Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzelle und Vorrichtung dazu
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzelle, ins- besondere einer Brennstoffzelle mit Polymer-Elektrolyt-Membran, gemäß den im
Oberbegriff des Anspruches 1 angegebenen Merkmalen sowie eine entsprechende Vorrichtung zum Ausführen dieses Verfahrens gemäß den im Oberbegriff des Anspruches 3 angegebenen Merkmalen.
Brennstoffzellen werden heutzutage vermehrt eingesetzt um in chemischer Form gespeicherte Energie in elektrische . n; α-vandeln, beispielsweise zum Betrieb eines Kraftfahrzeugs oder auch als Kraftwerk. Insbesondere für den mobilen Einsatz werden derzeit Brennstoffzellen eingesetzt, bei denen Anode und Kathode durch eine Polymer-Elektrolyt-Membran getrennt sind. Eine solche, auch unter dem Begriff Protonen-Austausch-Membran bekannte Membran ist durch eine Kunststofffolie gebildet, welche zwischen Anode und Kathode angeordnet und welche protonen- und wasserdurchlässig, jedoch elektrisch isolierend, d. h. für Elektronen undurchlässig ist. Während die Anode einer solchen Brennstoffzelle mit Wasserstoff oder auch mit Methanol unmittelbar beaufschlagt wird, wird der für die katalytische Oxidation des Wasserstoffs erforderliche Sauerstoff kathodenseitig zugeführt. Bei dieser katalytischen Oxidation entsteht einerseits elektrische Energie in Form eines Elektronenflusses zwischen Anode und Kathode, andererseits Wärme und das Reaktionsprodukt in Form von Wasser.
Bei bekannten Brennstoffzellen dieser Art wird der Sauerstoff in der Regel nicht als reiner Sauerstoff, sondern in Form von Luft zugeführt, wobei die Luft längs der Oberfläche der Kathode geleitet wird, um einerseits die gewünschte Reaktion zwischen Wasserstoff und dem in der Luft befindlichen Sauerstoff zu erreichen,
andererseits die bei der Reaktion entstehende Wärme zusammen mit dem Luftstrom abzuführen und schließlich auch um das meist dampfförmig vorliegende Reaktionsprodukt Wasser aus der Brennstoffzelle herauszutragen. Die Luft wird über Pumpen, Lüfter, durch Konvektion oder bei sehr kleinen Brennstoffzellen auch durch Diffu- sion längs der Kathode in einer vorgegebenen Strömungsrichtung bewegt.
Nachteilig hierbei ist, dass durch die gerichtete Luftbewegung die Membran der Brennstoffzelle regelmäßig im Bereich des Lufteintritts austrocknet, wobei eine trockene Membran für den Prozess nicht nutzbar ist und damit Leistungseinbußen nach sich zieht. Dieses bekannte Problem hat man bisher durch verschiedenste
Maßnahmen zu lösen versucht. So ist es bekannt, die Luft quasi im Zickzack über die Oberfläche der Kathode zu führen, wobei die ein- und abströmseitigen Kanäle unmittelbar nebeneinander angeordnet werden, so dass ein gewisser Feuchtigkeitsaustausch über die Membran stattfinden kann. Auch ist es bekannt, einen Teil des Wasserstoffstroms zum Zwecke der Membranbefeuchtung zurückzufahren.
Da mit zunehmender Temperatur die Verdunstung des Wassers steigt und bei konstantem Feuchtegehalt die relative Luftfeuchtigkeit fällt, tritt dieses Problem verstärkt bei hohen Betriebstemperaturen auf. Man ist deshalb gezwungen, die Betriebs- temperaturen solcher Brennstoffzellen niedrig, d. h. bei beispielsweise maximal 40°
C zu halten, was jedoch den Nachteil hat, dass die Zellen nur im Teillastbereich betrieben werden können. Dies ergibt sich daraus, dass die Protonenleitfähigkeit der Membran beispielsweise bei 80° C doppelt so hoch ist wie bei 40° C.
Vor diesem Hintergrund liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein
Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzelle so auszubilden, dass das vorerwähnte Problem der Membranaustrocknung nach Möglichkeit nicht oder aber in deutlich verminderter Form auftritt. Darüber hinaus soll eine Vorrichtung bereit gestellt werden, mit der eine Brennstoffzelle entsprechend betrieben werden kann.
