DE20210130U1

DE20210130U1 - Testanlage für Brennstoffzellen

Info

Publication number: DE20210130U1
Application number: DE20210130U
Authority: DE
Original assignee: Vandenborre Hydrogen Systems NV; Zentrum fuer Sonnenenergie und Wasserstoff Forschung Baden Wuerttemberg
Current assignee: Hydrogenics Europe NV; Zentrum fuer Sonnenenergie und Wasserstoff Forschung Baden Wuerttemberg
Priority date: 2002-07-01
Filing date: 2002-07-01
Publication date: 2004-03-04
Anticipated expiration: 2012-07-02

Abstract

Testanlage für Brennstoffzellen, umfassend
– mindestens eine Anodengasquelle,
– eine Anodengaszufuhrleitung mit einer Anzahl an Gasdurchflußreglern, welche der Anzahl der Anodengasquellen entspricht,
– eine Anodenabgasleitung,
– mindestens eine Kathodengasquelle,
– eine Kathodengaszufuhrleitung mit einer Anzahl an Gasdurchflußreglern, welche der Anzahl der Kathodengasquellen entspricht,
– eine Kathodenabgasleitung,
– eine Einzelzellspannungsmeßvorrichtung, und
– Meß-, Steuerungs- und Regeleinrichtungen zum Betrieb der Testanlage.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Testanlage bzw. einen Teststand für Brennstoffzellen, um die Leistungsfähigkeit, Dauerhaftigkeit und Sicherheit von Brennstoffzellen zu testen.
Hintergrund der Erfindung
Brennstoffzellen sind aufgrund ihres hohen Wirkungsgrades und ihrer niedrigen Schadstoff- und Geräuschemissionen zur unabhängigen Stromerzeugung in kleineren und mittleren Einheiten, für Traktionsanwendungen sowie zur kombinierten Strom- und Wärmeerzeugung sehr gut geeignet. Als Niedertemperatur-Brennstoffzellen werden insbesondere Polymer-Elektrolyt-Membran (PEM)-Brennstoffzellen mit Wasserstoff als Brennstoff eingesetzt. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf diesen Typ Brennstoffzelle beschränkt.
Ein sicherer und zuverlässiger Betrieb einer Brennstoffzelle erfordert die Überwachung und Regulierung einer Reihe von Parametern, wie der Last, der Prozeßgasströme, der Betriebstemperatur und des Betriebsdrucks. Zur Bewertung der Leistungfähigkeit, der Dauerhaftigkeit und der Sicherheit von Brennstoffzellen müssen diese einer Reihe von Tests unter verschiedenen Betriebsbedingungen unterzogen werden.
Aus der Patentliteratur ist keine umfassende Testanlage für Brennstoffzellen bekannt. Es gibt lediglich Vorschläge zu Spezialfragen der Brennstoffzellentestung. So wird in der WO 00 / 39870 ein Aufbau und ein Verfahren zur Dichtigkeitsmessung von Brennstoffzellenstacks beschrieben, welches auf dem Einbringen von in den jeweils anderen Kreisen nicht vorkommenden Spurengasen in den zu prüfenden Kreis beruht.
Die EP 0 898 789 B1 beschreibt ein Verfahren zur Bestimmung des Umsatzgrades in Einzelzellen eines Brennstoffzellenstacks, das auf der Auswertung von Einzelzellspannungen bei niedriger Stromdichte und unterschiedlichen Umsatzgraden beruht.
Schließlich existieren Patente, welche spezielle Probleme eines Brennstoffzellensystems betreffen. So beschreibt die DE 43 22 767 C2 eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Starten eines Brennstoffzellen-Fahrzeugs. Die US-A-5 023 150 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Regulierung einer Brennstoffzelle, welche beim Einsatz von Phosphorsäure-Brennstoffzellen, die gegen hohe Zellspannungen empfindlich sind, eine schonende An- und Abfahrprozedur ermöglicht.
Aufgabe der Erfindung
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Testanlage für Brennstoffzellen zur Verfügung zu stellen, welche die Prüfung von Brennstoffzellen unter allen in Frage kommenden Betriebsbedingungen gestattet, um die Leistungsfähigkeit, die Dauerhaftigkeit und Sicherheit von Brennstoffzellen umfassend testen und bewerten zu können.
Zusammenfassung der Erfindung
Die obige Aufgabe wird durch eine Testanlage für Brennstoffzellen gemäß Schutzanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Erfindungsgegenstandes sind in den Unteransprüchen angegeben.
Gegenstand der Erfindung ist somit eine Testanlage für Brennstoffzellen, umfassend

