DE10311786A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Bereitstellung von zu reduzierendem Reaktionsstoff für einen Anodenbereich einer Brennstoffzelle - Google Patents

Vorrichtung und Verfahren zur Bereitstellung von zu reduzierendem Reaktionsstoff für einen Anodenbereich einer Brennstoffzelle Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bereitstellung von zu reduzierendem Reaktionsstoff, insbesondere auf der Basis von Wasserstoff, für einen Anodenbereich einer Brennstoffzelle. Dabei sind Mittel zum Ablassen von Medium aus dem Anodenbereich sowie Mittel zum Einbringen eines Oxidationsmittels in den Anodenbereich vorgesehen. Erfindungsgemäß sind diese Mittel als wenigstens eine passive Ventileinrichtung ausgebildet. DOLLAR A Außerdem betrifft die Erfindung ein mögliches Verfahren zum Betreiben einer derartigen Vorrichtung, bei dem zum Ablassen von Medium aus dem Anodenbereich der Druck des Mediums im Anodenbereich erhöht wird, während zum Einbringen des Oxidationsmittels in den Anodenbereich der Druck des Mediums im Anodenbereich gesenkt wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bereitstellung von zu reduzierendem Reaktionsstoff, insbesondere auf der Basis von Wasserstoff, für einen Anodenbereich einer Brennstoffzelle, mit Mitteln zum Ablassen von Medium aus dem Anodenbereich sowie mit Mitteln zum Einbringen eines Oxidationsmittels in den Anodenbereich sowie ein Verfahren zum Betreiben dieser Vorrichtung.
  • Aus der US 6,210,820 B1 ist es bekannt dem Brennstoffzustrom einer Brennstoffzelle Sauerstoff oder Luft als Oxidationsmittel einzubringen um, in dem Brennstoff enthaltene Verunreinigungen, insbesondere Kohlenmonoxid (CO), zu oxidieren. Durch diesen sogenannten „Airbleed" wird vermieden, dass sich die Verunreinigungen Katalysatoren im Bereich der Elektroden der Brennstoffzelle, und hier insbesondere die Katalysatoren im Bereich der Anode von PEM-Brennstoffzellen, vergiften. Die Leistungsfähigkeit der Brennstoffzelle kann damit auch bei vergleichsweise hohen Konzentrationen an Kohlenmonoxid, beispielsweise von 1000 bis 5000 parts per million (ppm) aufrecht erhalten werden.
  • Durch diesen Airbleed erkauft man sich allerdings die Anwesenheit von inerten und anderen durch die Brennstoffzelle nicht umzusetzenden Gasbestandteilen im Brennstoff, so dass der Wirkungsgrad der Brennstoffzelle mit höherem Airbleed sinkt. Die oben genannte US-Schrift bedient sich daher eines Airbleeds, welcher in Abhängigkeit von der Verschmutzung des Brennstoffes erfolgt, und durch welchen möglichst kleine Sauerstoff- oder Luftmengen in den Brennstoff dosiert werden. Als Sensor für die Verschmutzung des Brenngases bedient man sich einer speziellen Brennstoffzelle als Sensorzelle unter vielen anderen Brennstoffzellen eines Brennstoffzellenstapels bzw. -stacks, welche entsprechend empfindlicher als die anderen Brennstoffzellen auf die Vergiftung ihrer Katalysatoren mit Kohlenmonoxid reagiert. Wird an dieser einen Sensorzelle ein Leistungseinbruch verzeichnet, so dient dieser als Maß für den Start des Airbleeds.
  • Betreibt man ein Brennstoffzellensystem anodenseitig im Dead-End-Betrieb oder mit einer Rückführung des nach der Anode noch vorliegenden Brenngases in den Bereich vor die Anode, einem sogenannten Anodenkreislauf, so werden sich aufgrund des Airbleeds im Bereich der Anode mit zunehmender Betriebsdauer inerte Gase, wie z.B. entstehendes Kohlendioxid, Stickstoff etc. anreichern. Die Konzentration des Brennstoffes sinkt. Um wieder eine ausreichend hohe Brennstoffkonzentration für den Betrieb der Brennstoffzelle zu erhalten, muss in regelmäßigen Abständen „gepurged", d. h. die Gase aus der Rückführung bzw. dem Bereich der Anode abgelassen, werden.
  • Sowohl dieses sogenannte Purging, als auch der Airbleed erfordern dabei gemäß dem Stand der Technik, wie er neben der oben genannten US-Schrift z.B. auch in den beiden Patentabstracts of Japan 10-284098 und 08-241726 beschreiben ist eine entsprechende Sensorik und mehrere davon angesteuerte aktive Ventile, meist Magnetventile, zur Durchführung sowohl des Purgings, also des Ablassens der Mediums aus dem Bereich der Anode, als auch des Airbleeds, also des Einbringens von Oxidationsmittel in den Bereich der Anode.
  • Neben dem Aufwand an Sensorik ist der hauptsächliche Nachteil eines derartigen Aufbaus darin zu sehen, dass die aktiven Ventile aufwändig, störanfällig und teuer sind. Außerdem benötigen sie einen großen Bauraum und müssen mit entsprechenden Steuerleitungen versehen werden, um sie zu betätigen. Bei komplex aufgebauten Systemen stellt sowohl der Bauraum, als auch die Verlegung von derartigen Steuerleitungen, welche außerdem unter Beachtung der jeweiligen Temperaturen und Umgebungsbedingungen verlegt werden müssen, einen erheblichen Aufwand und damit einen gravierenden Nachteil dar. Legt man den Überlegungen des weiteren Systeme mit höheren Stückzahlen zugrunde, so stellen auch die mit den aktiven Ventilen und den Leitungen verbundenen Kosten einen erheblichen Nachteil dar.
