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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Einlaufen einer Brennstoffzelle sowie ein System zum Einlaufen einer Brennstoffzelle.
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Stand der Technik
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Bei neu aufgebauten Brennstoffzellenstapeln mit Polymerelektrolymembran-Brennstoffzellen (PEM-Brennstoffzellen) wird üblicherweise zur Erreichung der vollen Leistungsfähigkeit ein sogenannter Konditionierprozess durchgeführt, der auch als „Break In“ bezeichnet wird. Während dieses Konditionierprozesses werden Oxidbeläge und Verunreinigungen von der Katalysatoroberfläche entfernt, die aus dem Herstellungsprozess stammen. Weiterhin werden der Wasserhaushalt der Membran sowie der lonomerkomponente im Katalysatorbereich eingestellt. Der Konditionierprozess wird dabei üblicherweise an einem Prüfstand oder einem Konditionierstand mit einem speziellen Ablaufprogramm durchgeführt.
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Bei einem bekannten Konditionierprozess wird die Brennstoffzelle für einen kurzen Zeitraum betrieben und zu einem definierten Zeitpunkt wird eine elektrische Last entfernt. Unmittelbar danach wird die Luftversorgung abgestellt, wobei der Wasserstofffluss auf der Anode erhalten bleibt. Wasserstoff diffundiert durch die Membran auf die Kathodenseite, was zu einem Sauerstoffverbrauch und zu einem Abfall des Zellpotentials führt. Die reduktiven Bedingungen auf der Kathode führen zum Abbau der Oxidbeläge auf dem Katalysator.
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Offenbarung der Erfindung
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Die Aufgabe der Erfindung liegt darin, ein alternatives Verfahren zum Einlaufen einer Brennstoffzelle vorzuschlagen, bei dem reduktive Bedingungen in der Brennstoffzelle schneller eingestellt werden können.
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Die Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Einlaufen einer Brennstoffzelle mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen sind den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung zu entnehmen.
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Es wird ein Verfahren zum Einlaufen einer Brennstoffzelle vorgeschlagen, aufweisend Ansteuern der Brennstoffzelle zum Durchführen eines zumindest weitgehend stationären Betriebs unter Zufuhr von Luft und Wasserstoff und Entnahme eines elektrischen Stroms mit einer ersten Stromstärke über einen vorgegebenen ersten Zeitraum; Unterbrechen der Zufuhr von Luft und Ändern der Entnahme des elektrischen Stroms auf mindestens eine zweite Stromstärke, wobei die Zufuhr von Wasserstoff aufrechterhalten wird, über einen vorgegebenen zweiten Zeitraum; und Überwachen einer Zellenspannung der Brennstoffzelle und Unterbrechen des Stromflusses, wenn ein vorgegebener Schwellenwert der Zellenspannung unterschritten wird, wobei die mindestens eine zweite Stromstärke nicht Null ist.
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Die Brennstoffzelle ist bevorzugt Teil eines Brennstoffzellenstapels. Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf Brennstoffzellen mit Polymerelektrolytmembran. Ein Brennstoffzellenstapel kann dabei mehrere Brennstoffzellen in einer gestapelten Anordnung aufweisen, die eine elektrische Reihen- und/oder Parallelschaltung zum Erhöhen der abgegebenen Spannung und/oder des angegebenen Stroms aufweisen. Die Brennstoffzellen werden in einer solchen Anordnung bevorzugt durch Bipolarplatten voneinander abgegrenzt, die die Edukte großflächig verteilen, Produktwasser aufnehmen und abführen, eine aktive Kühlung realisieren und den Stromfluss erlauben. Jeder Brennstoffzellenstapel bzw. jede Brennstoffzelle weist einen Anodenpfad und einen Kathodenpfad auf, wobei die Kathodeneinlässe mit Luft versorgt werden und Abluft an den Kathodenauslässen abgegeben wird. Den Anodenpfaden wird Wasserstoff zugeführt. Hierfür sind im endgültigen Brennstoffzellensystem entsprechende Leitungen, Ventile und anderes vorgesehen, die ein vom Betriebspunkt des jeweiligen Brennstoffzellenstapels abhängiges Druckniveau einstellen und halten. Eine solche Anordnung wird auch „Balance of Plant“ genannt. Dies ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung jedoch unwesentlich. Der Brennstoffzellenstapel oder die Brennstoffzelle kann zum Durchführen der Erfindung in ein separat dafür vorgesehenes System integriert werden.
