezeichnet den Betrieb ohne Rezirkulation und mit komplett geschlossenem Abgasventil. Durch den Dead-End-Betrieb auf der Wasserstoff-Seite kann man anhand des Zellspannungsverlaufs U(t) und beispielsweise einer Spülfrequenz eine sehr klare Aussage über die Wasserstoff-Reinheit (selbst bis 5.0) treffen.
  • Dabei ist es vorteilhaft, wenn die Auswerteeinheit einen Mikroprozessor umfasst, der so konfiguriert ist, dass er das einem Spannungsausgang der Mess-Brennstoffzellenkaskade entsprechende Signal mit einer Bibliothek gespeicherter Spannungsausgänge vergleicht.
  • Die auf eine Brennstoffzellenanordnung gerichtete Aufgabe wird gelöst durch eine Brennstoffzellenanordnung umfassend einen Brennstoffzellenstapel mit mindestens zwei in Strömungsrichtung des Wasserstoffs hintereinandergeschalteten, jeweils mehrere in Reihe geschaltete Brennstoffzellen umfassende Brennstoffzellenkaskaden, die über eine Wasserstoffleitung miteinander verbunden sind, wobei mindestens ein Wasserabscheider in der Wasserstoffleitung angeordnet ist, wobei die Brennstoffzellenanordnung ferner eine Vorrichtung zur Bestimmung der Reinheit von Wasserstoff umfasst, wobei die Mess-Brennstoffzellenkaskade in Wasserstoffströmungsrichtung die letzte Brennstoffzellenkaskade im Brennstoffzellenstapel ist. Je länger der Wasserstoffströmungsweg ist, desto stärker/schneller tritt der durch Verunreinigung beobachtbare Effekt in der Spannungsänderung auf bzw. desto genauer wird die Bestimmung der Wasserstoffreinheit. Durch eine Kaskadierung kann man also eine höhere Wirkung erzielen als mit nur einem einzelnen nicht-kaskadierten Brennstoffzellenstapel.
  • Während des Betriebs der Brennstoffzellen gelangen Produktwasser und Inertgase, aber auch andere Verunreinigungen, auf die Anodenseiten der Brennstoffzellen und sammeln sich schließlich an, insbesondere im Anodenabgaspfad. Das Produktwasser kann zur Schädigung von Anlagenkomponenten sowie zum Blockieren von Strömungswegen führen. Der Einsatz von Wasserabscheidern ist daher sinnvoll.
  • In einer alternativen Brennstoffzellenanordnung umfassend einen Brennstoffzellenstapel mit einer mehrere in Reihe geschaltete Brennstoffzellen umfassenden Brennstoffzellenkaskade, wobei die Brennstoffzellenanordnung ferner eine Vorrichtung zur Bestimmung der Reinheit von Wasserstoff umfasst, ist die Mess-Brennstoffzellenkaskade dem Brennstoffzellenstapel im Hinblick auf eine Wasserstoffversorgung parallel geschaltet. Auf diese Weise kann der „Hauptpfad“ kontinuierlich betrieben werden, während über eine parallel geschaltete Vorrichtung zur Bestimmung der Reinheit die Zellspannung überwacht und die Wasserstoffreinheit bestimmt werden kann.
  • Die auf ein Verfahren gerichtete Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Bestimmung der Reinheit von Wasserstoff, bei dem Wasserstoff einer Mess-Brennstoffzellenkaskade mit mindestens einer Mess-Brennstoffzelle über einen Wasserstoffeingang zugeführt wird, ein in Strömungsrichtung des Wasserstoffs hinter der Mess-Brennstoffzellenkaskade angeordnetes Ventil zur Ermöglichung eines Dead-End-Betriebs der Mess-Brennstoffzellenkaskade geschlossen wird und eine Spannung der Mess-Brennstoffzellenkaskade gemessen wird, wobei die Reinheit des Wasserstoffs über die Spannung der Mess-Brennstoffzellenkaskade als Funktion der Zeit ermittelt wird.
  • Es liegt in der Natur einer Messung, dass sie nicht beliebig genau sein kann. Das liegt an der bauartbedingten Genauigkeit der Messgeräte, aber möglicherweise auch an deren Einfluss auf die zu messende Größe (beispielsweise kann das Messinstrument als zusätzlicher „Verbraucher“ elektrischer Energie auftreten). Schließlich können auch die Messwerte selbst Schwankungen unterworfen sein. Es ist daher zweckmäßig, möglichst wenige Parameter während der Messung zu verändern. Eine solche Situation liegt vor, wenn ein Wasserstoff-Betriebsstrom bei der Bestimmung der Zellspannung konstant gehalten wird.
