WO2023134999A2 - Verfahren zum einlaufen einer brennstoffzelle sowie ein system zum einlaufen einer brennstoffzelle - Google Patents

Verfahren zum einlaufen einer brennstoffzelle sowie ein system zum einlaufen einer brennstoffzelle Download PDF

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Michael Giuseppe MARINO
Julia DRILLKENS
Anton Ringel
Juergen Hackenberg
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Robert Bosch Gmbh
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    • H01M2008/1095—Fuel cells with polymeric electrolytes

Definitions

  • the present invention relates to a fuel cell break-in method and a fuel cell break-in system.
  • conditioning process which is also referred to as "break in"
  • oxide scale and contaminants originating from the manufacturing process are removed from the catalyst surface.
  • water balance of the membrane and the ionomer component in the catalyst area are adjusted.
  • the conditioning process is usually carried out on a test stand or a conditioning stand with a special sequential program.
  • the fuel cell In a known conditioning process, the fuel cell is operated for a short period of time and an electrical load is removed at a defined point in time. Immediately thereafter, the air supply is shut off, leaving the flow of hydrogen on the anode. Hydrogen diffuses through the membrane to the cathode side, resulting in oxygen consumption and a drop in cell potential. The reductive conditions on the cathode lead to the breakdown of the oxide deposits on the catalyst. Disclosure of Invention
  • the object of the invention is to propose an alternative method for running in a fuel cell, in which reductive conditions in the fuel cell can be set more quickly.
  • a method for breaking in a fuel cell comprising driving the fuel cell to carry out at least largely stationary operation with the supply of air and hydrogen and the removal of an electric current with a first current intensity over a predetermined first period of time; discontinuing the supply of air and changing the electrical current draw to at least a second current level while maintaining the supply of hydrogen for a predetermined second period of time; and monitoring a cell voltage of the fuel cell and interrupting the flow of current if the cell voltage falls below a predetermined threshold value, wherein the at least one second current intensity is not zero.
  • the fuel cell is preferably part of a fuel cell stack. More particularly, the invention relates to polymer electrolyte membrane fuel cells.
  • a fuel cell stack can have a plurality of fuel cells in a stacked arrangement which have an electrical series and/or parallel connection for increasing the output voltage and/or the specified current.
  • the fuel cells are preferably separated from one another by bipolar plates, which distribute the educts over a large area, absorb and discharge product water, implement active cooling and allow the current to flow.
  • Each fuel cell stack or each fuel cell has an anode path and a cathode path, with the cathode inlets being supplied with air and exhaust air being discharged at the cathode outlets.
  • the anode paths will hydrogen supplied.
  • corresponding lines, valves and other things are provided in the final fuel cell system, which set and maintain a pressure level dependent on the operating point of the respective fuel cell stack.
  • Such an arrangement is also called “balance of plant”.
  • this is immaterial within the scope of the present invention.
  • the fuel cell stack or the fuel cell can be integrated into a system which is provided separately for this purpose.
  • the fuel cell is controlled in such a way that it performs at least largely stationary operation. As a result, it is supplied with a sufficient volume flow of air and hydrogen so that the fuel cell process can take place. It is essential that there is also a current flow in order to maintain the fuel cell process.
  • the current flow is represented by the first current intensity.
  • the first current intensity can be preset to an amount which corresponds, for example, to at least 50% and preferably at least 75% of a maximum current provided for the fuel cell. If several fuel cells are treated in a fuel cell stack, the current drawn from the fuel cell stack must be adjusted according to the electrical wiring of the individual fuel cells.
  • the supply of air is interrupted.
  • the drawing of the electrical current is changed, so that the at least one second current intensity is set instead of the first current intensity.
  • the supply of hydrogen is maintained during this process.
  • the fuel cell function continues with at least the second current intensity, ie protons continue to be generated at the anode, which migrate through the membrane to the cathode side in order to react there with the oxygen still present to form water.
  • hydrogen diffuses from the anode to the cathode side.
  • the reductive conditions on the cathode serve to break down the oxide deposits on the catalyst.
  • the method ends with the current flow being interrupted when the cell voltage falls below a predetermined threshold value and consequently the cleaning of the catalytic converter surface can be regarded as largely completed.
  • this threshold could be around 0.05V.
  • the at least one second current level could be less than the first current level.
  • the current flow is consequently reduced when the supply of air is interrupted.
