DE102022209338A1

DE102022209338A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Konditionieren und/oder Prüfen von Brennstoffzellen, Verwendung eines Gasgemischs

Info

Publication number: DE102022209338A1
Application number: DE102022209338.0A
Authority: DE
Inventors: Michael Giuseppe Marino; Peter Stahl
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2022-09-08
Filing date: 2022-09-08
Publication date: 2024-03-14

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Konditionieren und/oder Prüfen von Brennstoffzellen, die zu einem Brennstoffzellenstapel (1) zusammengefasst sind. Erfindungsgemäß wird den Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels (1) ein Gasgemisch, insbesondere ein wasserstoffhaltiges Gasgemisch, beispielsweise ein Formiergas, zugeführt.Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung (10) zum Konditionieren und/oder Prüfen von Brennstoffzellen sowie eine Verwendung für ein Gasgemisch.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zum Konditionieren und/oder Prüfen von Brennstoffzellen, insbesondere wasserstoffbasierten Brennstoffzellen. Bei den Brennstoffzellen kann es sich beispielsweise um PEM-Brennstoffzellen handeln, wobei „PEM“ für Polymerelektrolytmembran steht.
Stand der Technik
Wasserstoffbasierte Brennstoffzellen wandeln Wasserstoff und Sauerstoff in elektrische Energie, Wärme und Wasser. Zur Leistungssteigerung werden in der Regel mehrere Hundert Brennstoffzellen zu einem Brennstoffzellenstapel, dem sogenannten „Stack“, zusammengefasst. Nach der Assemblierung zu einem Brennstoffzellenstapel müssen die Brennstoffzellen für eine bestimmte Zeit konditioniert, das heißt in Betrieb genommen werden. Dieser Vorgang kann mehrere Stunden dauern und ist damit sehr zeitaufwändig. Die Durchführung erfolgt in der Regel in einem Prüfstand, so dass beim Konditionieren zugleich die Qualität und die Funktion des Brennstoffzellenstapels geprüft werden können.
Während des Konditionierens bzw. Prüfens wird den Brennstoffzellen reiner Wasserstoff zugeführt. Entsprechend hoch sind die Sicherheitsanforderungen an den Prüfstand, wodurch die Komplexität des Vorgangs steigt. Aufgrund der langen Dauer des Vorgangs werden zudem große Mengen an Wasserstoff benötigt. Dies alles wirkt sich negativ auf die Kosten aus.
Die vorliegende Erfindung ist mit der Aufgabe befasst, den Vorgang des Konditionierens und/oder Prüfens von Brennstoffzellen einfacher, ressourcenschonender und damit wirtschaftlicher zu gestalten.
Zur Lösung der Aufgabe werden das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie die Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 8 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den jeweiligen Unteransprüchen zu entnehmen. Darüber hinaus wird eine Verwendung für ein Gasgemisch vorgeschlagen.
Offenbarung der Erfindung
Verfahren zum Konditionieren und/oder Prüfen von Brennstoffzellen, die zu einem Brennstoffzellenstapel zusammengefasst sind. Erfindungsgemäß wird den Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels ein Gasgemisch, insbesondere ein wasserstoffhaltiges Gasgemisch, beispielsweise ein Formiergas, zugeführt.
Das Gasgemisch wird den Brennstoffzellen anstelle von reinem Wasserstoff zugeführt. Entsprechend können die Sicherheitsanforderungen an die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, wobei es sich insbesondere um einen Prüfstand handeln kann, gesenkt werden. Zudem wird der Wasserstoffverbrauch gesenkt. Das vorgeschlagene Verfahren zum Konditionieren und/oder Prüfen von Brennstoffzellen ist somit deutlich einfacher, ressourcenschonender und damit wirtschaftlicher als herkömmliche Verfahren, die reinen Wasserstoff einsetzen.
