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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Konditionieren einer Brennstoffzelle, sowie ein Computerprogramm und ein Steuergerät, die derartige Verfahren ausführen, sowie ein Fahrzeug mit derartigen Verfahren.
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Stand der Technik
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In einer Niedertemperatur-Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle eines Brennstoffzellenaggregats z. B. eines Brennstoffzellensystems beispielsweise eines Brennstoffzellenfahrzeugs erfolgt eine elektrochemische Wandlung zweier Reaktanten zweier Betriebsmedien in elektrische Energie und Wärme. Hierbei umfasst die Brennstoffzelle zumindest eine Membran-Elektroden-Einheit, welche einen Schichtaufbau aus einer ionen- bzw. protonenleitenden Membran und beidseitig an der Membran vorgesehener, katalytischer Elektroden (Anoden- und Kathodenelektrode als Reaktivschichten) aufweist. In der Regel ist die Brennstoffzelle mit einer Vielzahl von in einem Stapel (Stack) angeordneter Membran-Elektroden-Einheiten ausgebildet. Nach einem Herstellungsprozess eines Brennstoffzellenaggregats muss dessen Brennstoffzelle initial konditioniert werden, damit dieses in einem späteren Nutzbetrieb ordnungsgemäß funktionieren kann und die volle Leistungsfähigkeit hergestellt wird. Während des Konditionierprozesses werden Oxidbeläge und Verunreinigungen von der Katalysatoroberfläche, die aus dem Herstellungsprozess stammen, entfernt. Weiterhin werden der Wasserhaushalt der Membran und der lonomerkomponente im Katalysatorbereich eingestellt. Zur Konditionierung wird der neue Stack üblicherweise an einem Prüfstand oder einem Konditionierstand mit einem speziellen Ablaufprogramm betrieben.
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Aufgabenstellung
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung ein verbessertes Verfahren zum Konditionieren einer Brennstoffzelle oder eines Brennstoffzellenaggregats anzugeben.
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Offenbarung der Erfindung
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Dazu ist das Konditionierverfahren zweistufig ausgeführt; der erste Konditionierschritt ist Bestandteil der Herstellung der Brennstoffzelle, der zweite Konditionierschritt wird nach dem Einbau der Brennstoffzelle in ein Fahrzeug durchgeführt. Dadurch wird die Herstellzeit für die Brennstoffzelle verkürzt.
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Die Erfindung betrifft also ein Verfahren zum Konditionieren einer Brennstoffzelle für ein Brennstoffzellenfahrzeug. Die Brennstoffzelle weist mindestens eine Einzelzelle mit einem Anodenraum und einem Kathodenraum auf. Das Verfahren umfasst einen ersten Konditionierschritt mit invertierter Gasversorgung und einen zweiten Konditionierschritt mit betrieblicher Gasversorgung. Die Brennstoffzelle wird zwischen den beiden Konditionierschritten in ein Fahrzeug eingebaut.
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Die Erfindung umfasst demzufolge auch ein Verfahren für eine in dem ersten Konditionierschritt mit invertierter Gasversorgung vorkonditionierte Brennstoffzelle. Die Brennstoffzelle wird danach in ein Fahrzeug eingebaut, und anschließend wird mit betrieblicher Gasversorgung der zweite Konditionierschritt durchgeführt.
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Betriebliche Gasversorgung bedeutet, dass die Brennstoffzelle mit den beiden Reaktionsgasen wie im laufenden Betrieb versorgt wird. Das heißt der Anodenraum wird mit Brenngas, bevorzugt Wasserstoff, und der Kathodenraum mit einem Oxidationsmittel, bevorzugt Luft oder Sauerstoff, versorgt.
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Im ersten Konditionierschritt ist die Gasversorgung jedoch invertiert: Das heißt der Anodenraum wird mit dem Oxidationsmittel und der Kathodenraum mit dem Brenngas versorgt.
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Das vorgeschlagene Verfahren erlaubt die Konditionierung einer Brennstoffzelle, insbesondere einer Brennstoffzelle mit Polymerelektrolytmembran, im Vergleich zum Stand der Technik in deutlich geringerer Zeitdauer, und auch mit reduziertem Wasserstoffverbrauch. Ein Teil der Konditionierung wird in den späteren Fahrzeugbetrieb ohne zusätzliche erforderliche Maßnahmen verlagert.