– mindestens eine Anodengasquelle,
– eine Anodengaszufuhrleitung mit einer Anzahl an Gasdurchflußreglern, welche der Anzahl der Anodengasquellen entspricht,
– eine Anodenabgasleitung,
– mindestens eine Kathodengasquelle,
– eine Kathodengaszufuhrleitung mit einer Anzahl an Gasdurchflußreglern, welche der Anzahl der Kathodengasquellen entspricht,
– eine Kathodenabgasleitung,
– eine Einzelzellspannungsmeßvorrichtung, und
– Meß-, Steuerungs- und Regeleinrichtungen zum Betrieb der Testanlage.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Die erfindungsgemäße Testanlage ermöglicht es, alle in Frage kommenden Gaszusammensetzungen für das Anodengas und das Kathodengas zu erzeu gen und die zu testende Brennstoffzelle damit zu betreiben. Neben einer Anodengasquelle für H₂ kann die Testanlage wahlweise Anodengasquellen für mindestens eines der Gase Luft, O₂, CO, CO₂, N₂ und CH₄ umfassen. Als Kathodengasquellen können Sauerstoff, natürliche Luft (Preßluft), künstliche Luft und Stickstoff dienen.
Die in Frage kommenden Gaszusammensetzungen werden durch geeignet angesteuerte Gasdurchflußregler erzeugt, die jeweils mit einem vor- oder nachgeschalteten Ventil, vorzugsweise einem Magnetventil, verbunden sind.
Vorzugsweise sind in den Betriebsgaszufuhrleitungen Befeuchtungseinheiten integriert, so dass das Kathodengas und/oder das Anodengas mit einem erwünschten Wasserdampfanteil versehen werden kann.
Ferner ermöglicht die erfindungsgemäße Testanlage wahlweise die Recyclierung des Kathoden- und/oder des Anodengases, um einen Betrieb der Brennstoffzelle unter Umwälzen der Betriebsgase testen zu können.
In der Kathodenabgasleitung und/oder der Anodenabgasleitung ist wahlweise ein Kondensatabscheider vorgesehen, um Prozeßwasser, z.B. zu Messzwecken ausscheiden zu können. Wahlweise kann das abgeschiedene Prozeßwasser aber auch ganz oder teilweise wieder den Betriebsgasen zugeführt werden, um deren Feuchtegehalt einzustellen.
Ferner umfaßt die erfindungsgemäße Testanlage vorzugsweise einen Kühlmittelkreislauf für die zu testende Brennstoffzelle, um die Brennstoffzellenstack-Temperatur in einfacher Weise regulieren zu können. Der Kühlmittelkreislauf wird vorzugsweise mit demineralisiertem Wasser oder einem anderen Wärmeträger mit hohem Isolationsvermögen betrieben. Eine erwünschte geringe Leitfähigkeit des Kühlwassers kann dadurch aufrechterhalten werden, dass in den Kühlmittelkreislauf eine Ionenaustauscherpatrone eingebaut wird. Beispielsweise kann hierdurch die Leitfähigkeit unterhalb 1 μS / cm gehalten werden. Um unter sämtlichen Lastbedingungen eine konstante Betriebstemperatur zu erreichen, ist der Kühlkreislauf sowohl mit einer Heizeinrichtung als auch mit einem Wärmetauscher zur Wärmeabführung versehen.
Die erfindungsgemäße Testanlage ist weiterhin vorzugsweise mit einem ein- oder mehrstufigen Alarmsystem ausgestattet, das beim Erreichen kritischer Betriebsbedingungen akustische und/oder optische und/oder elektrisch codierte Alarmsignale aussendet oder die Testanlage abschaltet oder Abläufe zur Alarmbehebung auslöst. Beispielsweise wird in einer ersten Stufe ein Alarmsignal ausgesendet, wenn der Kathodengasstrom unter einen bestimmten Grenzwert fällt oder die Wasserstoffkonzentration 10% der unteren Explosionsgrenze erreicht. In einer zweiten Stufe wird dann eine Sicherheits-Absperrung aktiviert, wenn der Kathodengasstrom weiter abfällt oder die Wasserstoffkonzentration in den Abgasen 40% der unteren Explosionsgrenze überschreitet.
Die gesamte Testanlage kann sich wahlweise in einer Sicherheitskabine mit eingebauter Luftzufuhr befinden, welche zusammen mit der Absaugung auch bei geschlossener Tür die Einhaltung einer geeigneten Luftwechselzahl gewährleistet. Alternativ kann über dem Teststand eine Absaughaube angebracht werden, welche einen Absaugstutzen aufweist. Bei beiden Varianten wird die Wasserstoffkonzentration und/oder die abgesaugte Luftmenge mit geeigneten Sensoren überwacht. Zusätzlich können auch andere Gase, wie CO₂, CO und O₂ überwacht werden.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
Unter Bezugnahme auf 1 werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung beschrieben.
