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Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle für einen Brennstoffzellenstapel sowie einen Brennstoffzellenstapel mit mehreren erfindungsgemäßen Brennstoffzellen.
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Die Erfindung kann insbesondere in einem Brennstoffzellen-Fahrzeug, vorzugsweise in einem Brennstoffzellen-Fahrzeug mit Start-Stopp-Betrieb, zum Einsatz gelangen.
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Stand der Technik
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Brennstoffzellen sind elektrochemische Energiewandler. Als Reaktionsgase können insbesondere Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O2) verwendet werden. Diese werden mit Hilfe einer Brennstoffzelle in elektrische Energie, Wasser (H2O) und Wärme gewandelt. Den Kern einer Brennstoffzelle bildet eine Membran-Elektroden-Anordnung (MEA), die eine Membran umfasst, die zur Ausbildung von Elektroden beidseits mit einer Katalysatorschicht beschichtet ist. Im Betrieb der Brennstoffzelle werden der einen Elektrode, der Anode, Wasserstoff und der anderen Elektrode, der Kathode, Sauerstoff zugeführt.
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Die elektrochemische Reaktion in einer Brennstoffzelle wird üblicherweise durch Platin katalysiert. Hierzu werden in der Regel kleine Platinpartikel auf einen porösen Kohlenstoffträger aufgetragen.
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Im Betrieb einer Brennstoffzelle kann es - zumindest zeitweise - zu einer lokalen Unterversorgung mit Wasserstoff und damit zu unerwünschten Nebenreaktionen kommen. Die Gefahr einer Wasserstoffunterversorgung besteht insbesondere beim Starten der Brennstoffzelle. Denn dann sind sowohl der Kathodenbereich als auch der Anodenbereich mit Luft gefüllt („Luft/Luft-Start“). Mit Zuführen von Wasserstoff füllt sich der Anodenbereich, wobei jedoch einzelne Bereiche länger ohne Wasserstoff bleiben. In diesen Bereichen kommt es zu hohen Potentialdifferenzen zwischen der Kathode und dem Elektrolyten, die wiederum zur Kohlenstoffkorrosion in der Kathodenkatalysatorschicht führen können. Dieser Degradationsvorgang, der auch als „reverse current decay“ (RCD) bezeichnet wird, dauert solange an wie sich die H2/O2-Gasfront durch den Anodenbereich bewegt.
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Da der vorstehend beschriebene Vorgang immer dann auftreten kann, wenn der Anodenbereich lokal mit Wasserstoff unterversorgt ist, während der Kathodenbereich mit Luft gefüllt ist, kann derselbe Effekt auch beim Herunterfahren der Brennstoffzelle eintreten. Denn dann wird die Wasserstoffversorgung abgestellt und der restliche im Anodenbereich vorhandene Wasserstoff reagiert in Kontakt mit Sauerstoff ab, der über die Umgebungsluft in den Anodenbereich gelangt. Dabei reagiert der nahe einem Eingang oder einem Ausgang vorhandene Wasserstoff zuerst ab, so dass es zu einer ungleichmäßigen Wasserstoffverteilung kommt, die den Degradationsvorgang auslöst bzw. fördert.
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Eine effiziente Methode, um der Degradation beim Starten und/oder beim Herunterfahren der Brennstoffzelle vorzubeugen, stellt der Zellenkurzschluss dar. Der Kurzschluss sorgt dafür, dass die Potentiale der Kathode und der Anode aufeinander fallen und sich die schädliche Potentialerhöhung reduziert.
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Im Stand der Technik wurde daher bereits vorgeschlagen, den Kurzschluss zellenindividuell aufzuprägen. Beim zellenindividuellen Kurzschluss werden die Anode und die Kathode einer Brennstoffzelle galvanisch miteinander verbunden, so dass ein Kurzschluss auftritt. Die galvanische Verbindung kann mit Hilfe eines elektrischen, mechanischen oder elektromechanischen Schaltelements, beispielsweise in Form eines Relais oder Thyristors, hergestellt werden. Durch Schließen des Schaltelements kommt es zu einem Kurzschluss und somit zu einem Nullpotenzial der Brennstoffzelle. Aus der Offenlegungsschrift
DE 10 2013 226 028 A1 geht beispielhaft ein entsprechendes Verfahren hervor.