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Während des ersten Konditionierschritts werden bevorzugt wechselnde Lastzustände und OCV (open circuit voltage, Leerlaufspannung) miteinander kombiniert. Mit der dabei invertierten Elektrodenzuordnung bzw. invertierten Gasversorgung können Verbesserungen der Konditionierwirkung erzielt werden. Eine weitere Verbesserung der Konditionierwirkung durch die Invertierung der Gasversorgung wird dadurch erzielt, dass der Wassertransport durch die Membran, der der Bewegungsrichtung der Protonen folgt (der sogenannte „water-drag“), dadurch auch in umgekehrter Richtung wie im späteren eigentlichen Betrieb stattfindet. Dadurch werden zusätzliche lonenkanäle in der Membran begünstigt, die wiederum zu einer verbesserten Funktionalität führen.
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Die eigentliche Aktivierung des Katalysators, bevorzugt Platin-Katalysators, durch Entfernung der Platinoxide auf der Anodenseite erfolgt erst, wenn die Brennstoffzelle mit der eigentlich vorgesehenen Polarität betrieben wird, also mit der Applikation von Wasserstoff auf der Anodenseite der Brennstoffzelle, also im zweiten Konditionierschritt. Das kann bevorzugt erst mit dem Erstbetrieb bzw. zu Beginn des Erstbetriebs im Fahrzeug erfolgen.
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Da die Aktivierung des kathodenseitigen Katalysators, gegenüber dem der Anodenseite, den ausschlaggebenden Faktor für die Leistungsfähigkeit der Zelle bzw. der Brennstoffzelle darstellt, kann die Konditionierung während des ersten Konditionierschritts auf diesen Aspekt konzentriert werden. Für die Aktivierung der Anodenseite im zweiten Konditionierschritt sind keine außergewöhnlichen Prozesse oder Betriebszustände erforderlich, die nicht auch im normalen Fahrzeugbetrieb bereitgestellt werden können. So kann die Zeit für die Herstellung einer Brennstoffzelle deutlich reduziert werden.
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Die Erfindung umfasst auch ein Computerprogramm für ein Steuergerät eines Fahrzeugs, insbesondere eines Brennstoffzellenfahrzeugs. Das Computerprogramm umfasst Befehle, welche bei Ausführung einen Computer veranlassen, ein Verfahren wie oben beschrieben durchzuführen.
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Insbesondere ist das Brennstoffzellenaggregat mit der Brennstoffzelle in einem Brennstoffzellenfahrzeug verbaut. Das Fahrzeug weist ein Steuergerät auf. Das Steuergerät kann als Steuergerät für die Brennstoffzelle bzw. für das Brennstoffzellenaggregat ausgeführt sein; es ist bevorzugt ferner als ein Motorsteuergerät des Brennstoffzellenfahrzeugs ausgebildet. Bevorzugt wird der zweite Konditionierschritt somit durch das Steuergerät eingeleitet. D. h. die Brennstoffzelle wird in dem zweiten Konditionierschritt durch das Brennstoffzellenfahrzeug konditioniert.
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Ferner umfasst die Erfindung auch das Fahrzeug, welches ein oben beschriebenes Verfahren oder Computerprogramm ausführt, durch welche dann der zweite Konditionierschritt im Fahrzeug durchgeführt wird.
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Figurenliste
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Die Erfindung ist im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügte schematische und nicht maßstabsgetreue Zeichnung näher erläutert. Bei der Erfindung kann ein Merkmal positiv, d. h. vorhanden, oder negativ, d. h. abwesend, ausgestaltet sein. In dieser Spezifikation ist ein negatives Merkmal als Merkmal nicht explizit erläutert, wenn nicht gemäß der Erfindung Wert daraufgelegt ist, dass es abwesend ist. D. h. die tatsächlich gemachte und nicht eine durch den Stand der Technik konstruierte Erfindung darin besteht, dieses Merkmal wegzulassen. Das Fehlen eines Merkmals (negatives Merkmal) in einem Ausführungsbeispiel zeigt, dass das Merkmal optional ist. - In den lediglich beispielhaften und schematischen Figuren (Fig.) der Zeichnung zeigen:
- 1 in einem vereinfachten Blockschaltbild eine Ausführungsform eines Brennstoffzellenaggregats gemäß der Erfindung,
- 2 in einem Blockdiagramm ein Verfahren gemäß dem Stand der Technik zum Herstellen einer Brennstoffzelle bzw. eines Brennstoffzellenaggregats inkl. einem Prozess zum Konditionieren,
- 3 in einem Blockdiagramm ein Verfahren gemäß der Erfindung zum Herstellen einer Brennstoffzelle bzw. eines Brennstoffzellenaggregats inkl. einem 2-stufigen Prozess zum Konditionieren.
