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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Konditionieren einer Membran-Elektroden-Einheit für eine Brennstoffzelle sowie eine Brennstoffzelleneinheit.
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Kernstück jeder Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzelle (PMFC) bildet die Membran-Elektroden-Einheit, durch welche die Umwandlung chemisch gebundener Energie in elektrische Energie erfolgt. Die Membran-Elektroden-Einheit umfasst eine Polymermembran, die vor einem Normalbetrieb der Brennstoffzelle ein Konditionierungsverfahren durchlaufen muss, um deren Leistungspotential zu erhöhen. Die Brennstoffzelle wird hierfür nach der Fertigung in einem Teststand installiert und durchläuft eine definierte Abfolge verschiedener elektrischer Lasten, Temperatur-, Feuchtigkeits- und Druckbedingungen. Ein solches Konditionierungsverfahren erfordert einen hohen Zeit- und Energieaufwand und bildet somit einen signifikanten Kostenfaktor von Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzellen. Zudem wird das Leistungspotential der Membran-Elektroden-Einheit durch ein solches Konditionierungsverfahren nicht vollständig ausgeschöpft.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Konditionieren einer Membran-Elektroden-Einheit bereitzustellen, durch welches eine einfache und schnelle Konditionierung ermöglicht ist und eine hohe Leistungsdichte der Membran-Elektroden-Einheit erreicht wird. Zudem ist es Aufgabe der Erfindung eine Brennstoffzelleneinheit bereitzustellen, die ein hohes Leistungspotential sowie reduzierte Herstellungskosten aufweist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zum Konditionieren einer Membran-Elektroden-Einheit für eine Brennstoffzelle, das vor einem Normalbetrieb der Brennstoffzelle zumindest einmalig durchgeführt wird, gelöst, bei welchem die Membran-Elektroden-Einheit im Wechsel mit einem ersten Fluid und zumindest einem weiteren Fluid beaufschlagt wird, wobei durch den Wechsel zwischen den zumindest zwei Fluiden ein Potentialwechsel an der Membran-Elektroden-Einheit bewirkt wird.
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Bei diesem Konditionierungsverfahren wird die Membran-Elektroden-Einheit, insbesondere die Polymermembran der Membran-Elektroden-Einheit, im Wechsel vollflächig mit den zumindest zwei Fluiden in Kontakt gebracht.
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Zur Konditionierung können insbesondere mehrere aufeinanderfolgende Wechsel zwischen den zumindest zwei Fluiden vorgesehen sein, so dass auf die Membran-Elektroden-Einheit eine Vielzahl Potentialwechsel wirken.
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Durch den Wechsel zwischen den zumindest zwei Fluiden kann ein einfaches und schnelles Konditionierungsverfahren zum Erreichen einer hohen Leistungsdichte der Membran-Elektroden-Einheit erreicht sein.
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Eine bevorzugte Ausgestaltung des Verfahrens kann vorsehen, dass das erste Fluid und das zumindest eine weitere Fluid unterschiedliche Fluidtemperaturen, unterschiedliche Fluiddrücke und/oder unterschiedliche Konzentrationen eines Konditionierungsmediums aufweisen.
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Indem während der Konditionierung definierte Fluidtemperaturen, Fluiddrücke und/oder Konzentrationen eines Konditionierungsmediums auf die Membran-Elektroden-Einheit eingestellt werden, kann eine entsprechende Regelung der Konditionierung vorgesehen werden.
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Die Fluidtemperaturen, Fluiddrücke und/oder Konzentrationen des Konditionierungsmediums des ersten Fluids und des zumindest einen weiteren Fluids können dabei bevorzugt unabhängig voneinander regelbar sein.
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In einer Weiterbildung des Verfahrens kann das erste Fluid und/oder das zumindest eine weitere Fluid zwischen den Wechseln unterschiedliche Fluidtemperaturen, unterschiedliche Fluiddrücke und/oder unterschiedliche Konzentrationen eines Konditionierungsmediums aufweisen.
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Dadurch kann bei jedem Wechsel zwischen den zumindest zwei Fluiden ein definiert geregelter Potentialwechsel erreicht werden, wodurch eine besonders hohe Leistungsdichte der Membran-Elektroden-Einheit ermöglicht werden kann.
