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Die vorliegende Erfindung geht aus von einem Verfahren nach Gattung des unabhängigen Verfahrensanspruchs, einem System nach Gattung des unabhängigen Systemanspruchs sowie einem Kraftfahrzeug, umfassend ein derartiges System.
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Stand der Technik
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Im Rahmen einer umweltfreundlichen Mobilitätsgarantie haben sich insbesondere brennstoffzellenbetriebene Fahrzeuge als geeignete Alternative zu verbrennungsmotorbetriebenen Fahrzeugen herausgestellt. Die Energie für die Fortbewegung wird hierbei in Form von elektrischer Energie aus einer kontrollierten Reaktion zwischen Wasserstoff und Sauerstoff gewonnen. Dafür weisen Brennstoffzellen eine komplexe Polymerelektrodenmembrananordnung (PEM-Anordnung) auf, auf deren einer Seite die Anode und auf deren gegenüberliegender Seite die Kathode angeordnet ist. Über Bipolarplatten wird die Anode während des Betriebs der Brennstoffzelle mit Wasserstoff versorgt, während die Kathode mit Sauerstoff bzw. Luft versorgt wird. Da eine einzelne Brennstoffzelle nicht genügend elektrische Energie für den Antrieb eines Kraftfahrzeugs erzeugt, werden eine Vielzahl von Brennstoffzellen in einem Brennstoffzellenstack zusammen in Reihe verschaltet, um die erforderliche elektrische Energie aufwenden zu können.
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Nachteiliger Weise unterliegen PEM-Brennstoffzellen im Laufe ihrer Lebensdauer einer nicht unerheblichen Alterung und Degradation. Die Alterungs- und Degradationseffekte werden hauptsächlich durch eine Beschädigung der Platinpartikel der innerhalb der Polymerelektrodenmembrananordnung angeordneten Kathodenkatalysatorschicht verursacht. Neben irreversiblen Beschädigungen, wie dem Verlust von Platin oder der Agglomeration von Platinpartikeln zu größeren Partikeln, wird die Leistungsfähigkeit einer Brennstoffzelle insbesondere durch reversible Degradation, wie z.B. Platinoxidbildung oder Sulfonatadsorption auf der Platinoberfläche reduziert. Zudem können solche reversiblen Degradationen auch zu verstärkter irreversibler Degradation führen, wenn man sie nicht wieder rückgängig macht, d.h. Sulfonate entfernt sowie das Platinoxid wieder zu Platin reduziert und dadurch die Bildung von sog. 3D-Platinoxid verhindert.
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Zwar sind aus dem Stand der Technik Maßnahmen bekannt, einer solchen Alterung und Degradation vorzubeugen, allerdings sind die bekannten Maßnahmen entweder zu ineffektiv oder aber konstruktiv aufwändig und kostenintensiv und deshalb nicht empfehlenswert.
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Offenbarung der Erfindung
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Gegenstand der Erfindung ist gemäß einem ersten Aspekt ein Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Verfahrensanspruchs, gemäß einem zweiten Aspekt ein System mit den Merkmalen des unabhängigen Systemanspruchs und gemäß einem dritten Aspekt ein Kraftfahrzeug, umfassend ein derartiges System. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen System bzw. dem erfindungsgemäßen Kraftfahrzeug und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den jeweils einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.
