DE102021208685A1 - Verfahren zum Trocknen einer Brennstoffzelle und Brennstoffzelleneinheit - Google Patents

Verfahren zum Trocknen einer Brennstoffzelle und Brennstoffzelleneinheit Download PDF

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Uwe Pasera
Dominik Beron
Tobias Krüger
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Ekpo Fuel Cell Technologies GmbH
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Abstract

Um ein Verfahren zum Trocknen einer Brennstoffzelle in einer Brennstoffzelleneinheit bereitzustellen, durch welches eine effiziente und homogene Trocknung erreicht wird, wird vorgeschlagen, dass ein Lastpunkt und/oder Kathodendruck und/oder Anodendruck nach einem Normalbetrieb der Brennstoffzelle abgesenkt wird und ein Trockengas zum Aufnehmen und Abführen von Feuchtigkeit der Brennstoffzelle zugeführt wird.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Trocknen einer Brennstoffzelle sowie eine Brennstoffzelleneinheit.
  • Kernstück jeder Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzelle (PMFC) bildet die Membran-Elektroden-Einheit, durch welche die Umwandlung chemisch gebundener Energie in elektrische Energie erfolgt. Bei Temperaturen unterhalb des Gefrierpunktes kann in der Brennstoffzelle verbleibendes Wasser gefrieren und die Membran-Elektroden-Einheit schädigen sowie bei einem Gefrierstart ein Blockieren der Gasversorgung von Anode und Kathode verursachen. Aus diesem Grund muss beim Vorliegen entsprechender Randbedingungen eine geeignete Trocknungsprozedur, d.h. ein Entfernen von Feuchtigkeit, vor einem Abschaltvorgang der Brennstoffzelle vorgesehen werden.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Trocknen einer Brennstoffzelle bereitzustellen, durch welches eine effiziente und homogene Trocknung erreicht wird. Zudem ist es Aufgabe der Erfindung eine Brennstoffzelleneinheit bereitzustellen, die in Vorbereitung auf einen Gefrierstart eine einfache und effiziente Trocknung der Brennstoffzelle ermöglicht.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zum Trocknen einer Brennstoffzelle in einer Brennstoffzelleneinheit gelöst, bei welchem ein Lastpunkt und/oder Kathodendruck und/oder Anodendruck nach einem Normalbetrieb der Brennstoffzelle abgesenkt wird und der Brennstoffzelle ein Trockengas zum Aufnehmen und Abführen von Feuchtigkeit zugeführt wird.
  • Bevorzugt wird das Trockengas zum Aufnehmen und Abführen der Feuchtigkeit aus der Brennstoffzelle einer Kathodenseite und/oder einer Anodenseite der Brennstoffzelle zugeführt.
  • Durch dieses Trocknungsverfahren kann eine Entfeuchtung der Brennstoffzelle, insbesondere der Membran-Elektroden-Einheit, zum Schutz der Membran-Elektroden-Einheit bei Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts und in Vorbereitung auf einen Gefrierstart erreicht sein.
  • Das Trocknungsverfahren wird insbesondere nach einem Normalbetrieb der Brennstoffzelle vor oder während eines Abschaltvorgangs durchgeführt.
  • Um eine ausreichende Trocknung der Brennstoffzelle zu erreichen, wird dieser eine überstöchiometrische Menge Trockengas zugeführt, welches das in der Brennstoffzelle verbleibende Wasser nach dem Normalbetrieb aufnimmt und abführt.
  • Das Trockengas weist eine hohe Wasseraufnahmefähigkeit auf. Das Trockengas kann vor dem Zuführen zur Brennstoffzelle entfeuchtet werden.
  • Durch das Absenken des Lastpunktes und/oder des Kathodendrucks und/oder des Anodendrucks kann bei einer gegenüber dem Normalbetrieb verringerten Leistungsabgabe der Brennstoffzelle eine signifikante Trocknung in Vorbereitung auf den Gefrierstart erreicht werden.