  • Daher ist es die Aufgabe der Erfindung, diese Nachteile zu vermeiden und eine entsprechenden Vorrichtung zur Bereitstellung von zu reduzierendem Reaktionsstoff, insbesondere auf der Basis von Wasserstoff, für einen Anodenbereich einer Brennstoffzelle, mit Mitteln zum Ablassen von Medium aus dem Anodenbereich sowie mit Mitteln zum Einbringen eines Oxidationsmittels in den Anodenbereich sowie ein Verfahren zum Betreiben dieser Vorrichtung zu schaffen, welche einen einfachen, wenig Bauraum benötigenden, robusten und kostengünstigen Betrieb ermöglichen.
  • Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 genannten Merkmale gelöst. Der kennzeichnende Teil des Anspruchs 10 gibt ein Verfahren zum betreiben einer solchen Vorrichtung gemäß der Erfindung an.
  • Durch die Ausbildung der Mittel als wenigstens eine passive Ventileinrichtung wird erreicht, dass keinerlei aktiven und damit per se störanfälligen und teuren Elemente benötigt werden. Sofern überhaupt eine Betätigung der Ventileinrichtungen notwendig wird bzw. erfolgen soll, so wird diese durch die Eigenschaften bzw. Zustandsgrößen des im Anodenbereich befindlichen Mediums zum jeweiligen Zeitpunkt selbst bewirkt.
  • Mit einer derartigen Vorrichtung wird also die Bereitstellung des zu reduzierenden Reaktionsstoffs für den Anodenbereich der Brennstoffzelle, mit Mitteln zum Ablassen von Medium aus dem Anodenbereich sowie mit Mitteln zum Einbringen eines Oxidationsmittels in den Anodenbereich realisiert, ohne dass dafür aktive Elemente und/oder Steuerleitungen notwendig wären. Die erfindungsgemäße Vorrichtung stellt einen einfachen, wenig Bauraum benötigenden, robusten und kostengünstigen Aufbau dar.
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann dabei mit praktisch jeder Art einer Brennstoffzelle, welche Purge und Airbleed benötigt, eingesetzt werden. Der bevorzugte Einsatz kann z.B. im Bereich des Anodenraums einer PEM-Brennstoffzelle liegen, wobei dann der zu reduzierende Reaktionsstoff üblicherweise Wasserstoff oder wasserstoffhaltiges Gas mit geringfügigen Verunreinigungen, z.B. durch Kohlenmonoxid, sein wird.
  • Im wesentlichen lassen sich die passiven Ventileinrichtungen der Erfindung dabei in zwei Gruppen unterteilen.
  • Zuerst wäre da die Ausgestaltung als reine Öffnung, wie Sie durch den kennzeichnenden Teil des Unteranspruchs 2 beschreiben wird.
  • Diese Öffnung kann als einfache Bohrung, als mit einer Querschnittsverengung versehene Düse oder dergleichen ausgebildet sein. Sie verfügt über keinerlei bewegliche Elemente, ist ausgesprochen robust und kostengünstig. Eine "Betätigung" kann hier durch die Veränderungen des Druckes des Mediums im Anodenbereich erfolgen. Liegt dieser Druck über dem Umgebungsdruck der wenigstens einen Öffnung, also dem Druck auf der dem Anodenbereich angewandten Seite der Öffnung, so wird Medium abgeblasen, liegt er darunter, so wird Medium aus der Umgebung in den Anodenbereich eingesaugt. Durch eine Variation in der Anzahl der Öffnungen und durch die dauerhafte passive Verbindung der Öffnungen mit bestimmten "Umgebungen", z.B. einem Druckluftreservoir, einem Brenner, etc., wird ein sehr flexibler Einsatz dieser Ausgestaltung der Erfindung möglich.
  • Als zweite Gruppe, wäre hier auf die Öffnungen zu verweisen, welche eine im Querschnitt variable Öffnung aufweisen, wie es im Unteranspruch 3 beschreiben ist.
  • Die Veränderung des Querschnitts erfolgt bei dieser Art der passiven Ventileinrichtungen dann durch die Eigenschaften des Mediums selbsttätig. Für die Eigenschaften des Mediums, welche die passiven Ventileinrichtungen entsprechend betätigen, können beispielhaft wieder der Druck, die Temperatur oder die Feuchtigkeit des Mediums genannt werden.
  • Eine besonders günstige Ausgestaltung dieser Idee der Öffnung mit variablem Querschnitt, bei welcher der Druck als das die Ventileinrichtung betätigende Medium genannt werden kann, wird durch den kennzeichnenden Teil des Unteranspruchs 4 beschrieben.
  • Die Rückschlagklappe stellt eine der einfachsten Lösungen zur Erhöhung der Flexibilität der Vorrichtung dar. Sowohl das Ansaugen von Oxidationsmittel, als auch das Abblasen von Medium kann dabei über eine Rückschlagklappe erfolgen. Durch die beiden Rückschlagklappen wird dann während des Airbleeds das Purging unterbunden und umgekehrt. Je nach Auslegung der Rückschlagklappen kann außerdem ein gewisser Zwischenbereich des Druckniveaus geschaffen werden, in welchem werden Airbleed noch Purging erfolgt.
  • Durch den kennzeichnenden Teil des Unteranspruchs 6 wird eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Idee die Öffnung mit variablem Querschnitt auszubilden, beschreiben, bei welcher die Temperatur als das die Ventileinrichtung betätigende Medium genannt werden kann.
