DE102021213726A1

DE102021213726A1 - Verfahren zur Konditionierung einer Brennstoffzelleneinheit

Info

Publication number: DE102021213726A1
Application number: DE102021213726.1A
Authority: DE
Inventors: Anton Ringel; Juergen Hackenberg; Julia Drillkens; Michael Giuseppe Marino
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2021-12-02
Filing date: 2021-12-02
Publication date: 2023-06-07

Abstract

Verfahren zur Konditionierung einer Brennstoffzelleneinheit (1) mit gestapelten Brennstoffzellen (2) und in der Brennstoffzelleneinheit (1) Kanäle zum Durchleiten eines Brennstoffes und Kanäle zum Durchleiten eines Oxidationsmittels ausgebildet sind mit den Schritten: Einleiten von Brennstoff in eine Öffnung (45) zum Einleiten für Brennstoff in die Brennstoffzelleneinheit (1), Durchleiten von Brennstoff durch die Kanäle (12) für Brennstoff und Ausleiten des Brennstoffes aus den Kanälen (12) für Brennstoff indem der Brennstoff aus einer Öffnung (46) zum Ausleiten für Brennstoff aus der Brennstoffzelleneinheit (1) ausgeleitet wird, wobei der während der Konditionierung aus der Brennstoffzelleneinheit (1) durch die Öffnung (46) zum Ausleiten des Brennstoffes ausgeleitete Brennstoff wieder zurück als Rezirkulationsbrennstoff in die Öffnung (45) zum Einleiten des Brennstoffes geleitet wird, so dass der Brennstoff in einem Kreislauf durch die Brennstoffzelleneinheit (1) gleitet wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Konditionierung einer Brennstoffzelleneinheit gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 und ein System zur Konditionierung einer Brennstoffzelleneinheit gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 15.
Stand der Technik
Brennstoffzelleneinheiten als galvanische Zellen wandeln mittels Redoxreaktionen an einer Anode und Kathode kontinuierlich zugeführten Brennstoff und Oxidationsmittel in elektrische Energie und Wasser um. Brennstoffzellen werden in den unterschiedlichsten stationären und mobilen Anwendungen eingesetzt, beispielsweise in Häusern ohne Anschluss an ein Stromnetz oder in Kraftfahrzeugen, im Schienenverkehr, in der Luftfahrt, in der Raumfahrt und in der Schifffahrt. In Brennstoffzelleneinheiten sind eine Vielzahl von Brennstoffzellen in einem Stapel als Stack angeordnet.
In Brennstoffzelleneinheiten sind eine große Anzahl von Brennstoffzellen in einem Brennstoffzellenstapel angeordnet. Innerhalb der Brennstoffzellen ist jeweils ein Gasraum für Oxidationsmittel vorhanden, das heißt ein Strömungsraum zum Durchleiten von Oxidationsmittel, wie beispielsweise Luft aus der Umgebung mit Sauerstoff. Der Gasraum für Oxidationsmittel ist von Kanälen an der Bipolarplatte und von einer Gasdiffusionsschicht für eine Kathode gebildet. Die Kanäle sind somit von einer entsprechenden Kanalstruktur einer Bipolarplatte gebildet und durch die Gasdiffusionsschicht gelangt das Oxidationsmittel, nämlich Sauerstoff, zu der Kathode der Brennstoffzellen. In analoger Weise ist ein Gasraum für Brennstoff vorhanden.
Während der Herstellung einer Brennstoffzelleneinheit werden einzelne Brennstoffzellen zu einem Stack als der Brennstoffzelleneinheit gestapelt. Die Komponenten der Brennstoffzellen sind dabei unter anderem auch Anoden, Kathoden und Protonenaustauschermembranen. Die Komponenten der Brennstoffzellen, insbesondere die Elektroden und/oder die Katalysatorschichten, weisen Oxidschichten und Verunreinigungen auf. Insbesondere Protonenaustauschermembranen weisen nach der Anordnung der Brennstoffzellen zu dem Stack eine zu geringe Feuchtigkeit bzw. einen zu geringen Wassergehalt auf. Dadurch würden insbesondere die Protonenaustauschermembranen eine kleine Protonenleitfähigkeit aufweisen und außerdem an den Anoden und Kathoden hohe ohmsche und elektrische Verluste auftreten. Die Oxidschichten und Verunreinigungen reduzieren in nachteiliger Weise die Leistung der Brennstoffzelleneinheit. Um dies zu vermeiden, ist eine Konditionierung der Brennstoffzelleneinheit als dem Stack mit einem Konditionierfluid als einem Konditioniergas notwendig. Während der Konditionierung, auch als „pre-conditioning“ oder „break-in“ bezeichnet, der Brennstoffzelleneinheit wird ein befeuchtetes Gas, im Allgemeinen Luft, durch die Kanäle für Brennstoff und Oxidationsmittel geleitet, damit eine Hydratisierung dieser Komponenten mit Wasser bzw. Feuchtigkeit aus dem Konditioniergas erreicht wird. In dem Verfahren zur Konditionierung werden auch die Oxidschichten und Verunreinigungen entfernt. Darüber hinaus ist es bereits bekannt, zur Konditionierung der Brennstoffzelleneinheit diese zu betreiben, d. h. elektrochemische Energie in elektrische Energie umzuwandeln in dem durch die Kanäle für Brennstoff an die Anode der Brennstoff geleitet wird und simultan durch die Kanäle für das Oxidationsmittel an die Kathoden Oxidationsmittel geleitet wird. Dieses Betreiben der Brennstoffzelleneinheit wird dabei im Allgemeinen in unterschiedlichen, wechselnden Lastzuständen ausgeführt, insbesondere auch mit sehr großen und sehr kleinen Leistungen der Brennstoffzelleneinheit. Dabei tritt ein großer Verbrauch an Wasserstoff als Brennstoff auf, sodass für die Konditionierung hohe Kosten in nachteiliger Weise die Folge sind. Der Wasserstoff wird in einem Überschuss durch die Brennstoffzelleneinheit geleitet.
Aufgrund der physikalischen und chemischen Vorgänge während des Verfahrens zur Konditionierung ist es notwendig, das Konditioniergas als den Brennstoff und das Oxidationsmittel über einen langen Zeitraum von mehreren Stunden durch die Kanäle für Brennstoff und Oxidationsmittel zu leiten bis Verunreinigungen und Oxidschichten, insbesondere an den Elektroden und/oder Katalysatorschichten, entfernt sind und ein ausreichender Wassergehalt der Komponenten Anoden, Kathoden und Protonenaustauschermembran vorhanden ist, d. h. eine Hydratisierung dieser Komponenten mit Wasser bzw. Feuchtigkeit aus dem Konditioniergas erreicht wird. Damit tritt je Brennstoffzelleneinheit ein sehr großer Verbrauch an Brennstoff und damit auch sehr hohe Kosten aufgrund des großen Verbrauches an Brennstoff auf.