  • Deshalb ist es auch vorteilhaft, wenn die Zellspannung wiederholt gemessen wird und die Zeit zwischen zwei Messungen vorbestimmt ist.
  • Alternativ kann es auch vorteilhaft sein, wenn die Zeit bestimmt wird, die vergeht, bis die Zellspannung von einem ersten Spannungswert auf einen zweiten Spannungswert gesunken ist.
  • Es ist zweckmäßig, wenn die ermittelten Werte mit vorbekannten Werten verglichen werden und daraus ein Reinheitsgrad des Wasserstoffs abgeleitet wird.
  • Eine Verlängerung des Wasserstoff-Strömungswegs verbessert die Messung im Hinblick auf Dauer oder Genauigkeit. Es ist daher vorteilhaft, wenn in einer Brennstoffzellenanordnung die Mess-Brennstoffzellenkaskade mit mindestens einer Mess-Brennstoffzelle als in Wasserstoffströmungsrichtung letzte Brennstoffzellenkaskade angeordnet wird und eine Zellspannung der Mess-Brennstoffzellenkaskade gemessen wird.
  • Alternativ zu einer Messung am Ende eines Brennstoffzellenstapels kann es vorteilhaft sein, wenn in einer Brennstoffzellenanordnung die Mess-Brennstoffzellenkaskade mit mindestens einer Mess-Brennstoffzelle in Wasserstoffströmungsrichtung parallel zu weiteren Brennstoffzellenkaskaden angeordnet wird und eine Zellspannung der Mess-Brennstoffzellenkaskade gemessen wird.
  • Mit der vorliegenden Erfindung kann durch Abreicherung der Reaktionsgase in der Brennstoffzelle und Messung der entsprechenden Zellspannung über den Gasverbrauch die Gasqualität bzw. Gasreinheit bestimmt werden. Dieser Prozess kann ständig mitlaufen, z.B. in einem Bypass zum Hauptvolumenstrom, um eine quasi-kontinuierliche Messung zu erhalten.
  • Die Erfindung wird beispielhaft anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen schematisch und nicht maßstäblich:
    • 1 eine Brennstoffzellenanordnung mit serieller Anordnung der Vorrichtung zur Bestimmung der Reinheit von Wasserstoff nach der Erfindung,
    • 2 eine Brennstoffzellenanordnung mit paralleler Anordnung der Vorrichtung zur Bestimmung der Reinheit von Wasserstoff nach der Erfindung,
    • 3 den Verlauf einer Zellspannung im Dead-End-Betrieb einer Brennstoffzelle, periodisch unterbrochen von vergleichsweise kurzen Spülvorgängen,
    • 4 den Zellspannungsverlauf für Wasserstoff unterschiedlicher Reinheit, mit einer Spannungsmessung zu einem vorgegebenen Zeitpunkt und
    • 5 den Zellspannungsverlauf für Wasserstoff unterschiedlicher Reinheit, mit Zeitmessung.
  • 1 zeigt eine Brennstoffzellenanordnung 10 umfassend einen Brennstoffzellenstapel 13 mit drei Brennstoffzellenkaskaden 11, die über eine Wasserstoffleitung 14 miteinander verbunden sind. Jede Brennstoffzellenkaskade 11 kann aus mehreren elektrisch in Serie geschalteten Brennstoffzellen 12 aufgebaut sein und weist einen Wasserstoffeingang 4 und einen Wasserstoffausgang 5 auf. In Wasserstoffströmungsrichtung hinter den Brennstoffzellenkaskaden 11 ist jeweils ein Wasserabscheider 15 in der Wasserstoffleitung 14 angeordnet.
  • In der in der 1 gezeigten Ausführungsform einer Brennstoffzellenanordnung 10 nach der Erfindung erfolgt die Bestimmung der Reinheit von Wasserstoff in einer seriellen Anordnung der Vorrichtung 1 zur Bestimmung der Reinheit von Wasserstoff. Hierzu ist eine als Mess-Brennstoffzellenkaskade 2 bezeichnete Brennstoffzellenkaskade 11 als in Strömungsrichtung von Wasserstoff letzte Brennstoffzellenkaskade 11 im Brennstoffzellenstapel 13 angeordnet. Dabei umfasst eine Mess-Brennstoffzellenkaskade 2 mindestens eine Mess-Brennstoffzelle 3. Innerhalb einer Mess-Brennstoffzellenkaskade 2 wird bevorzugt die erstversorgte Brennstoffzelle 12 als Mess-Brennstoffzelle 3 verwendet.
  • Gemäß der Erfindung erfolgt die Bestimmung der Reinheit des Wasserstoffs über die Messung der Spannung an der Mess-Brennstoffzellenkaskade 2. Zu diesem Zweck ist mit der Mess-Brennstoffzellenkaskade 2 eine Zellspannungsüberwachungseinheit 6 elektrisch verbunden. Ferner ist in Strömungsrichtung des Wasserstoffs hinter der Mess-Brennstoffzellenkaskade 2 ein Ventil 8 angeordnet, welches einen Dead-End-Betrieb der Mess-Brennstoffzellenkaskade 2 bzw. der gesamten Brennstoffzellenanordnung 10 ermöglicht.