1 zeigt die schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Testanlage für Brennstoffzellen. Die Testanlage umfaßt einen Satz Gasdurchflußregler für H₂, Luft, CO, CO₂ und N₂ auf der Anodenseite sowie für Luft auf der Kathodenseite. Die Gasdurchflußregler sind jeweils mit einem vorgeschalteten Magnetventil versehen. Wahlweise werden die vorgemischten Gase noch über einen Gasdurchflußregler oder einen Satz parallel geschalteter Gasdurchflußregler geführt, und der nicht benötigte Teil der vorgemischten Gase über ein Überströmventil an der Brennstoffzelle vorbeigeführt.
Die vorgemischten Gase werden jeweils über ein Dreiwegeventil entweder über einen Befeuchter oder direkt zur Brennstoffzelle geführt. Die Feuchtegehalte und Temperaturen werden eingangsseitig für das Anoden- und Kathodengas gemessen. Die Leitungen vom Befeuchter zur Brennstoffzelle können beispielsweise mittels eines Heizbandes thermostatisiert werden.
Wahlweise ist auf der Kathoden- als auch der Anodenseite eine Recyclierung der Betriebsgase unter teilweiser Feuchteabscheidung möglich. Zellausgangsseitig ist jeweils ein Druckregler in Form eines Überströmventils oder eines elektrisch oder hydraulisch gesteuerten Ventils angebracht, mittels derer ein konstanter anoden- bzw. kathodenseitiger Betriebsüberdruck eingestellt werden kann. Die Betriebsdrucke können jeweils mittels zweier Drucksensoren überwacht werden, wodurch sowohl Abweichungen der Drucksensoren untereinander als auch unzulässige Drucke oder Differenzdrucke erkannt werden können.
Gemäß der hier gezeigten Ausführungsform sind in den Abgasleitungen an den tiefsten Stellen Kondensatabscheider integriert, welche unter allen Betriebsbedingungen für eine Trennung von Kondensat- und Gasströmen sorgen.
Die Steuerung und Überwachung der Testanlage umfaßt die Aufnahme sämtlicher Medienein- und Medienaustrittstemperaturen am Brennstoffzellenstack sowie an anderen relevanten Stellen, wie den Befeuchtungseinheiten und den Rohrleitungen. Ferner werden die Betriebsdrucke durch beispielsweise jeweils zwei Sensoren überwacht. Wahlweise werden die Betriebsdrucke, die Eingangstaupunkte sowie die Medieneintrittstemperaturen geregelt. Hierfür kann eine P-, PI- oder PID-Regelung zum Einsatz kommen. Ferner werden gaseingangs- und wahlweise auch gasausgangsseitig die Temperatur sowie die relative Feuchtigkeit erfaßt und diese zur H₂O-Bilanzierung ausgewertet.
Die Steuerung mittels einer speicherprogrammierbaren Steuerung (SPS), beispielsweise eines Siemens S7 200 oder 300, ermöglicht das selbsttätige Anfahren der Testanlage. Hierzu wird zunächst die Anodengas- und Kathodengaszufuhr freigegeben, die Leerlaufspannung der Zelle auf Einhaltung eines Mindestwerts geprüft und anschließend die Zelle auf den vorbestimmten Stromsollwert eingestellt. Während des Betriebs können die gewünschten Gaszusammensetzungen für die Anodenseite und/oder Kathodenseite sowie die Gasumsätze sowohl über das Bedienfeld als auch über einen angeschlossenen Rechner (PC) eingestellt werden. Weiterhin können Stromrampen mit einstellbarer Dauer sowie einstellbarem Vorlauf der Gasströme gefahren werden. Diese können vordefiniert werden und ermöglichen so auch den Ablauf frei definierbarer Testroutinen. Die gemessenen Temperaturen, Drucke, Einzelzellspannungen und Ströme können auf die Einhaltung von Grenzwerten (einschließlich zeitabhängiger Überschreitungstoleranzen) überwacht werden. Die Unterschreitung von Einzelzellspannungen führt zu einer vorübergehenden Verminderung, vorzugsweise Drittelung, des Stackstroms, alle übrigen Grenzwertüberschreitungen bzw. -unterschreitungen führen zur Abschaltung des Systems. Um ein sicheres Anfahren des Teststandes zu ermöglichen, können einzelne Alarme während der Anfahrphase deaktiviert werden.
Die erfindungsgemäße Testanlage ermöglicht den Betrieb der Brennstoffzelle unter einem Überdruck von bis zu etwa 2,5 bar. Ferner können beliebige Lastprofile gefahren werden.
Die Testanlage ist vorzugsweise in eine externe Sicherheitskette integriert, welche die Überwachung der Wasserstoffkonzentration sowie der Strömungsgeschwindigkeit der Abluft erlaubt. Der Teststand sowie das externe Wasserstoffventil werden hierbei nur dann freigegeben, wenn die Sensorwerte im zulässigen Bereich liegen, das heißt, die Strömung der Absauganlage oberhalb eines festgelegten Mindestwertes liegt und die Wasserstoffkonzentration beispielsweise unterhalb 10% der unteren Explosionsgrenze liegt.