Die DE 10 2013 101 829 A1 zeigt in Verfahren zum Einfahren und Befeuchten von Membranelektrodenanordnungen (MEAs) in einem Brennstoffzellenstapel, wobei das Verfahren umfasst: Ausführen von einer Spannungswechselbelastung und einer Befeuchtung der MEAs in dem Brennstoffzellenstapel mit einem oder mehreren Temperaturschritten, wobei die Stromdichte des Stapels innerhalb eines vorbestimmten Bereichs für jeden des einen oder mehreren Temperaturschrittes durchfahren wird; Aufrechterhalten einer Brennstoffzellenstapelspannung innerhalb eines vorbestimmten Bereichs und Aufrechterhalten von Anoden- und Kathodenreaktandenflüssen an einem ungefähren Sollpunkt, während die Stromdichte in dem einen oder mehreren Temperaturschritten zum Einfahren und Befeuchten der MEAs in dem Stapel durchfahren wird, so dass der Stapel an einem vorbestimmten Schwellenwert für ein Brennstoffzellenstapelausgangsspannungsvermögen betrieben werden kann
Offenbarung der Erfindung
Vorteile der Erfindung
Erfindungsgemäßes Verfahren zur Konditionierung einer Brennstoffzelleneinheit mit gestapelten Brennstoffzellen und in der Brennstoffzelleneinheit Kanäle zum Durchleiten eines Brennstoffes und Kanäle zum Durchleiten eines Oxidationsmittels ausgebildet sind mit den Schritten: Einleiten von Brennstoff in eine Öffnung zum Einleiten für Brennstoff in die Brennstoffzelleneinheit, Durchleiten von Brennstoff durch die Kanäle für Brennstoff und Ausleiten des Brennstoffes aus den Kanälen für Brennstoff indem der Brennstoff aus einer Öffnung zum Ausleiten für Brennstoff aus der Brennstoffzelleneinheit ausgeleitet wird, wobei der während der Konditionierung aus der Brennstoffzelleneinheit durch die Öffnung zum Ausleiten des Brennstoffes ausgeleitete Brennstoff wieder zurück als Rezirkulationsbrennstoff in die Öffnung zum Einleiten des Brennstoffes geleitet wird, so dass der Brennstoff in einem Kreislauf durch die Brennstoffzelleneinheit gleitet wird. Die Konditionierung, auch als „preconditioning“ oder „break-in“ bezeichnet, wird vor der normalen Inbetriebnahme der Brennstoffzelleneinheit, beispielsweise vor der Inbetriebnahme in einem Kraftfahrzeug, ausgeführt.
In einer weiteren Ausführungsform wird der aus der Öffnung zum Ausleiten des Brennstoffes ausgeleitete Volumenstrom des Brennstoffes wenigstens teilweise, insbesondere vollständig, als der Rezirkulationsbrennstoff wieder zurück in die Öffnung zum Einleiten des Brennstoffes geleitet.
In einer ergänzenden Variante wird aus dem Rezirkulationsbrennstoff nach dem Ausleiten aus der Öffnung zum Ausleiten des Brennstoffes und vor dem Einleiten in die Öffnung zum Einleiten des Brennstoffes mit einer Wasserabscheidungsvorrichtung Wasser und/oder Feuchtigkeit abgeschieden. Vorzugsweise werden dabei wenigstens 5 %, 10 %, 30 %, 50 %, 70 % oder 90 % des Wassers und/oder der Feuchtigkeit in der Wasserabscheidungsvorrichtung abgeschieden. Aufgrund der elektrochemischen Reaktion entsteht in der Brennstoffzelleneinheit Wasser, so dass mittels des Abscheidens von Wasser und/oder Feuchtigkeit ein zu großer Wassergehalt in dem der Brennstoffzelleneinheit zugeführten Brennstoff vermieden werden kann.
In einer zusätzlichen Ausgestaltung wird das Abscheiden von Wasser und/oder Feuchtigkeit mittels Zyklonabscheidung und/oder Verkleinerung der Strömungsgeschwindigkeit des Rezirkulationsbrennstoffes und/oder Abkühlungsabscheidung ausgeführt. Bei einer Abkühlungsabscheidung wird beispielsweise der Rezirkulationsbrennstoff abgekühlt mit einem Wärmeübertrager und/oder mittels Reduzierung des Druckes als Expansion. Die Verkleinerung der Strömungsgeschwindigkeit des Rezirkulationsbrennstoffes wird insbesondere mittels einer Vergrößerung der Strömungsquerschnittsfläche der Rezirkulationsleitung ausgeführt, sodass dadurch aufgrund der verkleinerten Strömungsgeschwindigkeit des Rezirkulationsbrennstoffes das Abscheiden von Wasser und/oder Feuchtigkeit erhöht wird.
In einer weiteren Ausgestaltung werden aus dem Rezirkulationsbrennstoff nach dem Ausleiten aus der Öffnung zum Ausleiten des Brennstoffes und vor dem Einleiten in die Öffnung zum Einleiten des Brennstoffes mit einer Partikelabscheidungsvorrichtung Partikel abgeschieden. Vorzugsweise weisen die Partikel einen Durchmesser zwischen 0 und 2 mm, insbesondere zwischen 0 und 0,5 mm auf. Zweckmäßig werden unter Partikeln auch Fasern, insbesondere mit einem Durchmesser kleiner als 1 mm, verstanden.
Vorzugsweise werden die Partikeln mit einem Filter und/oder Zyklon als Partikelabscheidungsvorrichtung abgeschieden.
In einer weiteren Variante wird aus dem Rezirkulationsbrennstoff nach dem Ausleiten aus der Öffnung zum Ausleiten des Brennstoffes und vor dem Einleiten in die Öffnung zum Einleiten des Brennstoffes mit einer Gasabscheidungsvorrichtung wenigstens ein von dem Brennstoff unterschiedliches Gas abgeschieden.
Zweckmäßig wird das wenigstens eine Gas mit einer semipermeablen Membran und/oder einem Filter und/oder fraktionierter Destillation des verflüssigten Rezirkulationsbrennstoffes abgeschieden. Bei einer fraktionierten Destillation des verflüssigten Rezirkulationsbrennstoffes wird dieser bis zur Verflüssigung des Rezirkulationsbrennstoffes und der abzuscheidenden Gase in dem Rezirkulationsbrennstoff verflüssigt und anschließend wird mittels fraktionierter Destillation das Abscheiden der Gase ausgeführt, weil die abzuscheidenden Gase einen anderen Siedepunkt aufweisen als der Brennstoff.
In einer zusätzlichen Ausführungsform wird der Rezirkulationsbrennstoff und das wenigstens eine abzuscheidende Gas mittels Abkühlen verflüssigt wird und anschließend die fraktionierte Destillation mit dem verflüssigten Rezirkulationsbrennstoff und dem wenigstens einen abzuscheidenden Gas ausgeführt.
In einer weiteren Variante ist der Filter zum Abscheiden des Gases als ein selektiver Reaktivfilter, insbesondere Aktivkohlefilter, ausgebildet.