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Hierauf aufbauend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Effizienz beim zellenindividuellen Kurzschluss mindestens einer Brennstoffzelle eines Brennstoffzellensystems zu erhöhen, und zwar insbesondere bei einem Gefrierstart des Brennstoffzellensystems. Auf diese Weise soll die vorzeitige AIterung einer Brennstoffzelle aufgrund schädlicher Potenzialerhöhungen weiter verzögert werden.
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Zur Lösung der Aufgabe wird die Brennstoffzelle mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen. Ferner wird ein Brennstoffzellenstapel mit mehreren erfindungsgemäßen Brennstoffzellen angegeben.
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Offenbarung der Erfindung
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Die für einen Brennstoffzellenstapel vorgeschlagene Brennstoffzelle umfasst eine schaltbare Kurzschlusseinrichtung zum Kurzschließen der Brennstoffzelle, die in einem Randbereich der Brennstoffzelle angeordnet ist. Dabei handelt es sich entweder um den Randbereich an einer kurzen Seite der Brennstoffzelle, in dem zugleich ein Einlass für ein Kühlmittel ausgebildet ist, oder in einem hieran angrenzenden Randbereich an einer langen Seite der Brennstoffzelle.
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Die Kurzschlusseinrichtung ist demnach bei der vorgeschlagenen Brennstoffzelle in der Nähe des Kühlmitteleinlasses angeordnet. Denn es wurde herausgefunden, dass die Position der Kurzschlusseinrichtung Einfluss auf die Spannungsverteilung in der Brennstoffzelle hat. Dies ist unter anderem darauf zurückzuführen, dass die üblicherweise zwischen zwei Brennstoffzellen eines Brennstoffzellenstapels angeordnete Bipolarplatte eine begrenzte elektrische Querleitfähigkeit aufweist.
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Bei einem Gefrierstart strömt zunächst kaltes Kühlmittel in die Brennstoffzelle ein. Die Brennstoffzelle neigt daher insbesondere im Bereich des Kühlmitteleinlasses dazu zu vereisen. Aufgrund dessen kann die elektrochemische Reaktion in der Brennstoffzelle - zumindest lokal - zum Erliegen kommen, so dass in diesem Bereich das Risiko einer schädlichen Potentialerhöhung besonders hoch ist. Durch die vorgeschlagene Anordnung der Kurzschlusseinrichtung im Bereich des Kühlmitteleinlasses wird die resultierende negative Spannung minimiert und somit einer schädlichen Potentialerhöhung entgegengewirkt. Entsprechend steigt die Lebensdauer der Brennstoffzelle. Ferner kann ein schnellerer Gefrierstart realisiert werden, da der zellenindividuelle Kurzschluss optimal umgesetzt wird und der Nachteil der begrenzten elektrischen Querleitfähigkeit der Bipolarplatten nicht mehr so stark ins Gewicht fällt. Dies gilt insbesondere, wenn mit Hilfe der Kurzschlusseinrichtung oder einer mit der Kurzschlusseinrichtung kombinierten Einrichtung zugleich der Strom an der Brennstoffzelle abgegriffen wird. Denn dann wird durch den zellenindividuellen Kurzschluss der Widerstandspfad hin zum Stromabgriff möglichst klein gehalten. Die Minimierung des Widerstandspfads stellt sicher, dass etwaige lokal auftretende, negative Spannungen im tolerierbaren Bereich, beispielsweise unter -50 mV, liegen.