  • the reduction can be implemented in several different ways. For example, the current flow could be lowered in a simple graduated manner, with the second current intensity then set being maintained until the threshold value of the cell voltage is reached. Furthermore, the current intensity could also be reduced in several stages, so that the second current intensity includes several different values that are temporarily constant. As further explained below, continuous or approximately continuous current curves can also be specified. A person skilled in the art could optimize the method in such a way that the treated fuel cell is examined in each case when the method is varied and the method is adapted accordingly.
  • the at least one second current level could also include a plurality of second current levels that are set one after the other.
  • the second current intensity could be selected depending on the measured cell voltage. Individual levels of the second current can be entered as individual cell voltage thresholds are reached. It is also conceivable to set individual second current intensities at a regular time interval, with the second current intensities set one after the other being reduced by the same amount in each case. Other variants are of course conceivable, in which the time intervals are different, for example, become shorter over time. The gradation of the second current levels could also be gradually reduced.
  • the at least one second current intensity could include a ramp or step-shaped profile with a largely linear drop in the second current intensity.
  • the drop in the cell potential can take place in discrete steps. As a result, the voltage does not drop abruptly, so that regulation with regard to switching off when the cell voltage reaches the threshold value can be carried out more robustly.
  • the at least one second current level could include an exponentially decreasing current level.
  • the oxygen can be used up quickly at first, at which point individual areas are already deprived of oxygen. Due to the subsequent comparatively slow drop in current, the “air starvation effect” should be maintained for as long as possible until the cell voltage threshold is reached.
  • the at least one second current intensity could also include a plurality of second current intensities that are falling overall, with at least one pair of directly consecutive second current intensities being provided with an increase, with at least one pair of directly consecutive second current intensities being provided with a drop, and with the drop being absolute is greater than the increase. This could be used to set a more even oxygen consumption.
  • the at least one second current could be higher than the first current. In this way, reduction conditions could be created on the cathode in a very short time. As mentioned above, combinations of the variants mentioned are also conceivable.
  • Discontinuing the supply of air could include closing a cathode inlet valve and/or a cathode outlet valve. This could further accelerate oxygen consumption.
  • the cathode could be purged with an inert gas. This allows the oxygen to be removed from the cathode faster while the current is flowing.
  • the invention also relates, analogously to the method proposed above, to a system for running in a fuel cell, having at least one fuel cell with a cathode path and an anode path, a control unit, the control unit being coupled to the at least one fuel cell and being designed to control the at least one fuel cell for performing at least largely stationary operation with the supply of air and hydrogen and the removal of an electric current with a first current intensity over a predetermined first period of time; discontinuing the supply of air and changing the electrical current draw to at least a second current level while maintaining the supply of hydrogen for a predetermined second period of time; and monitoring a cell voltage of the fuel cell and interrupting the flow of current if the cell voltage falls below a predetermined threshold value, wherein the at least one second current intensity is not zero.
  • Figure 1 shows a fuel cell in a fuel cell break-in system.
  • FIG. 2 shows a method for breaking in a fuel cell.
  • FIG. 3 shows a diagram with current and cell voltage curves.
  • FIG. 1 shows very schematically a fuel cell 2 which is coupled to a hydrogen supply 4 and an air supply 6 .
  • the hydrogen supply 4 is coupled to an anode inlet 8 .
  • Any residual anode gases are discharged from an anode outlet 10 .
  • Fresh supply air flows out of the air supply 6 into a cathode inlet 12 , while cathode exhaust air flows out of a cathode outlet 14 . Since the purpose of the invention described here is the running-in of a fuel cell 2, the further treatment of the fluid flows from the anode outlet 10 and the cathode outlet 14 is not considered further.
  • An electrical connection 16 of the fuel cell 2 is coupled to an electrical load 18 through which a current flow results.
  • the electrical load 18 can be of any type and can include, for example, a cooled resistor or a heating device, through which a sufficiently large current flow can be realized.
  • the flow of current can be measured using an ammeter 20 .
  • a cell potential can be detected via a voltage measuring device 22 .
  • the fuel cell 2 can also be a fuel cell stack which comprises a plurality of fuel cells connected in series and/or in parallel.
  • a control unit 24 is provided, which is coupled to the fuel cell 2 , the ammeter 20 , the voltage measuring device 22 and the air supply 6 and the hydrogen supply 4 .