Insbesondere wird in die Öffnung zum Einleiten für Brennstoff der Brennstoffzelleneinheit zusätzlich Brennstoff aus einem Brennstoffspeicher eingeleitet zum Ersatz des während des Konditionierens verbrauchten Brennstoffes.
In einer zusätzlichen Variante wird der Rezirkulationsbrennstoff durch eine, insbesondere nur eine, Rezirkulationsleitung gleitet. In einem System zur Konditionierung von Brennstoffzelleneinheiten ist für mehrere, simultan zu konditionierende Brennstoffzelleneinheiten vorzugsweise nur eine Rezirkulationsleitung für sämtliche Brennstoffzelleneinheiten vorhanden. Damit kann der konstruktive Aufbau des Systems vereinfacht werden. Dabei sind vorzugsweise in der, insbesondere nur einen, Rezirkulationsleitung für die mehreren Brennstoffzelleneinheiten die Wasserabscheidungsvorrichtung und/oder die Partikelabscheidungsvorrichtung und/oder die Gasabscheidungsvorrichtung eingebaut oder integriert.
In einer weiteren Ausführungsform wird das Verfahren mit mehreren Brennstoffzelleneinheiten simultan ausgeführt.
In einer ergänzenden Ausgestaltung wird simultan zum Durchleiten von Brennstoff durch die Kanäle für Brennstoff ein Durchleiten eines Oxidationsmittels durch die Kanäle für Oxidationsmittel ausgeführt, so dass während der Konditionierung elektrochemische Energie in elektrische Energie umwandelt wird.
Erfindungsgemäßes System zur Konditionierung wenigstens einer Brennstoffzelleneinheit, umfassend wenigstens eine Brennstoffzelleneinheit, einen Brennstoffspeicher zur Speicherung von Brennstoff, wenigstens eine Gasfördereinrichtung zur Förderung von Oxidationsmittel in die wenigstens eine Brennstoffzelleneinheit, wenigstens eine Brennstoffleitung zur Leitung von Brennstoff von dem Brennstoffspeicher in wenigstens eine Öffnung zum Einleiten für Brennstoff der wenigstens einen Brennstoffzelleneinheit, wobei das System wenigstens eine Rezirkulationsleitung umfasst zur Leitung von Brennstoff von der wenigstens einen Öffnung zum Ausleiten des Brennstoffes aus der wenigstens einen Brennstoffzelleneinheit wieder zurück als Rezirkulationsbrennstoff in die wenigstens Öffnung zum Einleiten des Brennstoffes in die wenigstens einen Brennstoffzelleneinheit und/oder mit dem System ein in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebenes Verfahren ausführbar ist.
In einer weiteren Ausführungsform wird der aus der Öffnung zum Ausleiten des Brennstoffes ausgeleitete Volumenstrom des Brennstoffes zu wenigstens 30%, 50%, 70%, 80%, 90% oder 95% als der Rezirkulationsbrennstoff wieder zurück in die Öffnung zum Einleiten des Brennstoffes geleitet.
In einer zusätzlichen Ausführungsform ist in die Zuführleitung für Brennstoff und/oder in die Brennstoffleitung eine Befeuchtungsvorrichtung und/oder ein Sensor zur Erfassung der Feuchtigkeit eingebaut oder integriert. Für die Befeuchtung von Komponenten der Brennstoffzelleneinheit, insbesondere der Protonenaustauschermembran, kann dadurch die absolute und/oder die relative Feuchtigkeit des Brennstoffes, welches der wenigstens einen Brennstoffzelleneinheit während des Konditionierens zugeführt wird, gesteuert und/oder geregelt werden, insbesondere in Abhängigkeit von der Zeit. Damit kann die Befeuchtung von Komponenten der Brennstoffzelleneinheit optimiert und verbessert werden.
In einer zusätzlichen Ausführungsform ist in die Zuführleitung für Oxidationsmittel eine Befeuchtungsvorrichtung und/oder ein Sensor zur Erfassung der Feuchtigkeit eingebaut oder integriert. Für die Befeuchtung von Komponenten der Brennstoffzelleneinheit, insbesondere der Protonenaustauschermembran, kann dadurch die absolute und/oder die relative Feuchtigkeit des Oxidationsmittels, welches der wenigstens einen Brennstoffzelleneinheit während des Konditionierens zugeführt wird, gesteuert und/oder geregelt werden, insbesondere in Abhängigkeit von der Zeit. Damit kann die Befeuchtung von Komponenten der Brennstoffzelleneinheit optimiert und verbessert werden.
In einer weiteren Variante ist die Gasfördereinrichtung als ein Gebläse oder ein Kompressor ausgebildet.
Insbesondere umfasst die Brennstoffzelleneinheit wenigstens 3, 4, 5 oder 6 Verbindungsvorrichtungen.
In einer weiteren Ausgestaltung sind die Spannelemente plattenförmig und/oder scheibenförmig und/oder eben ausgebildet und/oder als ein Gitter ausgebildet.
Vorzugsweise ist der Brennstoff Wasserstoff, wasserstoffreiches Gas, Reformatgas oder Erdgas.
Zweckmäßig sind die Brennstoffzellen und/oder Komponenten im Wesentlichen eben und/oder scheibenförmig ausgebildet.
In einer ergänzenden Variante ist das Oxidationsmittel Luft, Luft mit einem erhöhten Sauerstoffanteil oder reiner Sauerstoff.
Vorzugsweise ist die Brennstoffzelleneinheit eine PEM-Brennstoffzelleneinheit mit PEM-Brennstoffzellen (Polymerelektrolyt-Membran-Brennstoffzelle).
Figurenliste
Im Nachfolgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt:

1 eine stark vereinfachte Explosionsdarstellung eines Brennstoffzellensystems mit Komponenten einer Brennstoffzelle,
2 eine perspektivische Ansicht eines Teils einer Brennstoffzelle,
3 einen Längsschnitt durch eine Brennstoffzelle,
4 eine perspektivische Ansicht eines Brennstoffzellenstapel ohne Gehäuse,
5 einen Schnitt durch eine Brennstoffzelleneinheit mit Gehäuse,
6 eine stark vereinfachte perspektivische Ansicht einer Bipolarplatte,
7 ein System zur Konditionierung von drei Brennstoffzelleneinheiten.

In den 1 bis 3 ist der grundlegende Aufbau einer Brennstoffzelle 2 als einer PEM-Brennstoffzelle 3 (Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle 3) dargestellt. Das Prinzip von Brennstoffzellen 2 besteht darin, dass mittels einer elektrochemischen Reaktion elektrische Energie bzw. elektrischer Strom erzeugt wird. An eine Anode 7 wird Wasserstoff H₂ als gasförmiger Brennstoff geleitet und die Anode 7 bildet den Minuspol. An eine Kathode 8 wird ein gasförmiges Oxidationsmittel, nämlich Luft mit Sauerstoff, geleitet, d. h. der Sauerstoff in der Luft stellt das notwendige gasförmige Oxidationsmittel zur Verfügung. An der Kathode 8 findet eine Reduktion (Elektronenaufnahme) statt. Die Oxidation als Elektronenabgabe wird an der Anode 7 ausgeführt.