  • Vorzugsweise wird der Lastpunkt im Vergleich zum Normalbetrieb auf ein Lastniveau abgesenkt, welches gleich oder niedriger ist, als ein mit der Brennstoffzelle gekoppeltes System aufnimmt, beispielsweise eine Batterie oder ein elektrischer Verbraucher, und durch welches ein ausreichendes Temperaturniveau zum Trocknen der Brennstoffzelle bereitgestellt wird.
  • Der Trocknungsvorgang kann bei allen Lastpunkten innerhalb eines Betriebsbereichs der Brennstoffzelle durchgeführt werden. Vorteilhaft kann vorgesehen sein, dass der Lastpunkt während des Trocknungsvorgangs variabel angepasst werden kann.
  • Das Verfahren zum Trocknen der Brennstoffzelle kann vorteilhafterweise mit einer Abschaltprozedur der Brennstoffzelle gekoppelt sein oder in diese integriert sein.
  • Eine bevorzugte Ausgestaltung des Verfahrens kann vorsehen, dass die Brennstoffzelle während des Trocknungsvorgangs durch ein Kühlmittel erwärmt wird.
  • Durch die Erwärmung der Brennstoffzelle durch das Kühlmittel kann die Brennstoffzelle zum Trocknen auf ein definiertes Temperaturniveau eingestellt werden.
  • Zum Trocknen der Brennstoffzelle wird diese bevorzugt auf ein höheres Temperaturniveau als im Normalbetrieb der Brennstoffzelle erwärmt.
  • Das Erwärmen der Brennstoffzelle durch das Kühlmittel kann eine geregelte Temperaturerhöhung der Brennstoffzelle während des Trocknungsvorgangs ermöglichen.
  • Durch die geregelte Erwärmung der Brennstoffzelle kann ein gezieltes Feuchtigkeitsmanagement zum Trocknen der Membran-Elektroden-Einheit erreicht werden.
  • Die Temperaturerhöhung der Brennstoffzelle während des Trocknungsvorgangs kann einen untersättigten Feuchtezustand des Trockengases ermöglichen. Auf diese Weise können durch das Trockengas signifikante Mengen Restwasser in der Brennstoffzelle aufgenommen und abgeführt werden.
  • In einer Weiterbildung des Verfahrens kann eine Eintrittstemperatur des Kühlmittels während des Trocknungsvorgangs erhöht werden.
  • Die Eintrittstemperatur des Kühlmittels kann während des Trocknungsvorgangs stetig bzw. kontinuierlich oder auch schrittweise erhöht werden.
  • Mit zunehmender Temperatur weist die Membran-Elektroden-Einheit eine geringere Wasseraufnahmefähigkeit auf. Aufgrund der geregelten Temperaturerhöhung des Kühlmittels während des Trocknungsvorgangs, können diese temperaturabhängigen Wasseraufnahmeeigenschaften der Membran-Elektroden-Einheit ausgenutzt werden, um eine optimale Trocknung der Brennstoffzelle zu erreichen.
  • Eine Ausgestaltung des Verfahrens kann vorsehen, dass das Kühlmittel durch Abwärme der Brennstoffzelle erwärmt wird.
  • Die Brennstoffzelleneinheit kann einen oder mehrere Wärmeübertrager aufweisen, welche das Kühlmittel durch Abwärme der Brennstoffzelle nach dem Normalbetrieb erwärmen.
  • Durch die Nutzung von Abwärme zum Erwärmen der Brennstoffzelle kann eine Reduzierung eines Energieaufwands zum Trocknen der Brennstoffzelle erreicht werden.
  • Ergänzend oder alternativ kann eine weitere Wärmequelle vorgesehen sein, durch welche das Kühlmittel zusätzlich erwärmt wird oder eine weitere Temperaturerhöhung erfolgt oder welche die Brennstoffzelle direkt thermisch erwärmt.
  • Eine weitere Ausgestaltung des Verfahrens kann vorsehen, dass das Kühlmittel in einem Kühlmittelkreislauf aktiv zirkuliert wird.