  • Als sich temperaturabhängig bewegendes Element könnte z.B. ein Bimetallstriefen eingesetzt werden, welcher die Öffnung je nach Medientemperatur mehr oder weniger verschließt. Die Beeinflussung der Medientemperatur kann beispielsweise durch die Variation einer ohnehin vorhandenen Kühlung der Brennstoffzelle und/oder des zugeführten zu reduzierenden Reaktionsstoffes erfolgen. Auch wären hier in der Brennstoffzelle ohnehin ablaufenden Vorgänge zur Variation der Temperatur denkbar, z.B. eine Hemmung der Anodenreaktion durch zunehmende Vergiftung der Elektroden mit Kohlenmonoxid, welche gleichzeitig eine Ansenkung der Wärmeentwicklung bewirkt. Durch die so sinkende Temperatur könnte ein Querschnitt für den Airbleed vergrößert werden.
  • Eine besonders günstige Weiterbildung der Idee die Öffnung mit variablem Querschnitt auszubilden, bei welcher die Feuchtigkeit des Mediums als das die Ventileinrichtung betätigende Medium genutzt werden kann, wird durch den kennzeichnenden Teil des Unteranspruchs 7 beschrieben.
  • Denkbar wäre hier z.B. eine Membran oder dergleichen, welche z.B. ihre Länge in Abhängigkeit der Feuchtigkeit des Sie umgebenden Mediums ändert. Diese könnte dann das Öffnen und Schließen bzw. eine Querschnittsveränderung der Öffnung bewirken. Würde z.B. das Oxidationsmittel für den Airbleed aus dem Bereich der, zumindest bei einer Ausgestaltung der Brennstoffzelle als PEM-Brennstoffzelle, befeuchteten Luft für den Kathodenraum stammen, so könnte sich die mit einer derartigen Membran betätigte Öffnung zeitverzögert öffnen und so das eine gewisse Zeit nach dem Airbleed erforderliche Purging ermöglichen.
  • Sämtliche der beschriebenen Ausgestaltungen und Weiterbildungen des Anspruchs 1 lassen sich sowohl alleine, als auch in allen denkbaren Kombinationen untereinander, jeweils für eine, mehrere oder alle der gegebenenfalls vorhandenen passiven Ventileinrichtungen, nutzen.
  • Ein mögliches sowie besonders günstiges und vorteilhaftes Verfahren zum Betreiben einer der oben genannten Vorrichtungen ergibt sich aus dem kennzeichnenden Teil des Anspruchs 10.
  • Das einfachste Verfahren benötigt dafür lediglich eine einfache Öffnung, z.B. eine Bohrung im Anodenbereich der Brennstoffzelle. Zum Ablassen von Medium aus dem Anodenbereich wird dann der Druck des Mediums im Anodenbereich erhöht, während zum Einbringen des Oxidationsmittels in den Anodenbereich der Druck des Mediums im Anodenbereich gesenkt wird.
  • Für einen Airbleed wird der Druck im Anodenbereich also relativ zur Umgebung gesenkt, z.B. 0,1 bar "Unterdruck". Für ein Purging wird der Druck entsprechende erhöht, also z.B. 0,1 bar "Überdruck", jeweils relativ zur Umgebung. In seiner einfachsten vorrichtungsgemäßen Ausgestaltung mit nur einer Öffnung, wird das erfindungsgemäße Verfahren also immer entweder im Airbleed oder im Purging befindlich sein.
  • Entsprechende Ausgestaltungen, bei denen mehrere passive Ventileinrichtungen vorhanden sind, welche z.B. mit unterschiedlichen Umgebungen, welche jeweils unterschiedliche Druckniveaus aufweisen, verbunden sind, erhöhen die Flexibilität des Verfahrens. So lassen sich beispielsweise Druckbereiche schaffen, in welchen das Verfahren weder im Airbleed und im Purging befindlich ist.
  • Noch weiter unterstützt werden kann diese Flexibilität durch die oben bereits als Ausgestaltungen der Vorrichtung beschreiben Maßnahmen, wie z.B. Rückschlagklappen. Dadurch entstehen dann vergleichsweise große bzw. – über die Konstruktion der Rückschlagklappen – leicht zu beeinflussenden Druckbereiche für die drei möglichen Betriebszustände Normalbetrieb, Airbleed, Purging.
  • Gemäß einer sehr vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens zum Betreiben der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird der Druck im Anodenbereich über ein Druckregelventil geregelt.
  • Der Vorteil dieser einfachen Möglichkeit zur Druckregelung liegt vor allem darin, dass derartige Druckregelventile allgemein bekannt und üblich sind. Sie sich daher in großen Stückzahlen kostengünstig verfügbar. Sie sind robust und zuverlässig.
  • Falls ein Anodenkreislauf eingesetzt wird, so spielt außerdem der Ort, an welchen das Druckregelventil in dem Anodenkreislauf eingebaut wird praktisch keine Rolle, so dass hinsichtlich der räumlichen Optimierung des Aufbaus wenig Einschränkungen zu erwarten sind.
  • Eine günstige Weiterbildung des Verfahrens zum Betreiben der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht vor, dass der Druck im Anodenbereich über die Menge an zu reduzierendem Reaktionsstoff variiert wird.
  • Auf diese Art und Weise wird ohne einen weiteren aufwändigen und Bauraum benötigenden Aufbau im Anodenbereich eine effektive und einfache Art der Druckregelung gefunden. Die Menge an zu reduzierendem Reaktionsstoff, welche in Abhängigkeit der Last der Brennstoffzelle meist ohnehin variiert wird, kann so sehr einfach für eine Druckvariation zwecks Airbleed bzw. Purging genutzt werden.