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Der Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie des erfindungsgemäßen Systems ist hierbei insbesondere darin zu sehen, dass auf konstruktiv einfache und kostengünstige Art und Weise eine besonders effektive Entfernung von Platinoxid und Sulfonat-Adsorbaten auf der Kathodenkatalysatorschicht einer Polymerelektrodenmembrananordnung erzielbar ist. Hierdurch kann insbesondere die Effizienz und Lebensdauer einer Brennstoffzelle bzw. eines Brennstoffzellenstacks erhöht werden. Zudem kann die Effizienz- und Lebensdauerverbesserung zur Einsparung von Platin oder zur Größenreduktion des Kühlsystems eines Brennstoffzellenstacks genutzt werden.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben eines Polymerelektrodenmembran-Brennstoffzellenstacks (im Folgenden: PEM-Brennstoffzellenstacks) umfasst hierbei die Schritte eines Aktivierens eines lastfreien Betriebs des PEM-Brennstoffzellenstacks, eines Unterbrechens einer Zuführung von Sauerstoff zum PEM-Brennstoffzellenstack, eines Zuführens von Wasserstoff zum PEM-Brennstoffzellenstack sowie eines Einspeisens eines kontinuierlichen negativen Stroms oder eines periodisch wechselnden positiven und negativen Stroms an den PEM-Brennstoffzellenstack, um den eingeleiteten Wasserstoff auf der Anodenseite des PEM-Brennstoffzellenstacks zu oxidieren und H+ auf der Kathodenseite des PEM-Brennstoffzellenstacks zu reduzieren.
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Das erfindungsgemäße Verfahren kann insbesondere in Personenkraftwagen oder in Lastkraftwagen eingesetzt werden. Ebenso ist ein Einsatz in Schiffen, Flugobjekten oder auch in stationären Objekten denkbar. Unter einem lastfreien Betrieb kann erfindungsgemäß insbesondere ein Zustand verstanden werden, in dem kein Verbraucher an dem Brennstoffzellenstack - und somit vorzugsweise nur eine Leerlaufspannung anliegt. Es versteht sich ferner, dass unter einem Aktivieren eines lastfreien Betriebs des PEM-Brennstoffzellenstacks ebenso ein Beibehalten eines lastfreien Betriebs verstanden werden kann, sofern das gegenständliche Verfahren aus einem inaktiven bzw. lastfreien Modus gestartet wird. Ebenso kann unter einem Unterbrechen einer Zuführung von Luft oder Sauerstoff, insbesondere auf der
Kathodenseite des Brennstoffzellenstacks, auch ein Beibehalten eines Zuführstopps an Luft oder Sauerstoff verstanden werden. Es versteht sich ferner, dass der Sauerstoff sowohl in reiner Form, als auch in Form von Luft zugeführt werden kann. Unter einem kontinuierlichen negativen Strom kann im Rahmen der Erfindung ferner insbesondere ein Stromfluss verstanden werden, der in entgegengesetzter Durchflussrichtung zur bestehenden Durchflussrichtung (von der Anode zur Kathode) gerichtet ist. Unter einem periodisch wechselnden positiven und negativen Strom kann entsprechend ein Stromfluss verstanden werden, bei dem die Durchflussrichtung periodisch wechselt. Ein Anlegen eines periodisch wechselnden positiven und negativen Stroms kann insbesondere von Vorteil sein, um alternierend Wasserstoff an der Kathode zu produzieren und zu entfernen, sodass die Wasserstoffkonzentration auf der Kathodenseite keine sicherheitsrelevanten Größenordnungen erreicht. Um den gesamten Sauerstoff auf der Kathodenseite zu entfernen, kann neben der Maßnahme ein Zuführen von Sauerstoff zu unterbinden, ferner vorgesehen sein, dass vor oder während der Ausführung des gegenständlichen Verfahrens auf der Kathodenseite gespült bzw. gepumpt wird. Eine Zuführung von Wasserstoff in den Kathodenteil eines Brennstoffzellenstacks kann darüber hinaus auch zur effektiven Verhinderung von Luft/Luft-Starts dienen und so die Lebensdauer eines Brennstoffzellensystems ebenfalls erhöhen.