  • the control unit 24 is designed to to control the fuel cell 2 to carry out at least largely stationary operation with the supply of air and hydrogen and the removal of an electric current with a first current intensity over a predetermined first period of time, to interrupt the supply of air, for example by closing a cathode inlet valve 26 and/or a cathode outlet valve 28, and changing the electrical current draw to at least a second current level while maintaining the supply of hydrogen, for a predetermined second time period.
  • the cell voltage of the fuel cell 2 is then monitored and the current flow is interrupted if the cell voltage falls below a predetermined threshold value.
  • the at least one second current intensity is not zero.
  • the 2 shows a method for running in the fuel cell 2.
  • the method includes activating 30 the fuel cell 2 to carry out at least largely stationary operation with the supply of air and hydrogen and the removal of an electric current with a first current intensity over a predetermined first period of time.
  • the supply of air is then interrupted 32 and the electrical current draw is changed 34 to at least a second current intensity, with the supply of hydrogen being maintained for a predetermined second period of time.
  • the cell voltage of the fuel cell 2 is then monitored 36 and the current flow is interrupted 38 when the cell voltage falls below a predetermined threshold value.
  • the at least one second current intensity is not zero.
  • FIG. 3 shows a diagram in which a current intensity 40 and a cell potential 42 are plotted over time.
  • a first current intensity 40a is shown here, which is changed to a second current intensity 40b.
  • the cell potential 42 falls from an initial value 42a to a threshold value 42b. When the latter is reached, the current draw is interrupted, ie the current intensity 40 becomes zero. Normal operation is then resumed and, if necessary, the process is repeated.
  • 4a to 4d show different variants for the changed second current intensity 40b.
  • FIG. 4a shows a step-like progression with a largely linear drop in the second current intensity. There, the second current intensity drops in individual steps 44, the steps being of the same size and extending over time intervals of the same size.
  • FIG. 4c shows a number of second current intensities 40b, which are falling overall.
  • Two pairs of second current intensities 40b are provided here, which follow one another directly and each have an increase 48 . Furthermore, two pairs of second current intensities 40b are provided, each having a drop 46 . The decrease 46 is greater in absolute terms than the increase 48.

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Abstract

Es wird ein Verfahren zum Einlaufen einer Brennstoffzelle vorgeschlagen, aufweisend Ansteuern der Brennstoffzelle zum Durchführen eines zumindest weitgehend stationären Betriebs unter Zufuhr von Luft und Wasserstoff und Entnahme eines elektrischen Stroms mit einer ersten Stromstärke über einen vorgegebenen ersten Zeitraum; Unterbrechen der Zufuhr von Luft und Ändern der Entnahme des elektrischen Stroms auf mindestens eine zweite Stromstärke, wobei die Zufuhr von Wasserstoff aufrechterhalten wird, über einen vorgegebenen zweiten Zeitraum; und Überwachen einer Zellenspannung der Brennstoffzelle und Unterbrechen des Stromflusses, wenn ein vorgegebener Schwellenwert der Zellenspannung unterschritten wird, wobei die mindestens eine zweite Stromstärke nicht Null ist.

Description

Beschreibung
Titel:
Verfahren zum Einlaufen einer Brennstoffzelle sowie ein System zum Einlaufen einer Brennstoffzelle
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Einlaufen einer Brennstoffzelle sowie ein System zum Einlaufen einer Brennstoffzelle.
Stand der Technik
Bei neu aufgebauten Brennstoffzellenstapeln mit Polymerelektrolymembran- Brennstoffzellen (PEM-Brennstoffzellen) wird üblicherweise zur Erreichung der vollen Leistungsfähigkeit ein sogenannter Konditionierprozess durchgeführt, der auch als „Break In“ bezeichnet wird. Während dieses Konditionierprozesses werden Oxidbeläge und Verunreinigungen von der Katalysatoroberfläche entfernt, die aus dem Herstellungsprozess stammen. Weiterhin werden der Wasserhaushalt der Membran sowie der lonomerkomponente im Katalysatorbereich eingestellt. Der Konditionierprozess wird dabei üblicherweise an einem Prüfstand oder einem Konditionierstand mit einem speziellen Ablaufprogramm durchgeführt.