  • Erfindungsgemäß weist die Vorrichtung 1 zur Bestimmung der Reinheit von Wasserstoff ferner eine mit der Zellspannungsüberwachungseinheit 6 verbundene Auswerteeinheit 9 auf, die ein einem Spannungsausgang 7 der Mess-Brennstoffzellenkaskade 2 entsprechendes Signal als eine Funktion der Zeit von der Zellspannungsüberwachungseinheit 6 empfängt, wobei die Auswerteeinheit 9 ausgebildet ist, aus dem empfangenen Signal die Reinheit von Wasserstoff zu ermitteln.
  • Die Auswerteeinheit 9 umfasst einen Mikroprozessor, der so konfiguriert ist, dass er das einem Spannungsausgang 7 der Mess-Brennstoffzellenkaskade 2 entsprechende Signal mit einer Bibliothek gespeicherter Spannungswerte vergleicht.
  • 2 zeigt eine zweite Ausführungsform der Vorrichtung 1 zur Bestimmung der Reinheit von Wasserstoff nach der Erfindung, bei der einer Brennstoffzellenkaskade 11, in der Brennstoffzellen 12 elektrisch in Serie geschaltet sind, eine Mess-Brennstoffzellenkaskade 2 mit mindestens einer Mess-Brennstoffzelle 3 der Brennstoffzellenkaskade 11 bezüglich einer Wasserstoffversorgung parallelgeschaltet ist. Mittels der Zellspannungsüberwachungseinheit 6 ist eine elektrische Spannung der Mess-Brennstoffzellenkaskade 2 mit der mindestens einen Mess-Brennstoffzelle 3 messbar.
  • Die 3 zeigt den zeitlichen Verlauf einer Zellspannung 16 im Dead-End-Betrieb einer Mess-Brennstoffzellenkaskade 2. Die Spannungskurve ist einer Kippschwingung oder Sägezahnschwingung nicht unähnlich, nur dass im vorliegenden Fall die Spannungskurve 16 im Wesentlichen kontinuierlich abfällt, um dann abrupt anzusteigen, wenn über Ventil 8 gespült wird. Wird die Mess-Brennstoffzellenkaskade 2 im Dead-End-Betrieb gefahren, ist es für einen stabilen, effizienten und materialschonenden Betrieb der Mess-Brennstoffzellenkaskade 2 wichtig, die Anodenseite (=Wasserstoffseite) regelmäßig zu spülen, um unerwünschte Stoffe, wie Inertgase oder auch Reaktionswasser, zu entfernen. Zu diesem Zweck wird das Ventil 8 periodisch geöffnet, wobei die geöffnete Phase im Vergleich zur geschlossenen Phase kurz ist.
  • Dieser Vorgang erfolgt typischerweise sehr regelmäßig und ist entweder vorgegeben oder wird in Abhängigkeit einer Laststromstärke und der Menge an entstandenem Reaktionswasser bestimmt, was etwas aufwendiger ist, aber auch einen effizienteren Betrieb einer Brennstoffzelle ermöglicht. Je größer die Stromstärke bzw. die Ladungsmenge, desto häufiger muss gespült werden.
  • Bei mittlerer Belastung einer Brennstoffzelle muss in Intervallen von einigen Sekunden bis wenigen Minuten das Ventil 8 auf der Anodenausgangsseite für 1 - 2 s geöffnet werden („Purgen“).
  • Am Ende des vergleichsweise kurzen Spülvorgangs ist die Zellspannung wieder auf einem Maximum.
  • Die vorliegende Erfindung sieht einen Dead-End-Betrieb auf der Wasserstoffseite vor, sowie einen Sauerstoff- oder Luft-Betrieb auf der Kathodenseite. Durch den Dead-End-Betrieb auf der Wasserstoffseite kann man anhand des Zellspannungsverlaufs U(t) und einer Spülfrequenz eine sehr klare Aussage über die Wasserstoffreinheit (selbst bis 5.0) treffen.
  • Gemäß der Erfindung ist es jedoch nicht zwingend erforderlich, die Reinheit des Wasserstoffs über die Spülfrequenz zu bestimmen. Beispiele sind anhand der zeitlichen Spannungsverläufe in den 4 und 5 gezeigt. Dabei zeigt 4 eine erste Alternative, bei der zu einem gegebenen Zeitpunkt bzw. nach einer gegebenen vergangenen Zeit ab einem bestimmten ersten Spannungswert ein zweiter Spannungswert gemessen wird. Die in der 5 gezeigte zweite Alternative hingegen bestimmt die Zeit, nach der die gemessene Spannung einen vorher definierten Spannungswert unterschreitet.