Bezugszeichenliste

Kathode

1: Magnetventil
2: Gasdurchflussregler
3: Druck-Eckventil
4: Zusatzbefeuchter
6: 3-Wege-Magnetventil
7: Befeuchter mit Erhitzer
8: Temperaturmesser
9: Handventil
10: Durchflussmesser (Fluidmeter)
11: Druckmesser
12: Feuchte- und Temperaturmesser
13: Luftumwälzpumpe
14: Temperaturmesser
15: Druckmesser
17: Kondensatabscheider
18: Magnetventil
19: Druckregler
80: Lufteinlass
89: Luftauslass

Anode

26: Magnetventil
27: Gasdurchflussregler
28: Magnetventil
29: Gasdurchflussregler
30: Magnetventil
31: Gasdurchflussregler
32: Magnetventil
33: Gasdurchflussregler
34: Magnetventil
35: Gasdurchflussregler
37: Druckmesser
38: statischer Mischer
39: Handventil
40: Überströmventil
43: Druck-Eckventil
44: 3-Wege-Magnetventil
45: Temperaturmesser
46: Befeuchter mit Erhitzer
47: Feuchte- und Temperaturmesser
48: Handventil
49: Druckmesser
52: Handventil
53: Wasserstoffrezyklierungspumpe
57: Druckmesser
58: Temperaturmesser
59: Spüleinrichtung
60: Druckregler
61: Magnetventil
82: N2 Einlass
83: CO2 Einlass
84: CO Einlass
85: Luft-Einlass
86: H2 Einlass
90: H2 Auslass