Die Redoxgleichungen der elektrochemischen Vorgänge lauten:

Kathode: O₂ + 4 H⁺ + 4 e^- → 2 H₂O
Anode: 2 H₂ → 4 H⁺ + 4 e^-
Summenreaktionsgleichung von Kathode und Anode: 2 H₂ + O₂ → 2 H₂O

Die Differenz der Normalpotentiale der Elektrodenpaare unter Standardbedingungen als reversible Brennstoffzellenspannung oder Leerlaufspannung der unbelasteten Brennstoffzelle 2 beträgt 1,23 V. Diese theoretische Spannung von 1,23 V wird in der Praxis nicht erreicht. Im Ruhezustand und bei kleinen Strömen können Spannungen über 1,0 V erreicht werden und im Betrieb mit größeren Strömen werden Spannungen zwischen 0,5 V und 1,0 V erreicht. Die Reihenschaltung von mehreren Brennstoffzellen 2, insbesondere eine Brennstoffzelleneinheit 1 mit einem Brennstoffzellenstapel 40 von mehreren übereinander angeordneten Brennstoffzellen 2, weist eine höhere Spannung auf, welche der Zahl der Brennstoffzellen 2 multipliziert mit der Einzelspannung je einer Brennstoffzelle 2 entspricht.
Die Brennstoffzelle 2 umfasst außerdem eine Protonenaustauschermembran 5 (Proton Exchange Membrane, PEM), welche zwischen der Anode 7 und der Kathode 8 angeordnet ist. Die Anode 7 und Kathode 8 sind schichtförmig bzw. scheibenförmig ausgebildet. Die PEM 5 fungiert als Elektrolyt, Katalysatorträger und Separator für die Reaktionsgase. Die PEM 5 fungiert außerdem als elektrischer Isolator und verhindert einen elektrischen Kurzschluss zwischen der Anode 7 und Kathode 8. Im Allgemeinen werden 12 µm bis 150 µm dicke, protonenleitende Folien aus perfluorierten und sulfonierten Polymeren eingesetzt. Die PEM 5 leitet die Protonen H⁺ und sperrt andere Ionen als Protonen H⁺ im Wesentlichen, so dass aufgrund der Durchlässigkeit der PEM 5 für die Protonen H⁺ der Ladungstransport erfolgen kann. Die PEM 5 ist für die Reaktionsgase Sauerstoff O₂ und Wasserstoff H₂ im Wesentlichen undurchlässig, d. h. sperrt die Strömung von Sauerstoff O₂ und Wasserstoff H₂ zwischen einem Gasraum 31 an der Anode 7 mit Brennstoff Wasserstoff H₂ und dem Gasraum 32 an der Kathode 8 mit Luft bzw. Sauerstoff O₂ als Oxidationsmittel. Die Protonenleitfähigkeit der PEM 5 vergrößert sich mit steigender Temperatur und steigenden Wassergehalt.
Auf den beiden Seiten der PEM 5, jeweils zugewandt zu den Gasräumen 31, 32, liegen die Elektroden 7, 8 als die Anode 7 und Kathode 8 auf. Eine Einheit aus der PEM 5 und Anode 7 sowie Kathode 8 wird als Membranelektrodenanordnung 6 (Membran Electrode Assembly, MEA) bezeichnet. Die Elektroden 7, 8 sind mit der PEM 5 verpresst. Die Elektroden 7, 8 sind platinhaltige Kohlenstoffpartikel, die an PTFE (Polytetrafluorethylen), FEP (Fluoriertes Ethylen-Propylen-Copolymer), PFA (Perfluoralkoxy), PVDF (Polyvinylidenfluorid) und/oder PVA (Polyvinylalkohol) gebunden sind und in mikroporösen Kohlefaser-, Glasfaser- oder Kunststoffmatten heißverpresst sind. An den Elektroden 7, 8 sind auf der Seite zu den Gasräumen 31, 32 hin normalerweise jeweils eine Katalysatorschichten 30 aufgebracht (nicht dargestellt). Die Katalysatorschicht 30 an dem Gasraum 31 mit Brennstoff an der Anode 7 umfasst nanodisperses Platin-Ruthenium auf graphitierten Rußpartikeln, die an einem Bindemittel gebunden sind. Die Katalysatorschicht 30 an dem Gasraum 32 mit Oxidationsmittel an der Kathode 8 umfasst analog nanodisperses Platin. Als Bindemittel werden beispielsweise Nation®, eine PTFE-Emulsion oder Polyvinylalkohol eingesetzt.
Abweichend hiervon sind die Elektroden 7, 8 aus einem lonomer, beispielsweise Nation®, platinhaltigen Kohlenstoffpartikeln und Zusatzstoffen aufgebaut. Diese Elektroden 7, 8 mit dem lonomer sind aufgrund der Kohlenstoffpartikel elektrisch leitfähig und leiten auch die Protonen H⁺ und fungieren zusätzlich auch als Katalysatorschicht 30 wegen der platinhaltigen Kohlenstoffpartikel (2 und 3). Membranelektrodenanordnungen 6 mit diesen Elektroden 7, 8 umfassend das lonomer bilden Membranelektrodenanordnungen 6 als CCM (catalyst coated membran).
Auf der Anode 7 und der Kathode 8 liegt eine Gasdiffusionsschicht 9 (Gas Diffusion Layer, GDL) auf. Die Gasdiffusionsschicht 9 an der Anode 7 verteilt den Brennstoff aus Kanälen 12 für Brennstoff gleichmäßig auf die Katalysatorschicht 30 an der Anode 7. Die Gasdiffusionsschicht 9 an der Kathode 8 verteilt das Oxidationsmittel aus Kanälen 13 für Oxidationsmittel gleichmäßig auf die Katalysatorschicht 30 an der Kathode 8. Die GDL 9 zieht außerdem Reaktionswasser in umgekehrter Richtung zur Strömungsrichtung der Reaktionsgase ab, d. h. in einer Richtung je von der Katalysatorschicht 30 zu den Kanälen 12, 13. Ferner hält die GDL 9 die PEM 5 feucht und leitet den Strom. Die GDL 9 ist beispielsweise aus einem hydrophobierten Kohlepapier und einer gebundenen Kohlepulverschicht aufgebaut.