Claims (11)

  1. Vorrichtung (1) zur Bestimmung der Reinheit von Wasserstoff, umfassend eine Mess-Brennstoffzellenkaskade (2) mit mindestens einer Mess-Brennstoffzelle (3), einem Wasserstoffeingang (4) und einem Wasserstoffausgang (5), weiter umfassend eine mit der Mess-Brennstoffzellenkaskade (2) elektrisch verbundene Zellspannungsüberwachungseinheit (6), die einen Spannungsausgang (7) der Mess-Brennstoffzellenkaskade (2) überwacht, und ein in Strömungsrichtung des Wasserstoffs hinter der Mess-Brennstoffzellenkaskade (2) angeordnetes Ventil (8) zur Ermöglichung eines Dead-End-Betriebs der Mess-Brennstoffzellenkaskade (2), dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1) zur Bestimmung der Reinheit von Wasserstoff ferner eine mit der Zellspannungsüberwachungseinheit (6) verbundene Auswerteeinheit (9) umfasst, die ein einem Spannungsausgang (7) der Mess-Brennstoffzellenkaskade (2) entsprechendes Signal als eine Funktion der Zeit von der Zellspannungsüberwachungseinheit (6) empfängt, wobei die Auswerteeinheit (9) ausgebildet ist, aus dem empfangenen Signal die Reinheit von Wasserstoff zu ermitteln.
  2. Vorrichtung (1) nach Anspruch 1, wobei die Auswerteeinheit (9) einen Mikroprozessor umfasst, der so konfiguriert ist, dass er das einem Spannungsausgang (7) der Mess-Brennstoffzellenkaskade (2) entsprechende Signal mit einer Bibliothek gespeicherter Spannungsausgänge vergleicht.
  3. Brennstoffzellenanordnung (10) umfassend einen Brennstoffzellenstapel (3) mit mindestens zwei in Strömungsrichtung des Wasserstoffs hintereinandergeschalteten, jeweils mehrere in Reihe geschaltete Brennstoffzellen (12) umfassende Brennstoffzellenkaskaden (13), die über eine Wasserstoffleitung (14) miteinander verbunden sind, wobei mindestens ein Wasserabscheider (15) in der Wasserstoffleitung (14) angeordnet ist, wobei die Brennstoffzellenanordnung (10) ferner eine Vorrichtung (1) zur Bestimmung der Reinheit von Wasserstoff nach einem der Ansprüche 1 oder 2 umfasst, wobei die Mess-Brennstoffzellenkaskade (2) in Wasserstoff-Strömungsrichtung die letzte Brennstoffzellenkaskade (11) im Brennstoffzellenstapel (13) ist.
  4. Brennstoffzellenanordnung (10) umfassend einen Brennstoffzellenstapel (13) mit einer mehrere in Reihe geschaltete Brennstoffzellen (12) umfassenden Brennstoffzellenkaskade (11), wobei die Brennstoffzellenanordnung (10) ferner eine Vorrichtung (1) zur Bestimmung der Reinheit von Wasserstoff nach einem der Ansprüche 1 oder 2 umfasst, wobei die mindestens eine Mess-Brennstoffzellenkaskade (2) dem Brennstoffzellenstapel (13) im Hinblick auf eine Wasserstoffversorgung parallelgeschaltet ist.
  5. Verfahren zur Bestimmung der Reinheit von Wasserstoff, bei dem Wasserstoff einer Mess-Brennstoffzellenkaskade (2) mit mindestens einer Mess-Brennstoffzelle (3) über einen Wasserstoffeingang (4) zugeführt wird, ein in Strömungsrichtung des Wasserstoffs hinter der Mess-Brennstoffzellenkaskade (2) angeordnetes Ventil (8) zur Ermöglichung eines Dead-End-Betriebs der Mess-Brennstoffzellenkaskade (2) geschlossen wird und eine Spannung der Mess-Brennstoffzellenkaskade (2) gemessen wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Reinheit des Wasserstoffs über die Spannung als Funktion der Zeit ermittelt wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei ein Wasserstoff-Betriebsstrom bei der Bestimmung der Zellspannung konstant gehalten wird.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 oder 6, wobei die Zellspannung wiederholt gemessen wird und die Zeit zwischen zwei Messungen vorbestimmt ist.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 oder 6, wobei die Zeit bestimmt wird, die vergeht, bis die Zellspannung von einem ersten Spannungswert auf einen zweiten Spannungswert gesunken ist.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8, wobei die ermittelten Werte mit vorbekannten Werten verglichen werden und daraus ein Reinheitsgrad des Wasserstoffs abgeleitet wird.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 9, wobei in einer Brennstoffzellenanordnung (10) die Mess-Brennstoffzellenkaskade (2) mit mindestens einer Mess-Brennstoffzelle (3) als in Wasserstoffströmungsrichtung letzte Brennstoffzellenkaskade (11) angeordnet wird und ihre Zellspannung gemessen wird.
  11. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 9, wobei in einer Brennstoffzellenanordnung (10) die Mess-Brennstoffzellenkaskade (2) mit mindestens einer Mess-Brennstoffzelle (3) in Wasserstoffströmungsrichtung parallel zu weiteren Brennstoffzellenkaskaden (11) angeordnet wird und eine Zellspannung gemessen wird.
DE102020214583.0A 2020-11-19 2020-11-19 Wasserstoffreinheit Pending DE102020214583A1 (de)

