DE102022206069A1 - Brennstoffzellensystem mit Elektrolysezellenstapel, Fahrzeug sowie Verfahren zum Reinigen eines Katalysators - Google Patents

Brennstoffzellensystem mit Elektrolysezellenstapel, Fahrzeug sowie Verfahren zum Reinigen eines Katalysators Download PDF

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Abstract

Brennstoffzellensystem (100) für ein Fahrzeug (200) mit:- einem Brennstoffzellenstapel (90) mit einer Anode (10) mit einem Anodeneingang (11) und einem Anodenausgang (12), sowie einer Kathode (20) mit einem Kathodeneingang (21) und einem Kathodenausgang (22),- einem Elektrolysezellenstapel (30) zum Erzeugen zumindest von Ozon mit einer ELY-Anode (33) mit einem ELY-Anodeneingang (31) und einem ELY-Anodenausgang (32), sowie einer ELY-Kathode (38) mit einem ELY-Kathodeneingang (36) und einem ELY-Kathodenausgang (37),- einer Wassereinheit (40) für das Zuführen von Wasser zum Elektrolysezellenstapel (30),- einer kontrollierbaren Energiequelle (80) zum Bereitstellen elektrischer Energie für den Elektrolysezellenstapel (30) zum Erzeugen des Ozons, und wobei die Wassereinheit (40) fluidtechnisch mit dem ELY-Anodeneingang (31) der ELY-Anode (33) verbunden ist, wobei der ELY-Anodenausgang (32) der ELY-Anode (33) fluidtechnisch mit dem Kathodeneingang (21) der Kathode (20) des Brennstoffzellenstapels (100) und/oder fluidtechnisch mit dem Anodeneingang (11) der Anode (10) des Brennstoffzellenstapels (100) verbunden ist.

Description

  • Stand der Technik
  • Während eines Betriebs einer Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzelle können mit der Zufuhr der Reaktionsgase Wasserstoff und Luft kontinuierlich geringe Mengen gasförmiger Kontaminanten, wie beispielsweise Kohlenmonoxid (CO), Schwefeldioxid (SO2), Schwefelwasserstoff (H2S) oder Stickoxide (NOx), in ein Inneres eines Brennstoffzellenstapels gelangen. Erreichen diese Kontaminanten die Katalysatoren in eine Reaktionszone, kann es zu einer Adsorption an einer Katalysatoroberfläche der Katalysatoren kommen. Durch die hohen Adsorptionsenergien kann es zu einer Verringerung der Katalysator-Aktivität und einer Blockade der Katalysatoroberfläche kommen, die sich unter den herkömmlichen Betriebsbedingungen der Brennstoffzellen nicht wieder auflösen lässt. Da eine Leistungsfähigkeit einer Brennstoffzelle zu einem großen Anteil durch die Effektivität der Katalysatoren bestimmt wird, kommt es schon bei teilweiser Belegung der Katalysatoroberfläche durch adsorbierte Schadgase zu erheblichen Leistungseinbußen. Es herrscht ständiges Interesse daran die Leistungsfähigkeit einer Brennstoffzelle über eine vorgesehene Betriebsdauer aufrechtzuerhalten.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung zeigt ein Brennstoffzellensystem gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1, ein Fahrzeug gemäß den Merkmalen des Anspruchs 7 sowie ein Verfahren gemäß den Merkmalen des Anspruchs 8.
  • Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Fahrzeug und dem erfindungsgemäßen Verfahren und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.
  • Gemäß einem ersten Aspekt zeigt die vorliegende Erfindung ein Brennstoffzellensystem für ein Fahrzeug, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, wobei das Brennstoffzellensystem einen Brennstoffzellenstapel umfasst. Der Brennstoffzellenstapel umfasst eine Anode mit einem Anodeneingang und einem Anodenausgang. Ferner umfasst der Brennstoffzellenstapel eine Kathode mit einem Kathodeneingang und einem Kathodenausgang. Ferner umfasst das Brennstoffzellensystem einen Elektrolysezellenstapel zum Erzeugen zumindest von Ozon, wobei der Elektrolysezellenstapel eine ELY-Anode mit einem ELY-Anodeneingang und einem ELY-Anodenausgang, sowie eine ELY-Kathode mit einem ELY-Kathodeneingang und einem ELY-Kathodenausgang umfasst. Ferner umfasst das Brennstoffzellensystem eine Wassereinheit für das Zuführen von Wasser zumindest zum Elektrolysezellenstapel für das Erzeugen des Ozons. Ferner umfasst das Brennstoffzellensystem eine kontrollierbare Energiequelle zum Bereitstellen elektrischer Energie für den Elektrolysezellenstapel zum Erzeugen des Ozons, wobei die Energiequelle mit dem Elektrolysezellenstapel elektrisch verbunden ist. Ferner ist die Wassereinheit fluidtechnisch mit dem ELY-Anodeneingang der ELY-Anode verbunden, und wobei der ELY-Anodenausgang der ELY-Anode fluidtechnisch mit dem Kathodeneingang der Kathode des Brennstoffzellenstapels und/oder fluidtechnisch mit dem Anodeneingang der Anode des Brennstoffzellenstapels verbunden ist.