Auf der GDL 9 liegt eine Bipolarplatte 10 auf. Die elektrisch leitfähige Bipolarplatte 10 dient als Stromkollektor, zur Wasserableitung und zur Leitung der Reaktionsgase durch eine Kanalstruktur 29 und/oder ein Flussfeld 29 und zur Ableitung der Abwärme, welche insbesondere bei der exothermischen elektrochemischen Reaktion an der Kathode 8 auftritt. Zum Ableiten der Abwärme sind in die Bipolarplatte 10 Kanäle 14 zur Durchleitung eines flüssigen oder gasförmigen Kühlmittels eingearbeitet. Die Kanalstruktur 29 an dem Gasraum 31 für Brennstoff ist von Kanälen 12 gebildet. Die Kanalstruktur 29 an dem Gasraum 32 für Oxidationsmittel ist von Kanälen 13 gebildet. Als Material für die Bipolarplatten 10 werden beispielsweise Metall, leitfähige Kunststoffe und Kompositwerkstoffe oder Graphit eingesetzt. Die Bipolarplatte 10 umfasst somit die drei Kanalstrukturen 29, gebildet von den Kanälen 12, 13 und 14, zur getrennten Durchleitung von Brennstoff, Oxidationsmittel und Kühlmittel. In einer Brennstoffzelleneinheit 1 mit Brennstoffzellenstapel 40 und/oder einem Brennstoffzellenstack 40 sind mehrere Brennstoffzellen 2 fluchtend gestapelt angeordnet (4). Die Brennstoffzellen 2 und die Komponenten 5, 6, 7, 8, 9, 10 der Brennstoffzellen 2 sind schichtförmig und/oder scheibenförmig ausgebildet und spannen fiktive Ebenen 37 (3) auf. Die Komponenten 5, 6, 7, 8, 9, 10 der Brennstoffzellen 2 sind Protonenaustauschermembranen 5, Anoden 7, Kathoden 8, Gasdiffusionsschichten 9 und Bipolarplatten 10.
In 1 ist eine Explosionsdarstellung von zwei gestapelt angeordneten Brennstoffzellen 2 abgebildet. Eine Dichtung 11 dichtet die Gasräume 31, 32 fluiddicht ab. In einem Druckgasspeicher 21 (1) ist Wasserstoff H₂ als Brennstoff mit einem Druck von beispielsweise 350 bar bis 800 bar gespeichert. Aus dem Druckgasspeicher 21 wird der Brennstoff durch eine Hochdruckleitung 18 zu einem Druckminderer 20 geleitet zur Reduzierung des Druckes des Brennstoffes in einer Mitteldruckleitung 17 von ungefähr 10 bar bis 20 bar. Aus der Mitteldruckleitung 17 wird der Brennstoff zu einem Injektor 19 geleitet. An dem Injektor 19 wird der Druck des Brennstoffes auf einen Einblasdruck zwischen 1 bar und 3 bar reduziert. Von dem Injektor 19 wird der Brennstoff einer Zufuhrleitung 16 für Brennstoff (1) zugeführt und von der Zufuhrleitung 16 den Kanälen 12 für Brennstoff, welche die Kanalstruktur 29 für Brennstoff bilden. Der Brennstoff durchströmt dadurch den Gasraum 31 für den Brennstoff. Der Gasraum 31 für den Brennstoff ist von den Kanälen 12 und der GDL 9 an der Anode 7 gebildet. Nach dem Durchströmen der Kanäle 12 wird der nicht in der Redoxreaktion an der Anode 7 verbrauchte Brennstoff und gegebenenfalls Wasser aus einer kontrollieren Befeuchtung der Anode 7 durch eine Abfuhrleitung 15 aus den Brennstoffzellen 2 abgeleitet.
Eine Gasfördereinrichtung 22, beispielsweise als ein Gebläse 23 oder ein Kompressor 24 ausgebildet, fördert Luft aus der Umgebung als Oxidationsmittel in eine Zufuhrleitung 25 für Oxidationsmittel. Aus der Zufuhrleitung 25 wird die Luft den Kanälen 13 für Oxidationsmittel, welche eine Kanalstruktur 29 an den Bipolarplatten 10 für Oxidationsmittel bilden, zugeführt, so dass das Oxidationsmittel den Gasraum 32 für das Oxidationsmittel durchströmt. Der Gasraum 32 für das Oxidationsmittel ist von den Kanälen 13 und der GDL 9 an der Kathode 8 gebildet. Nach dem Durchströmen der Kanäle 13 bzw. des Gasraumes 32 für das Oxidationsmittel 32 wird das nicht an der Kathode 8 verbrauchte Oxidationsmittel und das an der Kathode 8 aufgrund der elektrochemischen Redoxreaktion entstehenden Reaktionswasser durch eine Abfuhrleitung 26 aus den Brennstoffzellen 2 abgeleitet. Eine Zufuhrleitung 27 dient zur Zuführung von Kühlmittel in die Kanäle 14 für Kühlmittel und eine Abfuhrleitung 28 dient zur Ableitung des durch die Kanäle 14 geleiteten Kühlmittels. Die Zu- und Abfuhrleitungen 15, 16, 25, 26, 27, 28 sind in 1 aus Vereinfachungsgründen als gesonderte Leitungen dargestellt und sind konstruktiv tatsächlich am Endbereich in der Nähe der Kanäle 12, 13, 14 im Brennstoffzellenstapel 40 der Brennstoffzelleneinheit 1 als fluchtende Fluidöffnungen 52 an Abdichtplatten 50 als Verlängerung am Endbereich 51 der aufeinander liegender Bipolarplatten 10 (6) und Membranelektrodenanordnungen 6 (nicht dargestellt) ausgebildet. Die Brennstoffzellen 2 und die Komponenten der Brennstoffzellen 2 sind scheibenförmig ausgebildet und spannen zueinander im Wesentlichen parallel ausgerichtete fiktive Ebenen 37 auf. Die fluchtenden Fluidöffnungen 52 und Dichtungen (nicht dargestellt) in einer Richtung senkrecht zu den fiktiven Ebenen 37 zwischen den Fluidöffnungen 52 bilden somit einen Zuführkanal 53 für Oxidationsmittel, einen Abführkanal 54 für Oxidationsmittel, einen Zuführkanal 55 für Brennstoff, einen Abführkanal 56 für Brennstoff, einen Zuführkanal 57 für Kühlmittel und einen Abführkanal 58 für Kühlmittel. Die Zu- und Abfuhrleitungen 15, 16, 25, 26, 27, 28 außerhalb des Brennstoffzellenstapels 40 der Brennstoffzelleneinheit 1 sind als Prozessfluidleitungen ausgebildet. Die Zufuhr- und Abfuhrleitungen 15, 16, 25, 26, 27, 28 außerhalb des Brennstoffzellenstapels 40 der Brennstoffzelleneinheit 1 münden in die Zuführ- und Abführkanäle 53, 54, 55, 56, 57, 58 innerhalb des Brennstoffzellenstapels 40 der Brennstoffzelleneinheit 1. Der Brennstoffzellenstack 40 als Brennstoffzelleneinheit 1 zusammen mit dem Druckgasspeicher 21 und der Gasfördereinrichtung 22 bildet ein Brennstoffzellensystem 4.