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Im Hinblick auf eine konstruktiv einfache, kostengünstige und platzsparende Ausführung kann erfindungsgemäß vorteilhafter Weise vorgesehen sein, dass das Einspeisen eines kontinuierlichen negativen Stroms über einen Bi-direktionalen DC/DC-Konverter erfolgt, in den in einem Lastbetrieb des Brennstoffzellenstacks, vorzugsweise ein über den Brennstoffzellenstack erzeugter (positiver) Strom einspeisbar ist und von dem in einem lastfreien Betrieb des Brennstoffzellenstacks ein (negativer) Strom in den Brennstoffzellenstack einspeisbar ist. Durch die Verwendung eines Bi-direktionalen DC/DC-Konverters kann insbesondere auf die Anordnung eines zusätzlichen Stromübertragungsmittels verzichtet werden, was nicht nur Kosten spart, sondern auch den erforderlichen Bauraum der zur Ausführung des Verfahrens benötigten Komponenten minimiert.
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Ebenso kann im Rahmen einer alternativen Ausführung des gegenständlichen Verfahrens vorgesehen sein, dass das Anlegen eines kontinuierlichen negativen Stroms über einen zusätzlichen DC/DC-Konverter und/oder einen Kondensator erfolgt, von dem in einem lastfreien Betrieb des Brennstoffzellenstacks ein Strom in den Brennstoffzellenstack einspeisbar ist, wobei der Kondensator vorzugsweise in Form eines Super-Kondensators ausgebildet ist. Auf diese Weise kann insbesondere eine schnelle und effektive Entfernung von Platinoxid und Sulfonat-Adsorbaten auf der Kathodenkatalysatorschicht ermöglicht werden und gleichzeitig schnell zwischen einem Normalbetrieb eines Brennstoffzellenstacks und einem Regenerationsbetrieb zur Verhinderung einer Degeneration und einer irreversiblen Schädigung gewechselt werden. Ein Super-Kondensator ist insbesondere für besonders schnelle Lade- und Entladezyklen und eine große Anzahl an Ladezyklen geeignet.
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Darüber hinaus ist es im Rahmen einer energie- und kostensparenden Nutzung von Übertragungsverlusten vorstellbar, dass der periodisch wechselnde positive und negative Strom über einen Bi-direktionalen DC/DC-Konverter (16a) und/oder einen zusätzlichen DC/DC-Konverter (16b) in den Brennstoffzellenstack (2) eingespeist wird, wobei der periodisch wechselnde positive und negative Strom vorzugsweise in Form eines sinusförmigen Wechselstroms (Rippelstroms) ausgebildet ist. Auf letztere Weise kann der im Rahmen einer Wandlung auftretende Wechselstromverlust sinnvoll genutzt und eingesetzt werden.
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Ebenso ist es im Rahmen einer energie- und kostensparenden Nutzung von Übertragungsverlusten denkbar, dass der periodisch wechselnde positive und negative Strom über eine Bordbatterie und/oder einen Kondensator, insbesondere einen Super-Kondensator in den Brennstoffzellenstack eingespeist wird, wobei der periodisch wechselnde positive und negative Strom vorzugsweise in Form eines sinusförmigen Wechselstroms ausgebildet ist. Ein Super-Kondensator ermöglicht hierbei insbesondere eine besonders schnelle Ladung und Entladung.