Bei dem Gasgemisch handelt es sich vorzugsweise um ein wasserstoffhaltiges Gasgemisch, das eine reduzierende Wirkung besitzt. Weiterhin vorzugsweise handelt es sich bei dem Gasgemisch um ein Formiergas. Formiergase sind wasserstoffhaltige Gasgemische, die als Schutzgas Einsatz finden, beispielsweise bei der Warmverarbeitung von Metallen. Der Anteil an Wasserstoff in einem Formiergas ist vergleichsweise gering, so dass keine Entzündungsgefahr besteht und der Wasserstoffverbrauch niedrig ist.
Bevorzugt wird bei der Durchführung des Verfahrens ein wasserstoffhaltiges Gasgemisch verwendet, das weniger als 4 Vol.-% Wasserstoff bezogen auf das Gesamtvolumen des Gasgemischs enthält. Dank des geringen Wasserstoffanteils liegt kein entzündliches Gasgemisch vor, so dass diesbezügliche Sicherungsmaßnahmen auf ein Minimum beschränkt werden oder gänzlich entfallen können.
Je geringer der Wasserstoffanteil ist, desto geringer ist die reduzierende Wirkung des Gasgemischs. In Weiterbildung der Erfindung wird daher vorgeschlagen, dass ein wasserstoffhaltiges Gasgemisch verwendet wird, mit dem naszierender Wasserstoff erzeugt wird. Naszierender Wasserstoff besitzt ein erhöhtes Reduktionsvermögen, da es sich hierbei um gerade erst gebildeten Wasserstoff handelt, der sich in einem energetisch angeregten Zustand befindet. Durch das Erzeugen naszierenden Wasserstoffs kann somit ein auf den geringen Wasserstoffanteil des Gasgemischs zurückzuführendes verringertes Reduktionsvermögen ausgeglichen werden. Der Prozess des Konditionierens und/oder Prüfens kann somit beschleunigt werden.
Bevorzugt wird ein Gasgemisch verwendet, das neben Wasserstoff Stickstoff und/oder Argon enthält. Dies ist in der Regel bei einem Formiergas der Fall, so dass bevorzugt ein Formiergas als Gasgemisch verwendet wird. Dieses ist verfügbar und vergleichsweise günstig.
Ferner bevorzugt wird bei der Durchführung des Verfahrens den Brennstoffzellen anoden- und kathodenseitig das gleiche Gasgemisch zugeführt. Das heißt, dass nur ein Gasgemisch vorgehalten und den Brennstoffzellen zugeführt werden muss. Dadurch verringert sich die Komplexität des Prüfstands erheblich, da nur ein Tank und nur ein Versorgungspfad zur Verbindung des Tanks mit dem Brennstoffzellenstapel benötigt werden. Im Versorgungspfad üblicherweise vorgesehene Komponenten, wie beispielsweise ein Befeuchter, müssen ebenfalls nur einfach vorgesehen werden.
Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass das Gasgemisch über einen Rezirkulationspfad passiv und/oder aktiv rezirkuliert wird. Das heißt, dass das Gasgemisch nicht verbraucht wird und demzufolge rezirkuliert werden kann. Auf diese Weise wird der Wasserstoffverbrauch weiter minimiert.
Bevorzugt wird bei der Durchführung des Verfahrens mit Hilfe einer externen Stromquelle ein Strom an den Brennstoffzellenstapel angelegt und die Stromrichtung zyklisch gewechselt. Mit Hilfe dieser Maßnahme kann ein Gasgemisch-Volumenstrom aktiviert und auf einem konstanten Wert gehalten werden. Vorzugsweise wird der Strom angelegt, sobald der Gasgemisch-Volumenstrom am Brennstoffzellenstapel angekommen ist. Die Stromhöhe wird dabei bevorzugt an die im Gasgemisch-Volumenstrom enthaltene Wasserstoffmenge angepasst. Die Einzelspannung sollte dabei jedoch nicht unter 200 mV fallen, wobei es sich jeweilige Stromrichtung zu beachten gilt, da diese zyklisch gewechselt wird. Die Haltezeit des Stroms kann variieren. Zudem kann der Strom kurzzeitig ausgeschaltet werden, da durch diese Maßnahme eine weitere Beschleunigung des Prozesses herbeigeführt werden kann.