  • Der Kühlmittelkreislauf kann eine Kühlmittelpumpe zum Zirkulieren des Kühlmittels aufweisen.
  • Durch Regeln des Kühlmittelvolumenstroms kann die Wärmeleistung des Kühlmittelkreislaufs angepasst werden, um die Temperatur der Brennstoffzelle für den Trocknungsvorgang einzustellen.
  • Der Kühlmittelkreislauf kann einen separaten Kreislauf bilden, der ausschließlich zum Erwärmen der Brennstoffzelle vorgesehen ist.
  • Vorteilhafterweise kann das Zuführen des Trockengases und/oder das Erwärmen der Brennstoffzelle beendet werden, wenn ein Grenzwert einer Taupunkttemperatur der Anode und/oder Kathode erreicht wird und/oder wenn ein definierter Temperaturgradient einer Austrittstemperatur des Trockengases erreicht wird.
  • Anhand einer Überwachung und/oder Regelung der Taupunkttemperatur der Anode und/oder Kathode, des Temperaturgradienten der Austrittstemperatur des Trockengases, der Temperaturdifferenz zwischen der Eintrittstemperatur und der Austrittstemperatur des Trockengases, der Eintrittstemperatur des Kühlmittels, des Volumenstroms des Trockengases und/oder Kühlmittels, eines Feuchtegehalts der Anode und/oder Kathode und/oder einer Stromdichte kann eine homogene Trocknung der Brennstoffzelle, d.h. eine gleichmäßige Trocknung über den gesamten Brennstoffzellenstack, erreicht werden.
  • In einer alternativen Ausgestaltung des Verfahrens kann vorgesehen sein, dass die Brennstoffzelle während des Trocknungsvorgangs durch eine definierte Eintrittstemperatur des Trockengases temperiert wird.
  • Bei dieser alternativen Ausführungsform des Trocknungsverfahrens wird der Lastpunkt nach dem Normalbetrieb der Brennstoffzelle weiter abgesenkt als bei den zuvor beschriebenen Ausführungsformen. Daraus kann sich ein reduzierte Abwärme ergeben, so dass zum Trocknen der Brennstoffzelle eine nicht ausreichende Wärmemenge bereitstehen kann.
  • Bei dieser alternativen Ausführungsform des Trocknungsverfahrens entfällt deshalb das Zirkulieren des Kühlmittels im Kühlmittelkreislauf.
  • Die Temperierung der Brennstoffzelle erfolgt hierbei im Wesentlichen durch die Eintrittstemperatur sowie den Volumenstrom des Trockengases, um auf diese Weise ein gezieltes Feuchtigkeitsmanagement zum Trocknen der Membran-Elektroden-Einheit zu erreichen.
  • Vorteilhaft kann es bei dem Verfahren sein, dass die definierte Eintrittstemperatur des Trockengases in Abhängigkeit von der Austrittstemperatur des Trockengases angepasst wird.
  • Durch die Erfassung der Austrittstemperatur und Anpassung der Eintrittstemperatur des Trockengases kann eine Regelung der Erwärmung der Brennstoffzelle für den Trocknungsvorgang vorgesehen werden.
  • Zudem kann bei dem Verfahren vorgesehen sein, dass das Zuführen des Trockengases beendet wird, wenn ein Grenzwert der Austrittstemperatur des Trockengases und/oder ein definierter Temperaturgradient der Austrittstemperatur des Trockengases erreicht wird.
  • Dadurch kann ein gezieltes Beenden des Trocknungsvorgangs vorgesehen werden, um die Brennstoffzelle nach dem Erreichen eines definierten Trocknungszustands abzuschalten.
  • Die Aufgabe wird des Weiteren durch eine Brennstoffzelleneinheit gelöst, umfassend wenigstens eine Brennstoffzelle, einen Kühlmittelkreislauf zum Erwärmen der wenigstens einen Brennstoffzelle, eine Trockengaszuführung zum Zuführen eines Trockengases zur Brennstoffzelle sowie eine Steuerungseinrichtung, durch welche ein Verfahren gemäß einer der zuvor beschriebenen Ausführungsformen steuerbar ist.
