DE19645990C1 - Verfahren zum Erkennen eines Lecks einer Hochtemperatur-Brennstoffzelle und Hochtemperatur-Brennstoffzelle - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Erkennen ei­ nes Lecks einer Hochtemperatur-Brennstoffzelle und eine Hoch­ temperatur-Brennstoffzelle.

Es ist bekannt, daß bei der Elektrolyse von Wasser die Was­ sermoleküle durch elektrischen Strom in Wasserstoff und Sau­ erstoff zerlegt werden. In einer Brennstoffzelle läuft dieser Vorgang in umgekehrter Richtung ab. Bei der elektrochemischen Verbindung von Wasserstoff und Sauerstoff zu Wasser entsteht elektrischer Strom mit hohem Wirkungsgrad und, wenn als Brenngas reiner Wasserstoff eingesetzt wird, ohne Emission von Schadstoffen und Kohlendioxid. Auch mit technischen Brenngasen, beispielsweise Erdgas oder Kohlegas, und mit Luft oder mit mit O₂ angereicherter Luft anstelle von reinem Sau­ erstoff, erzeugt eine Brennstoffzelle deutlich weniger Schad­ stoffe und weniger CO₂ als andere Energieerzeuger, die mit fossilen Energieträgern arbeiten. Die technische Umsetzung des Prinzips der Brennstoffzelle hat zu sehr unterschiedli­ chen Lösungen, und zwar mit verschiedenartigen Elektrolyten und mit Betriebstemperaturen zwischen 80°C und 1000°C, ge­ führt. In Abhängigkeit von ihrer Betriebstemperatur werden die Brennstoffzellen in Nieder-, Mittel- und Hochtemperatur- Brennstoffzellen eingeteilt, die sich wiederum durch ver­ schiedene technische Ausführungsformen unterscheiden.

Ein Brennstoffzellenblock, der in der Fachliteratur auch "Stack" genannt wird, setzt sich in der Regel aus einer Viel­ zahl von planar aufgebauten und aufeinandergestapelten Brenn­ stoffzellen zusammen. Da der Brennstoffzellenblock nicht für sich allein betreibbar ist, sind im allgemeinen der Brenn­ stoffzellenblock, ein Betriebsteil und eine zugeordnete Mo­ dulelektronik zu einem Brennstoffzellenmodul zusammengefaßt. Im Betriebsteil sind die Einrichtungen für die Versorgung mit Betriebsmitteln, beispielsweise Wasserstoff (H₂) und Sauerstoff (O₂) oder Luft, für die Produktwasserabfuhr, die Verlust­ wärmeabfuhr, die Befeuchtung der Betriebsmittel und die Ab­ fuhr der inerten Gasbestandteile zusammengefaßt.

Während des Betriebes eines Brennstoffzellenmoduls führt das Auftreten eines Defektes in einer einzelnen Brennstoffzelle zur Störung des Betriebes des gesamten Brennstoffzellenmo­ duls. Beispielsweise kann ein Gasübertritt von dem Anoden- zu dem Kathodengasraum einer Hochtemperatur-Brennstoffzelle, aufgrund eines Lecks in der Elektrolyt-Elektroden-Einheit, zu einer am Katalysator ausgelösten thermischen Reaktion von Wasserstoff (H₂) und Sauerstoff (O₂) führen. Als Problem erweist sich das unmittelbare Erkennen des Lecks zwischen dem Anoden- und dem Kathodengasraum und daraus folgend das Identifizieren einer solchen defekten Hochtemperatur-Brennstoffzelle im Brennstoffzellenmodul.

Bei einem aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren zum Erkennen eines Gaslecks zwischen der Anoden- und der Katho­ denseite einer Niedertemperatur-Brennstoffzelle wird eine Druckdifferenz zwischen diesen erzeugt und die Änderung der Geschwindigkeit der Druckdifferenz ausgewertet. Bei diesem Verfahren werden somit Drücke gemessen. Dieses Verfahren ist eine integrale Messung, d. h. es besteht keine Möglichkeit zur Identifizierung der defekten Brennstoffzelle im Brennstoff­ zellenmodul. Außerdem ist das Verfahren zum Erkennen kleiner Gaslecks in einem Brennstoffzellenmodul zu unempfindlich.