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Neben dem Kühlmitteleinlass weist die Brennstoffzelle einen Kühlmittelauslass sowie weitere Ein- und Auslässe (engl.: „ports“) für die jeweiligen Reaktionsmedien auf. Die Strömungsführung des Kühlmittels und/oder der Reaktionsmedien kann dabei auf unterschiedliche Arten realisiert werden, beispielsweise im „Cross-Flow“, „Co-Flow“ oder „Counter-Flow“. Unabhängig von der jeweiligen Strömungsführung kann der zellenindividuelle Kurzschluss durch die erfindungsgemäße Positionierung der Kurzschlusseinrichtung in der Weise gestaltet werden, dass der Widerstandspfad bei einem Gefrierstart optimal ist. Dies ist der Fall, wenn die Kurzschlusseinrichtung möglichst nahe an der vereisungsgefährdetsten Stelle angeordnet ist. Sofern die Brennstoffzelle mehrere Kühlmitteleinlässe aufweist, sind Varianten denkbar, bei denen für mehrere, ggf. an jeder Stelle, ein separater Stromabgriff mittels einer Kurzschlusseinrichtung erfolgt.
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Die Anordnung der mindestens einen Kurzschlusseinrichtung erfolgt demnach vorzugsweise dort, wo die Vereisungsgefahr am größten ist.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Kurzschlusseinrichtung außerhalb einer aktiven Fläche einer Membran-Elektroden-Anordnung der Brennstoffzelle angeordnet. Dies ist im Grunde bereits dadurch gewährleistet, dass die Anordnung in einem Randbereich erfolgt und sich die Membran oder zumindest die aktive Fläche der Membran in der Regel nicht bis an den Rand der Brennstoffzelle erstreckt. Dadurch ist sichergestellt, dass die Funktion der Brennstoffzelle nicht beeinträchtigt wird.
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Des Weiteren bevorzugt ist die Kurzschlusseinrichtung mittig in Bezug auf die besagte kurze Seite der Brennstoffzelle angeordnet. Der ebenfalls an der besagten kurzen Seite angeordnete Kühlmitteleinlass muss in diesem Fall nicht zwingend mittig angeordnet sein. Es genügt, dass sich der Kühlmitteleinlass und die Kurzschlusseinrichtung an derselben kurzen Seite der Brennstoffzelle befinden. Die mittige Anordnung der Kurzschlusseinrichtung ist insbesondere von Vorteil, wenn der Bereich der höchsten Vereisungsgefahr besonders großflächig ist und sich zumindest annähernd über die gesamte Breite der Brennstoffzelle erstreckt.
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Sofern das Gebiet der höchsten Vereisungsgefahr lokal begrenzt werden kann, beispielsweise auf einen Eckbereich, wird vorgeschlagen, dass die Kurzschlusseinrichtung an einem Ende der kurzen Seite der Brennstoffzelle angeordnet ist, und zwar vorzugsweise an dem Ende, das mit dem Eckbereich zusammenfällt.
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Alternativ wird vorgeschlagen, dass die langen Seiten der Brennstoffzelle jeweils eine Gesamtlänge aufweisen und die Kurzschlusseinrichtung in einem Endbereich einer langen Seite angeordnet ist, dessen Länge weniger als ein Viertel, vorzugsweise weniger als ein Fünftel, weiterhin vorzugsweise weniger als ein Sechstel der Gesamtlänge entspricht. Auch diese Maßnahme ermöglicht eine Positionierung der Kurzschlusseinrichtung im Bereich der höchsten Vereisungsgefahr. Die Kurzschlusseinrichtung wird hierzu nicht an einer kurzen, sondern an einer langen Seite der Brennstoffzelle positioniert.
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Bevorzugt sind in dem Randbereich an der kurzen Seite der Brennstoffzelle, an welcher der Kühlmitteleinlass angeordnet ist., weitere Ein- und/oder Auslässe zur Versorgung der Brennstoffzelle mit den notwendigen Reaktionsgasen ausgebildet. Insbesondere kann die Brennstoffzelle einen Ein- oder Auslass für Wasserstoff sowie einen Ein- oder Auslass für Luft aufweisen. Die Reihenfolge der Anordnung der Ein- und/oder Auslässe ist dabei beliebig.
