DE10202611C1 - Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems - Google Patents

Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems

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Abstract

Um auch im Teillastbereich eine positive Wasserbilanz erzielen zu können, wird ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems vorgeschlagen, bei dem der mindestens einen Brennstoffzelle ein Brennmittel und ein Sauerstoff enthaltendes Gas zur Oxidation des Brennmittels zugeführt werden. Erfindungsgemäß wird das Mengenverhältnis von zugeführtem Brennmittel zu zugeführtem Sauerstoff enthaltenden Gas in Abhängigkeit von der Belastung der Brennstoffzelle geregelt. Bei einer mit Luft betriebenen Brennstoffzelle wird dementsprechend das Luftverhältnis lambda in Abhängigkeit von der Belastung der Brennstoffzelle geregelt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Brenn­ stoffzellensystems mit mindestens einer Brennstoffzelle, bei dem der Brennstoffzelle ein Brennmittel und ein Sauerstoff ent­ haltendes Gas zur Oxidation des Brennmittels in einem vorgege­ benen Mengenverhältnis zugeführt werden.
Ein derartiges Verfahren wird in der deutschen Patentschrift 197 01 390 für ein Polymer Elektrolyt Membran (PEM)-Brennstoff­ zellensystem beschrieben, das mit Luft betrieben wird.
Eine wichtige Kenngröße, die den Betrieb eines Brennstoffzel­ lensystems charakterisiert, ist das Mengenverhältnis zwischen dem zugeführten Brennmittel und dem zugeführten Sauerstoff ent­ haltenden Gas. Das für die vollständige Oxidation des Brennmit­ tels erforderliche Mengenverhältnis von Brennmittel und Sauer­ stoff enthaltendem Gas ergibt sich aus der stöchiometrischen Gleichung der Oxidation. Demnach sind für die Oxidation von Wasserstoff zu Wasser zwei Teile Wasserstoff und ein Teil Sau­ erstoff erforderlich. In der Regel werden Brennstoffzellen­ systeme aber mit einem Sauerstoffüberschuss betrieben, d. h. der Brennstoffzelle wird mehr Sauerstoff bzw. Sauerstoff enthalten­ des Gas zugeführt, als aufgrund der stöchiometrischen Gleichung erforderlich.
Bei Brennstoffzellensystemen, die mit Luft betrieben werden, wird das Mengenverhältnis zwischen dem als Brennmittel dienen­ den Wasserstoff und der zugeführten Luft durch das Luftverhält­ nis λ beschrieben. Ein Luftverhältnis von λ = 1 entspricht dem Mengenverhältnis, das sich aufgrund der stöchiometrischen Glei­ chung für die vollständige Oxidation des Wasserstoffs ergibt. Ein Luftverhältnis von λ < 1 beschreibt einen Luftüberschuss. Bei dem in der DE 197 01 390 C1 beschriebenen Verfahren wird der dem Brennstoffzellensystem zugeführte Luftvolumenstrom entspre­ chend dem elektrischen Strom geregelt, den das Brennstoffzel­ lensystem liefern soll. Dabei wird, unabhängig von der Be­ lastung des Brennstoffzellensystems immer ein vorgegebenes Luftverhältnis von vorzugsweise λ = 2 eingehalten.
Durch die DE 195 40 824 A1 ist ein Verfahren zur dynamischen Einstellung der Leistung für ein Fahrzeug mit Brennstoffzelle beschrieben. Wie auch in dem Patent Abstracts of Japan No. 60-230364 (A) und in der DE 196 40 808 C1 beschrieben, wird hierbei zur Regelung der durch die Brennstoffzelle bereitzu­ stellenden Leistung ein Verfahren beschrieben, bei dem letzt­ endlich, im groben, unabhängig von der jeweils verfügbaren Was­ serstoffmenge, da hier implizit davon ausgegangen wird, dass jeweils ausreichend Wasserstoff zur Verfügung steht, die Menge an zugeführter Luft und damit die Anzahl an zur Reaktion be­ reitstehenden Sauerstoffmolekülen variiert wird.