  • Mit einer solchen Brennstoffzelleneinheit kann in Vorbereitung auf einen Gefrierstart eine einfache und effiziente Trocknung der Brennstoffzelle, insbesondere der Membran-Elektroden-Einheit, zum Schutz der Membran-Elektroden-Einheit bei Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts ermöglicht sein.
  • Weitere bevorzugte Merkmale und/oder Vorteile der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung und der zeichnerischen Darstellung von Ausführungsbeispielen.
  • In den Figuren zeigen:
    • 1 eine schematische Darstellung einer Brennstoffzelleneinheit;
    • 2 zwei Diagramme eines Verfahrens zum Trocknen einer Brennstoffzelle.
  • Gleiche oder funktional äquivalente Elemente sind in sämtlichen Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.
  • Die 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Brennstoffzelleneinheit 100.
  • Die Brennstoffzelleneinheit 100 umfasst eine oder mehrere Brennstoffzellen 102.
  • Die Brennstoffzelle 102 ist durch eine Vielzahl Membran-Elektroden-Einheiten gebildet, die in einer Stapelrichtung angeordnet sind. Die Vielzahl Membran-Elektroden-Einheiten bilden einen Brennstoffzellenstack.
  • Eine solche Brennstoffzelleneinheit 100 ist insbesondere eine Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzelle (PMFC).
  • Die Membran-Elektroden-Einheit umfasst eine Brennstoffzellenmembran 104, die eine Anodenseite 106 und eine Kathodenseite 108 der Brennstoffzelle 102 voneinander trennt.
  • Die Brennstoffzellenmembran 104 ist insbesondere durch eine Polymermembran gebildet.
  • Zu der Anodenseite 106 sind angrenzend an die Brennstoffzellenmembran 104 eine Anode, eine Gasdiffusionsschicht und ein Anodenraum angeordnet, welche in der schematischen Darstellung gemäß 1 nicht näher dargestellt sind.
  • Zu der Kathodenseite 108 sind angrenzend an die Brennstoffzellenmembran 104 eine Kathode, eine Gasdiffusionsschicht und ein Kathodenraum angeordnet, welche in 1 ebenfalls nicht näher dargestellt sind.
  • In einem Normalbetrieb der Brennstoffzelle 102 werden der Membran-Elektroden-Einheit über den Anodenraum und den Kathodenraum Prozessgase für die Brennstoffzellenreaktion zugeführt.
  • Über den Anodenraum wird der Brennstoffzellenmembran 104 ein Reduktionsmittel 110, beispielsweise Wasserstoff oder ein wasserstoffreiches Gas, zugeführt. Über den Kathodenraum wird der Brennstoffzellenmembran 104 ein Oxidationsmittel 112, beispielsweise Luft, zugeführt.
  • An der Brennstoffzellenmembran 104 findet im Normalbetrieb die Brennstoffzellenreaktion statt, bei der unter Bildung von Wasser 114 ein elektrischer Stromfluss entsteht.
  • Bei Temperaturen unterhalb des Gefrierpunktes kann das in der Brennstoffzelle 102 nach dem Normalbetrieb verbleibende Wasser gefrieren.
  • Durch das Gefrieren des Wassers innerhalb der Brennstoffzelle 102 kann insbesondere die Membran-Elektroden-Einheit geschädigt werden und bei einem Gefrierstart kann ein Blockieren der Gasversorgung von Anode und Kathode auftreten.
  • Um in Vorbereitung auf einen solchen Gefrierstart eine Beeinträchtigung der Brennstoffzelle 102 zu vermeiden, wird vor einem Abschalten der Brennstoffzelle 102 ein erfindungsgemäßes Trocknungsverfahren vor oder während eines Abschaltvorgangs durchgeführt.
  • Durch das Trocknungsverfahren erfolgt ein Entfernen von Restwasser aus der Brennstoffzelle 102, insbesondere aus der Membran-Elektroden-Einheit.