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Ausführungsformen der Erfindung
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Die Erfindung ist anhand von Ausführungsformen einer Herstellungskette für elektrochemische Zellen, insbesondere Brennstoffzellen 10, oder Brennstoffzellenaggregate 1, bevorzugt für ein Niedertemperatur-Polymerelektrolyt-Brennstoffzellensystem eines Brennstoffzellenfahrzeugs, d. h. eines Kraftfahrzeugs aufweisend eine Brennstoffzelle bzw. ein Brennstoffzellensystem, und einem Verfahren zum initialen Konditionieren einer Brennstoffzelle 10 oder eines Brennstoffzellenaggregats 1 eines Brennstoffzellenfahrzeugs näher erläutert.
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In der Zeichnung sind nur diejenigen Abschnitte des Brennstoffzellensystems dargestellt, welche für ein Verständnis der Erfindung notwendig sind. Obwohl die Erfindung im Detail durch bevorzugte Ausführungsbeispiele näher beschrieben und illustriert ist, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Ausführungsbeispiele eingeschränkt. Andere Variationen können hieraus abgeleitet werden ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen. Ferner kann die Erfindung auf eine elektrochemische Zelle angewendet werden.
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Die 1 zeigt das Brennstoffzellenaggregat 1 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform, mit wenigstens einer, insbesondere einer Mehrzahl von zu einem Brennstoffzellenstapel 10, ebenfalls als Brennstoffzelle 10 bezeichnet, gebündelten Einzel-Brennstoffzellen 11 (Einzelzelle 11), die in einem bevorzugt fluiddichten Stapelgehäuse 16 untergebracht sind. Jede Einzelzelle 11 umfasst einen Anodenraum 12, ggf. mit einer Gasdiffusionslage, und einen Kathodenraum 13, ggf. mit einer Gasdiffusionslage, die von einer Membran-Elektroden-Einheit 14 (MEA: Membrane Electrode Assembly) räumlich und elektrisch voneinander getrennt sind (vgl. Detailausschnitt).
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Zwischen zwei direkt zueinander benachbarten Membran-Elektroden-Einheiten 14 ist jeweils eine Bipolarplatte 15 angeordnet, welche einer Zuführung von Betriebsmedien 3, 5 in einen Anodenraum 12 einer ersten Einzelzelle 11 und einen Kathodenraum 13 einer direkt dazu benachbarten zweiten Einzelzelle 11 dient und darüber hinaus eine elektrisch leitende Verbindung zwischen diesen Einzelzellen 11 realisiert. - Zur Versorgung der Brennstoffzelle 10 mit ihren eigentlichen Betriebsmedien 3 (Anoden-Betriebsmedium, eigentlicher Brennstoff), 5 (Kathoden-Betriebsmedium) weist das Brennstoffzellenaggregat 1 eine Anodenversorgung 20 und eine Kathodenversorgung 30 auf.
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Die Anodenversorgung 20 umfasst insbesondere: einen Brennstoffspeicher 23 für das Anoden-Betriebsmedium 3 (hinströmend); einen Anoden-Versorgungspfad 21 mit einen Ejektor 24; einen Anoden-Abgaspfad 22 für ein Anoden-Abgas 4 (abströmend, meist in die Umgebung 2); bevorzugt eine Brennstoff-Rezirkulationsleitung 25 mit einer darin befindlichen Fluid-Fördereinrichtung 26 und ggf. einen Wasserabscheider.
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Die Kathodenversorgung 30 umfasst insbesondere: einen Kathoden-Versorgungspfad 31 für das Kathoden-Betriebsmedium 5 (hinströmend, meist aus der Umgebung 2), mit bevorzugt einer Fluid-Fördereinrichtung 33; einen Kathoden-Abgaspfad 22 für ein Kathoden-Abgas 6 (abströmend, meist in die Umgebung 2) mit bevorzugt einer Turbine 34, ggf. der eines Abgasturboladers; bevorzugt einem Feuchteübertrager 36; ggf. einem Wastegate 35 zwischen dem Kathoden-Versorgungspfad 31 und dem Kathoden-Abgaspfad 22; und ggf. einen Wasserabscheider.