Der verfahrensmäßige Teil dieser Aufgabe wird durch die in Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst. Eine Vorrichtung, mit der diese Aufgabe gelöst wird, ist durch die in Anspruch 3 angegebenen Merkmale gekennzeichnet. Vorteilhafte Ausgestal-
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tungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
Grundgedanke der vorliegenden Erfindung ist es. die kathodenseitige Sauerstoff- zufuhr nicht wie bisher in einer im Wesentlichen stets gleichgerichteten Strömung zu fuhren, sondern die Strömungsrichtung zyklisch zu ändern, vorzugsweise periodisch umzukehren. Hierdurch wird erreicht, dass quasi der Eingang der Brennstoffzelle zum Ausgang wird und umgekehrt, wodurch die sich typischerweise in der Membran einstellenden trockenen und feuchten Bereiche wechseln, so dass bei geeigneter Wahl der Umschaltfrequenz die Membran stets die erforderliche Feuchte aufweist.
Beim Richtungswechsel strömt die dann am Eingang anstehende feuchte und warme Luft wieder durch die Brennstoffzelle zurück, wo sie ihre Feuchtigkeit an die trockneren Bereich der Membran abgibt, so dass diese wieder ausreichend befeuchtet sind. Im zeitlichen Mittel erhält man hiermit über die gesamte Brennstoffzelle eine gleichmäßige Befeuchtung. Aufgrund der gleichmäßigen Bc eucht nc kanr die
Betrieteleir.perauir höher gewählt werden und somit die Leistung der Brennstoffzelle steigen. Darüber hinaus ist eine einfache Gestaltung der fluid-. insbesondere gasführenden Kanäle längs der Kathode möglich, da ein Feuchtigkeitsaustausch zwischen verhältnismäßig trockenen und verhältnismäßig feuchten Bereichen nicht mehr notwendig ist.
Für den vorrichtungsmäßigen Aufbau genügt es, mindestens einen ersten und einen zweiten Anschluss eines Strömungskanals vorzusehen, der längs der Kathode, d. h. über die Oberfläche der Kathode der Brennstoffzelle geführt ist und zur Sauerstoff- zufuhr dient, und dabei abwechselnd den ersten und den zweiten Anschluss als
Eingang bzw. als Ausgang zu schalten. In einfachster Form kann dies dadurch erfolgen, dass einer dieser beiden Anschlüsse mit dem Innenraum einer Verdrängerpumpe leitungsverbunden wird, während der andere Anschluss ggf. unter Zwischenschaltung von Filtern oder weiter unten noch im Einzelnen erläuterten Luftkonditio- nierungseinrichtungen mit der Außenatmosphäre verbunden wird. Als Verdrängerpumpe kann beispielsweise ein Faltenbalg, eine Kolbenpumpe oder auch eine Membranpumpe dienen, deren Innenraum bis auf die Leitungsverbindung zum Anschluss der Brennstoffzelle hermetisch abgeschlossen ist. Das Hubvolumen der
Verdrängerpumpe sollte allerdings ein Mehrfaches des kathodenseitigen Kanalvolumens der Brennstoffzelle betragen, damit gewährleistet ist, dass beim Füllen des Innenraums der Verdrängerpumpe, also beispielsweise beim Ausziehen des Faltenbalgs zunächst die Luft aus der Atmosphäre durch die Brennstoffzelle in den Falten- balg angesaugt wird, um beim nachfolgenden Entleeren, also beim Zusammendrücken des Faltenbalgs dann in entgegengesetzter Strömungsrichtung wiederum durch die Brennstoffzelle strömen und großteils wieder in die Atmosphäre austreten zu können.
Beim Einsatz einer Kolbenpumpe, einer Membranpumpe oder eines entsprechend durch einen Elektromotor angetriebenen Faltenbalgs wird die Frequenz, mit der die Strömungsrichtung innerhalb der Brennstoffzelle kathodenseitig geändert wird, durch entsprechende Wahl der Motordrεhzahl des Exzentertriebs eingestellt werden. Diese Frequenz richtet sich im Wesentlichen nach dem Kanalvolumen der Brennstoffzelle. der Leitungen und den ggf. zwischengeschalteten Konditionierungseinrichtungen sowie dem Hubvolumen der Pumpe und kann in der Regel mit wenigen Versuchen ermittelt werden.
Üblicherweise erfolgt die Luftversorgung solcher Brennstoffzellen über eine Druck- erhöhungseinrichtung, beispielsweise einen Kompressor. Beim Einsatz eines solchen Kompressors ist es zweckmäßig der Druckleitung des Kompressors ein Umschaltventil nachzuschalten, das abgangsseitig mit dem ersten und dem zweiten Anschluss des kathodenseitigen Strömungskanals der Brennstoffzelle verbunden ist, so dass durch Umschalten des Ventils die Druckleitung des Kompressors mit dem ersten oder dem zweiten Anschluss erfolgt. In diesem Fall ist die Umschaltfrequenz entsprechend zu wählen. Als Ventil eignet sich ein 4/2-Wegeventil, das vorzugsweise elektrisch oder auch pneumatisch, beispielsweise durch die Druckleitung des Kompressors selbst steuerbar ist. Dabei wird das Umschaltventil auf der einen Seite mit dem ersten und zweiten Anschluss der Brennstoffzelle verbunden und auf der anderen Seite mit der Druckleitung des Kompressors sowie der Atmosphäre.