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Zu Beginn des Verfahrens wird die Brennstoffzelle so angesteuert, dass sie einen zumindest weitgehend stationären Betrieb durchführt. Folglich wird sie mit einem ausreichenden Volumenstrom an Luft und Wasserstoff versorgt, sodass der Brennstoffzellenprozess ablaufen kann. Dabei ist wesentlich, dass auch ein Stromfluss vorliegt, um den Brennstoffzellenprozess aufrechtzuerhalten. Der Stromfluss wird zu Beginn des Verfahrens durch die erste Stromstärke repräsentiert. Die erste Stromstärke kann auf einen Betrag vorgegeben werden, der beispielsweise mindestens 50 % und bevorzugt mindestens 75 % eines vorgesehenen Maximalstroms der Brennstoffzelle entspricht. Werden mehrere Brennstoffzellen in einem Brennstoffzellenstapel behandelt, ist die von dem Brennstoffzellenstapel entnommene Stromstärke entsprechend der elektrischen Verschaltung der einzelnen Brennstoffzellen anzupassen.
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Aus diesem zumindest weitgehend stationären Betrieb wird die Zufuhr von Luft unterbrochen. Zeitgleich, direkt davor oder direkt danach wird die Entnahme des elektrischen Stroms geändert, sodass statt der ersten Stromstärke die mindestens eine zweite Stromstärke eingestellt wird. Die Zufuhr von Wasserstoff wird bei diesem Vorgang aufrechterhalten. Die Brennstoffzellenfunktion läuft bei der mindestens zweiten Stromstärke weiter, das heißt an der Anode werden weiterhin Protonen erzeugt, die durch Migration durch die Membran zur Kathodenseite wandern um dort mit dem noch vorhandenen Sauerstoff zu Wasser zu reagieren. Gleichzeitig zur Migration diffundiert Wasserstoff von der Anoden- zur Kathodenseite. In Folge fällt das Zellpotential ab. Die reduktiven Bedingungen auf der Kathode dienen dabei dem Abbau der Oxidbeläge auf dem Katalysator. Durch Aufrechterhalten des Stromflusses werden die reduktiven Bedingungen in der Brennstoffzelle deutlich schneller eingestellt als bei bekannten Prozessen, beispielsweise sogenannten „H2 Soaks“. Gleichzeitig führt dies partiell zum sogenannten „Air Starvation Effekt“, d.h. ein Luftmangel-Effekt, was lokal die Reinigung des Katalysators weiter verstärkt. Der Luftmangel führt zu einem Spannungsabfall an der Brennstoffzelle und geht mit einer Reduktion beispielsweise der Platinoxide in den entsprechenden Bereichen des Katalysators einher, was zu einer Verbesserung der aktiven Katalysatoroberfläche führt. Folglich wird durch eine Aufrechterhaltung eines Stromflusses die Effizienz und die Dauer dieses Verfahrensschrittes im Vergleich zu bekannten Verfahren optimiert.
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Das Verfahren endet damit, dass der Stromfluss dann unterbrochen wird, wenn ein vorgegebener Schwellwert der Zellenspannung unterschritten wird und folglich die Reinigung der Katalysatoroberfläche als weitgehend abgeschlossen angesehen werden kann. Dieser Schwellenwert könnte beispielsweise bei ungefähr 0,05 V liegen. Insgesamt wird durch das erfindungsgemäße Verfahren das Einlaufen einer Brennstoffzelle verbessert und beschleunigt.