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Eine Ausgestaltung des Verfahrens kann vorsehen, dass die Membran-Elektroden-Einheit vor und/oder während dem Beaufschlagen mit dem ersten Fluid und/oder dem zumindest einen weiteren Fluid und/oder zwischen einem Wechsel der zumindest zwei Fluide mit Wasserdampf beaufschlagt wird.
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Auf diese Weise kann die Membran-Elektroden-Einheit, insbesondere die Polymermembran, während der Konditionierung mit Wasserdampf benetzt und entsprechend befeuchtet werden, um eine Beschädigung der Polymermembran während des Konditionierungsverfahrens zu vermeiden.
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Eine weitere Ausgestaltung des Verfahrens kann vorsehen, dass wenigstens eines der zumindest zwei Fluide vor dem Beaufschlagen der Membran-Elektroden-Einheit mit Wasserdampf gemischt wird.
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Dadurch kann eine einfache Regelung der Befeuchtung der Membran-Elektroden-Einheit erreicht sein.
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Die Mischung wenigstens eines der zumindest zwei Fluide mit Wasserdampf kann alternativ oder ergänzend zu dem Beaufschlagen der Membran-Elektroden-Einheit mit Wasserdampf vor und/oder während dem Beaufschlagen mit dem ersten Fluid und/oder dem zumindest einen weiteren Fluid und/oder zwischen einem Wechsel der zumindest zwei Fluide erfolgen.
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Vorteilhafterweise kann die Membran-Elektroden-Einheit bei dem Verfahren mit einer Fluidtemperatur des ersten Fluids und/oder einer Fluidtemperatur des zumindest einen weiteren Fluids zwischen 0 °C und 120 °C, insbesondere zwischen 10 °C und 80 °C, beaufschlagt werden. Die Temperierung der Membran-Elektroden-Einheit und/oder der Brennstoffzelleneinheit kann insbesondere über ein oder mehrere identisch oder unterschiedlich temperierte Temperiermedien gesteuert und/oder geregelt werden. Die Temperierung der Fluidtemperatur erfolgt insbesondere über geeignete Temperierung mittels eines oder mehrerer Temperiermedien, wobei die Fluide insbesondere gasförmig sind und daher schnell die Temperatur des einen oder der mehreren Temperiermedien oder von damit in Kontakt stehenden Bestandteile der Membran-Elektroden-Einheit und/oder der Brennstoffzelleneinheit annehmen.
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Das erste Fluid und das zumindest eine weitere Fluid können sowohl gleiche Fluidtemperaturen als auch unterschiedliche Fluidtemperaturen aufweisen.
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Die Fluidtemperaturen des ersten Fluids und des zumindest einen weiteren Fluids können zwischen mehreren aufeinanderfolgenden Wechseln der zumindest zwei Fluide jeweils schrittweise ansteigend oder schrittweise abfallend vorgesehen werden.
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Ebenso kann zwischen den mehreren aufeinanderfolgenden Wechseln der zumindest zwei Fluide die Fluidtemperatur des ersten Fluids schrittweise ansteigend vorgesehen werden und die Fluidtemperatur des zumindest einen weiteren Fluids schrittweise abfallend vorgesehen werden, oder umgekehrt.
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Dabei können das erste Fluid und das zumindest eine weitere Fluid bei einem aufeinanderfolgenden Wechsel jeweils gleiche Fluidtemperaturen aufweisen, insbesondere durch geeignete Temperierung mittels eines Temperiermediums.
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Ebenso können das erste Fluid und das zumindest eine weitere Fluid bei jedem aufeinanderfolgenden Wechsel unterschiedliche Fluidtemperaturen aufweisen, insbesondere durch geeignete Temperierung mittels eines Temperiermediums.
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Vorzugsweise kann die Membran-Elektroden-Einheit bei dem Verfahren mit einem Fluiddruck des ersten Fluids und/oder einem Fluiddruck des zumindest einen weiteren Fluids zwischen 0,01 bis 5 bar/Ü (bar über Umgebungsdruck), bevorzugt 0,2 bis 1 bar/Ü, beaufschlagt werden.
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Das erste Fluid und das zumindest eine weitere Fluid können sowohl gleiche Fluiddrücke als auch unterschiedliche Fluiddrücke aufweisen.
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Die Fluiddrücke des ersten Fluids und des zumindest einen weiteren Fluids können zwischen mehreren aufeinanderfolgenden Wechseln der zumindest zwei Fluide schrittweise ansteigend oder schrittweise abfallend vorgesehen werden.