Es versteht sich, dass anstelle des Kompressors auch ein Druckspeicher oder eine beliebige andere Druckerhöhungsanlage eingesetzt sein kann. Anstelle des Um-
schaltventils kann die Brennstoffzelle auch mit zwei Druckerhöhungseinrichtungen, beispielsweise zwei Kompressoren beaufschlagt werden, wobei dann durch entsprechende Ventilanordnungen sicherzustellen ist, dass die Durchströmung der Kathodenseite der Brennstoffzelle je nach eingeschaltetem Kompressor in die eine oder die andere Richtung erfolgen kann. Es ist dann also für jede Strömungsrichtung eine gesonderte Druckerhöhungseinrichtung vorgesehen, die zyklisch an- und ab- bzw. ab- und angeschaltet wird.
Bevorzugt wird die Luft der Brennstoffzelle nicht direkt zugeführt, sondern zunächst einer Luftkonditionierungseinrichtung. Da sich die Strömungsrichtung gemäß der
Erfindung periodisch ändert, sind zweckmäßigerweise zwei Luftkonditionierungs- einrichtungen zu beiden Seiten der Brennstoffzelle vor- bzw. nachzuschalten. In diesen Luftkonditionierungseinrichtungen soll die frisch in das System einströmende Luft mit Feuchtigkeit angereichert werden, umgekehrt soll die aus dem System ausströmende Luft Feuchtigkeit abgeben sowie die mittels der Luft mitgeführte
Abwärme abführen. Zweckmäßigerweise wird hierzu ein Strömungsraum geschaffen, der Feuchtigkeit aufnehmendes Material wie beispielsweise Baumwolle oder Kohle aufweist und der in der Lage ist, über seine beispielsweise metallische Außenwand Wärme abzugeben. Insofern eignet sich insbesondere eine Verdränger- pumpe zur Aufnahme einer solchen Luftkonditionierungseinrichtung. Beispielsweise beim Einsatz einer Kolbenpumpe kann der gesamte Zylinder zur Wärmeabfuhr dienen, wohingegen auf dem Kolbenboden entsprechendes Material zur Absorption von Feuchtigkeit vorgesehen sein kann. Besonders einfach ist es, die Wärmeabfuhr durch Konvektion zu erzielen, es kann jedoch auch insbesondere bei größeren Anlagen eine separate Kühlung vorgesehen sein.
Die Erfindung ist nachfolgend anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 in schematischer Darstellung eine erfindungsgemäße Vorrichtung, die mit einer Verdrängerpumpe arbeitet,
Fig. 2 in schematischer Darstellung eine Ausfuhrungsvariante, die mit einem Kompressor und einem Umschaltventil arbeitet,
Fig. 3 die sich bei einer Brennstoffzelle nach dem Stand der Technik ein- stellende Feuchte über den Weg längs der Membran-Elektroden-
Einheit bei kontinuierlicher Durchströmung,
Fig. 4 die Verteilung der Feuchte bei einer Durchströmung gemäß Fig. 2,
Fig. 5 die Verteilung der Feuchte bei einer Durchströmung gemäß Fig. 1,
Fig. 6 den prinzipiellen Aufbau einer Luftkonditionierungseinrichtung am
Ausgang der Brennstoffzelle und
Fig. 7 am Eingang der Brennstoffzelle.
In Fig, 1 ist mit 1 eine Brennstoffzelle mit Polymer-Elektroiyt-Membran bezeichnet. Diese Brennstoffzelle 1 wird in üblicher Weise anodenseitig mit Wasserstoff beaufschlagt und kathodenseitig mit Sauerstoff bzw. bei der Ausführung gemäß Fig. 1 mit atmosphärischer Luft. In Fig. 1 ist lediglich die kathodenseitige Führung der
Luftströmung dargestellt. Der durch die Kathode der Brennstoffzelle sich längs dieser, insbesondere über deren Oberfläche verteilt erstreckende Strömungskanal weist einen ersten Anschluss 2 an einem Ende sowie einen zweiten Anschluss 3 am anderen Ende auf. Der Anschluss 2 ist über eine Leitung 4 mit einer Konditionie- rungseinrichtung 5 verbunden, die wiederum über eine Leitung 6 mit einer Verdrängerpumpe in form eines abgeschlossenen Faltenbalgs 7 leitungsverbunden ist. Der Faltenbalg ist in an sich bekannter Weise derart antreibbar, dass er sein Innenvolumen durch Zusammenpressen verkleinert bzw. durch Auseinanderziehen vergrößert. Der zweite Anschluss 3 ist über eine Leitung 8 mit einer Konditionierungs- einrichtung 9 verbunden, die im Aufbau der Konditionierungseinrichtung 5 entspricht und mit der Außenatmosphäre verbunden ist.