  • In Endeffekt bestehen dabei zwei Möglichkeiten für eine derartige Variation des Drucks über die Menge an zu reduzierendem Reaktionsstoff. Zum Einen kann der Druck über die angebotene Menge an Reaktionsstoff variiert werden. Dies würde bedeuten, das mehr zu reduzierender Reaktionsstoff aus einem Speicher oder aus einem Gaserzeugungssystem zugeführt wird. Zum Anderen kann jedoch auch – z.B. bei konstanter Zufuhr an zu reduzierendem Reaktionsstoff – die Menge an verbrauchtem zu reduzierenden Reaktionsstoff verändert werden, z.B. durch gezieltes elektrisches Abschalten der Brennstoffzelle. Entsprechende Mechanismen hierzu sind bereits bekannt, z.B. aus der DE 100 56 429 A1 . Diese können auch für die hier benötigte Druckregelung adaptiert bzw. mit ihr überlagert werden.
  • Das Verfahren zum Betreiben der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht gemäß einer weiteren Ausgestaltung vor, dass die Variation des Drucks im Anodenbereich in einem sich periodisch wiederholenden zeitlichen Ablauf erfolgt.
  • Üblicherweise sind die Reinheiten des Reaktionsstoffes bekannt und bleiben meist konstant. Es kann daher mit einer vorgegebnen Menge an Oxidationsmittel für den Airbleed gearbeitet werden. Diese erzwingt dann wieder eine bestimmte Menge an abzublasendem Medium aus dem Anodenbereich. Es kann daher sehr einfach und effektiv mit einer periodischen Wiederholung eines zeitlichen zyklischen Ablaufs für die Druckänderungen gearbeitet werden.
  • In der Kombination mit der zuvor genannten Ausgestaltung könnte so z.B. der Regelmechanismus für die lastabhängige Zugabe der Menge an zu reduzierendem Reaktionsstoff von einem zyklisch periodischen Profil für die Druckänderungen für Purging und Airbleed überlagert werden.
  • Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Unteransprüchen und aus dem anhand einer Zeichnung nachfolgend dargestellten Ausführungsbeispiel.
  • Dabei zeigen:
  • 1 eine Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit Mitteln zum Ablassen von Medium aus dem Anodenbereich und/oder zum Einbringen eines Oxidationsmittels in den Anodenbereich;
  • 2a bis 2c verschiedene mögliche Ausgestaltung eines der Mittel;
  • 3a bis 3c ein möglicher Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben einer entsprechenden Vorrichtung.
  • 4 eine alternative Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit Mitteln zum Ablassen von Medium aus dem Anodenbereich und/oder zum Einbringen eines Oxidationsmittels in den Anodenbereich;
  • 5a, 5b weitere verschiedene Ausgestaltung der Mittel;
  • 6 eine weitere alternative Ausgestaltungsmöglichkeit der Mittel.
  • In 1 ist zeigt eine Brennstoffzelle 1, welche beispielhaft als PEM-Brennstoffzelle aufgebaut sein soll. Dementsprechend sind ein Anodenraum 2 und ein Kathodenraum 3 durch eine protonenleitfähige Membran 4, welche z.B. Bestandteil einer sogenannten MEA (Membran Elektroden Anordnung/membrane electrode assembly) sein kann, voneinander getrennt. Dem Kathodenraum 3 der Brennstoffzelle 1 wird in bekannter Weise ein zu oxidierenden Reaktionsstoff, beispielsweise Sauerstoff, insbesondere in Form von Luft zugeführt. Dieser Reaktionsstoff wird nach dem Kathodenraum 3 wieder abgeführt und kann dann z.B. noch als Oxidationsstoff für eine Verbrennung oder dergleichen dienen.
  • Auf der Seite des Anodenraums 2 wird ebenfalls ein Reaktionsstoff zugeführt, wobei dieser jedoch zu reduzieren ist. In üblicher, jedoch nicht zwingender Weise, handelt es ich bei diesem zu reduzierenden Reaktionsstoff um Wasserstoff. Der Wasserstoff kann dabei aus vielfältigen Quellen stammen und entweder unmittelbar für die – und im Bereich der – Brennstoffzelle 1 erzeugt oder in Speichereinrichtungen, z.B. Drucktanks, Metallhydriden, oder dergleichen bevorratet werden. Der Wasserstoff, wie er in der hier dargestellten Brenn stoffzelle 1 Verwendung finden soll, ist relativ rein und weist nur einen geringen Anteil (üblicherweise wenige hundert bis einige tausend ppm) an Verunreinigungen, z.B. CO oder dergleichen und an inerten Stoffen, wie H2O, CO2, etc. auf. Wird der Wasserstoff, z.B. durch ein Gaserzeugungssystem aus einem Kohlenwasserstoff- oder kohlenwasserstoffderivathaltigen Einsatzstoff erzeugt, so können derartige Reinheiten über in bekannter Weise über Membranreinigungsverfahren oder Druckwechseladsorption erzielt werden.
  • Wird die Brennstoffzelle 1 mit einem derartigen, nahezu reinen Wasserstoff betreiben, so ist ein sogenannter Dead-End-Betrieb möglich. Das bedeutet, dass der in den Bereich des Anodenraums 2 gelangende Wasserstoff dort komplett umgesetzt wird, ohne das Abgas abgeführt werden müsste.
  • Da sich im Bereich des Anodenraums 2 über längere Betreibezeiten dennoch die Verunreinigungen und inerten Stoffe ansammeln, ist von Zeit zu Zeit ein sogenanntes Purging notwendig. Dabei wird das in dem Anodenraum 2 befindliche Medium aus dem Bereich des Anodenraums 2 abgelassen. Dazu soll in der Darstellung gemäß 1 das Mittel 5 dienen.