In einem weiteren aus dem Stand der Technik bekannten Verfah­ ren zum Erkennen eines Gaslecks wird der Kathoden- und der Anodengasraum mit Stickstoff (N₂) bzw. Wasserstoff (H₂) gespeist. Die Partialdruckdifferenz des Wasserstoffes (H₂) zwischen dem Kathoden- und dem Anodengasraum erzeugt eine Zellspannung im Bereich einiger 10 mV. Ein Gasübertritt zwischen dem Anoden- und dem Kathodengasraum aufgrund eines Gaslecks vermindert diese Partialdruckdifferenz und die Spannung sinkt gegen Null. Das heißt, daß die Geschwindigkeit des Abbaus dieser Zellspannung ein Maß dafür ist ob die Niedertemperatur-Brenn­ stoffzelle ein Leck aufweist oder nicht. Mit diesem Verfahren kann somit erkannt werden ob eine defekte Niedertemperatur- Brennstoffzelle vorliegt. Für eine technische Anwendung die­ ses Verfahrens zum Identifizieren der defekten Niedertempera­ tur-Brennstoffzelle im Brennstoffzellenmodul ist die erzeugte Spannung im Bereich von einigen 10 mV jedoch zu niedrig.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Erkennen eines Lecks zwischen dem Anoden- und dem Katho­ dengasraum einer Hochtemperatur-Brennstoffzelle anzugeben, das unabhängig von der Messung einer elektrischen Spannung ist und eine ausreichende Empfindlichkeit besitzt. Außerdem soll eine Hochtemperatur-Brennstoffzelle zum Durchführen des Verfahrens angegeben werden.

Die erstgenannte Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst durch ein Verfahren zum Erkennen eines Lecks einer in Betrieb befindlichen Hochtemperatur-Brennstoffzelle, wobei der Feuch­ tigkeitsgrad eines Betriebsmittels für die Hochtemperatur- Brennstoffzelle an einem Ausgang der Hochtemperatur-Brenn­ stoffzelle erfaßt wird.

Die zweitgenannte Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst durch eine Hochtemperatur-Brennstoffzelle, bei der zum Erken­ nen eines Lecks zwischen dem Anoden- und dem Kathodengasraum der Hochtemperatur-Brennstoffzelle der Feuchtigkeitsgrad ei­ nes Betriebsmittels für die Hochtemperatur-Brennstoffzelle an einem Ausgang der Hochtemperatur-Brennstoffzelle erfaßt wird, wobei Mittel zum Erfassen des Feuchtigkeitsgrades vorgesehen sind.

Bei der elektrochemischen Verbindung von Wasserstoff (H₂) und Sauerstoff (O₂) zu Wasser entsteht in der Hochtemperatur-Brenn­ stoffzelle elektrischer Strom mit hohem Wirkungsgrad. Beim Normalbetrieb der Hochtemperatur-Brennstoffzelle wird das entstehende Wasser aus dem Anodengasraum abgeführt. Das ent­ stehende Wasser dringt dabei nicht durch die Elektrolyt-Elek­ troden-Einheit in den Kathodengasraum ein. Dem Betriebsmittel für den Kathodengasraum wird somit keine zusätzliche Feuch­ tigkeit zugeführt. Das nichtverbrauchte Betriebsmittel für den Kathodengasraum, beispielsweise Sauerstoff (O₂) oder Luft aus der Umgebung, besitzt somit am Ausgang des Kathodengas­ raumes nur die Feuchtigkeit, mit der das Betriebsmittel be­ reits in den Kathodengasraum eingespeist wurde.

Unter Feuchtigkeit wird gewöhnlich der Wassergehalt von Stof­ fen verstanden. Der Feuchtigkeitsgrad von Gasen, und damit auch von den Betriebsmitteln für die Hochtemperatur-Brenn­ stoffzelle, kann durch die absolute Feuchtigkeit, d. h. in g Wasser/m³ Gas, durch die relative Feuchtigkeit, d. h. das in % ausgedrückte Verhältnis der bei einer bestimmten Temperatur vorhandenen absoluten Feuchtigkeit zu dem bei dieser Tempera­ tur höchstmöglichen Wasserdampfgehalt, und durch den Sätti­ gungsgehalt in g/m³ angegeben werden.