  • Nachfolgend werden zwei Trocknungsvorgänge des Trocknungsverfahrens beschrieben, die sich im Wesentlichen dadurch unterscheiden, dass die Brennstoffzelle 102 bei dem ersten Trocknungsvorgang durch ein Kühlmittel innerhalb eines Kühlmittelkreislaufs 116 erwärmt wird, und bei dem zweiten Trocknungsvorgang das Erwärmen durch das Kühlmittel entfällt.
  • Der erste Trocknungsvorgang und zweite Trocknungsvorgang werden insbesondere alternativ vor oder während des Abschaltvorgangs der Brennstoffzelle 102 ausgeführt.
  • Ebenso können der erste Trocknungsvorgang und zweite Trocknungsvorgang ergänzend zueinander, d.h. nacheinander, ausgeführt werden.
  • Ergänzend zu den nachfolgenden Ausführungen zeigt 2 ein oberes Diagramm, in welchem der Strom der Brennstoffzelle, der Anodendruck, der Kathodendruck, eine mittlere Zellspannung, eine minimale Zellspannung und ein Lambda der Kathode über den Verlauf des ersten Trocknungsvorgangs dargestellt sind.
  • In dem unteren Diagramm in 2 sind ergänzend die Ein- und Austrittstemperatur des Kühlmittels, eine Taupunkttemperatur der Anodenseite, eine Austrittstemperatur der Kathodenseite und ein Einschaltsignal der Kühlmittelpumpe über den Verlauf des ersten Trocknungsvorgangs dargestellt.
  • Bei dem ersten Trocknungsvorgang erfolgt zum Trocknen der Brennstoffzelle 102 nach dem Normalbetrieb zunächst ein Absenken eines Lastpunktes, eines Kathodendrucks und eines Anodendrucks der Brennstoffzelle 102, wie aus dem oberen Diagramm in 2 ersichtlich ist.
  • Durch das Absenken des Lastpunktes für den Trocknungsvorgang gegenüber eines Lastpunktes im Normalbetrieb wird eine Leistungsabgabe der Brennstoffzelle 102 während der Trocknungsprozedur verringert.
  • Aufgrund des Absenkens des Lastpunktes wird die Energieeffizienz des Trocknungsverfahrens gesteigert.
  • Das Absenken des Kathodendrucks und/oder des Anodendrucks ermöglicht eine Erhöhung der Feuchtigkeitsaufnahme und Feuchtigkeitsabfuhr durch ein nachfolgend beschriebenes Trockengases, welches der Brennstoffzelle 102 zum Trocknen zugeführt wird.
  • Während des ersten Trocknungsvorgangs wird die Brennstoffzelle 102 durch ein Kühlmittel erwärmt. Dies wird durch die ansteigende Eintrittstemperatur des Kühlmittels im unteren Diagramm in 2 verdeutlicht.
  • Das Kühlmittel zirkuliert innerhalb des Kühlmittelkreislaufs 116. Bevorzugt bildet der Kühlmittelkreislauf 116 einen separaten, d.h. eigenständig ausgebildeten, Kreislauf.
  • Der Kühlmittelkreislauf 116 weist eine Kühlmittelpumpe 118 zum Zirkulieren des Kühlmittels innerhalb des Kühlmittelkreislaufs 116 auf.
  • Der Kühlmittelkreislauf 116 umfasst einen Wärmeübertrager 120 zum Erwärmen des Kühlmittels.
  • Insbesondere wird das Kühlmittel in dem Wärmeübertrager 120 durch Abwärme Q der Brennstoffzelle 102 erwärmt.
  • Zusätzlich kann eine nicht näher dargestellte weitere Wärmequelle vorgesehen sein, durch welche eine ergänzende Erwärmung und/oder weitere Temperaturerhöhung des Kühlmittels erfolgen kann.
  • Um die Brennstoffzelle 102 für den Trocknungsvorgang zu erwärmen, wird das erwärmte Kühlmittel über eine Kühlmittelzuführung 122 der Brennstoffzelle 102 zugeführt.