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Ebenso kann zwischen den mehreren aufeinanderfolgenden Wechseln der zumindest zwei Fluide der Fluiddruck des ersten Fluids schrittweise ansteigend vorgesehen werden und der Fluiddruck des zumindest einen weiteren Fluids schrittweise abfallend vorgesehen werden, oder umgekehrt.
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Dabei können das erste Fluid und das zumindest eine weitere Fluid bei einem aufeinanderfolgenden Wechsel jeweils gleiche Fluiddrücke aufweisen.
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Ebenso können das erste Fluid und das zumindest eine weitere Fluid bei jedem aufeinanderfolgenden Wechsel unterschiedliche Fluiddrücke aufweisen.
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Vorteilhaft kann es bei dem Verfahren sein, wenn die Membran-Elektroden-Einheit mit einer Konzentration eines Konditionierungsmediums des ersten Fluids zwischen 1 % und 80 % und einer Konzentration eines Konditionierungsmediums des zumindest einen weiteren Fluids zwischen 1 % und 80 % beaufschlagt wird.
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Das erste Fluid und das zumindest eine weitere Fluid können sowohl jeweils gleiche Konzentration eines Konditionierungsmediums aufweisen als auch jeweils unterschiedliche Konzentration eines Konditionierungsmediums.
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Die Konzentration des Konditionierungsmediums des ersten Fluids und die Konzentration des Konditionierungsmediums des zumindest einen weiteren Fluids kann zwischen mehreren aufeinanderfolgenden Wechseln der zumindest zwei Fluide schrittweise ansteigend oder schrittweise abfallend vorgesehen werden.
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Ebenso kann zwischen mehreren aufeinanderfolgenden Wechseln der zumindest zwei Fluide die Konzentration des Konditionierungsmediums des ersten Fluids schrittweise ansteigend vorgesehen werden und die Konzentration des Konditionierungsmediums des zumindest einen weiteren Fluids schrittweise abfallend vorgesehen werden, oder umgekehrt.
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Dabei können das erste Fluid und das zumindest eine weitere Fluid bei einem aufeinanderfolgenden Wechsel jeweils gleiche Konzentrationen des jeweiligen Konditionierungsmediums aufweisen.
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Ebenso können das erste Fluid und das zumindest eine weitere Fluid bei jedem aufeinanderfolgenden Wechsel jeweils unterschiedliche Konzentrationen des jeweiligen Konditionierungsmediums aufweisen.
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Besonders bevorzugt kann bei dem Verfahren vorgesehen sein, dass das erste Fluid Ozon, Sauerstoff und/oder ein Peroxid, vorzugsweise Wasserstoffperoxid, als Konditionierungsmedium umfasst.
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Bevorzugter Weise kann bei dem Verfahren zudem vorgesehen sein, dass das zumindest eine weitere Fluid Wasserstoff, ein Inertgas und/oder Wasserdampf als Konditionierungsmedium umfasst.
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Durch die Kombination dieser Konditionierungsmedien kann ein definierter Potentialwechsel zwischen den Wechseln der zumindest zwei Fluide erreicht werden. Auf diese Weise kann eine gezielte Konditionierung mit einer besonders hohen Leistungsdichte der Membran-Elektroden-Einheit erreicht werden.
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Zudem stellen diese Fluide kostengünstige und einfach handhabbare Konditionierungsmedien dar, wodurch sowohl die Konditionierungskosten als auch der Konditionierungsaufwand signifikant gesenkt werden können.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens kann die Membran-Elektroden-Einheit bis zu einem Wechsel zwischen den zumindest zwei Fluiden 5 min oder weniger, vorzugsweise 30 Sekunden oder weniger, mit dem ersten Fluid und/oder dem zumindest einem weiteren Fluid beaufschlagt werden.
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Dadurch kann eine hohe Wechselfrequenz zwischen den zumindest zwei Fluiden erreicht werden, wobei jedes Fluid jeweils nur kurze Zeit auf die Membran-Elektroden-Einheit wirkt. Auf diese Weise kann ein häufiger Potentialwechsel an der Membran-Elektroden-Einheit erreicht werden.
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Eine bevorzugte Ausgestaltung des Verfahrens kann vorsehen, dass die Membran-Elektroden-Einheit mit dem ersten Fluid und dem zumindest einen weiteren Fluid insgesamt 30 min oder weniger, vorzugsweise 5 min oder weniger, beaufschlagt wird.