Insbesondere bei mobilen Anwendungen eines Brennstoffzellen­ systems, wie z. B. in einem Kraftfahrzeug als Bordstromversor­ gungssystem oder zum Fahrzeugantrieb, sollte das Brennstoffzel­ lensystem mit einer positiven Wasserbilanz betrieben werden, so dass der Wartungs- und Pflegeaufwand des Systems möglichst ge­ ring gehalten wird.
Mit der vorliegenden Erfindung wird nun ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems vorgeschlagen, mit dem auch im Teillastbereich des Brennstoffzellensystems eine posi­ tive Wasserbilanz erzielt werden kann.
Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass das Luftver­ hältnis λ in Abhängigkeit von der Belastung der Brennstoffzelle geregelt wird.
Die Wasserbilanz des Brennstoffzellensystems lässt sich im Rah­ men des erfindungsgemäßen Verfahrens einfach dadurch verbes­ sern, dass das Luftverhältnis λ bei einer verringerten Bela­ stung der Brennstoffzelle gegenüber dem Luftverhältnis λ bei Volllast der Brennstoffzelle verringert. Dadurch erhöht sich die Wasserkonzentration in der Luft, so dass eine größere Menge an Wasser auskondensiert.
In einer vorteilhaften Variante des erfindungsgemäßen Verfah­ rens wird das Luftverhältnis λ stetig an die Belastung der Brennstoffzelle angepasst. Diese Anpassung kann in vorteilhaf­ ter Weise proportional zur Belastung der Brennstoffzelle er­ folgen.
Mit Luft betriebene Brennstoffzellensysteme werden bei Volllast vorteilhafter Weise mit einem Luftverhältnis λ im Bereich von 1,7 bis 2,5 betrieben. In diesem Fall erweist es sich für die Wasserbilanz als vorteilhaft, wenn das Brennstoffzellensystem im Teillastbereich mit einem Luftverhältnis λ im Bereich von 1,3 bis 2,3 betrieben wird.
Die einzige Figur zeigt schematisch ein Diagramm, das den Zusammenhang zwischen der Belastung einer mit Luft betriebenen Brennstoffzelle und dem Luftverhältnis λ wiedergibt, wobei das Luftverhältnis λ entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren geregelt wird.
Im hier dargestellten Ausführungsbeispiel wird die Brennstoff­ zelle bei Volllast, d. h. bei einer 100%-Belastung, mit einem Luftverhältnis λ von ca. 2 betrieben. Je mehr sich die Be­ lastung der Brennstoffzelle verringert, um so mehr wird auch das Luftverhältnis λ verringert. Der Zusammenhang zwischen dem Luftverhältnis λ und der Belastung der Brennstoffzelle ist hier linear, so dass die Brennstoffzelle bei einer Belastung von 10% mit einem Luftverhältnis λ von ca. 1,3 betrieben wird.

Claims (5)

1. Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems mit mindestens einer Brennstoffzelle, bei dem der Brennstoff­ zelle ein Brennmittel und Luft als Sauerstoff enthaltendes Gas zur Oxidation des Brennmittels in einem vorgegebenen Luftverhältnis λ zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Luftverhältnis λ in Abhängigkeit von der Belastung der Brennstoffzelle geregelt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Luftverhältnis λ bei einer verringerten Belastung der Brennstoffzelle gegenüber dem Luftverhältnis λ bei Volllast der Brennstoffzelle verringert wird.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass das Luftverhältnis λ stetig mit der Belastung der Brennstoffzelle verringert oder erhöht wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass das Luftverhältnis λ proportional zur Belastung der Brennstoffzelle geregelt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass das Luftverhältnis λ innerhalb vorgegebener Grenzen geregelt wird und dass das Luftverhältnis λ bei Volllast der Brennstoffzelle im Bereich von 1,7 bis 2,5 liegt und im Teillastbereich der Brennstoffzelle im Bereich von 1,3 bis 2,3.
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