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Die mindestens eine zweite Stromstärke könnte geringer als die erste Stromstärke sein. Der Stromfluss wird folglich beim Unterbrechen der Zufuhr von Luft reduziert. Die Reduktion kann auf mehrere unterschiedliche Weisen realisiert werden. Es könnte beispielsweise ein einfach abgestuftes Absenken des Stromflusses durchgeführt werden, wobei die dann eingestellte zweite Stromstärke bis zum Erreichen des Schwellenwertes der Zellenspannung aufrechterhalten wird. Weiterhin könnte das Absenken der Stromstärke auch mehrstufig erfolgen, sodass die zweite Stromstärke mehrere unterschiedliche, zeitweise konstante Werte umfasst. Wie weiter nachfolgend erläutert können auch kontinuierliche oder annähernd kontinuierliche Stromverläufe vorgegeben werden. Ein Fachmann könnte das Verfahren dahingehend optimieren, dass die behandelte Brennstoffzelle bei Variation des Verfahrens jeweils untersucht und das Verfahren entsprechend angepasst wird.
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Die mindestens eine zweite Stromstärke könnte auch mehrere zweite Stromstärken umfasst, die nacheinander eingestellt werden. Beispielsweise könnte die zweite Stromstärke in Abhängigkeit der gemessenen Zellenspannung gewählt werden. Einzelne Stufen der zweiten Stromstärke können eingenommen werden, sobald einzelne Schwellenwerte der Zellenspannung erreicht werden.
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Es ist weiterhin denkbar, einzelne zweite Stromstärken in einem regelmäßigen zeitlichen Intervall einzustellen, wobei die nacheinander eingestellten zweiten Stromstärken jeweils um denselben Betrag abgesenkt werden. Andere Varianten sind selbstverständlich denkbar, bei denen die zeitlichen Intervalle unterschiedlich sind, beispielsweise mit der Zeit geringer werden. Die Abstufung der zweiten Stromstärken könnte auch nach und nach verringert werden.
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Die mindestens eine zweite Stromstärke könnte einen rampen- oder treppenförmigen Verlauf mit weitgehend linearem Abfall der zweiten Stromstärke umfassen. Bei einem solchen linearen oder quasi-linearen, treppenförmigen Verlauf der zweiten Stromstärke kann der Abfall des Zellpotenzials in diskreten Stufen ablaufen. Die Spannung bricht folglich nicht schlagartig ein, sodass eine Regelung bezüglich der Abschaltung bei Erreichen des Schwellenwertes der Zellenspannung robuster erfolgen kann.
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Die mindestens eine zweite Stromstärke könnte eine exponentiell abfallende Stromstärke umfassen. Hierdurch kann der Sauerstoff zunächst schnell verbraucht werden, bei der bereits einzelne Bereiche in die Sauerstoffunterversorgung kommen. Durch den im Anschluss vergleichsweise langsamen Stromabfall soll der „Air Starvation Effekt“ möglichst lange aufrechterhalten werden, bis der Schwellenwert der Zellenspannung erreicht wird.
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Die mindestens eine zweite Stromstärke könnte weiterhin mehrere zweite Stromstärken umfassen, die insgesamt abfallend sind, wobei bei zumindest einem Paar direkt aufeinanderfolgender zweiter Stromstärken ein Anstieg vorgesehen ist, wobei bei zumindest einem Paar direkt aufeinanderfolgender zweiter Stromstärken ein Abfall vorgesehen ist, und wobei der Abfall betragsmäßig größer ist als der Anstieg. Damit könnte ein gleichmäßigerer Sauerstoffverbrauch eingestellt werden.
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Die mindestens eine zweite Stromstärke könnte höher als die erste Stromstärke sein. In kürzester Zeit könnten damit Reduktionsbedingungen auf der Kathode geschaffen werden.
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Wie vorangehend erwähnt, sind auch Kombinationen aus den genannten Varianten denkbar.