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Ebenfalls Gegenstand der Erfindung ist ferner ein System, vorzugsweise zur Durchführung eines voranstehend beschriebenen Verfahrens. Hierbei umfasst das erfindungsgemäße System einen Brennstoffzellenstack, umfassend eine Mehrzahl von Brennstoffzellen, optional ein Aktivierungsmittel zur Aktivierung eines lastfreien Betriebs des PEM-Brennstoffzellenstacks, ein Unterbrechungsmittel zur Unterbrechung einer Zuführung von Sauerstoff zum PEM-Brennstoffzellenstack, ein Zuführmittel zur Zuführung von Wasserstoff zum PEM-Brennstoffzellenstack sowie ein Stromübertragungsmittel zur Einspeisung eines kontinuierlichen negativen Stroms oder eines periodisch wechselnden positiven und negativen Stroms in den Brennstoffzellenstack, um den eingeleiteten Wasserstoff an den Anoden des Brennstoffzellenstacks zu oxidieren und H+ an den Kathoden des Brennstoffzellenstacks zu reduzieren. Damit weist das erfindungsgemäße System die gleichen Vorteile auf, wie bereits ausführlich in Bezug auf das erfindungsgemäße Verfahren beschrieben worden sind. Unter einem erfindungsgemäßen Aktivierungsmittel zur Aktivierung eines lastfreien Betriebs des PEM-Brennstoffzellenstacks kann bspw. ein Schalter verstanden werden, der eine elektrische Verbindung zwischen einem elektrischen Verbraucher und dem Brennstoffzellenstack trennen und schließen kann. Unter einem Unterbrechungsmittel zur Unterbrechung einer Zuführung von Sauerstoff zum PEM-Brennstoffzellenstack kann ferner vorzugsweise ein Ventil oder dergleichen verstanden werden, insbesondere ein Absperrventil. Unter einem Zuführmittel zur Zuführung von Wasserstoff zum PEM-Brennstoffzellenstack kann zudem schließlich vorzugsweise ebenfalls ein Ventil, bspw. ein Dosierventil verstanden werden.
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Im Hinblick auf eine konstruktiv einfache, kostengünstige und platzsparende Ausführung kann erfindungsgemäß vorteilhafter Weise vorgesehen sein, dass ein Bi-direktionaler DC/DC-Konverter zur Aufnahme eines Stroms in einem Lastbetrieb des Brennstoffzellenstacks und zur Abgabe eines Stroms, insbesondere eines kontinuierlichen negativen Stroms oder eines periodisch wechselnden positiven und negativen Stroms, in einem lastfreien Betrieb des Brennstoffzellenstacks vorgesehen ist. Durch die Verwendung eines Bi-direktionalen DC/DC-Konverters kann insbesondere auf die Anordnung eines zusätzlichen Stromübertragungsmittels verzichtet werden, was nicht nur Kosten spart, sondern auch den erforderlichen Bauraum der zur Ausführung des Verfahrens benötigten Komponenten minimiert. Der periodisch wechselnde positive und negative Strom kann hierbei insbesondere in Form eines sinusförmigen Wechselstroms (Rippelstroms) ausgebildet sein.
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Ebenso kann im Rahmen einer alternativen Ausführung des gegenständlichen Verfahrens vorgesehen sein, dass ein zusätzlicher DC/DC-Konverter und/oder Kondensator zur Einspeisung eines kontinuierlichen negativen Stroms oder eines periodisch wechselnden positiven und negativen Stroms in einem lastfreien Betrieb des Brennstoffzellenstacks vorgesehen ist, wobei der Kondensator vorzugsweise in Form eines Super-Kondensators ausgebildet ist. Auf diese Weise kann insbesondere eine schnelle und effektive Entfernung von Platinoxid und Sulfonat-Adsorbaten auf der Kathodenkatalysatorschicht ermöglicht werden und gleichzeitig schnell zwischen einem Normalbetrieb eines Brennstoffzellenstacks und einem Regenerationsbetrieb zur Verhinderung einer Degeneration und einer irreversiblen Schädigung gewechselt werden. Ein Super-Kondensator ist insbesondere für schnelle Lade- und Entladezyklen und eine große Anzahl an Ladezyklen geeignet. Der periodisch wechselnde positive und negative Strom kann hierbei ebenfalls in Form eines sinusförmigen Wechselstroms (Rippelstroms) ausgebildet sein.
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Ebenso ist es im Rahmen einer einfachen und kostengünstigen Lösung denkbar, dass eine Bordbatterie zur Einspeisung eines kontinuierlichen negativen Stroms oder eines periodisch wechselnden positiven und negativen Stroms in einem lastfreien Betrieb des Brennstoffzellenstacks vorgesehen ist, wobei die Bordbatterie vorzugsweise seriell über einen DC/DC-Konverter und/oder einen zusätzlichen DC/DC-Konverter und/oder einen Kondensator mit dem Brennstoffzellenstack verbunden ist.