  • Über eine Kühlmittelabführung 124 wird das Kühlmittel aus der Brennstoffzelle 102 abgeführt und zirkulierend wieder dem Wärmeübertrager 120 zugeführt.
  • Der Kühlmittelkreislauf 116 kann eine Sensoreinrichtung 126 aufweisen, durch welche eine Eintrittstemperatur, Austrittstemperatur und/oder ein Volumenstrom des Kühlmittels erfasst wird.
  • Bevorzugt ist die Sensoreinrichtung 126 zur Regelung des Trocknungsverfahrens mit einer nicht näher dargestellten Steuerungseinrichtung der Brennstoffzelle 102 gekoppelt.
  • Während des Trocknungsvorgangs wird die Eintrittstemperatur des Kühlmittels vorzugsweise stetig erhöht.
  • Mit steigender Temperatur weist die Membran-Elektroden-Einheit eine sich verringernde Wasseraufnahmefähigkeit auf, sodass durch die Temperaturerhöhung des Kühlmittels ein verstärkter Wasseraustrag aus der Membran-Elektroden-Einheit bewirkt wird.
  • Zum Aufnehmen und Abführen des Wassers aus der Brennstoffzelle 102 wird der Kathodenseite 108 und/oder Anodenseite 106 der Brennstoffzelle 102 ein Trockengas 128 zugeführt.
  • Das Trockengas 128 ist ein untersättigtes bzw. ungesättigtes Gas. Das Trockengas 128 ist in der Lage flüssiges Wasser und Wasserdampf in der Brennstoffzelle 102 aufzunehmen und abzuführen.
  • Das Trockengas 128 kann vor dem Zuführen zur Brennstoffzelle 102 entfeuchtet werden.
  • Das Trockengas 128 kann beispielsweise Luft sein. Ebenso kann das Trockengas 128 Sauerstoff, ein Inertgas, beispielsweise Stickstoff, oder dergleichen sein.
  • Zum Zuführen des Trockengases 128 ist eine Trockengaszuführung 130 und zum Abführen des Trockengases 128 eine Trockengasabführung 132 vorgesehen.
  • Um eine entsprechende Menge Wasser aus der Brennstoffzelle 102 auszutragen, wird dieser eine überstöchiometrische Menge an Trockengas 128 zugeführt.
  • Insbesondere wird der Membran-Elektroden-Einheit das Trockengas 128 mit einer definierten Eintrittstemperatur, einem definierten Volumenstrom und/oder einem definierten Feuchtegehalt zugeführt, um eine größtmögliche Menge Wasser aus der Membran-Elektroden-Einheit aufzunehmen und über das Trockengas 128 abzuführen.
  • Die Trockengaszuführung 130 und Trockengasabführung 132 können eine weitere Sensoreinrichtung 126 aufweisen, durch welche eine Eintrittstemperatur, Austrittstemperatur und/oder ein Volumenstrom des Trockengases 128 erfasst wird.
  • Bevorzugt ist die weitere Sensoreinrichtung 126 zur Regelung des Trocknungsverfahrens mit der nicht näher dargestellten Steuerungseinrichtung der Brennstoffzelle 102 gekoppelt.
  • Das Beenden des Trocknungsvorgangs, d.h. das Beenden des Zuführens von Trockengas 128 und/oder das Beenden des Erwärmens der Brennstoffzelle 102, ist nach einer Zeitspanne vorgesehen, nach der ein definierter Grenzwert einer Taupunkttemperatur der Anode und/oder der Kathode erreicht wird.
  • Ebenso kann das Beenden des Trocknungsvorgangs vorgesehen sein, wenn ein definierter Temperaturgradient der Austrittstemperatur des Trockengases 128 erreicht ist. Dies zeigt sich in dem plötzlich ansteigenden Temperaturgradienten der Austrittstemperatur des Trockengases 128 zum Ende des Trocknungsvorgangs im unteren Diagramm in 2.