Bei diesem Verfahren wird somit der Feuchtigkeitsgrad an we­ nigstens einem Ausgang der Hochtemperatur-Brennstoffzelle be­ stimmt. Bildet sich nun beim Betrieb der Hochtemperatur- Brennstoffzelle ein Leck in der Elektrolyt-Elektroden-Einheit zwischen dem Anoden- und dem Kathodengasraum aus, so dringt das sich bei der elektrochemischen Reaktion bildende Wasser aus dem Anodengasraum in den Kathodengasraum ein und der Feuchtigkeitsgrad im Kathodengasraum steigt an. In Abhängig­ keit von der Empfindlichkeit des verwendeten Feuchtigkeitssen­ sors kann somit unmittelbar ein vorhandenes Leck erkannt wer­ den. Dieses Verfahren ist somit unabhängig von der Messung einer elektrischen Spannung und besitzt eine ausreichende Empfindlichkeit zum Nachweis eines Lecks.

Insbesondere wird der Feuchtigkeitsgrad des Betriebsmittels für den Kathodengasraum an einem Eingang und an einem Ausgang der Hochtemperatur-Brennstoffzelle erfaßt, und die Differenz zwischen dem Feuchtigkeitsgrad am Eingang und demjenigen am Ausgang gebildet. Bei diesem Verfahren wird der Feuchtig­ keitsgrad des nichtverbrauchten Betriebsmittels für den Ka­ thodengasraum mit dem Feuchtigkeitsgrad des Betriebsmittels für den Kathodengasraum vor dem Einspeisen in denselbigen verglichen. Dadurch kann eine genaue Aussage über die Ände­ rung des Feuchtigkeitsgrades und somit über das Vorhandensein eines Lecks gemacht werden.

Insbesondere wird der Feuchtigkeitsgrad des Betriebsmittels für den Kathodengasraum am Ausgang des Kathodengasraumes und der Feuchtigkeitsgrad des Betriebsmittels für den Anodengas­ raum am Ausgang des Anodengasraumes der Hochtemperatur-Brenn­ stoffzelle erfaßt, und die Differenz zwischen den Feuchtig­ keitsgraden an den beiden Ausgängen gebildet. Dadurch wird die Sensibilität für das Erkennen eines Lecks weiter vergrö­ ßert. Beim Auftreten eines Lecks in der Elektrolyt-Elektro­ den-Einheit verringert sich der Feuchtigkeitsgrad am Ausgang des Anodengasraumes der Hochtemperatur-Brennstoffzelle und zugleich steigt der Feuchtigkeitsgrad am Ausgang des Katho­ dengasraumes für das Betriebsmittel des Kathodengasraumes an.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprü­ chen beschrieben.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf das Ausfüh­ rungsbeispiel der Zeichnung verwiesen, in deren einziger Figur eine Hochtemperatur-Brennstoffzelle schematisch dargestellt ist.

Gemäß der Figur umfaßt eine Hochtemperatur-Brennstoffzelle 2 einen Kathodengasraum 4, einen Anodengasraum 6 und eine Elek­ trolyt-Elektroden-Einheit 8, welche den Anoden- 6 und den Ka­ thodengasraum 4 voneinander trennt. Die Elektrolyt-Elektro­ den-Einheit 8 umfaßt dabei nicht weiter dargestellt eine Ano­ de, einen Festelektrolyten und eine Kathode.

Der Anodengasraum 6 hat einen Eingang 10 zum Zuführen eines Betriebsmittels über eine Zuführungsleitung 12. Über einen Ausgang 14 mit einer an diesem angeschlossenen Abführungslei­ tung 16 wird das Anodenabgas aus dem Anodengasraum 6 abge­ führt.

Der Kathodengasraum 4 hat einen Eingang 18 zum Zuführen eines Betriebsmittels über eine Zuführungsleitung 20. Das Kathoden­ abgas, d. h. mit anderen Worten das nichtverbrauchte Betriebs­ mittel, wird über eine an einem Ausgang 22 angeschlossene Ab­ führungsleitung 24 wieder aus dem Kathodengasraum 4 der Hoch­ temperatur-Brennstoffzelle 2 abgeführt.