  • Neben dem Ablassen von Medium aus dem Bereich des Anodenraums 2 kann über das Mittel 5 auch ein Oxidationsmittel in den Bereich des Anodenraums 2 eingebracht werden. Dieser Vorgang des sogenannten Airbleeds bewirkt die Vermischung des Wasserstoffs mit dem Oxidationsmittel, z.B. Luft. Durch die Luft bzw. den in ihr enthaltenen Sauerstoff werden dann oxidierbare Verunreinigungen in dem Wasserstoff, insbesondere CO, zu inerten Bestandteilen aufoxidiert. Im speziell kritischen Fall des Kohlenmonoxids, kann dadurch eine Anlagerung des Kohlenmonoxids an den Elektrokatalysatoren des Anodenraums 2 vermieden und/oder rückgängig gemacht werden. Durch den Airbleed lässt sich also eine mit einer Leistungsverringerung verbundene "Vergiftung" der Brennstoffzelle 1 verhindern bzw. regenerieren. Um die sich dabei ansammelnden inerten Gasbe standteile aus dem Anodenraum 2 zu entfernen, bedient man sich dann wieder des oben bereits beschriebenen Purgings.
  • Das Mittel 5 der 1 kann nun so ausgebildet sein, dass es in Abhängigkeit von entsprechenden Zustandsgrößen, z.B. einem Druck pA im Bereich des Anodenraums 2, welcher über einen schematisch angedeuteten Sensor 6 erfasst wird, entsprechende variiert wird.
  • Die Variation des Drucks pA im Bereich des Anodenraums 2 kann, wie in 1 prinzipmäßig angedeutet, in einfachster Weise durch eine Variation der Menge des an den Anodenraum 2 zugeführten bzw. des in ihm verbrauchten Wasserstoffs beeinflusst werden. Diese Beeinflussung der Menge z.B. in Abhängigkeit des Sensors 6 kann beispielsweise durch die Beeinflussung der Menge an in einem Gaserzeugungssystem 7 erzeugten Wasserstoff oder in Abhängigkeit der aus einem Wasserstoffspeicher 8 zugeführten Menge an Wasserstoff erfolgen. Alternativ dazu kann auch der Verbrauch an Wasserstoff in dem Anodenraum zur Variation des Drucks pA genutzt werden, z.B. in der o.g. Art der DE 100 56 429 A1 .
  • Die einfachste Ausgestaltung des Mittels 5 ist eine einfache Öffnung bzw. Bohrung 9, wie sie in einer ersten möglichen Ausgestaltung des Mittels 5 in 2a dargestellt ist. Eine ebenfalls recht einfache Alternative zu der Öffnung 9 kann beispielsweise auch eine Querschnittsverengung 10 sein, wie sie in der alternativen Ausgestaltung des Mittels 5 in 2b zu erkennen ist.
  • Zum Durchführen eines Purges oder eines Airbleeds reicht es bei einer derartigen Ausgestaltung des Mittels 5 als passive Öffnung 9 bzw. Querschnittsverengung 10 aus, den Druck pA im Bereich des Anodenraums 2 bzw. in der oben genannten Art entsprechend zu variieren, um zum jeweiligen Zeitpunkt einen Airbleed oder einen Purge zu bewirken. Eine derartige Varia tion des Drucks pA im Anodenraum 2 über der Zeit t ist in 3 exemplarisch dargestellt.
  • Der Druck pA im Bereich des Anodenraums 2 wird dabei um einen vorgegebenen Standardbetriebsdruck (Zustand 0) variiert. Wird der Druck pA im Bereich des Anodenraums 2 dabei über einen Druck (Zustand I) im Bereich der Umgebung der Brennstoffzelle 1 bzw. auf der dem Anodenraum 2 abgewandten Seite des Mittels 5 erhöht, so kommt es zu einem Abblasen von Medium aus dem Bereich des Anodenraums 2, also einem Purge. Dieser Purge ist in 3b prinzipmäßig angedeutet. Er wird so lange andauern, wie sich der Druck pA im Bereich des Anodenraums 2 oberhalb des den Umgebungsdruck symbolisierenden Zustands I in 3a befindet. Analog dazu wird durch ein Absenken des Drucks pA unter einen Zustand II und damit unter einen Umgebungsdruck ein Ansaugen von Medium aus der Umgebung, z.B. Luft, erreicht. Dieser Airbleed ist in 3c prinzipmäßig dargestellt und wird ebenfalls so lange andauern, wie sich der Druck pA im Bereich des Anodenraums 2 unterhalb des Zustands II befindet.
  • Die Menge an abgeblasenem Medium bzw. eingebrachtem Oxidationsmittel lässt sich dabei, wie aus den Diagrammen der 3 erkennbar ist, entweder anhand der zeitlichen Länge des Auftretens des entsprechenden Ereignisses oder mittels des Druckniveaus des Drucks pA im Bereich des Anodenraums 2 entsprechend variieren.
  • Bei den in den 2a und 2b beschriebenen einfachen Ausgestaltungen des Mittels 5 als Öffnung 9 bzw. Querschnittsverengung 10 wird der Abstand der Zustände I und II um den Zustand 0 minimal bzw. verschwindend klein sein. Ein derartig aufgebautes System wird sich damit also immer entweder im Zustand des Purges oder im dem des Airbleeds befinden.
  • Um die Variabilität des Systems und letztendlich den Wirkungsgrad zu steigern, so dass nicht immer Oxidationsmittel eingebracht oder Medium abgeblasen wird, wäre es wünschenswert, zwischen den beiden Zuständen I und II eine entsprechende Bandbreite für einen Standardbetrieb ohne Purge bzw. Airbleed zu gewinnen, wie dies in den Diagrammen der 3 dargestellt ist. Einen derartigen Abstand zwischen den Zuständen I und II kann man z.B. erzielen, wenn entsprechende passive Ventileinrichtungen als Mittel 5 eingesetzt werden, welche in Abhängigkeit des Drucks selbsttätig öffnen bzw. schließen.