Bei einem bekannten Konditionierprozess wird die Brennstoffzelle für einen kurzen Zeitraum betrieben und zu einem definierten Zeitpunkt wird eine elektrische Last entfernt. Unmittelbar danach wird die Luftversorgung abgestellt, wobei der Wasserstofffluss auf der Anode erhalten bleibt. Wasserstoff diffundiert durch die Membran auf die Kathodenseite, was zu einem Sauerstoffverbrauch und zu einem Abfall des Zellpotentials führt. Die reduktiven Bedingungen auf der Kathode führen zum Abbau der Oxidbeläge auf dem Katalysator. Offenbarung der Erfindung
Die Aufgabe der Erfindung liegt darin, ein alternatives Verfahren zum Einlaufen einer Brennstoffzelle vorzuschlagen, bei dem reduktive Bedingungen in der Brennstoffzelle schneller eingestellt werden können.
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Einlaufen einer Brennstoffzelle mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen sind den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung zu entnehmen.
Es wird ein Verfahren zum Einlaufen einer Brennstoffzelle vorgeschlagen, aufweisend Ansteuern der Brennstoffzelle zum Durchführen eines zumindest weitgehend stationären Betriebs unter Zufuhr von Luft und Wasserstoff und Entnahme eines elektrischen Stroms mit einer ersten Stromstärke über einen vorgegebenen ersten Zeitraum; Unterbrechen der Zufuhr von Luft und Ändern der Entnahme des elektrischen Stroms auf mindestens eine zweite Stromstärke, wobei die Zufuhr von Wasserstoff aufrechterhalten wird, über einen vorgegebenen zweiten Zeitraum; und Überwachen einer Zellenspannung der Brennstoffzelle und Unterbrechen des Stromflusses, wenn ein vorgegebener Schwellenwert der Zellenspannung unterschritten wird, wobei die mindestens eine zweite Stromstärke nicht Null ist.
Die Brennstoffzelle ist bevorzugt Teil eines Brennstoffzellenstapels. Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf Brennstoffzellen mit Polymerelektrolytmembran. Ein Brennstoffzellenstapel kann dabei mehrere Brennstoffzellen in einer gestapelten Anordnung aufweisen, die eine elektrische Reihen- und/oder Parallelschaltung zum Erhöhen der abgegebenen Spannung und/oder des angegebenen Stroms aufweisen. Die Brennstoffzellen werden in einer solchen Anordnung bevorzugt durch Bipolarplatten voneinander abgegrenzt, die die Edukte großflächig verteilen, Produktwasser aufnehmen und abführen, eine aktive Kühlung realisieren und den Stromfluss erlauben. Jeder Brennstoffzellenstapel bzw. jede Brennstoffzelle weist einen Anodenpfad und einen Kathodenpfad auf, wobei die Kathodeneinlässe mit Luft versorgt werden und Abluft an den Kathodenauslässen abgegeben wird. Den Anodenpfaden wird Wasserstoff zugeführt. Hierfür sind im endgültigen Brennstoffzellensystem entsprechende Leitungen, Ventile und anderes vorgesehen, die ein vom Betriebspunkt des jeweiligen Brennstoffzellenstapels abhängiges Druckniveau einstellen und halten. Eine solche Anordnung wird auch „Balance of Plant“ genannt. Dies ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung jedoch unwesentlich. Der Brennstoffzellenstapel oder die Brennstoffzelle kann zum Durchführen der Erfindung in ein separat dafür vorgesehenes System integriert werden.
Zu Beginn des Verfahrens wird die Brennstoffzelle so angesteuert, dass sie einen zumindest weitgehend stationären Betrieb durchführt. Folglich wird sie mit einem ausreichenden Volumenstrom an Luft und Wasserstoff versorgt, sodass der Brennstoffzellen prozess ablaufen kann. Dabei ist wesentlich, dass auch ein Stromfluss vorliegt, um den Brennstoffzellenprozess aufrechtzuerhalten. Der Stromfluss wird zu Beginn des Verfahrens durch die erste Stromstärke repräsentiert. Die erste Stromstärke kann auf einen Betrag vorgegeben werden, der beispielsweise mindestens 50 % und bevorzugt mindestens 75 % eines vorgesehenen Maximalstroms der Brennstoffzelle entspricht. Werden mehrere Brennstoffzellen in einem Brennstoffzellenstapel behandelt, ist die von dem Brennstoffzellenstapel entnommene Stromstärke entsprechend der elektrischen Verschaltung der einzelnen Brennstoffzellen anzupassen.