Über die Zuführungsleitung 12 wird in den Anodengasraum 6 beispielsweise Wasserstoff (H₂) als Betriebsmittel eingespeist. Über die Zuführungsleitung 20 wird in den Kathodengasraum 4 der Hochtemperatur-Brennstoffzelle 2 beispielsweise Sauer­ stoff (O₂) oder Luft aus der Umgebung eingespeist. Das aus dem Anodengasraum über die Abführungsleitung 16 abgeführte Ano­ denabgas enthält nicht verbrauchten Wasserstoff (H₂) und Was­ ser, das bei der elektrochemischen Reaktion in der Hochtempe­ ratur-Brennstoffzelle 2 entstanden ist.

Bei der Hochtemperatur-Brennstoffzelle 2 sind Mittel 30, 32, 34 zum Erfassen der Feuchtigkeitsgrade der Betriebsmittel vorge­ sehen. Zum Erfassen der Feuchtigkeitsgrade der Betriebsmittel für die Hochtemperatur-Brennstoffzelle 2 am Eingang 18, d. h. mit anderen Worten vor dem Einspeisen in die Hochtemperatur- Brennstoffzelle 2, und an den Ausgängen 14, 22, d. h. mit ande­ ren Worten nach dem Abführen aus der Hochtemperatur-Brenn­ stoffzelle 2, sind in der Zuführungsleitung 20 ein Feuchtig­ keitssensor 30 und in den Abführungsleitungen 16 und 24 die Feuchtigkeitssensoren 32, 34 der Hochtemperatur-Brennstoff­ zelle 2 vor- bzw. nachgeschaltet.

Beim Normalbetrieb der Hochtemperatur-Brennstoffzelle 2 er­ faßt der Feuchtigkeitssensor 34 in der Abführungsleitung 24 des Kathodengasraumes 4 im wesentlichen einen konstanten Wert für den Feuchtigkeitsgrad. Dieser ist durch das in dem Katho­ dengasraum 4 nichtverbrauchte Betriebsmittel vorgegeben, wo­ bei der Wert für den Feuchtigkeitsgrad demjenigen Wert ent­ spricht, den bereits das in den Kathodengasraum 4 eingespei­ ste Betriebsmittel hat. Besitzt die Elektrolyt-Elektroden- Einheit 8, die den Anodengasraum 6 im Normalbetrieb gasdicht von dem Kathodengasraum 4 trennt, ein Leck 38, so dringt zu­ sätzlich ein Anteil des bei der elektrochemischen Reaktion entstehenden Wassers durch das Leck 38 aus dem Anodengasraum 6 in den Kathodengasraum 4 ein. Dementsprechend erfaßt der Feuchtigkeitssensor 34 einen erhöhten Wert für den Feuchtig­ keitsgrad, was wiederum ein Anzeichen für das Vorhandensein des Lecks 38 ist.

Wird zugleich kontinuierlich mit der Erfassung des Feuchtig­ keitsgrades mit dem Feuchtigkeitssensor 34 am Ausgang 22 der Hochtemperatur-Brennstoffzelle 2 der Feuchtigkeitsgrad am Eingang 18 der Hochtemperatur-Brennstoffzelle 2 durch den Feuchtigkeitssensor 30 erfaßt, so erhält man nach Bildung der Differenz der beiden Werte für den Feuchtigkeitsgrad eben­ falls ein Anzeichen für das Vorhandensein des Lecks 38. Durch das Bilden der Differenz, wobei der Feuchtigkeitsgrad am Aus­ gang 22 der Hochtemperatur-Brennstoffzelle 2 immer auf den Feuchtigkeitsgrad am Eingang 18 bezogen wird, ist eine grö­ ßere Sicherheit zum Erkennen des Lecks 38 gewährleistet. Da­ mit werden Schwankungen des Wertes des Feuchtigkeitsgrades bzgl. des eingespeisten Betriebsmittels durch dieses Verfah­ ren berücksichtigt.