Kühlkreislauf

62: Handventil
87: Kühlwassereinlass
88: Kühlwasserauslass
63: Kühler
64: 3-Wege-Magnetventil
65: Standzeiger
66: Handventil
67: Ionenaustauschpatrone
68: Handventil
50: Handventil
51: Temperaturmesser
54: Temperaturmesser
55: Handventil
56: Druck-Eckventil
69: Durchflussmesser (Fluidmeter)
70: Kühlmittelpumpe
71: Handventil
72: Erhitzer
73: Temperaturmesser

Wasserrückführung

4: Zusatzbefeuchter
5: Handventil
16: Kondensatpumpe
17: Kondensatabscheider
20: Gasdurchflussregler
21: Magnetventil
22: Nadelventil
41: Magnetventil
42: Nadelventil
81: Einlass demineralisiertes Wasser

Elektrischer Stromkreis

23: Amperemeter
24: Voltmeter
25: Elektronische Last
100: Brennstoffzelle
36: Temperaturmesser

Claims

Testanlage für Brennstoffzellen, umfassend – mindestens eine Anodengasquelle, – eine Anodengaszufuhrleitung mit einer Anzahl an Gasdurchflußreglern, welche der Anzahl der Anodengasquellen entspricht, – eine Anodenabgasleitung, – mindestens eine Kathodengasquelle, – eine Kathodengaszufuhrleitung mit einer Anzahl an Gasdurchflußreglern, welche der Anzahl der Kathodengasquellen entspricht, – eine Kathodenabgasleitung, – eine Einzelzellspannungsmeßvorrichtung, und – Meß-, Steuerungs- und Regeleinrichtungen zum Betrieb der Testanlage.
Testanlage nach Anspruch 1, umfassend Anodengasquellen für H₂ sowie wahlweise für mindestens eines der folgenden Gase: Luft, O₂, CO, CO₂, N₂ und CH₄.
Testanlage nach Anspruch 1 und/oder 2, umfassend Kathodengasquellen für mindestens eines der folgenden Gase: Sauerstoff, natürliche Luft, künstliche Luft und Stickstoff.
Testanlage nach mindestens einem der Ansprüche 1-3, wobei die Gasdurchflußregler jeweils mit einem vor- oder nachgeschalteten Ventil, vorzugsweise einem Magnetventil, verbunden sind.
Testanlage nach mindestens einem der Ansprüche 1-4, umfassend weiterhin eine Anodengasbefeuchtungseinheit und/oder eine Kathodengasbefeuchtungseinheit.
Testanlage nach mindestens einem der Ansprüche 1-5, umfassend weiterhin eine Kathodengas-Recyclierungseinrichtung und/oder eine Anodengas-Recyclierungseinrichtung.
Testanlage nach mindestens einem der Ansprüche 1-6, umfassend weiterhin einen Kondensatabscheider in der Kathodenabgasleitung und/oder der Anodenabgasleitung.
Testanlage nach mindestens einem der Ansprüche 1-7, umfassend weiterhin einen Kühlmittelreislauf für die zu testende Brennstoffzelle.
Testanlage nach mindestens einem der Ansprüche 1-8, umfassend weiterhin ein ein- oder mehrstufiges Alarmsystem, welches beim Erreichen kritischer Betriebsbedingungen akustische und/oder optische und/oder elektrisch codierte Alarmsignale aussendet oder die Testanlage abschaltet oder Abläufe zur Alarmbehebung auslöst.
Testanlage nach mindestens einem der Ansprüche 1-9, umfassend weiterhin eine Sicherheitskabine, innerhalb welcher sich die Testanlage befindet.