In der Brennstoffzelleneinheit 1 sind die Brennstoffzellen 2 zwischen zwei Spannelementen 33 als Spannplatten 34 angeordnet. Eine obere Spannplatte 35 liegt auf der obersten Brennstoffzelle 2 auf und eine untere Spannplatte 36 liegt auf der untersten Brennstoffzelle 2 auf. Die Brennstoffzelleneinheit 1 umfasst ungefähr 200 bis 400 Brennstoffzellen 2, die aus zeichnerischen Gründen nicht alle in 4 bis 5 dargestellt sind. Die Spannelemente 33 bringen auf die Brennstoffzellen 2 eine Druckkraft auf, d. h. die obere Spannplatte 35 liegt mit einer Druckkraft auf der obersten Brennstoffzelle 2 auf und die untere Spannplatte 36 liegt mit einer Druckkraft auf der untersten Brennstoffzelle 2 auf. Damit ist der Brennstoffzellenstapel 40 verspannt, um die Dichtheit für den Brennstoff, das Oxidationsmittel und das Kühlmittel, insbesondere aufgrund der elastischen Dichtung 11, zu gewährleisten und außerdem den elektrischen Kontaktwiderstand innerhalb des Brennstoffzellenstapels 40 möglichst klein zu halten. Zur Verspannung der Brennstoffzellen 2 mit den Spannelementen 33 sind an der Brennstoffzelleneinheit 1 vier Verbindungsvorrichtungen 38 als Bolzen 39 ausgebildet, welche auf Zug beansprucht sind. Die vier Bolzen 39 sind mit den Spannplatten 34 fest verbunden.
Der Brennstoffzellenstapel 40 ist in einem Gehäuse 42 (5) angeordnet. Das Gehäuse 42 weist eine Innenseite 43 und eine Außenseite 44 auf. Zwischen dem Brennstoffzellenstapel 40 und dem Gehäuse 42 ist ein Zwischenraum 41 ausgebildet. Das Gehäuse 42 ist außerdem von einer Anschlussplatte 47 aus Metall, insbesondere Stahl, gebildet. Das übrige Gehäuse 42 ohne der Anschlussplatte 47 ist mit Fixierungselementen 48 als Schrauben 49 an der Anschlussplatte 47 befestigt. In der Anschlussplatte 47 sowie in der unteren Spannplatte 36 ist eine Öffnung 45 zum Einleiten von Brennstoff in die Kanäle 12 für Brennstoff ausgebildet. Außerdem ist in der Anschlussplatte 47 sowie in der unteren Spannplatte 36 eine Öffnung 46 zum Ausleiten von Brennstoff aus den Kanälen 12 für Brennstoff ausgebildet. In der Anschlussplatte 47 und der unteren Spannplatte 36 als dem Spannelement 33 sind weitere, nicht dargestellte Öffnungen ausgebildet zum Einleiten von Oxidationsmittel, zum Ausleiten von Oxidationsmittel, zum Einleiten von Kühlmittel und zum Ausleiten von Kühlmittel. Damit sind in der Anschlussplatte 47 und der unteren Spannplatte 36 insgesamt 6 Öffnungen ausgebildet (nicht dargestellt).
In 6 ist die Bipolarplatte 10 der Brennstoffzelle 2 stark vereinfacht und schematisierte dargestellt. Die Bipolarplatte 10 umfasst die Kanäle 12, 13 und 14 als drei getrennte Kanalstrukturen 29. Die Kanäle 12, 13 und 14 sind in 6 nicht gesondert dargestellt, sondern lediglich vereinfacht als Schicht einer Kanalstruktur 29. Die Fluidöffnungen 52 an den Abdichtplatten 50 der Bipolarplatten 10 und Membranelektrodenanordnungen 6 (nicht dargestellt) sind fluchtend gestapelt angeordnet innerhalb der Brennstoffzelleneinheit 1, so dass sich Zuführ- und Abführkanäle 53, 54, 55, 56, 57, 58 ausbilden. Dabei sind zwischen den Abdichtplatten 50 der Bipolarplatte 10 nicht dargestellte Dichtungen angeordnet zur fluiddichten Abdichtung der von den Fluidöffnungen 52 gebildeten Zuführ- und Abführkanäle 53, 54, 55, 56, 57, 58. Die Kanäle 14 für das Kühlmittel sind tatsächlich zwischen einer ersten Platte und zweiten Platte (nicht dargestellt) der Bipolarplatte 10 ausgebildet.
Für die Herstellung der Brennstoffzelleneinheit 1 werden die Komponenten der Brennstoffzellen 2 zu Brennstoffzellen 2 gestapelt. Die Brennstoffzellen 2 werden zu dem Brennstoffzellenstack 40 gestapelt. Für einen optimalen Betrieb der Brennstoffzelleneinheit 1 weisen jedoch die Komponenten der Brennstoffzellen 2 für die Umwandlung von elektrochemischer Energie in elektrische Energie negative Eigenschaften auf. Beispielsweise ist die Feuchtigkeit der Protonenaustauschermembran 5 zu gering, sodass dadurch eine zu geringe Leitfähigkeit für Protonen in der Protonenaustauschermembran 5 vorhanden sind. Darüber hinaus sind an den Anoden 7 und Kathoden 8 Oxidschichten und Verunreinigungen vorhanden, welche den Ablauf der elektrochemischen Reaktionen an der Anode 7 und Kathode 8 negativ beeinflussen. Diese, für den Betrieb der Brennstoffzelleneinheit 1 schädlichen Eigenschaften der Komponenten 5, 6, 7, 8, 9, 10 werden in einem Verfahren zur Konditionierung beseitigt.
In 7 ist ein System 59 zur Konditionierung von 3 Brennstoffzelleneinheiten 1 dargestellt. Für die Konditionierung der Brennstoffzelleneinheiten 1 erfolgt ein Betrieb der Brennstoffzelleneinheit 1 in unterschiedlichsten Lastzuständen, sodass durch die Kanäle 12 für Brennstoff der Brennstoff Wasserstoff geleitet wird und durch die Kanäle 13 für Oxidationsmittel das Oxidationsmittel Luft geleitet wird. Die Brennstoffzelleneinheit 1 erzeugt dadurch elektrische Energie und diese elektrische Energie wird während der Konditionierung einem nicht dargestellten Verbraucher für elektrische Energie zugeführt. Das System 59 weist einige Elemente auf, welche den in den vorhergehenden Figuren dargestellten Brennstoffzellensystem 4 entsprechen. Der Druckgasspeicher 21 speichert den Brennstoff Wasserstoff, sodass der Druckgasspeicher 21 einen Brennstoffspeicher 64 bildet. In analoger Weise wie in dem Brennstoffzellensystem 4 wird der Brennstoff durch die Hochdruckleitung 18 als Brennstoffleitung 68 dem Druckminderer 20 zugeführt und von dem Druckminderer 20 durch eine Mitteldruckleitung 17 als Brennstoffleitung 68 dem Injektor 19 zugeführt. Von dem Injektor 19 wird der Brennstoff durch die Zuführleitung 16 als Brennstoffleitung 68 aufgrund einer entsprechenden Abzweigung simultan den 3 Brennstoffzelleneinheit 1 zugeführt. Der Brennstoff wird durch die Zufuhrleitung 16 durch die Öffnung 45 zum Einleiten des Brennstoffes in den Brennstoffzellenstack 40 je einer Brennstoffzelleneinheit 1 eingeleitet.