  • Anhand der Taupunkttemperatur der Anode und/oder Kathode kann der Feuchtegehalt des Trockengases ermittelt werden, so dass in Abhängigkeit vom Feuchtegehalt des Trockengases der Trocknungszustand der Brennstoffzelle bestimmt werden kann.
  • Anhand eines hohen Temperaturgradienten der Austrittstemperatur des Trockengases kann ermittelt werden, dass flüssiges Wasser in der Brennstoffzelle 102, insbesondere in der Membran-Elektroden-Einheit, durch das zugeführte Trockengas 128 vollständig aufgenommen und abgeführt wurde.
  • Bei dem zweiten Trocknungsvorgang erfolgt zum Trocknen der Brennstoffzelle 102 nach dem Normalbetrieb zunächst ebenfalls ein Absenken des Lastpunktes und/oder des Kathodendrucks und/oder des Anodendrucks der Brennstoffzelle 102.
  • Bei dem zweiten Trocknungsvorgang erfolgt zum Trocknen der Brennstoffzelle 102 jedoch ein stärkeres Absenken zumindest des Lastpunktes als bei dem zuvor beschriebenen ersten Trocknungsvorgang.
  • Durch das stärkere Absenken des Lastpunktes wird die Leistungsabgabe der Brennstoffzelle 102 gegenüber dem ersten Trocknungsvorgang zusätzlich verringert. Daraus kann eine weiter gesteigerte Energieeffizienz des Trocknungsverfahrens resultieren.
  • Bei dem zweiten Trocknungsverfahren entfällt das Zirkulieren des Kühlmittels innerhalb des Kühlmittelkreislaufs 116, sodass keine Erwärmung der Brennstoffzelle 102 durch das Kühlmittel vorgesehen ist.
  • Bei dem zweiten Trocknungsverfahren erfolgt die definierte Temperierung zum Trocknen der Brennstoffzelle 102 ausschließlich über die Restwärme der Brennstoffzelle 102 nach dem Normalbetrieb und eine entsprechende Erfassung und Regelung der Eintrittstemperatur, Austrittstemperatur und/oder des Volumenstroms des Trockengases 128.
  • Dabei wird die Eintrittstemperatur des Trockengases in Abhängigkeit von der erfassten Austrittstemperatur des Trockengases 128 angepasst.
  • Das Beenden des zweiten Trocknungsvorgangs, d.h. das Beenden des Zuführens von Trockengas 128, ist nach einer Zeitspanne vorgesehen, nach der ein definierter Grenzwert der Austrittstemperatur des Trockengases 128 erreicht wird.
  • Ebenso kann das Beenden des Trocknungsvorgangs vorgesehen sein, wenn ein definierter Temperaturgradient der Austrittstemperatur des Trockengases 128 erreicht ist.
  • Sowohl nach dem ersten Trocknungsvorgang als auch nach dem zweiten Trocknungsvorgang kann vorgesehen sein, dass wenigstens eine Ventileinrichtung auf der Anodenseite 106 und/oder wenigstens eine Ventileinrichtung auf der Kathodenseite 108 der Brennstoffzelle 102, vorzugsweise bei einem abgesenkten Lastpunkt und/oder Kathodendruck und/oder Anodendruck, geöffnet werden. Dadurch kann eine zusätzliche Trocknung der Ventileinrichtungen erfolgen. Die Ventileinrichtungen können sogenannte Purgeventile und/oder Drainventile auf der Anodenseite 106 und/oder Kathodenseite 108 der Brennstoffzelle 102 bilden.
  • Zusätzlich zum Öffnen der Ventileinrichtungen können diese von dem Trockengas 128 durchströmt werden. Dadurch kann Restwasser in den Ventileinrichtungen entfernt werden, beispielsweise diese freigeblasen werden.
  • Die Ventileinrichtungen können einzeln, gleichzeitig oder im Wechsel geöffnet und/oder vom Trockengas 128 durchströmt werden.
  • Insbesondere durch das Öffnen der Ventileinrichtung auf der Anodenseite 106 und erreichen eines untersättigten Gaszustands auf der Anodenseite 106 kann eine besonders hohe Molmenge an Wasserstoff auf der Anodeseite 106 erreicht werden.