  • Das Fahrzeug kann insbesondere ein Kraftfahrzeug, vorzugsweise ein Personenkraftwagen oder ein Lastkraftwagen, sein.
  • Der Brennstoffzellenstapel des Brennstoffzellensystems erzeugt insbesondere elektrische Energie zum Fortbewegen des Fahrzeuges.
  • Ferner kann der Brennstoffzellenstapel eine Vielzahl an miteinander elektrisch verschalteten Brennstoffzellen umfassen.
  • Insbesondere weist der Elektrolysezellenstapel mehrere miteinander elektrisch verschalteten Elektrolysezellen oder eine einzige Elektrolysezelle auf.
  • Das Brennstoffzellensystem kann ferner eine Kontrolleinheit für das Kontrollieren des Brennstoffzellensystems aufweisen. Insbesondere kann durch die Kontrolleinheit die Energiequelle kontrolliert werden und/oder kann ein Ventil oder mehrere Ventile des Brennstoffzellensystems zum Kontrollieren eines jeweiligen Durchflusses kontrolliert werden.
  • Die kontrollierbare Energiequelle ist bspw. eine Fahrzeugbatterie eines Fahrzeuges. Zwischen der Fahrzeugbatterie des Fahrzeuges und dem Elektrolysezellenstapel kann eine Stromregeleinheit für das Kontrollieren der Fahrzeugbatterie geschaltet sein, wobei insbesondere die Stromregeleinheit von einer Kontrolleinheit des Brennstoffzellensystems zum Kontrollieren des Brennstoffzellensystems kontrolliert wird.
  • Vorzugsweise ist der ELY-Anodenausgang der ELY-Anode fluidtechnisch (nur) mit dem Kathodeneingang der Kathode des Brennstoffzellenstapels verbunden, wobei insbesondere ferner der ELY-Kathodenausgang der ELY-Kathode fluidtechnisch (nur) mit dem Anodeneingang der Anode des Brennstoffzellenstapels verbunden ist. Somit kann das Brennstoffzellensystem besonders einfach ausgebildet sein. Mit dem Ausdruck, dass der ELY-Anodenausgang der ELY-Anode fluidtechnisch (nur) mit dem Kathodeneingang der Kathode des Brennstoffzellenstapels verbunden ist, soll ausgedrückt werden, dass der der ELY-Anodenausgang der ELY-Anode fluidtechnisch nicht zusätzlich noch mit dem Anodeneingang der Anode des Brennstoffzellenstapels fluidtechnisch verbunden ist.
  • Insbesondere kann ein fluidtechnisches Verbinden zweier Komponenten des Brennstoffzellensystems als ein fluidtechnisches Verbinden mittels einer oder mehrerer fluidführbaren Leitung(en) verstanden werden.
  • Der Elektrolysezellenstapel ist insbesondere ein fester Bestandteil des Bren nstoffzel lensystems.
  • Die Wassereinheit kann bspw. ein Gasbefeuchter des Brennstoffzellensystems sein. Die Wassereinheit kann ferner insbesondere einen Wasserspeicher zum Speichern von Wasser aufweisen.
  • Vorteilhafterweise kann mit dem Elektrolysezellenstapel Ozon für das Reinigen eines Katalysators der Anode des Brennstoffzellenstapels und/oder für das Reinigen eines Katalysators der Kathode des Brennstoffzellenstapels besonders einfach erzeugt werden. Ferner kann das von dem Elektrolysezellenstapel erzeugte Ozon besonders kontrolliert und besonders dosiert in die Anode und/oder Kathode des Brennstoffzellenstapels eingebracht werden. Somit kann bspw. eine oxidative Schädigung eines kohlenstoffbasierten Katalysatorträgers des Brennstoffzellenstapels besonders geringgehalten werden.