  • In 2c ist eine beispielhafte Möglichkeit einer derartigen Ausgestaltung des Mittels 5 angedeutet. Das Mittel 5 besitzt bei dieser Ausgestaltung gemäß 2c eine Membran 11 mit einer darin befindlichen Öffnung 12. Bei geeigneter Ausgestaltung der Dicke der Membran 11 kann nun erreicht werden, dass in eine im Ruhezustand, in welchem die Membran 11 in 2 durchgezogen dargestellt ist, die Öffnung 12 einen sehr kleinen bis verschwindenden Querschnitt aufweist. Wird die Membran 11 nun aufgrund einer Änderung des Drucks ausgelenkt, in 2c ist dies gestrichelt beispielhaft für eine Erhöhung des Drucks pA im Bereich des Anodenraums 2 dargestellt, so wird die Querschnittsfläche der Membran 11 entsprechend vergrößert und die Öffnung 12 vergrößert bzw. öffnet sich dadurch. Der Öffnungsquerschnitt der Öffnung 12 hängt also der aktuell vorliegenden Form des flexiblen Materials der Membran 11 ab. Da sich diese Form in Abhängigkeit des Drucks pA ändert, ändert sich also auch der Querschnitt der Öffnung 12 in Abhängigkeit des Drucks pA.
  • Nun kann es entsprechend dem vorliegenden Druck pA in dem in 2c gestrichelt dargestellten Fall, zu einem Purge kommen. Bei einer Absenkung des Drucks wird sich die Membran 11 wieder entspannen und die Öffnung 12 wird verkleinert bzw. geschlossen. Analog zu der in 2c dargestellten Variante würde bei einer Absenkung des Drucks pA im Bereich des Anodenraums 2, also einem geplanten Airbleed, die Auslenkung der Membran 11 in der entgegengesetzten Richtung erfolgen, was, analog zu dem oben beschriebenen Fall, ebenfalls mit dem vergrößern bzw. öffnen der Öffnung 12 und damit mit einem Airbleed verbunden wäre.
  • In 4 ist eine alternative Ausgestaltung der Brennstoffzelle 1 dargestellt. Anstatt des in 1 beschriebenen Dead-End-Betriebs weist die Brennstoffzelle 1 bzw. der Bereich des Anodenraums 2 einen sogenannten Anodenkreislauf 13 auf. Dieser Anodenkreislauf 13 bewirkt dabei, dass der Wasserstoff, welcher aus dem Bereich des Anodenraums 2 austritt, über den Anodenkreislauf 13 und eine optionale Kreislaufpumpe 14, welche z.B. auch als Jetpump ausgebildet sein kann, in den Bereich des in den Anodenraum 2 eintretenden Wasserstoffs zurückgeführt wird. Ein derartiger Aufbau der Brennstoffzelle 1 bzw. des Bereichs des Anodenraums 2 mit einem solchen Anodenkreislauf 13 ist an sich bekannt, so dass hier nicht näher auf dessen Funktionsweise eingegangen werden muss.
  • Ein weiterer Unterschied der Variante der Brennstoffzelle gemäß 4 liegt in der Gestaltung der Druckregelung des Drucks pA im Bereich des Anodenraums 2 bzw. bei der Ausgestaltung gemäß 4 im Bereich des mit dem Anodenraum 2 kommunizierenden Anodenkreislaufs 13. Der Sensor 6' in 4 ist hier nicht im Bereich des Anodenraums 2 selbst, sondern im Bereich des Anodenkreislaufs 13 angeordnet. Die von dem Sensor 6' erfassten Signale, beeinflussen nicht wie in 1 die Menge an zugeführtem bzw. verbrauchtem Wasserstoff, sondern über ein prinzipmäßig angedeutetes Druckregelventil 15 den Druck im Anodenkreislauf 13 und damit auch im Bereich des Anodenraums 2 unmittelbar.
  • Die Verwendung eines derartigen Druckregelventils 15 kann dabei im Prinzip auch bei der Ausgestaltung gemäß 1 in der Zuleitung oder Falls Druckregelung und Purge kombiniert werden durch ein Druckregelventil oder ein Überdruckventil im Bereich des Mittels 5 erfolgen, während der Einsatz der Regelung des Drucks pA im Bereich,, des Anodenraums 2 über die Men ge an zugeführtem Wasserstoff selbstverständlich auch bei der Ausgestaltung gemäß 4 unter Verzicht auf das Druckregelventil 15 oder gegebenenfalls auch gemeinsam mit dem Druckregelventil 15 erfolgen kann.
  • Ein weiterer Unterschied des Aufbaus gemäß 4 gegenüber dem Aufbau gemäß 2 ist in dem Mittel 5 begründet, welches in der Ausgestaltung gemäß 4 durch zwei diskrete Mittel 5a, 5b ersetzt ist. Analog zu der oben bereits beschriebenen Möglichkeit in der Variation der Druckregelung ist auch eine derartige Ausgestaltung des Mittels 5 über die beiden diskreten Mittel 5a, 5b analog für die Ausgestaltung gemäß 1 verwendbar, während die dort beschriebene Ausgestaltung mit dem einen Mittel 5 auch für die Ausgestaltung gemäß 4 denkbar wäre.
  • Der Kerngedanke und der besondere Vorteil einer derartigen Ausgestaltung mit zwei diskreten Mitteln 5a, 5b besteht darin, dass eines der Mittel 5a für das Purging und das andere der Mittel 5b für den Airbleed genutzt wird. Der entsprechende Vorteil ist dabei, dass die Verbindung des jeweiligen Mittels 5a, 5b mit jeweils unterschiedlichen Räumen, beispielsweise einer Luftversorgung im Falle des Airbleeds und einem Brenner oder katalytischen Brenner im Falle des Purgings, von noch brennbaren und gegebenenfalls mit der Umgebungsluft explosive Gemische bildenden Stoffen, dienen kann. Dadurch, dass diese unterschiedlichen "Umgebungen" für die jeweiligen Mittel 5a, 5b auf unterschiedlichen Druckniveaus liegen können, ergeben sich hier außerdem entsprechende Möglichkeiten bei der Variation des Betriebs.