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Das Brennstoffzellenaggregat 1 umfasst ferner insbesondere eine Kühlmediumversorgung 40, durch welche hindurch die Brennstoffzelle 10 bevorzugt mittels ihrer Bipolarplatten 15 in einen Kühlkreislauf wärmeübertragend zum Temperieren einbindbar ist. Die Kühlmediumversorgung 40 umfasst einen Kühlmedium-Zulaufpfad 41 und einen Kühlmedium-Ablaufpfad 42. Eine Förderung des in der Kühlmediumversorgung 40 zirkulierenden Kühlmediums 7 (hinströmend), 8 (abströmend) erfolgt bevorzugt mittels wenigstens einer Kühlmedium-Fördereinrichtung 43. Des Weiteren kann das Brennstoffzellenaggregat 1 ein Steuergerät 50 (vgl. u.) zum Ansteuern der Brennstoffzelle 10 umfassen. - Das Brennstoffzellensystem umfasst neben dem Brennstoffzellenaggregat 1 periphere Systemkomponenten.
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Die 2 zeigt eine herkömmliche Herstellungskette für Brennstoffzellen 10 oder Brennstoffzellenaggregate 1, wobei mit Schritt 100 bevorzugt im Wesentlichen sämtliche Prozesse einer Montage der Brennstoffzellen 10 oder Brennstoffzellenaggregate 1 durch Montageeinrichtungen bei einem einzigen Brennstoffzellen-Hersteller bezeichnet sind. Der Begriff Montageeinrichtung soll hierbei weit gefasst sein und manuelle Arbeitsplätze, automatisierte Arbeitsstationen, Montagemaschinen etc. umfassen. In einem auf diesen mittelbar oder unmittelbar folgenden Schritt 110 erfolgt ein Prozess eines initialen Konditionierens der Brennstoffzellen 10 oder Brennstoffzellenaggregate 1 im Rahmen der Herstellungskette.
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Mittelbar oder unmittelbar anschließend erfolgt im Schritt 120 ein Prozess einer Überprüfung der Brennstoffzellen 10 oder Brennstoffzellenaggregate 1 in einer Prüfeinrichtung der Herstellungskette. Ergibt die Prüfung, dass eine Brennstoffzelle 10 oder ein Brennstoffzellenaggregat 1 ordnungsgemäß funktioniert (positives Ergebnis in Schritt 122 => Schritt 130), dann kann sie oder es verpackt und zu einem Fahrzeug-Hersteller verfrachtet werden (Schritt 130). Falls nicht (negatives Ergebnis in Schritt 122 => Schritt 100), dann wird die Brennstoffzelle 10 oder das Brennstoffzellenaggregat 1 mehr oder weniger wieder demontiert und zurück in die Montage gespeist (Schritt 100).
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Aus der
US7078118B2 ist es bekannt den Schritt des Konditionierens 110 in mehrere Teilschritte mit Gaswechselzyklen zu unterteilen. Gaswechselzyklen bedeuten ein alternierendes Versorgen des Anodenraums 12 der Einzelzellen 11 mit Anoden-Betriebsmedium 3 und Kathoden-Betriebsmedium 5 und des Kathodenraums 13 mit Kathoden-Betriebsmedium 5 und Anoden-Betriebsmedium 3. Während des Konditionierens 110 wird also die Elektrodenzuordnung gegenüber dem eigentlichen Betriebszustand vertauscht, d.h. der spätere Anodenraum 12 der Einzelzellen 11 im Brennstoffzellenstapel 10 wird zum Konditionieren 110 mit Luft bzw. Sauerstoff versorgt, und der spätere Kathodenraum 13 mit Wasserstoff. Wird die Einzelzelle 11 bzw. der Brennstoffzellenstapel 10 dann an einer Last betrieben, hat das zur Folge, dass das Elektrodenpotential des späteren Kathodenraums 13 auf nahe 0V gebracht wird und damit eine effektive Reduktion, der von der Zellherstellung vorhandenen, Platinoxide erreicht wird. Der Katalysator kann damit optimal durch die Bildung von metallischem Platin aktiviert werden:
PtO2+ 2H2 → Pt + 2H2O. -
Damit wird ein entscheidender Beitrag zur Konditionierung des Brennstoffzellenstapels 10 erzielt.