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Zudem kann im Rahmen einer autonomen oder automatisierbaren Ausführung des erfindungsgemäßen Systems vorgesehen sein, dass eine Steuereinheit vorgesehen ist, wobei die Steuereinheit vorzugsweise ein Detektionsmittel zur Detektion eines aktuellen Zustands des Brennstoffzellenstacks, eine Verarbeitungseinheit zur Bestimmung der Notwendigkeit der Durchführung eines Behandlungszyklus auf Basis des detektierten aktuellen Zustands des Brennstoffzellenstacks sowie eine Steuereinheit zur Steuerung eines Behandlungszyklus auf Basis der Bestimmung aufweist. Die Detektionseinheit kann hierbei bspw. dazu ausgebildet sein, Platinoxid- oder Sulfonatadsorbate auf der Oberfläche einer Kathodenkatalysatorschicht einer Brennstoffzelle frühzeitig zu erkennen. Die Verarbeitungseinheit kann ferner vorzugsweise dazu vorgesehen sein, anhand der detektierten Platinoxid- oder Sulfonatadsorbate eine Alterung bzw. Degradation einer Kathodenkatalysatorschicht einer Brennstoffzelle abzuschätzen und Maßnahmen zur Behebung der Alterung bzw. Degradation zu bestimmen. Die Steuereinheit kann schließlich zur Steuerung der bestimmten Maßnahmen vorgesehen sein.
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Ebenfalls Gegenstand der Erfindung ist ferner ein Kraftfahrzeug, umfassend ein voranstehend beschriebenes System. Damit weist das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug die gleichen Vorteile auf, wie sie bereits ausführlich in Bezug auf das erfindungsgemäße Verfahren und das erfindungsgemäße System beschrieben worden sind.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen beschrieben sind. Hierbei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein. Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung der einzelnen Schritte eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben eines PEM-Bren nstoffzel lenstacks,
- 2a eine schematische Darstellung des Verlaufs des in den PEM-Brennstoffzellenstack eingespeisten periodisch wechselnden positiven und negativen Stroms,
- 2b eine schematische Darstellung des Verlaufs des in den PEM-Brennstoffzellenstack eingespeisten kontinuierlichen negativen Stroms,
- 3 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Systems zum Betreiben eines PEM-Brennstoffzellenstacks gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,
- 4 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Systems zum Betreiben eines PEM-Brennstoffzellenstacks gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel,
- 5 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Systems zum Betreiben eines PEM-Brennstoffzellenstacks gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel.
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1 zeigt eine schematische Darstellung der einzelnen Schritte eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben eines PEM-Brennstoffzellenstacks 2.
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Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst hierbei die Schritte eines Aktivierens 100 eines lastfreien Betriebs des PEM-Brennstoffzellenstacks 2, eines Unterbrechens 200 einer Zuführung von Sauerstoff zum PEM-Brennstoffzellenstack 2, eines Zuführens 300 von Wasserstoff zum PEM-Brennstoffzellenstack 2 sowie eines Einspeisens 400 eines kontinuierlichen negativen Stroms oder eines periodisch wechselnden positiven und negativen Stroms an den PEM-Brennstoffzellenstack 2, um den eingeleiteten Wasserstoff an den Anoden 4a des PEM-Brennstoffzellenstacks 2 zu oxidieren und H+ an den Kathoden 6a des PEM-Brennstoffzellenstacks 2 zu reduzieren.
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2a zeigt eine schematische Darstellung des Verlaufs des in den PEM-Brennstoffzellenstack 2 eingespeisten periodisch wechselnden positiven und negativen Stroms I gegen die Zeit T.
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Wie in 2a zu erkennen ist, verläuft der eingespeiste periodisch wechselnde positive und negative Strom I sinusförmig mit einer Amplitude A und einer Phase P, wobei der periodisch wechselnde Strom I vorliegend in Form eines Wechselstroms ausgebildet ist, der aus einem Uni- oder bidirektionalen DC/DC-Wandler stammt.