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Dadurch kann eine signifikante Verkürzung der Gesamtzeit der Konditionierung erreicht werden. Dies kann zu einer deutlichen Kostensenkung bei der Herstellung der Membran-Elektroden-Einheit und Brennstoffzelle führen.
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In einer Weiterbildung des Verfahrens kann durch den Wechsel jeweils eine Anodenseite und eine Kathodenseite der Membran-Elektroden-Einheit im Wechsel mit dem ersten Fluid und mit dem zumindest einen weiteren Fluid beaufschlagt werden.
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Dadurch kann die Polymermembran der Membran-Elektroden-Einheit wechselseitig mit dem ersten Fluid und dem zumindest einen weiteren Fluid beaufschlagt werden.
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Beispielsweise wird zunächst die Anodenseite mit dem ersten Fluid beaufschlagt und die Kathodenseite mit dem zumindest einen weiteren Fluid, und nach dem Wechsel wird die Anodenseite mit dem zumindest einen weiteren Fluid beaufschlagt und die Kathodenseite mit dem ersten Fluid.
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Eine weitere Ausgestaltung des Verfahrens kann zudem vorsehen, dass durch den Wechsel zwischen dem ersten Fluid und dem zumindest einen weiteren Fluid ein Potentialwechsel an der Membran-Elektroden-Einheit zwischen 1,2 Volt oder mehr und 0,1 Volt oder weniger bewirkt wird.
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Ein Potential von 1,2 Volt oder mehr kann beispielsweise durch die Verwendung von Ozon als Konditionierungsmedium erreicht werden.
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Ein Potential von 0,1 Volt oder weniger kann beispielsweise durch die Verwendung von Wasserstoff als Konditionierungsmedium erreicht werden.
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Dadurch kann eine hohe Potentialdifferenz zwischen den Wechseln der zumindest zwei Fluide ermöglicht sein, wodurch eine maximale Leistungsdichte der Membran-Elektroden-Einheit erreichbar sein kann.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens kann die Membran-Elektroden-Einheit vor und/oder nach dem Beaufschlagen mit dem ersten Fluid und/oder dem zumindest einen weiteren Fluid und/oder zwischen einem Wechsel der zumindest zwei Fluide mit einem inerten Spülmedium gespült werden.
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Insbesondere handelt es sich bei dem inerten Spülmedium um Stickstoff oder um Stickstoff, welcher mit Wasserdampf gemischt ist.
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Durch das Spülen der Membran-Elektroden-Einheit mit dem inerten Spülmedium zwischen dem Wechsel der zumindest zwei Fluide kann das erste Fluid bzw. das zumindest eine weitere Fluid vollständig aus der Membran-Elektroden-Einheit entfernt werden, bevor diese wieder mit dem jeweils anderen Fluid beaufschlagt wird. Durch das Spülen mit dem inerten Spülmedium kann insbesondere eine Beschädigung der Katalysatorschicht der Membran-Elektroden-Einheit verhindert werden.
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Die Aufgabe wird des Weiteren durch eine Brennstoffzelleneinheit umfassend wenigstens eine Membran-Elektroden-Einheit gelöst, wobei die wenigstens eine Membran-Elektroden-Einheit gemäß dem Verfahren nach einem der zuvor beschriebenen Ausführungsformen konditioniert ist.
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Durch eine Brennstoffzelleneinheit, die eine solche Membran-Elektroden-Einheit umfasst, kann ein hohes Leistungspotential erreicht sein. Das Konditionierungsverfahren ermöglicht eine Maximierung der Leistungsdichte der Membran-Elektroden-Einheit, so dass durch die Brennstoffzelleneinheit ein hoher Wirkungsgrad erreicht werden kann.
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Da das Konditionierungsverfahren eine einfache, schnelle und kostengünstige Konditionierung der Membran-Elektroden-Einheit ermöglicht, können zudem der Herstellungsaufwand sowie die Herstellungskosten einer solchen Brennstoffzelleneinheit signifikant gesenkt werden.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung der Brennstoffzelleneinheit kann vorsehen, dass die wenigstens eine Membran-Elektroden-Einheit in einem Gehäuse aufgenommen ist, wobei an einem kathodenseitigen Einlass und/oder Auslass und/oder einem anodenseitigen Einlass und/oder Auslass Anschlussschnittstellen zum Zuführen und Abführen des den Potentialwechsel bewirkenden ersten Fluids und zumindest einen weiteren Fluids und/oder des Spülmediums vorgesehen sind.