Priority Applications (7)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102020214583.0A DE102020214583A1 (de) 2020-11-19 2020-11-19 Wasserstoffreinheit
CA3202380A CA3202380A1 (en) 2020-11-19 2021-10-26 Arrangement and method for determining hydrogen purity
KR1020237019997A KR20230106680A (ko) 2020-11-19 2021-10-26 수소 순도를 결정하기 위한 장치 및 방법
CN202180077717.4A CN116670872A (zh) 2020-11-19 2021-10-26 用于确定氢纯度的装置和方法
PCT/EP2021/079657 WO2022106159A1 (de) 2020-11-19 2021-10-26 Anordnung und verfahren zur bestimmung der wasserstoff-reinheit
EP21809930.7A EP4214784A1 (de) 2020-11-19 2021-10-26 Anordnung und verfahren zur bestimmung der wasserstoff-reinheit
US18/036,512 US20240011935A1 (en) 2020-11-19 2021-10-26 Arrangement and method for determining hydrogen purity

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102020214583.0A DE102020214583A1 (de) 2020-11-19 2020-11-19 Wasserstoffreinheit

Publications (1)

Publication Number Publication Date
DE102020214583A1 true DE102020214583A1 (de) 2022-05-19

Family

ID=78649253

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE102020214583.0A Pending DE102020214583A1 (de) 2020-11-19 2020-11-19 Wasserstoffreinheit

Country Status (7)

Country Link
US (1) US20240011935A1 (de)
EP (1) EP4214784A1 (de)
KR (1) KR20230106680A (de)
CN (1) CN116670872A (de)
CA (1) CA3202380A1 (de)
DE (1) DE102020214583A1 (de)
WO (1) WO2022106159A1 (de)

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2006003158A1 (de) 2004-07-01 2006-01-12 Siemens Aktiengesellschaft Brennstoffzellenanlage und verfahren zum betreiben einer brennstoffzellenanlage
DE102014009772A1 (de) 2014-07-01 2016-01-07 Daimler Ag Elektrofahrzeug mit einer Brennstoffzellenanlage
EP2795706B1 (de) 2011-12-21 2016-10-19 Intelligent Energy Ltd Wasserstoffqualitätsmonitor

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3972675B2 (ja) * 2002-02-15 2007-09-05 日産自動車株式会社 燃料電池システム
JP2007242266A (ja) * 2006-03-06 2007-09-20 Canon Inc 燃料電池装置、および燃料電池の運転方法
ES2315988T3 (es) * 2006-12-18 2009-04-01 Siemens Aktiengesellschaft Dispositivo de celula de combustible con varias etapas en cascada.
GB2526287C (en) * 2014-05-19 2023-02-08 Intelligent Energy Ltd Apparatus for determining reactant purity