Aus diesem zumindest weitgehend stationären Betrieb wird die Zufuhr von Luft unterbrochen. Zeitgleich, direkt davor oder direkt danach wird die Entnahme des elektrischen Stroms geändert, sodass statt der ersten Stromstärke die mindestens eine zweite Stromstärke eingestellt wird. Die Zufuhr von Wasserstoff wird bei diesem Vorgang aufrechterhalten. Die Brennstoffzellenfunktion läuft bei der mindestens zweiten Stromstärke weiter, das heißt an der Anode werden weiterhin Protonen erzeugt, die durch Migration durch die Membran zur Kathodenseite wandern um dort mit dem noch vorhandenen Sauerstoff zu Wasser zu reagieren. Gleichzeitig zur Migration diffundiert Wasserstoff von der Anoden- zur Kathodenseite. In Folge fällt das Zellpotential ab. Die reduktiven Bedingungen auf der Kathode dienen dabei dem Abbau der Oxidbeläge auf dem Katalysator. Durch Aufrechterhalten des Stromflusses werden die reduktiven Bedingungen in der Brennstoffzelle deutlich schneller eingestellt als bei bekannten Prozessen, beispielsweise sogenannten „H2 Soaks“. Gleichzeitig führt dies partiell zum sogenannten „Air Starvation Effekt“, d.h. ein Luftmangel- Effekt, was lokal die Reinigung des Katalysators weiter verstärkt. Der Luftmangel führt zu einem Spannungsabfall an der Brennstoffzelle und geht mit einer Reduktion beispielsweise der Platinoxide in den entsprechenden Bereichen des Katalysators einher, was zu einer Verbesserung der aktiven Katalysatoroberfläche führt. Folglich wird durch eine Aufrechterhaltung eines Stromflusses die Effizienz und die Dauer dieses Verfahrensschrittes im Vergleich zu bekannten Verfahren optimiert.
Das Verfahren endet damit, dass der Stromfluss dann unterbrochen wird, wenn ein vorgegebener Schwellwert der Zellenspannung unterschritten wird und folglich die Reinigung der Katalysatoroberfläche als weitgehend abgeschlossen angesehen werden kann. Dieser Schwellenwert könnte beispielsweise bei ungefähr 0,05 V liegen. Insgesamt wird durch das erfindungsgemäße Verfahren das Einlaufen einer Brennstoffzelle verbessert und beschleunigt.
Die mindestens eine zweite Stromstärke könnte geringer als die erste Stromstärke sein. Der Stromfluss wird folglich beim Unterbrechen der Zufuhr von Luft reduziert. Die Reduktion kann auf mehrere unterschiedliche Weisen realisiert werden. Es könnte beispielsweise ein einfach abgestuftes Absenken des Stromflusses durchgeführt werden, wobei die dann eingestellte zweite Stromstärke bis zum Erreichen des Schwellenwertes der Zellenspannung aufrechterhalten wird. Weiterhin könnte das Absenken der Stromstärke auch mehrstufig erfolgen, sodass die zweite Stromstärke mehrere unterschiedliche, zeitweise konstante Werte umfasst. Wie weiter nachfolgend erläutert können auch kontinuierliche oder annähernd kontinuierliche Stromverläufe vorgegeben werden. Ein Fachmann könnte das Verfahren dahingehend optimieren, dass die behandelte Brennstoffzelle bei Variation des Verfahrens jeweils untersucht und das Verfahren entsprechend angepasst wird.
Die mindestens eine zweite Stromstärke könnte auch mehrere zweite Stromstärken umfasst, die nacheinander eingestellt werden. Beispielsweise könnte die zweite Stromstärke in Abhängigkeit der gemessenen Zellenspannung gewählt werden. Einzelne Stufen der zweiten Stromstärke können eingenommen werden, sobald einzelne Schwellenwerte der Zellenspannung erreicht werden. Es ist weiterhin denkbar, einzelne zweite Stromstärken in einem regelmäßigen zeitlichen Intervall einzustellen, wobei die nacheinander eingestellten zweiten Stromstärken jeweils um denselben Betrag abgesenkt werden. Andere Varianten sind selbstverständlich denkbar, bei denen die zeitlichen Intervalle unterschiedlich sind, beispielsweise mit der Zeit geringer werden. Die Abstufung der zweiten Stromstärken könnte auch nach und nach verringert werden.
Die mindestens eine zweite Stromstärke könnte einen rampen- oder treppenförmigen Verlauf mit weitgehend linearem Abfall der zweiten Stromstärke umfassen. Bei einem solchen linearen oder quasi-linearen, treppenförmigen Verlauf der zweiten Stromstärke kann der Abfall des Zellpotenzials in diskreten Stufen ablaufen. Die Spannung bricht folglich nicht schlagartig ein, sodass eine Regelung bezüglich der Abschaltung bei Erreichen des Schwellenwertes der Zellenspannung robuster erfolgen kann.