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Insbesondere ist in dem Gehäuse eine durch eine Mehrzahl der Membran-Elektroden-Einheiten gebildete Brennstoffzelleneinheit, auch als Brennstoffzellenstapel bezeichnet, aufgenommen.
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Die Anschlussschnittstelle ist bevorzugt zum Koppeln mit einer Einrichtung zum Zuführen und Abführen des den Potentialwechsel bewirkenden ersten Fluids und zumindest einen weiteren Fluids und/oder des Spülmediums ausgebildet.
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Vorzugsweise kann die Anschlussschnittstelle ein Stellventil aufweisen, durch welches die Anschlussschnittstelle verschließbar und öffenbar ist. Das Stellventil kann, insbesondere auf der Anodenseite, als ein Purge- oder ein Drain-Ventil ausgebildet sein.
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Das Stellventil kann durch eine Steuerung der Brennstoffzelleneinheit steuerbar sein.
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Alternativ oder ergänzend kann die Anschlussschnittstelle durch ein Verschlusselement, beispielsweise ein Stopfen, verschließbar sein.
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Die Anschlussschnittstelle kann einen Anschlussflansch aufweisen, mit welchem die Einrichtung zum Zuführen und Abführen des den Potentialwechsel bewirkenden ersten Fluids und zumindest einen weiteren Fluids und/oder des Spülmediums koppelbar ist.
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Vorzugsweise ist die Anschlussschnittstelle am Einlass und/oder Auslass zwischen einer Ventileinrichtung und der Membran-Elektroden-Einheit angeordnet. Die Ventileinrichtung kann anodenseitig ein Druckregelventil und kathodenseitig ein Verschlussventil umfassen. Dadurch kann sichergestellt sein, dass das erste Fluid und zumindest eine weitere Fluid und/oder das Spülmedium ausschließlich zur Membran-Elektroden-Einheit strömt und nicht zu peripheren Komponenten der Brennstoffzelle.
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Vorteilhaft ist die Anschlussschnittstelle am Einlass und/oder Auslass außerhalb des Gehäuses vorgesehen.
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Alternativ kann die Anschlussschnittstelle am Einlass und/oder Auslass innerhalb des Gehäuses vorgesehen sein und das Gehäuse eine Zugangsöffnung zur Anschlussschnittstelle aufweisen.
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Weitere bevorzugte Merkmale und/oder Vorteile der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung und der zeichnerischen Darstellung von Ausführungsbeispielen.
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In den Figuren zeigen:
- 1 eine schematische Detailansicht einer Membran-Elektroden-Einheit für eine Brennstoffzelle,
- 2 eine schematische Ansicht einer in einem Brennstoffzellengehäuse aufgenommenen Brennstoffzelleneinheit.
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Gleiche oder funktional äquivalente Elemente sind in sämtlichen Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.
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Die 1 zeigt eine schematische Detailansicht einer Membran-Elektroden-Einheit 100 für eine Brennstoffzelle.
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Eine Mehrzahl solcher Membran-Elektroden-Einheiten 100, die in einer Stapelrichtung angeordnet sind, bilden eine Brennstoffzelleneinheit.
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Durch eine solche Brennstoffzelleneinheit ist insbesondere eine Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzelle (PMFC) gebildet.
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Die Membran-Elektroden-Einheit 100 umfasst eine Brennstoffzellenmembran 102, die eine Anodenseite 104 und eine Kathodenseite 106 der Brennstoffzelle voneinander trennt.
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Die Brennstoffzellenmembran 102 ist insbesondere durch eine Polymermembran gebildet.
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Zu der Anodenseite 104 sind angrenzend an die Brennstoffzellenmembran 102 eine Anode 108, eine Gasdiffusionsschicht 110 und ein Anodenraum 112 angeordnet.
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Zu der Kathodenseite 106 sind angrenzend an die Brennstoffzellenmembran 102 eine Kathode 114, eine Gasdiffusionsschicht 116 und ein Kathodenraum 118 angeordnet.
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In einem Normalbetrieb der Brennstoffzelle werden der Membran-Elektroden-Einheit 100 über den Anodenraum 112 und den Kathodenraum 118 Prozessgase für die Brennstoffzellenreaktion zugeführt.