Eine weitere Verbesserung des Verfahrens wird dadurch er­ reicht, daß der Feuchtigkeitsgrad am Ausgang 14 des Anoden­ gasraumes 6 mit dem Feuchtigkeitssensor 32 und zugleich der Feuchtigkeitsgrad am Ausgang 22 des Kathodengasraumes 4 mit dem Feuchtigkeitssensor 34 gemessen wird. Durch Bildung der Differenz zwischen den beiden erfaßten Werten für den Feuch­ tigkeitsgrad des Anodenabgases bzw. des nichtverbrauchten Be­ triebsmittel aus dem Kathodengasraum 4, das einen Anteil des durch das Leck 38 in den Kathodengasraum 4 gelangten Wassers enthält, wird der Schwellwert zum Erkennen des Lecks 38 wei­ ter gesenkt. Durch das Leck 38 wird der Feuchtigkeitsgrad am Ausgang 14 des Anodengasraumes 6 erniedrigt und zugleich der Feuchtigkeitsgrad am Ausgang 22 des Kathodenteils 4 erhöht.

In nicht weiter dargestellten Ausführungsbeispielen sind die Feuchtigkeitssensoren 30, 32, 34 unmittelbar auf der Hochtempe­ ratur-Brennstoffzelle 2 angebracht oder bereits in die Hoch­ temperatur-Brennstoffzelle 2 integriert.

Das Verfahren kann auch bevorzugt beim Betrieb eines Hochtem­ peratur-Brennstoffzellenstapels angewendet werden. Dabei ist es nicht notwendig das Verfahren auf jede einzelne Hochtempe­ ratur-Brennstoffzelle des Hochtemperatur-Brennstoffzellensta­ pels anzuwenden. Aus betriebstechnischen Gründen werden meh­ rere Hochtemperatur-Brennstoffzellen jeweils zu Gruppen zu­ sammengefaßt und das Verfahren auf jede einzelne Gruppe ange­ wendet. Dadurch wird das Identifizieren einer Gruppe von Hochtemperatur-Brennstoffzellen mit einer in ihr enthaltenden defekten Hochtemperatur-Brennstoffzelle ermöglicht.

Claims (6)

1. Verfahren zum Erkennen eines Lecks (38) einer in Betrieb befindlichen Hochtemperatur-Brennstoffzelle (2), wobei der Feuchtigkeitsgrad eines Betriebsmittels für die Hochtempera­ tur-Brennstoffzelle (2) an einem Ausgang (14, 22) der Hoch­ temperatur-Brennstoffzelle (2) erfaßt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Feuchtigkeitsgrad des Betriebsmittels für den Kathodengasraum (4) an einem Ein­ gang (18) und am Ausgang (22) der Hochtemperatur-Brennstoff­ zelle (2) erfaßt, und die Differenz zwischen dem Feuchtig­ keitsgrad am Eingang (18) und demjenigen am Ausgang (22) ge­ bildet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Feuchtigkeitsgrad des Betriebsmittels für den Kathodengasraum (4) am Ausgang (22) und der Feuchtigkeitsgrad des Betriebsmittels für den Anodengasraum (6) am Ausgang (14) der Hochtemperatur-Brenn­ stoffzelle (2) erfaßt, und die Differenz zwischen den Feuch­ tigkeitsgraden an den beiden Ausgängen (14, 22) gebildet wird.

4. Hochtemperatur-Brennstoffzelle (2), bei der zum Erkennen eines Lecks (38) zwischen dem Anoden- (6) und dem Kathoden­ gasraum (4) der Hochtemperatur-Brennstoffzelle (2) der Feuch­ tigkeitsgrad eines Betriebsmittels für die Hochtemperatur- Brennstoffzelle (2) an einem Ausgang (14, 22) der Hochtempe­ ratur-Brennstoffzelle (2) erfaßt wird, wobei Mittel (30, 32, 34) zum Erfassen des Feuchtigkeitsgrades vorgesehen sind.

5. Hochtemperatur-Brennstoffzelle (2) nach Anspruch 4, bei der jeweils ein Feuchtigkeitssensor (30, 34) an einem Eingang (18) und am Ausgang (22) des Kathodenraumes (4) vorgesehen ist.

6. Hochtemperatur-Brennstoffzelle (2) nach Anspruch 4, bei der jeweils ein Feuchtigkeitssensor (34, 32) am Ausgang (22) des Kathodenraumes (4) und am Ausgang (14) des Anodenraumes (6) vorgesehen ist.