  • Im Falle, dass auch hier Purge und Airbleed in Abhängigkeit des Drucks pA im Bereich des Anodenraums 2 erfolgen sollen, können hier insbesondere relativ große Abstände der Zustände I und II gemäß 3a erzielt werden. Bei der hier dargestellten Wahl von zwei verschiedenen Mitteln 5a, 5b können diese außerdem so ausgebildet werden, dass sie eine Durch strömung in nur einer Richtung erlauben. 5a zeigt nun einen derartigen Aufbau, bei dem die beiden Mittel 5a, 5b die jeweils als Rückschlagventile 16 ausgebildet sind. Dabei sind die Rückschlagventile 16 jeweils so ausgebildet, dass im Falle des Airbleeds ein Ausströmen von Medium aus dem Bereich des Anodenraums 12 bzw. Anodenkreislaufs 13 verhindert wird. Im Falle des für den Vorgang des Purgings verwendeten Rückschlagventils 16 ist dieses dann selbstverständlich so ausgebildet, dass ein Zurückströmen von Medium aus der Umgebung in den Bereich des Anodenraums 2 bzw. Anodenkreislaufs 3 verhindert wird. Neben der hier gewählten schematischen Darstellung der Rückschlagventile 16 können auch entsprechende, einfach ausgestaltete Rückschlagklappen oder dergleichen eingesetzt werden. Sind zu ihrer Betätigung entsprechende Kräfte bzw. Druckunterschiede notwendig, z.B. um Reibungen zu überwinden oder dergleichen, so kann sich auch durch die konstruktive Ausgestaltung der Rückschlagventile 16 eine weitere Möglichkeit ergeben, die beiden Zustände I und II gemäß 3a für den jeweiligen Fall entsprechend anzupassen.
  • In 5b ist eine weitere Ausgestaltung der Mittel 5a, 5b vorgeschlagen. Die hier zum Öffnen der Mittel 5a, 5b, welche als Überdruckventile 17 ausgebildet sind, benötigten Kräfte sind sehr exakt einstellbar bzw. definierbar. Dadurch, dass zwei Überdruckventile 17 so eingesetzt werden, dass diese nur in einer Richtung öffnen können, und dass zum Öffnen in dieser Richtung eine vorgegebene Kraft, bei der hier dargestellten prinzipiellen Ausführung die Kraft einer Feder 18 überwunden werden muss, kann durch die Auslegung der Feder 18 eine entsprechende konstruktive Beeinflussung des Überdruckventils 17 erfolgen. Die sich daraus ergebenden Möglichkeiten hinsichtlich der Variation der Zustände I und II gemäß 3a neben diesen bisher beschriebenen passiven Ventileinrichtungen, welche jeweils auf Basis des Drucks im Bereich des Anodenraums 2 und/oder des Anodenkreislaufs 13 betätigt werden, können auch andersartige passive Ventileinrichtungen eingesetzt werden.
  • Diese sollen beispielhaft durch den prinzipmäßig dargestellten Aufbau gemäß 6 beschrieben werden. Hierbei ist jedes der Mittel 5a, 5b so ausgebildet, dass eine Öffnung 19 durch eine Lasche 20 oder dergleichen zumindest teilweise abgedeckt wird. Die Form dieser Lasche 20 kann sich dabei in Abhängigkeit von bestimmten Zustandsgrößen im Bereich der Mittel 5a und 5b und damit letztendlich auch im Bereich des Anodenraums 2 und/oder des Anodenkreislaufs 13 entsprechend verändern. Durch die Veränderung der Gestalt der Laschen 20 ergibt sich dann eine Variation des durchströmbaren Querschnitts der Öffnung 19.
  • Beispielsweise könnten die Laschen 20 aus einem bimorphen Material ausgebildet sein. Als klassisches Beispiel für ein solches bimorphes Material wäre sicherlich ein Bimetall zu nennen, welches sich unter Einfluss von Temperaturänderungen entsprechend verbiegt und durch diese Verformung einen mehr oder weniger großen Bereich der Öffnung 19 freigeben kann. Dieser bimorphe Effekt des Bimetalls, welcher auf der festen Verbindung von zwei Materialien mit unterschiedlichen Eigenschaften, hier unterschiedlichen Längenausdehnung, in Abhängigkeit der Temperatur basiert, kann selbstverständlich auch für andersartige Materialien und Eigenschaften eingesetzt werden. Beispielsweise könnte hier an einen Aufbau aus einer sich mit der Aufnahme von Feuchtigkeit dehnenden Polymermatrix oder dergleichen gedacht werden, welche mit einem entsprechenden Material verbunden ist, welches derartige Eigenschaften nicht aufweist. Analog zu der Änderung der Form des Bimetalls, wenn sich die Temperatur ändert, wird sich bei einem derartigen Aufbau dann die Form des bimorphen Materials mit zunehmender bzw. abnehmender Feuchtigkeit ändern, so dass hier eine Variation des durchströmbaren Querschnitts der Öffnung 19 in Abhängigkeit von der Feuchtigkeit erfolgen kann.
  • Neben diesen beschriebenen Beispielen sind selbstverständlich auch alle weiteren Mittel 5a, 5b geeignet, welche als passive, also nicht durch zugeführte Energie aktive angesteuerte Ventileinrichtungen darstellen. Ebenso ist die Kombination von sämtlichen Mitteln denkbar, z.B. auch die eines Bimetalls, welches in seiner Art außerdem so aufgebaut ist, dass es gleichzeitig als eine Art Rückschlagklappe 16 funktioniert, und/oder welches in seiner Materialstärke so ausgebildet ist, dass ab einem bestimmten Druckniveau die Verformung durch den Druck pA und damit die Betätigung der Rückschlagklappe 16 gegenüber der Verformung aufgrund der Temperatur überwiegt.