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Über den Anodenraum 112 wird der Brennstoffzellenmembran 102 ein Reduktionsmittel, beispielsweise Wasserstoff oder ein wasserstoffreiches Gas, zugeführt. Über den Kathodenraum 118 wird der Brennstoffzellenmembran 102 ein Oxidationsmittel, beispielsweise Luft, zugeführt.
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An der Brennstoffzellenmembran 102 findet im Normalbetrieb die Brennstoffzellenreaktion statt, bei der unter Bildung von Wasser ein elektrischer Stromfluss entsteht.
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Vor dem Normalbetrieb der Brennstoffzelle wird ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Konditionieren der Membran-Elektroden-Einheiten 100 durchgeführt. Durch dieses Konditionierungsverfahren wird die Leistungsfähigkeit der Membran-Elektroden-Einheit 100 für den Normalbetrieb der Brennstoffzelle erhöht. Nachfolgend wird dieses Verfahren beschrieben.
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Bei dem Konditionierungsverfahren wird die Membran-Elektroden-Einheit 100 im Wechsel mit einem ersten Fluid 120 und einem zweiten Fluid 122 beaufschlagt.
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Dabei wird die Membran-Elektroden-Einheit 100 insbesondere vollflächig mit dem ersten Fluid 120 und dem zweiten Fluid 122 benetzt bzw. von diesen durchströmt.
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Das erste Fluid 120 und das zweite Fluid 122 bewirken ein unterschiedliches elektrisches Potential an der Membran-Elektroden-Einheit 100. Somit wird durch das wechselnde Beaufschlagen der Membran-Elektroden-Einheit mit dem ersten Fluid 120 und dem zweiten Fluid 122 ein Potentialwechsel an der Membran-Elektroden-Einheit 100 bewirkt.
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Das erste Fluid 120 und das zweite Fluid 122 weisen jeweils ein Konditionierungsmedium auf.
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Das erste Fluid 120 und das zweite Fluid 122 können vollständig durch das jeweilige Konditionierungsmedium gebildet sein.
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Ebenso können das erste Fluid 120 und das zweite Fluid 122 teilweise durch das jeweilige Konditionierungsmedium gebildet sein, d.h. jeweils wenigstens ein weiteres Medium aufweisen, das mit dem Konditionierungsmedium gemischt ist.
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Das erste Fluid 120 und das zweite Fluid 122 können unterschiedliche Konzentrationen des jeweiligen Konditionierungsmediums aufweisen.
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Das Konditionierungsmedium im ersten Fluid 120 weist bevorzugt eine Konzentration von 10 % bis 100 % auf. Das Konditionierungsmedium im zweiten Fluid 122 weist bevorzugt eine Konzentration von 10 % bis 100 % auf.
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Insbesondere weist das erste Fluid 120 Ozon, Sauerstoff und/oder ein Peroxid, vorzugsweise Wasserstoffperoxid, als Konditionierungsmedium auf.
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Insbesondere weist das zweite Fluid 122 Wasserstoff, ein Inertgas und/oder Wasserdampf als Konditionierungsmedium auf.
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Der Wechsel zwischen dem ersten Fluid 120 und dem zweiten Fluid 122 erfolgt bevorzugt mehr als ein Mal. Insbesondere erfolgen eine Vielzahl Wechsel zwischen dem ersten Fluid 120 und dem zweiten Fluid 122.
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Die Membran-Elektroden-Einheit 100 wird bis zu einem jeweiligen Wechsel zwischen dem ersten Fluid 120 und dem zweiten Fluid 122 5 Minuten oder weniger, vorzugsweise 30 Sekunden oder weniger, mit dem ersten Fluid 120 und/oder dem zweiten Fluid 122 beaufschlagt.
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Dabei kann vorgesehen sein, dass die Membran-Elektroden-Einheit 100 mit dem ersten Fluid 120 und dem zweiten Fluid 122 unterschiedlich lange beaufschlagt wird.
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Insgesamt wird die Membran-Elektroden-Einheit 100 mit dem ersten Fluid 120 und dem zweiten Fluid 120 30 Minuten oder weniger, vorzugsweise 5 Minuten oder weniger, beaufschlagt.
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Das erste Fluid 120 und das zweite Fluid 122 können jeweils unterschiedliche Fluidtemperaturen und/oder unterschiedliche Fluiddrücke und/oder unterschiedliche Konzentrationen des Konditionierungsmediums aufweisen.