Darüber hinaus wird eine Vorrichtung zum Konditionieren und/oder Prüfen von Brennstoffzellen vorgeschlagen, die zu einem Brennstoffzellenstapel zusammengefasst sind. Die Vorrichtung weist einen Tank für ein Gasgemisch, insbesondere für ein wasserstoffhaltiges Gasgemisch, beispielsweise für ein Formiergas, auf, der über einen Versorgungspfad mit einem Anodeneinlass und/oder mit einem Kathodeneinlass des Brennstoffzellenstapels verbunden ist. In den Versorgungspfad mündet ein Rezirkulationspfad, der andernends mit einem Anodenauslass und/oder mit einem Kathodenauslass des Brennstoffzellenstapels verbunden ist.
Die vorgeschlagene Vorrichtung ist insbesondere zur Durchführung des zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet. Somit sind die gleichen Vorteile erzielbar, insbesondere kann die Komplexität der Vorrichtung reduziert werden, da ein nicht entzündliches Gasgemisch einsetzbar ist, das keine aufwendigen Sicherheitsmaßnahmen erfordert. Zudem wird Wasserstoff eingespart, da anstelle von reinem Wasserstoff ein Gasgemisch verwendbar ist. Zudem ist das Gasgemisch über den Rezirkulationspfad rezirkulierbar. Demzufolge kann die Vorrichtung sehr wirtschaftlich betrieben werden.
Bevorzugt ist stromaufwärts des in den Versorgungspfad mündenden Rezirkulationspfads ein Ventil in den Versorgungspfad integriert. Mit Hilfe des Ventils kann das Gasgemisch dem Tank entnommen und über den Versorgungspfad dem Brennstoffzellenstapel zugeführt werden. Stromabwärts des Ventils mischt sich das Gasgemisch mit dem Rezirkulat.
Neben dem Ventil können weitere Komponenten im Versorgungspfad vorgesehen sein. Beispielsweise kann bzw. können in den Versorgungspfad ein Expander und/oder ein Druckregler und/oder ein Befeuchter integriert sein. Diese sind vorzugsweise stromaufwärts des Ventils in den Versorgungspfad integriert.
Ferner bevorzugt ist bzw. sind in den Rezirkulationspfad eine Strahlpumpe zur passiven Rezirkulation und/oder ein Gebläse zur aktiven Rezirkulation integriert.
Des Weiteren kann bzw. können in den Rezirkulationspfad ein Druckregler und/oder ein Überdruckventil und/oder ein Wasserabscheider und/oder ein Befeuchter integriert sein. Sofern der Rezirkulationspfad einen Befeuchter umfasst, kann dieser einen Befeuchter im Versorgungspfad ersetzen, da nur ein Befeuchter benötigt wird. Mit Hilfe des Wasserabscheiders kann im Prozess anfallendes Prozesswasser abgeschieden werden.
Weiterhin bevorzugt weist die Vorrichtung eine Stromquelle auf, mit deren Hilfe ein Strom an den Brennstoffzellenstapel anlegbar ist. Mit Hilfe des angelegten Stroms kann der zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens benötigte Gasgemisch-Volumenstrom generiert werden. Um diesen auf einem konstanten Wert zu halten, wird ferner vorgeschlagen, dass die Stromrichtung zyklisch gewechselt wird. Die Stromquelle sollte daher einen Wechsel der Stromrichtung ermöglichen.