  • Hinsichtlich des zugeführten Oxidationsmittels, bei welchem es sich im allgemeinen um Luft handeln wird, lassen sich verschiedene, an sich bekannte Ansätze verfolgen. Entweder kann lediglich die Luft aus der Umgebung der Brennstoffzelle 1 angesaugt werden. In bevorzugter Weise wird jedoch Luft verwendet, welche bereits gereinigt und entsprechend den Erfordernissen im Bereich des Anodenraums 2 konditioniert worden ist. Diese Luft kann beispielsweise aus dem Bereich der Luftversorgung des Kathodenraums 3 der Brennstoffzelle 1 stammen, in welchem sie im allgemeinen gereinigt und befeuchtet für die Verwendung als zu oxidierender Reaktionsstoff zur Verfügung gestellt wird. Vergleichbares gilt auch für die Luftversorgung, welche im Bereich des gegebenenfalls vorhandenen Gaserzeugungssystems 7 eingesetzt wird, um dort Luft bzw. Sauerstoff für partielle Oxidationsvorgänge, selektive Oxidationsvorgänge etc., bereitzustellen. Auch diese Luftversorgung kann als "Umgebung" für den Airbleed Verwendung finden, so dass dieser die Luft als Oxidationsmittel aus einem derartigen System bzw. einem davon gespeisten Druckreservoir bekommt.
  • Bei dem Medium, welches aus dem Bereich des Anodenraums 2 und/oder des Anodenkreislaufs 13 abgeblasen wird, handelt es sich selbstverständlich um ein Medium, welches Wasserstoff und gegebenenfalls Reste von Kohlenwasserstoffen und dergleichen enthält. Aus Sicherheitsgründen kann dieses Medium nicht an die Umgebung abgegeben werden, sondern wird üblicherweise einer Verbrennung, z.B. in einem katalytischen Brenner, zugeführt, welcher wiederum thermische Energie erzeugt, die im Bereich z.B. des Gaserzeugungssystems 7 oder im Bereich einer Turbine zum Antreiben einer Kompressionseinrichtung für das oben bereits genannte Lufterzeugungssystem Verwendung finden kann.

Claims (17)

  1. Vorrichtung zur Bereitstellung von zu reduzierendem Reaktionsstoff, insbesondere auf der Basis von Wasserstoff, für einen Anodenbereich einer Brennstoffzelle, mit Mitteln zum Ablassen von Medium aus dem Anodenbereich sowie mit Mitteln zum Einbringen eines Oxidationsmittels in den Anodenbereich, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (5, 5a, 5b) als wenigstens eine passive Ventileinrichtung ausgebildet sind.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine passive Ventileinrichtungen als Öffnung (9, 10, 12, 19) ausgebildet ist.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine passive Ventileinrichtungen als im Öffnungsquerschnitt variable Öffnung (12, 19) ausgebildet ist.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnung mit einem Rückschlagventil (16) versehen ist.
  5. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnung als Öffnung (12) in einem flexiblen Material (11) ausgebildet ist, wobei sich der Öffnungsquerschnitt von der aktuellen Form des flexiblen Materials (11) abhängt.
  6. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnung als Öffnung (19) mit sich temperaturabhängig änderndem Öffnungsquerschnitt ausgebildet ist.
  7. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnung als Öffnung (19) mit sich in Abhängigkeit der Feuchtigkeit des Mediums änderndem Öffnungsquerschnitt ausgebildet ist.
  8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine passive Ventileinrichtungen als Überdruckventil (17) ausgebildet ist.
  9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Reduktionsmittel im Anodenbereich (Anodenraum 2) so im Kreislauf (Anodenkreislauf 13) geführt ist, dass das aus dem Anodenbereich (Anodenraum 2) ausströmende Medium dem in den Anodenbereich (Anodenraum 2) einströmenden Medium wieder zugeführt ist.
  10. Verfahren zum Betreiben einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass zum Ablassen von Medium aus dem Anodenbereich (Anodenraum 2) der Druck (pA) des Mediums im Anodenbereich (Anodenraum 2) erhöht wird, während zum Einbringen des O xidationsmittels in den Anodenbereich (Anodenraum 2) der Druck (pA) des Mediums im Anodenbereich (Anodenraum 2) gesenkt wird.
  11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass als Oxidationsmittel Luft verwendet wird, welche aus dem Bereich einer Luftversorgung für den Kathodenbereich (Kathodenraum 3) der Brennstoffzelle (1) und/oder für ein den Wasserstoff bereitstellendes Gaserzeugungssystem (7) stammt.
  12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck im Anodenbereich (Anodenraum 2 und Anodenkreislauf 13) über ein Druckregelventil (15) in einem Anodenkreislauf (13) geregelt wird.
  13. Verfahren nach Anspruch 10, 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck im Anodenbereich (Anodenraum 2 und Anodenkreislauf 13) über die Menge an zu reduzierendem Reaktionsstoff variiert wird.
  14. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Variation des Drucks im Anodenbereich (Anodenraum 2 und Anodenkreislauf (13) in einem sich periodisch wiederholenden zeitlichen Ablauf erfolgt.
  15. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Menge an Medium welches abgelassen wird und die Menge an Oxidationsmittel, welche eingebracht wird, über das Niveau des Drucks (pA) im Anodenbereich (Anodenraum 2) variiert wird.
  16. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass als Oxidationsmittel Luft aus der Umgebung der Brennstoffzelle (1) genutzt wird.
  17. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass das abgelassene Medium einem Brenner, insbesondere einem als katalytischer Brenner ausgebildeten Brenner, zugeführt wird.
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