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Das Unterbrechen der Zufuhr von Luft könnte das Schließen eines Kathodeneingangsventils und/oder eines Kathodenausgangsventils umfassen. Der Sauerstoffverbrauch könnte hierdurch noch weiter beschleunigt werden.
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Nach dem Unterbrechen der Zufuhr von Luft könnte die Kathode mit einem Inertgas gespült werden. Der Sauerstoff kann hiermit schneller aus der Kathode entfernt werden, während der Strom fließt.
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Die Erfindung betrifft ferner, analog zu dem vorangehend vorgeschlagenen Verfahren, ein System zum Einlaufen einer Brennstoffzelle, aufweisend mindestens eine Brennstoffzelle mit einem Kathodenpfad und einem Anodenpfad, eine Steuereinheit, wobei die Steuereinheit mit der mindestens einen Brennstoffzelle gekoppelt ist und ausgebildet ist, zum Ansteuern der mindestens einen Brennstoffzelle zum Durchführen eines zumindest weitgehend stationären Betriebs unter Zufuhr von Luft und Wasserstoff und Entnahme eines elektrischen Stroms mit einer ersten Stromstärke über einen vorgegebenen ersten Zeitraum; Unterbrechen der Zufuhr von Luft und Ändern der Entnahme des elektrischen Stroms auf mindestens eine zweite Stromstärke, wobei die Zufuhr von Wasserstoff aufrechterhalten wird, über einen vorgegebenen zweiten Zeitraum; und Überwachen einer Zellenspannung der Brennstoffzelle und Unterbrechen des Stromflusses, wenn ein vorgegebener Schwellenwert der Zellenspannung unterschritten wird, wobei die mindestens eine zweite Stromstärke nicht Null ist.
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Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von Figuren näher dargestellt.
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Ausführungsbeispiele
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Es zeigt:
- 1 eine Brennstoffzelle in einem System zum Einlaufen einer Bren nstoffzel le.
- 2 ein Verfahren zum Einlaufen einer Brennstoffzelle.
- 3 ein Diagramm mit Strom- und Zellenspannungsverläufen.
- 4a-4d Varianten von Änderungen zweiter Stromstärken.
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1 zeigt sehr schematisch eine Brennstoffzelle 2, die mit einer Wasserstoffversorgung 4 und einer Luftversorgung 6 gekoppelt ist. Die Wasserstoffversorgung 4 ist mit einem Anodeneinlass 8 gekoppelt. Etwaige Anodenrestgase werden aus einem Anodenauslass 10 abgegeben. Frische Zuluft strömt aus der Luftzufuhr 6 in einen Kathodeneinlass 12, während Kathodenabluft aus einem Kathodenauslass 14 strömt. Da der Zweck der hier geschilderten Erfindung auf dem Einlaufen einer Brennstoffzelle 2 liegt, wird die weitere Behandlung der Fluidströme aus dem Anodenauslass 10 und dem Kathodenauslass 14 nicht weiter betrachtet.
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Ein elektrischer Anschluss 16 der Brennstoffzelle 2 ist mit einer elektrischen Last 18 gekoppelt, durch die sich ein Stromfluss ergibt. Die elektrische Last 18 kann beliebiger Art sein und beispielsweise einen gekühlten Widerstand oder eine Heizeinrichtung umfassen, durch die ein ausreichend großer Stromfluss realisierbar ist. Der Stromfluss kann über ein Amperemeter 20 gemessen werden. Ein Zellenpotenzial kann indes über eine Spannungsmesseinrichtung 22 erfasst werden.
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An dieser Stelle sei angemerkt, dass die Brennstoffzelle 2 auch ein Brennstoffzellenstapel sein kann, der mehrere Brennstoffzellen in einer Reihen- und/oder Parallelschaltung umfasst.