Darüber hinaus wird die Verwendung eines Gasgemischs, insbesondere eines wasserstoffhaltigen Gasgemischs, beispielsweise eines Formiergases, zum Konditionieren und/oder Prüfen von Brennstoffzellen in einem Prüfstand. Üblicherweise wird reiner Wasserstoff zum Konditionieren und/oder Prüfen von Brennstoffzellen verwendet, was jedoch zu den eingangs genannten Nachteilen führt. Durch die Verwendung eines Gasgemischs, insbesondere eines wasserstoffhaltigen Gasgemischs, beispielsweise eines Formiergases, können die Nachteile beseitigt werden.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen:

1 eine schematische Darstellung einer ersten erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Konditionieren und/oder Prüfen von Brennstoffzellen,
2 eine schematische Darstellung einer zweiten erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Konditionieren und/oder Prüfen von Brennstoffzellen,
3 eine schematische Darstellung einer dritten erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Konditionieren und/oder Prüfen von Brennstoffzellen und
4 ein Diagramm zur Darstellung des Gasgemisch-Volumenstroms und des Stromverlaufs über der Zeit.

Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
Die in der 1 dargestellte Vorrichtung 10 dient dem Konditionieren und/oder Prüfen von Brennstoffzellen, die zu einem Brennstoffzellenstapel 1 zusammengefasst sind. Bei der Vorrichtung 10 kann es sich insbesondere um einen Prüfstand handeln.
Die Vorrichtung 10 weist einen Tank 2 zum Bevorraten eines Gasgemischs auf, wobei es sich insbesondere um ein wasserstoffhaltiges Gasgemisch, beispielsweise ein Formiergas, handeln kann. Formiergas enthält in der Regel Wasserstoff sowie Stickstoff und/oder Argon. Der Tank 2 ist über einen Versorgungspfad 3 mit einem Anodeneinlass 4 sowie mit einem Kathodeneinlass 5 des Brennstoffzellenstapels 1 verbunden. Das Gasgemisch wird demnach sowohl der Anode als auch der Kathode zugeführt. Das heißt, dass nur ein einziges Gasgemisch zum Einsatz gelangt, so dass auch nur ein Tank 2 sowie ein Versorgungspfad 3 benötigt werden. Dadurch vereinfacht sich der Aufbau der Vorrichtung 10. Das aus dem Brennstoffzellenstapel 1 austretende Gasgemisch gelangt über einen Anodenauslass 7 und einen Kathodenauslass 8 des Brennstoffzellenstapels 1 in einen Rezirkulationspfad 6, der in den Versorgungspfad 3 mündet, so dass das Gasgemisch auslassseitig nicht abgeführt, sondern erneut den Brennstoffzellen zugeführt wird. Die Rezirkulation wird passiv mit Hilfe einer in den Rezirkulationspfad 6 integrierten Strahlpumpe 13 und/oder aktiv mit Hilfe eines in den Rezirkulationspfad 6 integrierten Gebläses 14 bewirkt. Stromaufwärts der Strahlpumpe 13 und/oder des Gebläses 14 kann bzw. können ein Druckregler 15, ein Wasserabscheider 17, ein Überdruckventil 16 und/oder ein Befeuchter 18 im Rezirkulationspfad 6 angeordnet sein. In den Versorgungspfad 3 sind vorzugsweise ein Expander 9, ein Druckregler 11 sowie ein Ventil 12 integriert, wobei über das Ventil 12 die Entnahme des Gasgemischs aus dem Tank 2 steuerbar ist.
Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird mit Hilfe einer Stromquelle 19 ein Strom an den Brennstoffzellenstapel 1 angelegt und die Stromrichtung zyklisch gewechselt. Auf diese Weise kann ein Gasgemisch-Volumenstrom aktiviert und auf einem konstanten Wert gehalten werden, der die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ermöglicht.
Eine Abwandlung der Vorrichtung 10 der 1 ist in der 2 dargestellt. Der Befeuchter 18 ist in diesem Ausführungsbeispiel nicht in den Rezirkulationspfad 6, sondern in den Versorgungspfad 3 integriert, und zwar stromaufwärts des Ventils 12. Mit Hilfe des Befeuchters 18 wird demnach nur das dem Tank 2 entnommene Gasgemisch befeuchtet. Da demzufolge weniger Feuchtigkeit im Gasgemisch und damit auch im Rezirkulat vorhanden ist, kann ggf. auf den Wasserabscheider 17 im Rezirkulationspfad 6 verzichtet werden. Diese Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung ist beispielhaft in der 3 dargestellt.