  • Es kann von Vorteil sein, wenn bei einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem der ELY-Kathodeneingang der ELY-Kathode für das Erzeugen des Ozons verschlossen ist. Mit anderen Worten ist die ELY-Kathode insbesondere ohne jegliche Medienversorgung. Somit kann besonders vorteilhaft ELY-anodenseitig ein Ozon/Wassergemisch erzeugt werden, wobei insbesondere das Ozon/Wassergemisch direkt, d. h. aufbereitungsfrei, in Anode und/oder Kathode des Brennstoffzellenstapels für das Reinigen eines Katalysators geleitet werden kann.
  • Vorteilhafterweise kann bei einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem der ELY-Kathodenausgang der ELY-Kathode fluidtechnisch mit dem Anodeneingang der Anode des Brennstoffzellenstapels verbunden sein, wobei insbesondere in der fluidtechnischen Verbindung des ELY-Kathodenausgangs der ELY-Kathode mit dem Anodeneingang der Anode des Brennstoffzellenstapels ein Ventil zum Kontrollieren des Durchflusses angeordnet ist. Auf der Seite der ELY-Kathode kann mittels der Elektrolyse ferner Wasserstoff mit einer geringen Menge an Wasser erzeugt werden. Vorteilhafterweise kann durch das fluidtechnische Verbinden des ELY-Kathodenausgangs der ELY-Kathode mit dem Anodeneingang der Anode des Brennstoffzellenstapels der in dem Elektrolysezellenstapel erzeugte Wasserstoff der Anode des Brennstoffzellenstapels zugeführt werden. Somit kann das Brennstoffzellensystem besonders effizient betrieben werden. Durch das Ventil in der fluidtechnischen Verbindung kann der Durchfluss kontrolliert, insbesondere gesteuert, werden. Insbesondere kann in einem Reinigungs-Ruhemodus des Brennstoffzellensystems für den Elektrolysezellenstapel eine Fluidkommunikation zu der ELY-Kathode verhindert werden. Der Reinigungs-Ruhemodus des Brennstoffzellensystems für den Elektrolysezellenstapel ist insbesondere ein Modus, in welchem der Elektrolysezellenstapel zumindest fluidtechnisch zu der Anode des Brennstoffzellenstapels und der Kathode des Brennstoffzellenstapels getrennt ist.
  • Mit besonderem Vorteil kann bei einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem der Elektrolysezellenstapel ein Elektrolysezellenstapel auf Basis einer Polymerelektrolytmembran sein, wobei insbesondere die ELY-Anode als Anodenmaterial PbO2 und/oder Sb dotiertes Zinnoxid und/oder Glaskohlenstoff aufweist. Somit kann der Elektrolysezellenstapel besonders kompakt ausgebildet sein und der Elektrolysezellenstapel lässt sich besonders einfach als ein Anbauaggregat in ein Brennstoffzellensystem in dem Fahrzeug integrieren.
  • Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann bei einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem der Elektrolysezellenstapel eine einzige Elektrolysezelle aufweisen. Mit anderen Worten ist insbesondere der Elektrolysezellenstapel eine einzige Elektrolysezelle. Somit kann der Elektrolysezellenstapel besonders kompakt und einfach aufgebaut sein und ein Gewicht eines Fahrzeuges besonders geringgehalten werden. Insbesondere kann der Elektrolysezellenstapel mit der einzigen Elektrolysezelle plattenförmig ausgebildet sein. Vorzugsweise ist der Elektrolysezellenstapel im Bereich des Brennstoffzellenstapels des Brennstoffzellensystems angeordnet. Somit können Strömungswiderstände für das Ozon besonders geringgehalten werden.
  • Es kann von Vorteil sein, wenn bei einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem in der fluidtechnischen Verbindung der Wassereinheit mit dem ELY-Anodeneingang ein kontrollierbares Ventil zum Kontrollieren des Durchflusses angeordnet ist und/oder dass in der fluidtechnischen Verbindung des ELY-Anodenausgangs der ELY-Anode mit dem Anodeneingang der Anode ein Ventil zum Kontrollieren des Durchflusses angeordnet ist und/oder dass in der fluidtechnischen Verbindung des ELY-Anodenausgangs der ELY-Anode mit dem Kathodeneingang der Kathode des Brennstoffzellenstapels ein Ventil zum Kontrollieren des Durchflusses angeordnet ist. Durch das Ventil in der fluidtechnischen Verbindung der Wassereinheit mit dem ELY-Anodeneingang der ELY-Anode kann das Zuführen von Wasser zu dem Elektrolysezellenstapel kontrolliert, insbesondere gesteuert werden. Durch das jeweilige Ventil in der fluidtechnischen Verbindung des ELY-Anodenausgangs der ELY-Anode mit dem Anodeneingang der Anode bzw. dem Kathodeneingang der Kathode kann besonders vorteilhaft der Durchfluss des durch den Elektrolysezellenstapel erzeugten Ozons zu der Anode bzw. der Kathode kontrolliert, insbesondere gesteuert, werden und ein Dosieren des Ozons besonders vorteilhaft erfolgen.
  • Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem einen Ozonsensor zum Erfassen eines Ozongehalts für das Kontrollieren eines Durchflusses des Ozons für das Reinigen eines Katalysators aufweisen. Insbesondere kann der Ozonsensor in einer mit der ELY-Anode verbundenen fluidtechnischen Verbindung angeordnet sein. Somit kann der Ozongehalt besonders einfach erfasst und der Durchfluss des Ozons kontrolliert bzw. dosiert werden. Der Durchfluss des Ozons kann bspw. mittels eines in der fluidtechnischen Verbindung des ELY-Anodenausgangs der ELY-Anode mit dem Anodeneingang der Anode angeordneten Ventils bzw. mittels eines in der fluidtechnischen Verbindung des ELY-Anodenausgangs der ELY-Anode mit dem Kathodeneingang der Kathode angeordneten Ventils erfolgen.
  • Gemäß einem zweiten Aspekt zeigt die vorliegende Erfindung ein Fahrzeug, wobei das Fahrzeug ein erfindungsgemäß ausgebildetes Brennstoffzellensystem umfasst.
  • Der Elektrolysezellenstapel des Brennstoffzellensystems ist insbesondere ortsfest in dem Fahrzeug integriert. Somit kann ein Reinigen eines Katalysators in der Anode bzw. Kathode des Brennstoffzellenstapels bspw. auch in einem Bewegungszustand des Fahrzeuges erfolgen und man ist für das Reinigen des Katalysators nicht auf eine Werkstatt mit einem Ozongenerator angewiesen.
  • Das Fahrzeug gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung weist damit dieselben Vorteile auf, wie sie bereits zu dem Brennstoffzellensystem gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung beschrieben worden sind.
  • Gemäß einem dritten Aspekt zeigt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Reinigen zumindest eines Katalysators einer Anode und/oder zum Reinigen zumindest eines Katalysators einer Kathode eines Brennstoffzellenstapels eines erfindungsgemäß ausgebildeten Brennstoffzellensystems, wobei insbesondere das Brennstoffzellensystem in einem Fahrzeug angeordnet ist. Das Verfahren umfasst als einen Schritt ein Erzeugen von Ozon durch den Elektrolysezellenstapel des Brennstoffzellensystems, insbesondere mittels eines Elektrolyseprozesses. Ferner umfasst das Verfahren als einen Schritt ein Zuführen, insbesondere dosiertes Zuführen, zumindest des erzeugten Ozons von der ELY-Anode des Elektrolysezellenstapels zu der Anode des Brennstoffzellenstapels und/oder Zuführen, insbesondere dosiertes Zuführen, zumindest des erzeugten Ozons von der ELY-Anode des Elektrolysezellenstapels zu der Kathode des Brennstoffzellenstapels. Ferner umfasst das Verfahren als einen Schritt ein Reinigen des Katalysators der Kathode des Brennstoffzellenstapels mittels des zugeführten Ozons und/oder Reinigen des Katalysators der Anode des Brennstoffzellenstapels mittels des zugeführten Ozons.
  • Das Ozon wird insbesondere durch Elektrolyse in dem Elektrolysezellenstapel des Brennstoffzellensystems erzeugt, wobei insbesondere in dem Elektrolysezellenstapel ein Ozon/Wassergemisch erzeugt wird. Vorzugsweise wird das Ozon/Wassergemisch der Anode des Brennstoffzellenstapels und/oder der Kathode des Brennstoffzellenstapels zugeführt, insbesondere direkt, d. h. aufbereitungsfrei, zugeführt.
  • Ferner wird insbesondere zum Erzeugen des Ozons Wasser bereitgestellt.
  • Die zuvor und die im Nachfolgenden beschriebenen Verfahrensschritte können, sofern technisch sinnvoll, einzeln, zusammen, einfach, mehrfach, zeitlich parallel und/oder nacheinander in beliebiger Reihenfolge ausgeführt werden.
  • Durch das Zuführen, insbesondere dosierte Zuführen, zumindest des Ozons zu der Kathode des Brennstoffzellenstapels und/oder zu der Anode des Brennstoffzellenstapels können einem Katalysator adsorbierte Schadgase von der Katalysatoroberfläche, insbesondere einer Platin-Katalysatoroberfläche, besonders effektiv entfernt werden. Ein Katalysator in der Anode und/oder Kathode des Brennstoffzellenstapels trägt zur chemischen Reaktion in dem Brennstoffzellestapel bzw. den Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels bei.