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Bevorzugt können das erste Fluid 120 und/oder das zweite Fluid 122 zwischen den jeweiligen Wechseln unterschiedliche Fluidtemperaturen und/oder unterschiedliche Fluiddrücke und/oder unterschiedliche Konzentrationen des jeweiligen Konditionierungsmediums aufweisen.
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Das erste Fluid 120 kann bevorzugt eine Fluidtemperatur zwischen 0 °C und 120 °C, insbesondere zwischen 10 °C und 80 °C, aufweisen. Das zweite Fluid 122 kann ebenfalls eine Fluidtemperatur zwischen 0 °C und 120 °C, insbesondere zwischen 10 °C und 80 °C, aufweisen. Die Temperierung der Fluidtemperatur erfolgt insbesondere über geeignete Temperierung mittels eines oder mehrerer Temperiermedien, wobei die Fluide 120, 122 insbesondere gasförmig sind und daher schnell die Temperatur des einen oder der mehreren Temperiermedien oder von damit in Kontakt stehenden Bestandteile der Membran-Elektroden-Einheit 100 annehmen.
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Die Membran-Elektroden-Einheit 100 kann zwischen den Wechseln mit einer schrittweise ansteigenden Fluidtemperatur des ersten Fluids 120 und/oder des zweiten Fluids 122 beaufschlagt werden.
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Ebenso kann die Membran-Elektroden-Einheit 100 zwischen den Wechseln mit einer schrittweise abfallenden Fluidtemperatur des ersten Fluids 120 und/oder des zweiten Fluids 122 beaufschlagt werden.
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Alternativ kann die Membran-Elektroden-Einheit 100 zwischen den Wechseln mit wechselnd hohen und niedrigen Fluidtemperaturen des ersten Fluids 120 und/oder des zweiten Fluids 122 beaufschlagt werden.
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Ergänzend oder alternativ können das erste Fluid 120 und/oder das zweite Fluid 122 zwischen den jeweiligen Wechseln unterschiedliche Fluiddrücke aufweisen.
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Das erste Fluid 120 kann einen Fluiddruck zwischen 0,01 bis 5 bar/Ü aufweisen. Das zweite Fluid 122 kann ebenfalls einen Fluiddruck zwischen 0,01 bis 5 bar/Ü aufweisen.
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Die Membran-Elektroden-Einheit 100 kann zwischen den Wechseln mit einem schrittweise ansteigenden Fluiddruck des ersten Fluids 120 und/oder des zweiten Fluids 122 beaufschlagt werden.
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Ebenso kann die Membran-Elektroden-Einheit 100 zwischen den Wechseln mit einem schrittweise abfallenden Fluiddruck des ersten Fluids 120 und/oder des zweiten Fluids 122 beaufschlagt werden.
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Alternativ kann die Membran-Elektroden-Einheit 100 zwischen den Wechseln mit wechselnd hohen und niedrigen Fluiddrücken des ersten Fluids 120 und/oder des zweiten Fluids 122 beaufschlagt werden.
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Der Wechsel zwischen dem ersten Fluid 120 und dem zweiten Fluid 122 kann zudem in Zyklen erfolgen.
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Beispielsweise kann die Membran-Elektroden-Einheit 100 zunächst mehrfach mit dem ersten Fluid 120 beaufschlagt werden und anschließend mehrfach mit dem zweiten Fluid 122 beaufschlagt werden. Dabei können die Fluidtemperaturen, Fluiddrücke und/oder Konzentrationen des jeweiligen Konditionierungsmediums innerhalb eines Zyklus individuell verändert werden.
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Während dem Konditionieren der Membran-Elektroden-Einheit 100 ist eine entsprechende Befeuchtung vorgesehen. Dabei wird die Membran-Elektroden-Einheit 100 vor und/oder während dem Beaufschlagen mit dem ersten Fluid 120 und/oder dem zweiten Fluid 122 und/oder zwischen den Wechseln zwischen den Fluiden 120, 122 mit Wasserdampf beaufschlagt.
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Alternativ oder ergänzend kann vorgesehen sein, dass das erste Fluid 120 und/oder zweite Fluid 122 vor dem Beaufschlagen der Membran-Elektroden-Einheit 100 mit Wasserdampf gemischt wird.