Die mindestens eine zweite Stromstärke könnte eine exponentiell abfallende Stromstärke umfassen. Hierdurch kann der Sauerstoff zunächst schnell verbraucht werden, bei der bereits einzelne Bereiche in die Sauerstoffunterversorgung kommen. Durch den im Anschluss vergleichsweise langsamen Stromabfall soll der „Air Starvation Effekt“ möglichst lange aufrechterhalten werden, bis der Schwellenwert der Zellenspannung erreicht wird.
Die mindestens eine zweite Stromstärke könnte weiterhin mehrere zweite Stromstärken umfassen, die insgesamt abfallend sind, wobei bei zumindest einem Paar direkt aufeinanderfolgender zweiter Stromstärken ein Anstieg vorgesehen ist, wobei bei zumindest einem Paar direkt aufeinanderfolgender zweiter Stromstärken ein Abfall vorgesehen ist, und wobei der Abfall betragsmäßig größer ist als der Anstieg. Damit könnte ein gleichmäßigerer Sauerstoffverbrauch eingestellt werden.
Die mindestens eine zweite Stromstärke könnte höher als die erste Stromstärke sein. In kürzester Zeit könnten damit Reduktionsbedingungen auf der Kathode geschaffen werden. Wie vorangehend erwähnt, sind auch Kombinationen aus den genannten Varianten denkbar.
Das Unterbrechen der Zufuhr von Luft könnte das Schließen eines Kathodeneingangsventils und/oder eines Kathodenausgangsventils umfassen. Der Sauerstoffverbrauch könnte hierdurch noch weiter beschleunigt werden.
Nach dem Unterbrechen der Zufuhr von Luft könnte die Kathode mit einem Inertgas gespült werden. Der Sauerstoff kann hiermit schneller aus der Kathode entfernt werden, während der Strom fließt.
Die Erfindung betrifft ferner, analog zu dem vorangehend vorgeschlagenen Verfahren, ein System zum Einlaufen einer Brennstoffzelle, aufweisend mindestens eine Brennstoffzelle mit einem Kathodenpfad und einem Anodenpfad, eine Steuereinheit, wobei die Steuereinheit mit der mindestens einen Brennstoffzelle gekoppelt ist und ausgebildet ist, zum Ansteuern der mindestens einen Brennstoffzelle zum Durchführen eines zumindest weitgehend stationären Betriebs unter Zufuhr von Luft und Wasserstoff und Entnahme eines elektrischen Stroms mit einer ersten Stromstärke über einen vorgegebenen ersten Zeitraum; Unterbrechen der Zufuhr von Luft und Ändern der Entnahme des elektrischen Stroms auf mindestens eine zweite Stromstärke, wobei die Zufuhr von Wasserstoff aufrechterhalten wird, über einen vorgegebenen zweiten Zeitraum; und Überwachen einer Zellenspannung der Brennstoffzelle und Unterbrechen des Stromflusses, wenn ein vorgegebener Schwellenwert der Zellenspannung unterschritten wird, wobei die mindestens eine zweite Stromstärke nicht Null ist.
Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von Figuren näher dargestellt.
Ausführungsbeispiele
Es zeigt: Figur 1 eine Brennstoffzelle in einem System zum Einlaufen einer Brennstoffzelle.
Figur 2 ein Verfahren zum Einlaufen einer Brennstoffzelle.
Figur 3 ein Diagramm mit Strom- und Zellenspannungsverläufen.
Figuren 4a-4d Varianten von Änderungen zweiter Stromstärken.
Fig. 1 zeigt sehr schematisch eine Brennstoffzelle 2, die mit einer Wasserstoffversorgung 4 und einer Luftversorgung 6 gekoppelt ist. Die Wasserstoffversorgung 4 ist mit einem Anodeneinlass 8 gekoppelt. Etwaige Anodenrestgase werden aus einem Anodenauslass 10 abgegeben. Frische Zuluft strömt aus der Luftzufuhr 6 in einen Kathodeneinlass 12, während Kathodenabluft aus einem Kathodenauslass 14 strömt. Da der Zweck der hier geschilderten Erfindung auf dem Einlaufen einer Brennstoffzelle 2 liegt, wird die weitere Behandlung der Fluidströme aus dem Anodenauslass 10 und dem Kathodenauslass 14 nicht weiter betrachtet.