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Erfindungsgemäß erfolgt jetzt während des Konditionierens nur noch ein einziger Gaswechselzyklus bzw. ein einziger Schritt mit invertierter Gasversorgung. Der „Gaswechsel“ - und damit die Vervollständigung der Konditionierung - wird nun auf die Betriebsphase des Brennstoffzellenstapels 10 verschoben. Die Prozesszeit für die Konditionierung während des Herstellvorgangs wird dadurch deutlich verkürzt.
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Dazu zeigt 3 eine erfindungsgemäße Herstellungskette für Brennstoffzellen 10 oder Brennstoffzellenaggregate 1. Nach den Montageschritten 100 erfolgt ein erster Konditionierschritt 110a mit invertierter Gasversorgung. Danach erfolgt das Ausliefern der Brennstoffzelle 10 bzw. das Brennstoffzellenaggregat 1 an den
Fahrzeug-Hersteller. Ein zweiter Konditionierschritt 110b - mit „üblicher“ bzw. betrieblicher Gasversorgung - erfolgt dann beim Fahrzeug-Hersteller oder auch erst beim Endkunden nach dem Einbau der Brennstoffzelle 10 bzw. des Brennstoffzellenaggregats 1 ins Fahrzeug.
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Optional kann während des Fahrzeugbetriebs auch noch der Überprüfungsschritt 120, beispielsweise im Rahmen einer Instandhaltung, erfolgen.
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Zur Umsetzung der vorgeschlagenen Erfindung kann der erste Konditionierschritt 110a mit einer gewöhnlich verfügbaren Konditioniereinrichtung erfolgen. Nur die Gasversorgungen sind während der Durchführung des ersten Konditionierschritts 110a umgekehrt zum später vorgesehenen Betriebszustand anzuschließen, also die Kathodenversorgung 30 an Wasserstoff und die Anodenversorgung 20 an Sauerstoff bzw. Luft. Das Brennstoffzellenaggregat 1 kann dann mit einem einfachen Konditionierprotokoll mit Lastwechseln, beispielsweise bestehend aus strom-bzw. spannungskontrollierten Laststufen und OCV Phasen, betrieben werden. Optional sind hierzu verringerte Leistungsniveaus umzusetzen, da die Katalysatorbeladungen, entsprechend dem invertierten Zustand, nur eine geringere Maximalleistung zulässt. Insgesamt kann die Dauer des ersten Konditionierschritts 110a gegenüber einer konventionellen Konditionierung deutlich verkürzt werden, beispielsweise von 120 Minuten auf 30 Minuten. Es ist hierbei keine Erreichung der maximalen Leistung des Brennstoffzellenaggregats 1 erforderlich; diese erfolgt dann im zweiten Teilabschnitt beim Betrieb in der Anwendung, also während des zweiten Konditionierschritts 110b.
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Bevorzugt weist das Fahrzeug das Brennstoffzellenaggregat 1 mit einem Steuergerät auf. Das Steuergerät bzw. ein Computerprogramm des Steuergeräts wiederum veranlasst das Brennstoffzellenaggregat 1 beim Erstbetrieb bzw. zu Beginn des Erstbetriebs den zweiten Konditionierschritt 110b durchzuführen. Da der zweite Konditionierschritt 110b mit der betrieblichen Gasversorgung abläuft - also die Kathodenversorgung 30 an Sauerstoff bzw. Luft und die Anodenversorgung 20 an Wasserstoff anliegt - müssen hierfür keinerlei Umbaumaßnahmen an der Brennstoffzelle 10 erfolgen.
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Beispielsweise erhält ein Käufer sein Brennstoffzellenfahrzeug von einem Händler; z. B. auf dessen Parkplatz erfolgt wird dann aktiv (z. B. manuell) und/oder passiv (z. B. automatisiert) ausgelöst eine Aufforderung an das Steuergerät des Brennstoffzellenaggregats 1, dessen Brennstoffzelle 10 mit dem zweiten Konditionierschritt 110b zu konditionieren. In der zeitlichen Folge wird die Brennstoffzelle 10 gesteuert, geregelt und/oder überwacht durch das Steuergerät final konditioniert. Nach dem vollständig abgeschlossenen Konditionieren ist das Brennstoffzellenfahrzeug betriebsbereit; das Brennstoffzellenfahrzeug kann nun normal und ggf. mit Nennleistung betrieben werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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