  • Es kann von Vorteil sein, wenn bei einem erfindungsgemäßen Verfahren das Brennstoffzellensystem in einem Fahrzeug angeordnet, insbesondere ortsfest angeordnet, ist, wobei in einem Fahrbetrieb des Fahrzeuges, insbesondere in einer kurzen Stillstandzeit des Fahrzeuges, das erzeugte Ozon der Anode des Brennstoffzellenstapels und/oder der Kathode des Brennstoffzellenstapels zugeführt wird. Somit wird ein Normalbetrieb des Brennstoffzellensystems nicht gestört. Insbesondere wird n der Stillstandzeit keine Leistung abgefragt.
  • Vorteilhafterweise kann bei einem erfindungsgemäßen Verfahren der Elektrolysezellenstapel für das Erzeugen des Ozons in einem Temperaturbereich von 5 bis 100° C, vorzugsweise in einem Temperaturbereich von 20 bis 60° C, ganz vorzugsweise in einem Temperaturbereich von 25 bis 30°C, betrieben werden. Somit kann ein Elektrolysezellenstapel, insbesondere auf Basis einer Polymerelektrolytmembran, besonders effizient betrieben werden.
  • Mit besonderem Vorteil kann bei einem erfindungsgemäßen Verfahren dem ELY-Anodeneingang des Elektrolysezellenstapels für das Erzeugen des Ozons das Wasser aus einem Gasbefeuchter des Brennstoffzellensystems und/oder aus einem auskondensierten Wasser eines Abgasstromes des Brennstoffzellenstapels der Brennstoffzelle zugeführt werden. Somit kann ein Brennstoffzellenstapel besonders vorteilhaft betrieben werden. Ferner ist keine zusätzliche Wasserquelle für das Betreiben des Elektrolysezellenstapels notwendig.
  • Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann bei einem erfindungsgemäßen Verfahren der Brennstoffzellenstapel zumindest einmal in einem Luftmangelbetrieb betrieben werden, wobei zeitlich nach dem Luftmangelbetrieb zumindest der Kathode des Brennstoffzellenstapels das erzeugte Ozon zugeführt wird. Somit kann das Reinigen des Katalysators der Kathode des Brennstoffzellenstapels besonders gut aufgrund eines Potentialwechsels zwischen oxidierenden und reduzierenden Bedingungen erfolgen. Der Luftmangelbetrieb kann auch als „Air Starvation“ verstanden werden. Luftmangelbetrieb kann insbesondere als ein Vorgang verstanden werden, bei welchem die Oxidationsmittelversorgung, bspw. Luft/Sauerstoffversorgung, der Kathode des Brennstoffzellenstapels deutlich reduziert oder ganz unterbunden wird, wobei der Brennstoffzellenstapel weiterhin unter Last betrieben wird, sodass das Oxidationsmittel, bspw. der Sauerstoff, an der Kathode vollständig verbraucht wird. Durch einen dadurch entstehenden Unterdruck kommt es insbesondere zu einer erhöhten Diffusion von dem Reduktionsmittel, bspw. Wasserstoff, durch eine Membran, bspw. Polymerelektrolytmembran, auf die Kathode bzw. die Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels. Somit können reduzierende Bedingungen an dem Katalysator vorliegen. Insbesondere werden die oxidierenden Bedingungen durch das Ozon bereitgestellt, die reduzierenden durch das Reduktionsmittel, bspw. durch den Wasserstoff, beim Luftmangelbetrieb. Vorzugsweise werden die oxidierenden und reduzierenden Bedingungen mehrmals abwechselnd nacheinander durchgeführt. Somit kann das Reinigen eines Katalysators einer Brennstoffzelle des Brennstoffzellenstapels besonders effektiv sein.
  • Das Verfahren gemäß dem dritten Aspekt der Erfindung weist damit dieselben Vorteile auf, wie sie bereits zu dem Brennstoffzellensystem gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung bzw. dem Fahrzeug gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung beschrieben worden sind.
  • Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung zu einigen Ausführungsbeispielen der Erfindung, welche in den Figuren schematisch dargestellt sind. Sämtliche aus den Ansprüchen, der Beschreibung oder den Zeichnungen hervorgehende Merkmale und/oder Vorteile, einschließlich konstruktiver Einzelheiten, räumliche Anordnungen und Verfahrensschritte, können sowohl für sich als auch in den verschiedenen Kombinationen erfindungswesentlich sein. Dabei ist zu beachten, dass die Figuren nur beschreibenden Charakter haben und nicht dazu gedacht sind, die Erfindung in irgendeiner Form einzuschränken.