Ein elektrischer Anschluss 16 der Brennstoffzelle 2 ist mit einer elektrischen Last 18 gekoppelt, durch die sich ein Stromfluss ergibt. Die elektrische Last 18 kann beliebiger Art sein und beispielsweise einen gekühlten Widerstand oder eine Heizeinrichtung umfassen, durch die ein ausreichend großer Stromfluss realisierbar ist. Der Stromfluss kann über ein Amperemeter 20 gemessen werden. Ein Zellenpotenzial kann indes über eine Spannungsmesseinrichtung 22 erfasst werden.
An dieser Stelle sei angemerkt, dass die Brennstoffzelle 2 auch ein Brennstoffzellenstapel sein kann, der mehrere Brennstoffzellen in einer Reihen- und/oder Parallelschaltung umfasst.
Eine Steuereinheit 24 ist vorgesehen, die mit der Brennstoffzelle 2, dem Amperemeter 20, der Spannungsmesseinrichtung 22 sowie der Luftzufuhr 6 und der Wasserstoffzufuhr 4 gekoppelt ist. Die Steuereinheit 24 ist dazu ausgebildet, die Brennstoffzelle 2 zum Durchführen eines zumindest weitgehend stationären Betriebs unter Zufuhr von Luft und Wasserstoff und Entnahme eines elektrischen Stroms mit einer ersten Stromstärke über einen vorgegebenen ersten Zeitraum anzusteuern, die Zufuhr von Luft zu unterbrechen, beispielsweise durch Schließen eines Kathodeneingangsventils 26 und/oder eines Kathodenausgangsventils 28, und die Entnahme des elektrischen Stroms auf mindestens eine zweite Stromstärke zu ändern, wobei die Zufuhr von Wasserstoff aufrechterhalten wird, über einen vorgegebenen zweiten Zeitraum. Anschließend wird die Zellenspannung der Brennstoffzelle 2 überwacht und der Stromfluss unterbrochen, wenn ein vorgegebener Schwellenwert der Zellenspannung unterschritten wird. Die mindestens eine zweite Stromstärke ist dabei nicht Null.
Fig. 2 zeigt ein Verfahren zum Einlaufen der Brennstoffzelle 2. Das Verfahren umfasst ein Ansteuern 30 der Brennstoffzelle 2 zum Durchführen eines zumindest weitgehend stationären Betriebs unter Zufuhr von Luft und Wasserstoff und Entnahme eines elektrischen Stroms mit einer ersten Stromstärke über einen vorgegebenen ersten Zeitraum. Anschließend wird die Zufuhr von Luft unterbrochen 32 und die Entnahme des elektrischen Stroms auf mindestens eine zweite Stromstärke geändert 34, wobei die Zufuhr von Wasserstoff aufrechterhalten wird, über einen vorgegebenen zweiten Zeitraum. Anschließend wird die Zellenspannung der Brennstoffzelle 2 überwacht 36 und der Stromfluss unterbrochen 38, wenn ein vorgegebener Schwellenwert der Zellenspannung unterschritten wird. Die mindestens eine zweite Stromstärke ist dabei nicht Null.
Fig. 3 zeigt ein Diagramm, in dem eine Stromstärke 40 und ein Zellenpotential 42 entlang der Zeit aufgetragen sind. Hier ist eine erste Stromstärke 40a dargestellt, die auf eine zweite Stromstärke 40b geändert wird. Das Zellenpotential 42 fällt von einem Ausgangswert 42a auf einen Schwellenwert 42b. Bei Erreichen des letzteren wird die Stromentnahme unterbrochen, d.h. die Stromstärke 40 wird zu Null. Anschließend wird der normale Betrieb wieder aufgenommen und gegebenenfalls das Verfahren wiederholt. Fig. 4a bis 4d zeigen unterschiedliche Varianten für die geänderte zweite Stromstärke 40b. In Fig, 4a ist ein treppenförmiger Verlauf mit weitgehend linearem Abfall der zweiten Stromstärke gezeigt. Dort fällt die zweite Stromstärke in einzelnen Stufen 44 ab, wobei die Stufen gleich groß sind und sich über gleich große Zeitintervalle erstrecken.
Fig. 4b zeigt eine exponentiell abfallende zweite Stromstärke 40b.
In Fig. 4c sind mehrere zweite Stromstärken 40b gezeigt, die insgesamt abfallend sind.