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Eine Steuereinheit 24 ist vorgesehen, die mit der Brennstoffzelle 2, dem Amperemeter 20, der Spannungsmesseinrichtung 22 sowie der Luftzufuhr 6 und der Wasserstoffzufuhr 4 gekoppelt ist. Die Steuereinheit 24 ist dazu ausgebildet, die Brennstoffzelle 2 zum Durchführen eines zumindest weitgehend stationären Betriebs unter Zufuhr von Luft und Wasserstoff und Entnahme eines elektrischen Stroms mit einer ersten Stromstärke über einen vorgegebenen ersten Zeitraum anzusteuern, die Zufuhr von Luft zu unterbrechen, beispielsweise durch Schließen eines Kathodeneingangsventils 26 und/oder eines Kathodenausgangsventils 28, und die Entnahme des elektrischen Stroms auf mindestens eine zweite Stromstärke zu ändern, wobei die Zufuhr von Wasserstoff aufrechterhalten wird, über einen vorgegebenen zweiten Zeitraum. Anschließend wird die Zellenspannung der Brennstoffzelle 2 überwacht und der Stromfluss unterbrochen, wenn ein vorgegebener Schwellenwert der Zellenspannung unterschritten wird. Die mindestens eine zweite Stromstärke ist dabei nicht Null.
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2 zeigt ein Verfahren zum Einlaufen der Brennstoffzelle 2. Das Verfahren umfasst ein Ansteuern 30 der Brennstoffzelle 2 zum Durchführen eines zumindest weitgehend stationären Betriebs unter Zufuhr von Luft und Wasserstoff und Entnahme eines elektrischen Stroms mit einer ersten Stromstärke über einen vorgegebenen ersten Zeitraum. Anschließend wird die Zufuhr von Luft unterbrochen 32 und die Entnahme des elektrischen Stroms auf mindestens eine zweite Stromstärke geändert 34, wobei die Zufuhr von Wasserstoff aufrechterhalten wird, über einen vorgegebenen zweiten Zeitraum. Anschließend wird die Zellenspannung der Brennstoffzelle 2 überwacht 36 und der Stromfluss unterbrochen 38, wenn ein vorgegebener Schwellenwert der Zellenspannung unterschritten wird. Die mindestens eine zweite Stromstärke ist dabei nicht Null.
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3 zeigt ein Diagramm, in dem eine Stromstärke 40 und ein Zellenpotential 42 entlang der Zeit aufgetragen sind. Hier ist eine erste Stromstärke 40a dargestellt, die auf eine zweite Stromstärke 40b geändert wird. Das Zellenpotential 42 fällt von einem Ausgangswert 42a auf einen Schwellenwert 42b. Bei Erreichen des letzteren wird die Stromentnahme unterbrochen, d.h. die Stromstärke 40 wird zu Null. Anschließend wird der normale Betrieb wieder aufgenommen und gegebenenfalls das Verfahren wiederholt.
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4a bis 4d zeigen unterschiedliche Varianten für die geänderte zweite Stromstärke 40b. In Fig, 4a ist ein treppenförmiger Verlauf mit weitgehend linearem Abfall der zweiten Stromstärke gezeigt. Dort fällt die zweite Stromstärke in einzelnen Stufen 44 ab, wobei die Stufen gleich groß sind und sich über gleich große Zeitintervalle erstrecken.
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4b zeigt eine exponentiell abfallende zweite Stromstärke 40b.
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In 4c sind mehrere zweite Stromstärken 40b gezeigt, die insgesamt abfallend sind.
Hier sind zwei Paare von zweiten Stromstärken 40b vorgesehen, die direkt aufeinanderfolgen und jeweils einen Anstieg 48 aufweisen. Weiterhin sind zwei Paare von zweiten Stromstärken 40b vorgesehen, die jeweils einen Abfall 46 aufweisen. Der Abfall 46 ist dabei betragsmäßig größer als der Anstieg 48.
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In 4d ist schließlich ein initialer Anstieg 50 vorgesehen, auf den ein vollständiger Abfall auf Null folgt.