  • Es zeigen schematisch:
    • 1 ein Brennstoffzellensystem,
    • 2 ein Fahrzeug, und
    • 3 ein Verfahren.
  • In den nachfolgenden Figuren werden für die gleichen technischen Merkmale auch von unterschiedlichen Ausführungsbeispielen identische Bezugszeichen verwendet.
  • 1 offenbart ein Brennstoffzellensystem 100 für ein Fahrzeug 200, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, wobei das Brennstoffzellensystem 100 einen Brennstoffzellenstapel 90 umfasst. Der Brennstoffzellenstapel 90 umfasst eine Anode 10 mit einem Anodeneingang 11 und einem Anodenausgang 12, sowie eine Kathode 20 mit einem Kathodeneingang 21 und einem Kathodenausgang 22. Ferner umfasst das Brennstoffzellensystem 100 einen Elektrolysezellenstapel 30 zum Erzeugen zumindest von Ozon, wobei der Elektrolysezellenstapel 30 ferner eine ELY-Anode 33 mit einem ELY-Anodeneingang 31 und einem ELY-Anodenausgang 32, sowie eine ELY-Kathode 38 mit einem ELY-Kathodeneingang 36 und einem ELY-Kathodenausgang 37, aufweist. Ferner umfasst das Brennstoffzellensystem 100 eine Wassereinheit 40 für das Zuführen von Wasser zumindest zum Elektrolysezellenstapel 30 für das Erzeugen des Ozons. Ferner umfasst das Brennstoffzellensystem 100 eine kontrollierbare Energiequelle 80 zum Bereitstellen elektrischer Energie für den Elektrolysezellenstapel 30 zum Erzeugen des Ozons, wobei die Energiequelle 80 mit dem Elektrolysezellenstapel 30 elektrisch verbunden ist. Ferner ist bei dem Brennstoffzellensystem 100 die Wassereinheit 40 fluidtechnisch mit dem ELY-Anodeneingang 31 der ELY-Anode 33 verbunden, wobei der ELY-Anodenausgang 32 der ELY-Anode 33 fluidtechnisch mit dem Kathodeneingang 21 der Kathode 20 des Brennstoffzellenstapels 100 verbunden ist. Ferner ist in dem in 1 dargestellten Brennstoffzellensystem 100 zusätzlich der ELY-Kathodeneingang 36 der ELY-Kathode 38 für das Erzeugen des Ozons verschlossen. Ferner ist in dem in 1 dargestellten Brennstoffzellensystem 100 zusätzlich der ELY-Kathodenausgang 37 der ELY-Kathode 38 fluidtechnisch mit dem Anodeneingang 11 der Anode 10 des Brennstoffzellenstapels 100 verbunden, wobei insbesondere in der fluidtechnischen Verbindung des ELY-Kathodenausgangs 37 der ELY-Kathode 38 mit dem Anodeneingang 11 der Anode 10 des Brennstoffzellenstapels 100 ein Ventil 73 zum Kontrollieren des Durchflusses angeordnet ist. Ferner ist in dem in 1 dargestellten Brennstoffzellensystem 100 zusätzlich der Elektrolysezellenstapel 30 ein Elektrolysezellenstapel 30 auf Basis einer Polymerelektrolytmembran, wobei insbesondere die ELY-Anode 33 als Anodenmaterial PbO2 und/oder Sb dotiertes Zinnoxid und/oder Glaskohlenstoff aufweist. Ferner ist in dem in 1 dargestellten Brennstoffzellensystem 100 zusätzlich der Elektrolysezellenstapel 30 eine einzige Elektrolysezelle 30. Ferner ist in dem in 1 dargestellten Brennstoffzellensystem 100 zusätzlich in der fluidtechnischen Verbindung der Wassereinheit 40 mit dem ELY-Anodeneingang 31 ein kontrollierbares Ventil 71 zum Kontrollieren des Durchflusses angeordnet und/oder ist in der fluidtechnischen Verbindung des ELY-Anodenausgangs 32 der ELY-Anode 33 mit dem Kathodeneingang 21 der Kathode 20 des Brennstoffzellenstapels 90 ein Ventil 72 zum Kontrollieren des Durchflusses angeordnet.
  • 2 offenbart ein Fahrzeug 200 mit einem erfindungsgemäß ausgebildeten Brennstoffzellensystem 100, wie es insbesondere bspw. zu 1 beschrieben worden ist.