  • Eine hohe Molmenge an Wasserstoff auf der Anodenseite 106 wirkt sich positiv auf Stillstandzeiten der Brennstoffzelle 102 aus. Auf diese Weise kann eine maximal große Wasserstoffschutzzeit erreicht werden, wodurch nachfolgende Luft/Luft-Starts während des Gefrierstarts, die mit erhöhten Degradationsraten verbunden sind, verhindert werden können.
  • Dabei verhindert die während des Trocknungsvorgangs erhöhte Stöchiometrie auf der Kathodenseite 108 trotz der hohen Molmenge an Wasserstoff eine sicherheitskritische Wasserstoffkonzentration im Abgas bei entsprechender Auslegung des Durchsatzes der entsprechenden Ventileinrichtung, d.h. des Purgeventils.
  • Sowohl durch den ersten als auch den zweiten Trocknungsvorgang wird in Vorbereitung auf den Gefrierstart eine effiziente und homogene Trocknung der Brennstoffzelle 102, insbesondere der Membran-Elektroden-Einheit der Brennstoffzelle 102, zum Schutz der Membran-Elektroden-Einheit bei Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts erreicht.
  • Bezugszeichenliste
    • 100
    Brennstoffzelleneinheit
    102
    Brennstoffzelle
    104
    Brennstoffzellemembran
    106
    Anodenseite
    108
    Kathodenseite
    110
    Reduktionsmittel
    112
    Oxidationsmittel
    114
    Wasser
    116
    Kühlmittelkreislauf
    118
    Kühlmittelpumpe
    120
    Wärmeübertrager
    122
    Kühlmittelzuführung
    124
    Kühlmittelabführung
    126
    Sensoreinrichtung
    128
    Trockengas
    130
    Trockengaszuführung
    132
    Trockengasabführung

Claims (10)

  1. Verfahren zum Trocknen einer Brennstoffzelle (102) in einer Brennstoffzelleneinheit (100), bei welchem ein Lastpunkt und/oder Kathodendruck und/oder Anodendruck nach einem Normalbetrieb der Brennstoffzelle (102) abgesenkt wird und der Brennstoffzelle (102) ein Trockengas (128) zum Aufnehmen und Abführen von Feuchtigkeit zugeführt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzelle (102) während des Trocknungsvorgangs durch ein Kühlmittel erwärmt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Eintrittstemperatur des Kühlmittels während des Trocknungsvorgangs erhöht wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmittel durch Abwärme (Q) der Brennstoffzelle (102) erwärmt wird.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmittel in einem Kühlmittelkreislauf (116) aktiv zirkuliert wird.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Zuführen des Trockengases (128) und/oder das Erwärmen der Brennstoffzelle (102) durch das Kühlmittel beendet wird, wenn ein Grenzwert einer Taupunkttemperatur der Anode und/oder Kathode erreicht wird und/oder wenn ein definierter Temperaturgradient einer Austrittstemperatur des Trockengases (128) erreicht wird.
  7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzelle (102) während des Trocknungsvorgangs durch eine definierte Eintrittstemperatur des Trockengases (128) temperiert wird.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die definierte Eintrittstemperatur des Trockengases (128) in Abhängigkeit von der erfassten Austrittstemperatur des Trockengases (128) angepasst wird.
  9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Zuführen des Trockengases (128) beendet wird, wenn ein Grenzwert der Austrittstemperatur des Trockengases (128) und/oder ein definierter Temperaturgradient der Austrittstemperatur des Trockengases (128) erreicht wird.
  10. Brennstoffzelleneinheit (100) umfassend wenigstens eine Brennstoffzelle (102), einen Kühlmittelkreislauf (116) zum Erwärmen der wenigstens einen Brennstoffzelle (102), eine Trockengaszuführung (130) zum Zuführen eines Trockengases (128) zur Brennstoffzelle (102) sowie eine Steuerungseinrichtung, durch welche ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9 steuerbar ist.
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