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Bevorzugt ist bei dem Konditionierungsverfahren vorgesehen, dass durch den Wechsel zwischen dem ersten Fluid 120 und dem zweiten Fluid 122 die Anodenseite 104 und die Kathodenseite 106 der Membran-Elektroden-Einheit 100 im Wechsel mit dem ersten Fluid 120 und dem zweiten Fluid 122 beaufschlagt werden. D.h., beispielsweise wird zunächst die Anodenseite 104 mit dem ersten Fluid 120 beaufschlagt und die Kathodenseite 106 mit dem zweiten Fluid 122 und nach einem Wechsel wird die Anodenseite 104 mit dem zweiten Fluid 122 beaufschlagt und die Kathodenseite 106 mit dem ersten Fluid 120.
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Der durch den Wechsel zwischen dem ersten Fluid 120 und dem zweiten Fluid 122 bewirkte Potentialwechsel an der Membran-Elektroden-Einheit 100 kann bevorzugt zwischen 1,2 V oder mehr und 0,1 V oder weniger betragen.
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Ein Potential von 1,2 Volt oder mehr wird beispielsweise bei der Verwendung von Ozon als Konditionierungsmedium erreicht. Ein Potential von 0,1 Volt oder weniger wird beispielsweise durch die Verwendung von Wasserstoff als Konditionierungsmedium erreicht.
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2 zeigt eine schematische Ansicht einer in einem Gehäuse 124 aufgenommenen Brennstoffzelleneinheit 126, die durch eine Mehrzahl in einer Stapelrichtung angeordneten Membran-Elektroden-Einheiten 100 gemäß 1 ausgebildet ist.
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Das Gehäuse 124 weist einen kathodenseitigen Einlass 128 und Auslass 130 sowie einen anodenseitigen Einlass 132 und Auslass 134 auf, durch welche Prozessgase zur Brennstoffzelleneinheit 126 zuführbar und abführbar sind.
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An den Einlässen 128, 132 und Auslässen 130, 134 ist jeweils eine Anschlussschnittstelle 136 zum Zuführen und Abführen des den Potentialwechsel bewirkenden ersten Fluids 120 und des zweiten Fluids 122 und/oder eines inerten Spülmediums vorgesehen.
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Bei dem inerten Spülmedium handelt es sich insbesondere um Stickstoff oder um Stickstoff, welcher mit Wasserdampf gemischt ist. Durch dieses inerte Spülmedium kann die Membran-Elektroden-Einheit 100 vor und/oder nach dem Beaufschlagen mit dem ersten Fluid 120 und/oder dem zweiten Fluid 122 und/oder zwischen einem Wechsel der Fluide 120, 122 gespült werden.
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Die Anschlussschnittstellen 136 sind ausgebildet, um mit einer nicht näher dargestellten Einrichtung zum Zuführen und Abführen des ersten Fluids 120 und des zweiten Fluids 122 und/oder des Spülmediums koppelbar zu sein.
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Die Anschlussschnittstelle 136 umfasst ein Stellventil 138 zum Öffnen und Schließen der Anschlussschnittstelle 136. Das Stellventil 138 kann durch eine Steuerungseinrichtung steuerbar sein. Beispielsweise kann das Stellventil 138, insbesondere auf der Anodenseite, als ein Purge-Ventil oder ein Drain-Ventil ausgebildet sein.
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Vorteilhaft kann die Anschlussschnittstelle 136 einen Anschlussflansch zum Koppeln mit der Einrichtung zum Zuführen und Abführen des ersten Fluids 120 und des zweiten Fluids 122 und/oder des Spülmediums aufweisen.
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Die Anschlussschnittstelle 136 ist am Einlass und/oder am Auslass zwischen einer Ventileinrichtung 140 und der Brennstoffzelleneinheit 126 angeordnet. Diese Ventileinrichtung 140 kann anodenseitig als ein Druckregelventil und kathodenseitig als ein Verschlussventil ausgebildet sein.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Brennstoffzelleneinheit
- 102
- Brennstoffzellenmembran
- 104
- Anodenseite
- 106
- Kathodenseite
- 108
- Anode
- 110
- Gasdiffusionsschicht
- 112
- Anodenraum
- 114
- Kathode
- 116
- Gasdiffusionsschicht
- 118
- Kathodenraum
- 120
- erstes Fluid
- 122
- zweites Fluid
- 124
- Gehäuse
- 126
- Brennstoffzelleneinheit
- 128
- kathodenseitiger Einlass
- 130
- kathodenseitiger Auslass
- 132
- anodenseitiger Einlass
- 134
- anodenseitiger Auslass
- 136
- Anschlussschnittstelle
- 138
- Stellventil
- 140
- Ventileinrichtung