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2006003158A1 (de) 2004-07-01 2006-01-12 Siemens Aktiengesellschaft Brennstoffzellenanlage und verfahren zum betreiben einer brennstoffzellenanlage
EP2795706B1 (de) 2011-12-21 2016-10-19 Intelligent Energy Ltd Wasserstoffqualitätsmonitor
DE102014009772A1 (de) 2014-07-01 2016-01-07 Daimler Ag Elektrofahrzeug mit einer Brennstoffzellenanlage

Also Published As

Publication number Publication date
US20240011935A1 (en) 2024-01-11
WO2022106159A1 (de) 2022-05-27
CN116670872A (zh) 2023-08-29
KR20230106680A (ko) 2023-07-13
CA3202380A1 (en) 2022-05-27
EP4214784A1 (de) 2023-07-26

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP2845255B1 (de) Verfahren zur bestimmung kritischer betriebszustände an einem brennstoffzellenstack
DE60107437T2 (de) Behandlung eines substrates aus nichtrostendem stahl
DE102011107183B4 (de) Verfahren zur Vorhersage der minimalen Zellenspannung aus dem diskreten minimalen Zellenspannungsausgang einer Stapelfunktionszustandsüberwachungseinrichtung und ein System zum Schätzen von Parametern eines Brennstoffzellenstapels
DE10161234A1 (de) Technik zum Regeln der Effizienz eines Brennstoffzellensystems
DE112012003688T5 (de) Brennstoffzelleninspektionsverfahren und -inspektionsvorrichtung
DE102011008728B4 (de) Verfahren und System zum Feststellen eines Membranfehlers in einer Brennstoffzelle
DE112004000227T5 (de) System und Verfahren zum Messen eines inneren Widerstands elektrochemischer Vorrichtungen
DE102010026638B4 (de) Verfahren zum Detektieren einer leistungsschwachen Zelle in einem Brennstoffzellenstapel
DE102016111437A1 (de) Verfahren und Vorrichtung zum Diagnostizieren eines Zustands eines Brennstoffzellenstapels
DE102010005644A1 (de) System und Verfahren zum Beobachten einer Anodenfluidzusammensetzung während eines Brennstoffzellensystem-Starts
AT520682B1 (de) Verfahren zur Ermittlung eines Betriebszustandes eines elektrochemischen Systems
AT523373B1 (de) Sensorvorrichtung für ein Brennstoffzellensystem
DE102008005841A1 (de) Hochtemperatur-Polymerelektrolyt Brennstoffzellensystem (HT-PEFC) sowie ein Verfahren zum Betreiben desselben
DE102015121543A1 (de) Prüfverfahren für eine Brennstoffzelle
DE102020214583A1 (de) Wasserstoffreinheit
EP1761967A1 (de) Brennstoffzellenanlage und verfahren zum betreiben einer brennstoffzellenanlage
WO2003096459A1 (de) Verfahren zur ermittlung eines gaslecks in einer pem-brennstoffzelle
WO2018083147A1 (de) Verfahren zur diagnose eines technischen systems
EP1713140B1 (de) Verfahren zur Detektierung einer Reaktanten-Unterversorgung in einer Brennstoffzelle eines Brennstoffzellenstapels sowie Brennstoffzellenanlage mit einem derartigen Brennstoffzellenstapel
DE102020209753A1 (de) Diagnosevorrichtung und Verfahren zur Analyse zumindest eines Zustands einer elektrochemischen Vorrichtung
DE102007040837A1 (de) Verfahren zum zerstörungsfreien Erkennen eines Gaslecks in einer Brennstoffzelle sowie Brennstoffzellenanlage zur Durchführung des Verfahrens
DE102006008254A1 (de) Verfahren und Vorrichtung zur Erkennung eines Gaslecks in einer Brennstoffzellenanordnung
DE102012104792A1 (de) Verfahren zur Früherkennung von Membranausfällen von Brennstoffzellenstapeln und Komponentenfehlern eines Brennstoffzellensystems
DE19904506C2 (de) Verfahren und Vorrichtung zur quantitativen Bestimmung von Alkoholen
EP3679618B1 (de) Verfahren zum betreiben einer brennstoffzellenvorrichtung

Legal Events

Date Code Title Description
R163 Identified publications notified