  • 3 offenbart ein Verfahren zum Reinigen zumindest eines Katalysators einer Anode 10 und/oder zum Reinigen zumindest eines Katalysators einer Kathode 20 eines Brennstoffzellenstapels 90 eines erfindungsgemäß ausgebildeten Brennstoffzellensystems 100, wobei insbesondere das Brennstoffzellensystem 100 in einem Fahrzeug 200 angeordnet ist. Das Verfahren umfasst als einen Schritt ein Erzeugen 320 von Ozon durch den Elektrolysezellenstapel 30 des Brennstoffzellensystems 100, wobei insbesondere der Elektrolysezellenstapel 30 für das Erzeugen des Ozons in einem Temperaturbereich von 5 bis 100° C, vorzugsweise in einem Temperaturbereich von 20 bis 60° C, ganz vorzugsweise in einem Temperaturbereich von 25 bis 30°C, betrieben wird 321. Ferner kann insbesondere für das Erzeugen des Ozons dem ELY-Anodeneingang 31 des Elektrolysezellenstapels 30 das Wasser aus einem Gasbefeuchter des Brennstoffzellensystems 100 und/oder aus einem auskondensierten Wasser eines Abgasstromes des Brennstoffzellenstapels 90 der Brennstoffzelle zugeführt werden 322. Das Verfahren umfasst als einen weiteren Schritt ein Zuführen 341 zumindest des erzeugten Ozons von der ELY-Anode 33 des Elektrolysezellenstapels 30 zu der Anode 10 des Brennstoffzellenstapels 90 und/oder als einen weiteren Schritt ein Zuführen 342 zumindest des erzeugten Ozons von der ELY-Anode 33 des Elektrolysezellenstapels 30 zu der Kathode 20 des Brennstoffzellenstapels 90. Insbesondere kann in einem Fahrbetrieb des Fahrzeuges 200, insbesondere in einer kurzen Stillstandzeit des Fahrzeuges 200, das erzeugte Ozon der Anode 10 des Brennstoffzellenstapels 90 und/oder der Kathode 20 des Brennstoffzellenstapels 90 zugeführt werden 343. Das Verfahren umfasst als einen weiteren Schritt ein Reinigen 361 des Katalysators der Kathode 20 des Brennstoffzellenstapels 90 mittels des zugeführten Ozons und/oder Reinigen 362 des Katalysators der Anode 10 des Brennstoffzellenstapels 90 mittels des zugeführten Ozons. Ferner kann der Brennstoffzellenstapel 90 zumindest einmal in einem Luftmangelbetrieb betrieben werden 300, wobei zeitlich nach dem Luftmangelbetrieb zumindest der Kathode 20 des Brennstoffzellenstapels das erzeugte Ozon zugeführt wird 342, wobei insbesondere dies abwechselnd erfolgt.

Claims (12)

  1. Brennstoffzellensystem (100) für ein Fahrzeug (200), insbesondere für ein Kraftfahrzeug, wobei das Brennstoffzellensystem (100) umfasst: - einen Brennstoffzellenstapel (90), wobei der Brennstoffzellenstapel (90) umfasst: - eine Anode (10) mit einem Anodeneingang (11) und einem Anodenausgang (12), - eine Kathode (20) mit einem Kathodeneingang (21) und einem Kathodenausgang (22), - einen Elektrolysezellenstapel (30) zum Erzeugen zumindest von Ozon, wobei der Elektrolysezellenstapel (30) umfasst: - eine ELY-Anode (33) mit einem ELY-Anodeneingang (31) und einem ELY-Anodenausgang (32), - eine ELY-Kathode (38) mit einem ELY-Kathodeneingang (36) und einem ELY-Kathodenausgang (37), - eine Wassereinheit (40) für das Zuführen von Wasser zumindest zum Elektrolysezellenstapel (30) für das Erzeugen des Ozons, - eine kontrollierbare Energiequelle (80) zum Bereitstellen elektrischer Energie für den Elektrolysezellenstapel (30) zum Erzeugen des Ozons, wobei die Energiequelle (80) mit dem Elektrolysezellenstapel (30) elektrisch verbunden ist, und wobei die Wassereinheit (40) fluidtechnisch mit dem ELY-Anodeneingang (31) der ELY-Anode (33) verbunden ist, wobei der ELY-Anodenausgang (32) der ELY-Anode (33) fluidtechnisch mit dem Kathodeneingang (21) der Kathode (20) des Brennstoffzellenstapels (100) und/oder fluidtechnisch mit dem Anodeneingang (11) der Anode (10) des Brennstoffzellenstapels (100) verbunden ist.
  2. Brennstoffzellensystem (100) nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der ELY-Kathodeneingang (36) der ELY-Kathode (38) für das Erzeugen des Ozons verschlossen ist.