Durch Auseinanderziehen des Faltenbalgs 7 strömt Luft zunächst in die Konditionierungseinrichtung 9, wo die Luft mit Feuchtigkeit angereichert wird und über die Leitung 8 und den Anschluss 3 in die Brennstoffzelle 1 gelangt. Diese mit Feuchtigkeit angereicherte Luft oxidiert dort katalytisch Wasserstoffprotonen, nimmt das dabei entstehende Wasser in der Regel in dampfförmiger Form auf und führt gleichzeitig einen Teil der dabei entstehenden Wärme mit. Die Führung der Luft innerhalb der Brennstoffzelle 1 erfolgt längs der Oberfläche der Kathode, so dass diese in innigen Kontakt mit der Kathode treten kann. Unter längs der Kathode im Sinne der Erfindung ist dabei nicht eine geradlinige Strömungsrichtung zu verstehen, sondern vielmehr eine Strömungsführung längs der Oberfläche der Kathode, die natürlich auch mäanderformig oder in anderer geeigneter Anordnung sein kann.
Am Anschluss 2 tritt die dann erwärmte und mit Wasserdampf angereicherte Luft aus, gelangt über die Leitung 4 in die Konditionierungseinrichtung 5, in der diese Luft Feuchtigkeit und Wärme an die Einrichtung 5 abgibt, um schließlich über die
Leitung 6 in das Innere des Faltenbalgs 7 zu gelangen. Sobald der Au'.fahihub des Faltenbalgs erreicht ist, erfolgt eine Bewegungsumkehr, d. h. der Faltenbalg 7 wird zusammengedrückt, so dass sich eine Strömung in Richtung 11 ergibt. Da der Faltenbalg nur über die Leitung 6 offen ist, strömt nun die darin befindliche Luft wiederum durch die Leitung 6 in die Konditionierungseinrichtung 5. wo sie mit Feuchtigkeit angereichert wird, dann über die Leitung 4 zum Anschluss 2 der Brennstoffzelle 1. Über den Anschluss 3 tritt sie aus der Brennstoffzelle 1 aus und gelangt über die Leitung 8 in die Konditionierungseinrichtung 9, in der sie wiederum Wärme und Feuchtigkeit abgibt, bevor sie in die Außenatmosphäre strömt. Mit der Richtungs- umkehr der Bewegung des Faltenbalgs 7 erfolgt unmittelbar auch eine Strömungsumkehr innerhalb der Brennstoffzelle 1.
Die Feuchtigkeitsverteilung der innerhalb der Brennstoffzelle 1 befindlichen Membran ist dabei anhand von Fig. 5 ersichtlich. Der Doppelpfeil kennzeichnet die Durchströmungsrichtungen der Luft. Beim Ausfahren des Faltenbalgs 7 in der vorbeschriebenen Weise stellt sich über die Länge der Membran im Strömungsweg (zur Verdeutlichung sind die Anschlüsse 3 und 2 auf der Abszisse des Diagramms eingetragen) zunächst eine Feuchtigkeitsverteilung gemäß der unteren Gerade 12 ein.
D. h. die Feuchtigkeit der Membran nimmt vom Anschluss 3 zum Anschluss 2 kontinuierlich zu. so wie dies auch beim kontinuierlichen Durchströmungsbetrieb gemäß Stand der Technik (siehe Fig. 3) prinzipiell der Fall ist. Wenn jedoch durch Zusammenschieben des Faltenbalgs 7 die Rückströmung eingeleitet wird, stellt sich die durch die obere Kurve 13 gegebene Feuchtigkeitsverteilung ein. Während sie im
Bereich des ersten Anschlusses 2 konstant bleibt, verändert sie sich im Bereich des zweiten Anschlusses 3 erheblich, und zwar genau um das Maß, um das sie sich von der Feuchte im ersten Anschluss 2 bei Strömung in Gegenrichtung unterscheidet. Die anfängliche Austrocknung in diesem Bereich wird also vollständig kompensiert, da bei jedem Zusammendrücken des Faltenbalgs 7 eine Überfeuchtung in diesem
Bereich stattfindet.