Die Brennstoffleitung 68 als die Zuführleitung 16 wird für jede Brennstoffzelleneinheit 1 durch eine Konditionierungsvorrichtung 65 geführt. In der Konditionierungsvorrichtung 65 ist ein nicht dargestellter Sensor zur Erfassung des Volumenstromes an Brennstoff und ein Ventil zur Steuerung und/oder Regelung des durch die Brennstoffleitung 68 geleiteten Volumenstromes an Brennstoff angeordnet. Damit wird von der Konditionierungsvorrichtung 65 unabhängig für jede Brennstoffzelleneinheit 1 der Volumenstrom an Brennstoff gesteuert und/oder geregelt, welcher durch die Brennstoffzelleneinheit 1 geleitet wird. Damit kann für jede Brennstoffzelleneinheit 1 ein unabhängiges Programm zur Konditionierung der Brennstoffzelleneinheit 1 mit unterschiedlichen Volumenströmen an Brennstoff in Abhängigkeit von der Zeit ausgeführt werden. In analoger Weise ist in die Konditionierungsvorrichtung 65 die Gasfördereinrichtung 22, beispielsweise ein Gebläse 23 oder ein Kompressor 24 eingebaut oder integriert. Von der Gasfördereinrichtung 22 wird Luft als Oxidationsmittel durch die Zuführleitung 25 in die Brennstoffzelleneinheit 1 eingeleitet. Jeder Brennstoffzelleneinheit 1 ist dabei eine Gasfördereinrichtung 22 zugeordnet. Vorzugsweise ist in die Zuführleitung 25 für Oxidationsmittel ein Sensor zur Erfassung des Volumenstromes an Luft eingebaut. Damit kann in analoger Weise unabhängig für jede Brennstoffzelleneinheit 1 mittels der Steuerung und/oder Regelung der Gasfördereinrichtung 22 der Volumenstrom an Oxidationsmittel, welcher jeder Brennstoffzelleneinheit 1 zugeführt wird, separat und getrennt für jede Brennstoffzelleneinheit 1 gesteuert und/oder geregelt werden. Damit kann auch für jede Brennstoffzelleneinheit 1 während der Konditionierung ein vorgegebener Ablauf an unterschiedlichen Volumenströmen an Oxidationsmittel in Abhängigkeit von der Zeit zugeführt werden. Das Oxidationsmittel wird nach dem Einleiten in dem Brennstoffzellenstack 40 durch die Kanäle 13 für Oxidationsmittel geleitet und anschließend durch die Abfuhrleitung 26 für Oxidationsmittel oder eine entsprechende Öffnung in die Umgebung abgeleitet.
Der Brennstoff, welche durch die Öffnung 45 in den Brennstoffzellenstack 40 eingeleitet worden ist wird anschließend durch die Kanäle 12 für Brennstoff geleitet und anschließend durch die Öffnung 46 zum Ausleiten des Brennstoffes aus dem Brennstoffzellenstack 40 bzw. aus der Brennstoffzelleneinheit 1 abgeleitet. Der aus den Öffnungen 46 der 3 Brennstoffzelleneinheit 1 ausgeleitete Brennstoff wird, insbesondere vollständig, einer Rezirkulationsleitung 60 für Brennstoff zugeführt. Dieser aus den Öffnungen 46 austretende Brennstoff wird somit in der Rezirkulationsleitung 60 als Rezirkulationsbrennstoff gesammelt und anschließend einer Wasserabscheidungsvorrichtung 61 zugeführt. In der Wasserabscheidungsvorrichtung 61 wird überschüssiges Wasser und/oder Wasserdampf abgeschieden. Die Wasserabscheidungsvorrichtung 61 ist beispielsweise als ein Wärmeaustauscher ausgebildet, in dem der Rezirkulationsbrennstoff abgekühlt wird und anschließend durch einen Teilbereich der Rezirkulationsleitung 60 mit einer größeren Strömungsquerschnittsfläche durchgeleitet wird, sodass die Strömungsgeschwindigkeit des Rezirkulationsbrennstoffes stark reduziert ist und sich dadurch Wasser und/oder Feuchtigkeit abscheidet. Anschließend wird der Rezirkulationsbrennstoff einer Partikelabscheidungsvorrichtung 62 zugeführt. In der Partikelabscheidungsvorrichtung 62, beispielsweise als ein Faserfilter oder ein Zyklon ausgebildet, werden Partikel oder kleine Feststoffe abgeschieden. Die Partikel sind beispielsweise Kohlenstoffpartikel aus der Beschichtung der Bipolarplatte 10, Partikel aus dem lonomer oder Partikel aus den Oxidschichten auf den Anoden 7 oder Kathoden 8. Unter Partikeln werden auch Fasern verstanden, beispielsweise Kohlenstofffasern. Anschließend wird der Rezirkulationsbrennstoff einer Gasabscheidungsvorrichtung 63 zugeführt. In der Gasabscheidungsvorrichtung 63 werden Gase, die nicht Brennstoff sind, abgeschieden. Während der Konditionierung bilden sich in der Brennstoffzelleneinheit 1 in den Kanälen 12 für Brennstoff Gase, die nicht erwünscht sind, beispielsweise Stickstoff oder Sauerstoff aus den Kanälen 13 für Oxidationsmittel, sowie Argon, Dämpfe von Lösungsmitteln, Dämpfe von Alkoholen und Kohlendioxid,
Anschließend wird dieser von Feuchtigkeit, Partikel und schädlichen Gasen gereinigte Rezirkulationsbrennstoff durch ein Mischventil 66 der Zuführleitung 16 für Brennstoff zugeführt. Dadurch bildet sich ein Kreislauf für den Brennstoff in dem System 59 zur Konditionierung der Brennstoffzelleneinheit 1 aus. Mit dem Mischventil 66 wird gesteuert, welcher Anteil an neuen Brennstoff aus dem Brennstoffspeicher 64 und welcher Anteil an Rezirkulationsbrennstoff aus der Rezirkulationsleitung 60 der Zuführleitung 16 und damit den Brennstoffzelleneinheiten 1 zugeführt wird. Die Zuführung von Brennstoff aus dem Brennstoffspeicher 64 ist notwendig, weil während des Betriebes der Brennstoffzelleneinheit 1 der Brennstoff verbraucht wird. Für die Konditionierung der Brennstoffzelleneinheit 1 wird der Wasserstoff in einem Überschuss durch die Kanäle 12 für Brennstoff geleitet, sodass während des Durchleitens des Brennstoffes durch die Kanäle 12 für Brennstoff nur ein Teil des Brennstoffes verbraucht wird und damit ein erheblicher Teil des Brennstoffes, welcher nicht verbraucht durch die Öffnungen 46 ausgeleitet wird, mittels der Rezirkulationsleitung 60 wieder verwendet werden kann. Soweit es für den Ablauf der Konditionierung notwendig ist kann überschüssiger Rezirkulationsbrennstoff durch ein Ablassventil 67 in die Umgebung abgeleitet werden.