Hier sind zwei Paare von zweiten Stromstärken 40b vorgesehen, die direkt aufeinanderfolgen und jeweils einen Anstieg 48 aufweisen. Weiterhin sind zwei Paare von zweiten Stromstärken 40b vorgesehen, die jeweils einen Abfall 46 aufweisen. Der Abfall 46 ist dabei betragsmäßig größer als der Anstieg 48.
In Fig. 4d ist schließlich ein initialer Anstieg 50 vorgesehen, auf den ein vollständiger Abfall auf Null folgt.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zum Einlaufen einer Brennstoffzelle (2), aufweisend:
Ansteuern (30) der Brennstoffzelle (2) zum Durchführen eines zumindest weitgehend stationären Betriebs unter Zufuhr von Luft und Wasserstoff und Entnahme eines elektrischen Stroms mit einer ersten Stromstärke (40a) über einen vorgegebenen ersten Zeitraum,
Unterbrechen (32) der Zufuhr von Luft und Ändern (34) der Entnahme des elektrischen Stroms auf mindestens eine zweite Stromstärke (40b), wobei die Zufuhr von Wasserstoff aufrechterhalten wird, über einen vorgegebenen zweiten Zeitraum,
Überwachen (36) einer Zellenspannung (42) der Brennstoffzelle (2) und Unterbrechen (38) des Stromflusses, wenn ein vorgegebener Schwellenwert (42b) der Zellenspannung (42) unterschritten wird, wobei die mindestens eine zweite Stromstärke (40b) nicht Null ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die mindestens eine zweite Stromstärke (40b) geringer als die erste Stromstärke (40a) ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die mindestens eine zweite Stromstärke (40b) mehrere zweite Stromstärken (40b) umfasst, die nacheinander eingestellt werden.
4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei die mindestens eine zweite Stromstärke (40b) einen rampen- oder treppenförmigen Verlauf mit weitgehend linearem Abfall der zweiten Stromstärke (40b) umfasst.
5. Verfahren nach Anspruch 3, wobei die mindestens eine zweite Stromstärke (40b) eine exponentiell abfallende Stromstärke umfasst.
6. Verfahren nach Anspruch 3, wobei die mindestens eine zweite Stromstärke (40b) mehrere zweite Stromstärken (40b) umfasst, die insgesamt abfallend sind, wobei bei zumindest einem Paar direkt aufeinanderfolgender zweiter Stromstärken (40b) ein Anstieg (48) vorgesehen ist, wobei bei zumindest einem Paar direkt aufeinanderfolgender zweiter Stromstärken (40b) ein Abfall (46) vorgesehen ist, und wobei der Abfall (46) betragsmäßig größer ist als der Anstieg (48).
7. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die mindestens eine zweite Stromstärke (40b) höher als die erste Stromstärke (40a) ist.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Unterbrechen (32) der Zufuhr von Luft das Schließen eines Kathodeneingangsventils (26) und/oder eines Kathodenausgangsventils (28) umfasst.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei nach dem Unterbrechen (32) der Zufuhr von Luft eine Kathode der Brennstoffzelle (2) mit einem Inertgas gespült wird.
10. System zum Einlaufen einer Brennstoffzelle, aufweisend: mindestens eine Brennstoffzelle (2) mit einem Kathodenpfad und einem Anodenpfad, eine Steuereinheit (24), wobei die Steuereinheit (24) mit der mindestens einen Brennstoffzelle (2) gekoppelt ist und ausgebildet ist, zum:
Ansteuern (30) der mindestens einen Brennstoffzelle (2) zum
Durchführen eines zumindest weitgehend stationären Betriebs unter Zufuhr von Luft und Wasserstoff und Entnahme eines elektrischen Stroms mit einer ersten (40a) Stromstärke über einen vorgegebenen ersten Zeitraum,
Unterbrechen (32) der Zufuhr von Luft und Ändern (34) der Entnahme des elektrischen Stroms auf mindestens eine zweite Stromstärke (40b), wobei die Zufuhr von Wasserstoff aufrechterhalten wird, über einen vorgegebenen zweiten Zeitraum,
Überwachen (36) einer Zellenspannung (42) der Brennstoffzelle (2) und Unterbrechen (38) des Stromflusses, wenn ein vorgegebener Schwellenwert (42b) der Zellenspannung (42) unterschritten wird, wobei die mindestens eine zweite Stromstärke (40b) nicht Null ist.
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