Anhand der Figuren 6 und 7 sind die Konditionierungseinrichtungen dargestellt, und zwar die Konditionierungseinrichtung 9 in Fig. 1. Diese besteht im Wesentlichen aus einem wasserundurchlässigen und wärmeleitenden Gehäuse 14 sowie einem darin angeordneten Feuchtigkeit aufnehmenden Material 15.
Die beim Entleeren (Zusammendrücken) des Faltenbalgs 7 in Richtung 11 aus der Brennstoffzelle 1 ausströmende erwärmte und mit Wasser angereicherte Luft gelangt in die Konditionierungseinrichtung 9 (siehe Fig. 6), wo ein Teil des darin befindlichen Wasserdampfes kondensiert und von dem Material 15 aufgenommen wird. Wärme wird über das Gehäuse 14 abgeleitet. Wenn dann der Faltenbalg aufgezogen, d. h. im Volumen vergrößert wird, folgt eine Richtungsumkehr, so dass die dann in Richtung 10 aus der Umgebung einströmende Luft an dem Material 15 vorbeiströmt und das dort eingelagerte Wasser aufnimmt, um dann in die Brennstoffzelle 1 einzutreten.
Der prinzipielle Aufbau der Brennstoffzelle ist in Fig. 3 skizziert, wobei die Kathode mit 16, die Anode mit 17 und die Membran mit 18 beziffert ist.
Anhand von Fig. 4 ist eine Ausführungsvariante beschrieben, die sich von der anhand von Fig. 1 dargestellten dadurch unterscheidet, dass anstelle der einseitigen Druckbeaufschlagung durch den Faltenbalg 7 eine abwechselnde beidseitige Druck-
beaufschlagung durch einen Kompressor 19 erfolgt. Die nicht mit der Brennstoffzelle 1 verbundenen Leitungsanschlüsse der Konditionierungseinrichtungen 5 und 9 sind über Leitungen 22 und 23 mit den Anschlüssen A und B eines 4/2-Wegeventils verbunden, dessen Anschluss C mit der Druckleitung 21 des Kompressors 19 verbunden ist und dessen Anschluss D in die Umgebungsluft mündet. In der dargestellten Schaltstellung ist die vom Kompressor 19 kommende Druckleitung 21 mit der Konditionierungseinrichtung 9 verbunden, so dass sich eine Durchströmung in Richtung 10 durch die Brennstoffzelle 1 einstellt. Die dann aus der Konditionierungseinrichtung 9 austretende Luft gelangt über den Anschluss D des Ventils 20 ins Freie.
Das Ventil 20 ist elektrisch gesteuert, die Umsteuerung erfolgt taktweise nach einer einstellbaren Taktfrequenz. Sobald die Umsteuerung erfolgt, gelangt Luft aus der Druckleitung 21 über die Leitung 23 in Richtung 11 durch die Konditionierungsein- richtung 5 zur Brennstoffzelle 1 und über die Konditionierungseinrichtung 9 und die
Leitung 22 zum Anschluss D des Ventils 20 ins Freie. Die sich bei diesem Betrieb ergebende Feuchteverteilung ist die aus Fig. 4 ersichtliche, wobei die Kurve 24 der Durchströmungsrichtung 10 und die Kurve 25 der Durchströmungsrichtung 11 entspricht. Wie die Fig. 4 zeigt, ist bei dieser Betriebsart die Feuchte in der Mitte zwischen den Anschlüssen 2 und 3 konstant, während sie sich an den Enden der
Strömungsstrecke innerhalb der Brennstoffzelle je nach Durchströmungsrichtung ändert. Wie das Diagramm jedoch veranschaulicht, entsteht an keiner Stelle der Membran, zumindest wenn man den Gesamtzyklus beider Strömungsrichtungen betrachtet, eine Zone geringerer Feuchte.
Bezugszeichenliste
1 Brennstoffzelle
2 erster Anschluss
3 zweiter Anschluss
4 Leitung
5 Konditionierungseinrichtung
6 Leitung
7 Faltenbalg
8 Leitung
9 Konditionierungseinrichtung
10 Richtung
11 Richtung i2 untere Kurve in Fig. 5
13 obere Kurve in Fig. 5
14 Gehäuse
15 Feuchtigkeit aufnehmendes und abgebendes Material
16 Kathode
17 Anode
18 Membran
19 Kompressor
20 Umschaltventil
21 Druckleitung
22 Leitung
23 Leitung
24 Kurve in Fig. 4
25 Kurve in Fig. 4