Insgesamt betrachtet sind mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Konditionierung der Brennstoffzelleneinheit 1 und dem erfindungsgemäßen System 59 zur Konditionierung der Brennstoffzelleneinheit 1 wesentliche Vorteile verbunden. Während der Konditionierung der Brennstoffzelleneinheit 1 wird diese zur Umwandlung von elektrochemischer Energie in elektrische Energie betrieben, sodass Brennstoff durch die Kanäle 12 und Oxidationsmittel durch die Kanäle 13 geleitet wird. Der Brennstoff Wasserstoff wird dabei in einem Überschuss durch die Kanäle 12 für Brennstoff geleitet und damit aus den Öffnungen 46 der Brennstoffzelleneinheiten 1 ein erheblicher Volumenstrom an Brennstoff wieder ausströmt. Dieser Brennstoff wird mittels der Rezirkulationsleitung 60 in dem System 59 wiederverwendet, sodass dadurch in vorteilhafter Weise die Kosten für den Brennstoff während der Konditionierung der Brennstoffzelleneinheiten 1 wesentlich reduziert sind. Der Verbrauch an Brennstoff für die Konditionierung je einer Brennstoffzelleneinheit 1 kann damit wesentlich verkleinert werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102013101829 A1 [0006]

Claims

Verfahren zur Konditionierung einer Brennstoffzelleneinheit (1) mit gestapelten Brennstoffzellen (2) und in der Brennstoffzelleneinheit (1) Kanäle (12) zum Durchleiten eines Brennstoffes und Kanäle (13) zum Durchleiten eines Oxidationsmittels ausgebildet sind mit den Schritten: - Einleiten von Brennstoff in eine Öffnung (45) zum Einleiten für Brennstoff in die Brennstoffzelleneinheit (1), - Durchleiten von Brennstoff durch die Kanäle (12) für Brennstoff und - Ausleiten des Brennstoffes aus den Kanälen (12) für Brennstoff indem der Brennstoff aus einer Öffnung (46) zum Ausleiten für Brennstoff aus der Brennstoffzelleneinheit (1) ausgeleitet wird, dadurch gekennzeichnet, dass der während der Konditionierung aus der Brennstoffzelleneinheit (1) durch die Öffnung (46) zum Ausleiten des Brennstoffes ausgeleitete Brennstoff wieder zurück als Rezirkulationsbrennstoff in die Öffnung (45) zum Einleiten des Brennstoffes geleitet wird, so dass der Brennstoff in einem Kreislauf durch die Brennstoffzelleneinheit (1) gleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der aus der Öffnung (46) zum Ausleiten des Brennstoffes ausgeleitete Volumenstrom des Brennstoffes wenigstens teilweise, insbesondere vollständig, als der Rezirkulationsbrennstoff wieder zurück in die Öffnung (45) zum Einleiten des Brennstoffes geleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem Rezirkulationsbrennstoff nach dem Ausleiten aus der Öffnung (46) zum Ausleiten des Brennstoffes und vor dem Einleiten in die Öffnung (45) zum Einleiten des Brennstoffes mit einer Wasserabscheidungsvorrichtung (61) Wasser und/oder Feuchtigkeit abgeschieden wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Abscheiden von Wasser und/oder Feuchtigkeit mittels Zyklonabscheidung und/oder Verkleinerung der Strömungsgeschwindigkeit des Rezirkulationsbrennstoffes und/oder Abkühlungsabscheidung ausgeführt wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem Rezirkulationsbrennstoff nach dem Ausleiten aus der Öffnung (46) zum Ausleiten des Brennstoffes und vor dem Einleiten (45) in die Öffnung zum Einleiten des Brennstoffes mit einer Partikelabscheidungsvorrichtung (62) Partikel abgeschieden werden.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikeln mit einem Filter und/oder Zyklon als Partikelabscheidungsvorrichtung (62) abgeschieden werden.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem Rezirkulationsbrennstoff nach dem Ausleiten (46) aus der Öffnung zum Ausleiten des Brennstoffes und vor dem Einleiten in die Öffnung (45) zum Einleiten des Brennstoffes mit einer Gasabscheidungsvorrichtung (63) wenigstens ein von dem Brennstoff unterschiedliches Gas abgeschieden wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Gas mit einer semipermeablen Membran und/oder einem Filter und/oder fraktionierter Destillation des verflüssigten Rezirkulationsbrennstoffes abgeschieden wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Rezirkulationsbrennstoff mittels Abkühlen verflüssigt wird und anschließend die fraktionierte Destillation mit dem verflüssigten Rezirkulationsbrennstoff ausgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Filter zum Abscheiden des Gases als ein selektiver Reaktivfilter, insbesondere Aktivkohlefilter, ausgebildet ist.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in die Öffnung (45) zum Einleiten für Brennstoff der Brennstoffzelleneinheit zusätzlich Brennstoff aus einem Brennstoffspeicher (64) eingeleitet wird zum Ersatz des während des Konditionierens verbrauchten Brennstoffes.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rezirkulationsbrennstoff durch eine, insbesondere nur eine, Rezirkulationsleitung (60) gleitet wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren mit mehreren Brennstoffzelleneinheiten (1) simultan ausgeführt wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass simultan zum Durchleiten von Brennstoff durch die Kanäle (12) für Brennstoff ein Durchleiten eines Oxidationsmittels durch die Kanäle (13) für Oxidationsmittel ausgeführt wird, so dass während der Konditionierung elektrochemische Energie in elektrische Energie umwandelt wird.
System (59) zur Konditionierung wenigstens einer Brennstoffzelleneinheit (1), umfassend - wenigstens eine Brennstoffzelleneinheit (1), - einen Brennstoffspeicher (64) zur Speicherung von Brennstoff, - wenigstens eine Gasfördereinrichtung (22) zur Förderung von Oxidationsmittel in die wenigstens Brennstoffzelleneinheit (1) - wenigstens eine Brennstoffleitung (68) zur Leitung von Brennstoff von dem Brennstoffspeicher (64) in wenigstens eine Öffnung (45) zum Einleiten für Brennstoff der wenigstens einen Brennstoffzelleneinheit (1), dadurch gekennzeichnet, dass System (59) wenigstens eine Rezirkulationsleitung (60) umfasst zur Leitung von Brennstoff von der wenigstens einen Öffnung (46) zum Ausleiten des Brennstoffes aus der wenigstens einen Brennstoffzelleneinheit (1) wieder zurück als Rezirkulationsbrennstoff in die wenigstens Öffnung (45) zum Einleiten des Brennstoffes in die wenigstens einen Brennstoffzelleneinheit (1) und/oder mit dem System (59) ein Verfahren gemäß einem oder mehrerer der vorhergehenden Ansprüche ausführbar ist.