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2b zeigt eine schematische Darstellung des Verlaufs des in den PEM-Brennstoffzellenstack 2 eingespeisten kontinuierlichen negativen Stroms I gegen die Zeit T.
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Wie in 2b zu erkennen ist, verläuft der eingespeiste kontinuierliche negative Strom I innerhalb der Intervalllänge IL, wobei der eingespeiste kontinuierliche negative Strom I, vorliegend über einen zusätzlichen DC/DC-Wandler generiert wird.
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3 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Systems 1 zum Betreiben eines PEM-Brennstoffzellenstacks 2 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel.
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Wie gemäß 3 zu erkennen ist, umfasst das System 1 einen Brennstoffzellenstack 2, umfassend eine Mehrzahl von Brennstoffzellen 2`, ein Aktivierungsmittel 8 zur Aktivierung eines lastfreien Betriebs des PEM-Brennstoffzellenstacks 2, in Form eines innerhalb der elektrischen Verbindungsleitung 20 angeordneten Schalters, ein Unterbrechungsmittel 10 zur Unterbrechung 200 einer Zuführung von Sauerstoff zum PEM-Brennstoffzellenstack 2, in Form eines Absperrventils sowie ein Zuführmittel 14 zur Zuführung 300 von Wasserstoff zum PEM-Brennstoffzellenstack 2 in Form eines Dosierventils, wobei vorliegend zwei Stromübertragungsmittel 16a, 16d (in Form eines Energiespeichers 16d und eines bidirektionalen DC/DC-Wandlers 16a) zur Einspeisung eines kontinuierlichen negativen Stroms oder eines periodisch wechselnden positiven und negativen Stroms in den Brennstoffzellenstack 2 vorgesehen sind, um den eingeleiteten Wasserstoff an den Anoden 4a des Brennstoffzellenstacks 2 zu oxidieren und H+ an den Kathoden 6a des Brennstoffzellenstacks 2 zu reduzieren.
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4 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Systems 1 zum Betreiben eines PEM-Brennstoffzellenstacks 2 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel.
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Wie gemäß 4 zu erkennen ist, umfasst das erfindungsgemäße System 1 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel zusätzlich zu dem Energiespeicher 16dund dem Bi-direktionalen DC/DC-Konverter 16a zur Aufnahme eines Stroms in einem Lastbetrieb des Brennstoffzellenstacks 2 und zur Abgabe eines Stroms, insbesondere eines kontinuierlichen negativen Stroms oder eines periodisch wechselnden positiven und negativen Stroms, in einem lastfreien Betrieb des Brennstoffzellenstacks (2), einen zweiten parallel zum Bi-direktionalen DC/DC-Konverter 16a verschalteten monodirektionalen DC/DC-Konverter 16b. Der Bi-direktionale DC/DC-Konverter 16a kann in diesem Fall auch als einfacher unidirektionaler DC/DC-Wandler ausgebildet sein.
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5 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Systems 1 zum Betreiben eines PEM-Brennstoffzellenstacks 2 gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel.
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Wie gemäß 5 zu erkennen ist, umfasst das erfindungsgemäße System 1 gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel zusätzlich zu dem Energiespeicher 16dund dem Bi-direktionalen DC/DC-Konverter 16a zur Aufnahme eines Stroms in einem Lastbetrieb des Brennstoffzellenstacks 2 und zur Abgabe eines Stroms, insbesondere eines kontinuierlichen negativen Stroms oder eines periodisch wechselnden positiven und negativen Stroms, in einem lastfreien Betrieb des Brennstoffzellenstacks (2), einen seriell mit dem Bi-direktionalen DC/DC-Konverter 16a verschalteten Kondensator 16c, der vorzugsweis ein Form eines Super-Kondensators ausgebildet ist.