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Ferner bevorzugt sind in einem Randbereich an der der kurzen Seite gegenüberliegenden weiteren kurzen Seite der Brennstoffzelle ein Auslass für das Kühlmittel sowie weitere Ein- und/oder Auslässe für die Reaktionsgase ausgebildet. Über die Anordnung der weiteren Ein- und/oder Auslässe wird die Strömungsführung des Kühlmittels und der Reaktionsgase vorgegeben.
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Darüber hinaus wird ein Brennstoffzellenstapel vorgeschlagen, der mehrere erfindungsgemäße Brennstoffzellen umfasst. Durch die erhöhte Lebensdauer der erfindungsgemäßen Brennstoffzellen kann auch die Lebensdauer des Brennstoffzellenstapels gesteigert werden. Zudem wird die Gefrierstartfähigkeit des Brennstoffzellenstapels verbessert.
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Die mehreren Brennstoffzellen sind dabei bevorzugt in der Weise orientiert, dass die in den einzelnen Brennstoffzellen vorgesehenen Ein- und Auslässe zur Ausbildung von Medienkanälen exakt übereinander liegen.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen:
- 1 eine schematische Draufsicht auf eine erste erfindungsgemäße Brennstoffzelle,
- 2 eine schematische Draufsicht auf eine zweite erfindungsgemäße Brennstoffzelle und
- 3 eine schematische Draufsicht auf eine dritte erfindungsgemäße Brennstoffzelle.
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Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
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Der 1 ist eine erfindungsgemäße Brennstoffzelle 1 für einen Brennstoffzellenstapel zu entnehmen. Sie weist eine rechteckige Grundform mit zwei kurzen Seiten S1 und S4 sowie zwei langen Seiten S2 und S3 auf. Im Bereich der kurzen Seite S1 sind ein Einlass 6 für ein Kühlmittel, ein Einlass 8 für Luft sowie ein Auslass 9 für Wasserstoff angeordnet. An der kurzen Seite S4 befinden sich die entsprechenden Auslässe 10, 11 sowie ein Einlass 12 für Wasserstoff. Zwischen diesen Bereichen spannt sich ein aktives Feld 7 einer Membran (nicht dargestellt) auf, die den Kern der Brennstoffzelle ausbildet.
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Die aktive Fläche 7 ist von Randbereichen umgeben, wobei in zumindest einem Randbereich 3, 4 oder 5 eine Kurzschlusseinrichtung 2 zum zellenindividuellen Kurzschließen der Brennstoffzelle 1 angeordnet ist. Die optimale Position der Kurzschlusseinrichtung 2 hängt von der Lage eines Vereisungsbereichs 13 ab, in dem die Vereisungsgefahr am größten ist. Die Lage des Vereisungsbereichs 13 wiederum hängt von der Lage des Einlasses 6 für das Kühlmittel ab.
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Erstreckt sich - wie beispielhaft in der 1 dargestellt - der Vereisungsbereich 13 über annähernd die gesamte Breite der Brennstoffzelle 1, kann die Kurzschlusseinrichtung 2 mittig in Bezug auf die kurze Seite S1 oder an einem Ende einer langen Seite S2, S3 angeordnet werden, das an die kurze Seite S1 angrenzt.
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Befindet sich - wie beispielhaft in den 2 und 3 dargestellt - der Vereisungsbereich 13 in einem Eckbereich der Brennstoffzelle 1, kann die Kurzschlusseinrichtung 2 insbesondere am jeweiligen Ende der kurzen Seite S1 oder im jeweiligen Endbereich der langen Seite S2 bzw. S3 angeordnet werden. Der Endbereich ist durch eine Länge L2 definiert, die weniger als ein Viertel der Gesamtlänge L1 der Brennstoffzelle 1 beträgt.
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In den 1 bis 3 erfolgt die Strömungsführung der Luft mittig, und zwar im Gegenstrom zum Wasserstoff und im Gleichstrom mit dem Kühlmittel. Die Erfindung kann aber auch bei anderen Strömungsführungen umgesetzt werden. Relevant ist lediglich die konkrete Position des Einlasses 6 des Kühlmittels, da dieser Einfluss auf die Lage des Vereisungsbereichs 13 hat.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102013226028 A1 [0008]