  3. Brennstoffzellensystem (100) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der ELY-Kathodenausgang (37) der ELY-Kathode (38) fluidtechnisch mit dem Anodeneingang (11) der Anode (10) des Brennstoffzellenstapels (100) verbunden ist, wobei insbesondere in der fluidtechnischen Verbindung des ELY-Kathodenausgangs (37) der ELY-Kathode (38) mit dem Anodeneingang (11) der Anode (10) des Brennstoffzellenstapels (100) ein Ventil (73) zum Kontrollieren des Durchflusses angeordnet ist.
  4. Brennstoffzellensystem (100) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektrolysezellenstapel (30) ein Elektrolysezellenstapel (30) auf Basis einer Polymerelektrolytmembran ist, wobei insbesondere die ELY-Anode (33) als Anodenmaterial PbO2 und/oder Sb dotiertes Zinnoxid und/oder Glaskohlenstoff aufweist.
  5. Brennstoffzellensystem (100) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektrolysezellenstapel (30) eine einzige Elektrolysezelle (30) aufweist.
  6. Brennstoffzellensystem (100) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der fluidtechnischen Verbindung der Wassereinheit (40) mit dem ELY-Anodeneingang (31) ein kontrollierbares Ventil (71) zum Kontrollieren des Durchflusses angeordnet ist und/oder dass in der fluidtechnischen Verbindung des ELY-Anodenausgangs (32) der ELY-Anode (33) mit dem Anodeneingang (11) der Anode (10) ein Ventil zum Kontrollieren des Durchflusses angeordnet ist und/oder dass in der fluidtechnischen Verbindung des ELY-Anodenausgangs (32) der ELY-Anode (33) mit dem Kathodeneingang (21) der Kathode (20) des Brennstoffzellenstapels (90) ein Ventil (72) zum Kontrollieren des Durchflusses angeordnet ist.
  7. Fahrzeug (200), wobei das Fahrzeug (200) ein nach einem der vorangegangenen Ansprüche ausgebildetes Brennstoffzellensystem (100) umfasst.
  8. Verfahren zum Reinigen zumindest eines Katalysators einer Anode (10) und/oder zum Reinigen zumindest eines Katalysators einer Kathode (20) eines Brennstoffzellenstapels (90) eines nach einem der vorangegangenen Ansprüche ausgebildeten Brennstoffzellensystems (100), wobei insbesondere das Brennstoffzellensystem (100) in einem Fahrzeug (200) angeordnet ist, wobei das Verfahren umfasst: - Erzeugen (320) von Ozon durch den Elektrolysezellenstapel (30) des Brennstoffzellensystems (100), - Zuführen (341) zumindest des erzeugten Ozons von der ELY-Anode (33) des Elektrolysezellenstapels (30) zu der Anode (10) des Brennstoffzellenstapels (90) und/oder Zuführen (342) zumindest des erzeugten Ozons von der ELY-Anode (33) des Elektrolysezellenstapels (30) zu der Kathode (20) des Brennstoffzellenstapels (90), - Reinigen (361) des Katalysators der Kathode (20) des Brennstoffzellenstapels (90) mittels des zugeführten Ozons und/oder Reinigen (362) des Katalysators der Anode (10) des Brennstoffzellenstapels (90) mittels des zugeführten Ozons.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass Brennstoffzellensystem (100) in einem Fahrzeug (200) angeordnet, insbesondere ortsfest angeordnet, ist, wobei in einem Fahrbetrieb des Fahrzeuges (200), insbesondere in einer kurzen Stillstandzeit des Fahrzeuges (200), das erzeugte Ozon der Anode (10) des Brennstoffzellenstapels (90) und/oder der Kathode (20) des Brennstoffzellenstapels (90) zugeführt wird (343).
  10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektrolysezellenstapel (30) für das Erzeugen des Ozons in einem Temperaturbereich von 5 bis 100° C, vorzugsweise in einem Temperaturbereich von 20 bis 60° C, ganz vorzugsweise in einem Temperaturbereich von 25 bis 30°C, betrieben wird (321).
  11. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass dem ELY-Anodeneingang (31) des Elektrolysezellenstapels (30) für das Erzeugen des Ozons das Wasser aus einem Gasbefeuchter des Brennstoffzellensystems (100) und/oder aus einem auskondensierten Wasser eines Abgasstromes des Brennstoffzellenstapels (90) der Brennstoffzelle zugeführt wird (322).
  12. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoffzellenstapel (90) zumindest einmal in einem Luftmangelbetrieb betrieben wird (300), wobei zeitlich nach dem Luftmangelbetrieb zumindest der Kathode (20) des Brennstoffzellenstapels das erzeugte Ozon zugeführt wird (342).
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