4 zeigt den Gasgemisch-Volumenstrom (Kurve A) über der Zeit t sowie das zugehörige Stromprofil (Kurve B). Anhand des Stromprofils ist erkennbar, dass die Stromrichtung zyklisch gewechselt wird, wobei die Haltedauer variiert (t1 > t2 > t3 > t4 usw.). Der Gasgemisch-Volumenstrom bleibt auf diese Weise auf einem konstanten Wert. Zeitweise (t6) wird die Bestromung sogar ausgesetzt, wodurch eine den Prozess beschleunigende Wirkung erzielbar ist.

Claims

Verfahren zum Konditionieren und/oder Prüfen von Brennstoffzellen, die zu einem Brennstoffzellenstapel (1) zusammengefasst sind, dadurch gekennzeichnet, dass den Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels (1) ein Gasgemisch, insbesondere ein wasserstoffhaltiges Gasgemisch, beispielsweise ein Formiergas, zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein wasserstoffhaltiges Gasgemisch verwendet wird, das weniger als 4 Vol.-% Wasserstoff bezogen auf das Gesamtvolumen des Gasgemischs enthält.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein wasserstoffhaltiges Gasgemisch verwendet wird, mit dem naszierender Wasserstoff erzeugt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gasgemisch verwendet wird, das neben Wasserstoff Stickstoff und/oder Argon enthält.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass den Brennstoffzellen anoden- und kathodenseitig das gleiche Gasgemisch zugeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gasgemisch über einen Rezirkulationspfad (6) passiv und/oder aktiv rezirkuliert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mit Hilfe einer externen Stromquelle ein Strom an den Brennstoffzellenstapel (1) angelegt und die Stromrichtung zyklisch gewechselt wird.
Vorrichtung (10) zum Konditionieren und/oder Prüfen von Brennstoffzellen, die zu einem Brennstoffzellenstapel (1) zusammengefasst sind, wobei die Vorrichtung(10) einen Tank (2) für ein Gasgemisch, insbesondere für ein wasserstoffhaltiges Gasgemisch, beispielsweise für ein Formiergas, aufweist, der über einen Versorgungspfad (3) mit einem Anodeneinlass (4) und/oder mit einem Kathodeneinlass (5) des Brennstoffzellenstapels (1) verbunden ist, und wobei in den Versorgungspfad (3) ein Rezirkulationspfad (6) mündet, der andernends mit einem Anodenauslass (7) und/oder mit einem Kathodenauslass (8) des Brennstoffzellenstapels (1) verbunden ist.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass stromaufwärts des in den Versorgungspfad (3) mündenden Rezirkulationspfads (6) ein Ventil (12) in den Versorgungspfad (3) integriert ist.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass in den Versorgungspfad (3) ein Expander (9) und/oder ein Druckregler (11) und/oder ein Befeuchter (18) integriert ist bzw. sind.
Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass in den Rezirkulationspfad (6) eine Strahlpumpe (13) zur passiven Rezirkulation und/oder ein Gebläse (14) zur aktiven Rezirkulation integriert ist bzw. sind.
Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass in den Rezirkulationspfad (6) ein Druckregler (15) und/oder ein Überdruckventil (16) und/oder ein Wasserabscheider (17) und/oder ein Befeuchter (18) integriert ist bzw. sind.
Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (10) eine Stromquelle (19) aufweist, mit deren Hilfe ein Strom an den Brennstoffzellenstapel (1) anlegbar ist.
Verwendung eines Gasgemischs, insbesondere eines wasserstoffhaltigen Gasgemischs, beispielsweise eines Formiergases, zum Konditionieren und/oder Prüfen von Brennstoffzellen (1) in einem Prüfstand.