WO2023180234A1 - Vorrichtung und verfahren zum konditionieren und spülen einer anode eines brennstoffzellenstapels - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zum konditionieren und spülen einer anode eines brennstoffzellenstapels Download PDF

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WO2023180234A1
WO2023180234A1 PCT/EP2023/057022 EP2023057022W WO2023180234A1 WO 2023180234 A1 WO2023180234 A1 WO 2023180234A1 EP 2023057022 W EP2023057022 W EP 2023057022W WO 2023180234 A1 WO2023180234 A1 WO 2023180234A1
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line
flushing
anode
valve
conditioning
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PCT/EP2023/057022
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Steffen CHRISTA
Anton Ringel
Tobias Wehner
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Robert Bosch Gmbh
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    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H01M8/04119—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying
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    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04955—Shut-off or shut-down of fuel cells

Definitions

  • the invention relates to a device and a method for conditioning and rinsing an anode of a preferably newly constructed fuel cell stack.
  • the device can in particular be a test stand.
  • a newly constructed fuel cell stack is usually subjected to a conditioning process before being put into operation. This is intended to ensure that the fuel cell stack achieves its full performance. Following the conditioning process, the fuel cell stack must first be cooled and then purged without stress, using an inert gas, usually nitrogen, for purging. Only then can the newly constructed fuel cell stack be removed from the test bench.
  • an inert gas usually nitrogen
  • hydrogen is supplied to an anode of the fuel cell stack.
  • any hydrogen present in the anode is driven off with the help of the inert gas.
  • the flushing is carried out in a shutdown mode. This means that the hydrogen supply is shut off using a shut-off valve.
  • Flushing is a time-consuming process because the entire anode path used to supply the anode with hydrogen is flushed. A process duration of 60 minutes is therefore not unusual. During this time, the test stand is occupied so that no further fuel cell stack can be conditioned and flushed.
  • the object of the present invention is to accelerate the flushing process in order to shorten the expensive test stand time. The aim is for a flushing time of less than 10 minutes.
  • the proposed device for conditioning and flushing an anode of a preferably newly constructed fuel cell stack comprises: a hydrogen storage device which is connected to an anode inlet via a gas line with an integrated shut-off valve, a conditioning device, preferably a humidification device, being integrated into the gas line between the shut-off valve and the anode inlet is, an inert gas storage which is connected to the gas line via a flushing line, in which a shut-off valve is preferably integrated, the flushing line opening into the gas line downstream of the conditioning device.
  • the device can in particular be a test stand.
  • the inert gas storage is connected via a flushing line to the anode of the fuel cell stack to be flushed, the flushing line opening into the gas line downstream of the conditioning device.
  • the flushing line bypasses the conditioning device.
  • the mouth of the flushing line can thus be arranged in the area of the anode inlet, so that the entire anode path up to the anode inlet no longer needs to be flushed, but essentially only the anode itself.
  • the flushing line opens into the gas line downstream of a valve unit which is integrated into the gas line downstream of the conditioning device and comprises a shut-off valve and/or a directional control valve.
  • the conditioning device can be separated from the volume to be flushed. Isolation can be achieved with both a shut-off valve and a directional control valve.
  • the directional control valve can have additional advantages. These will be discussed below.
  • another gas line be connected to an anode outlet.
  • the hydrogen present in the anode can be let out or driven out via the further flushing line on the anode ice inlet side.
  • a further flushing line preferably branches off from the gas line on the anode outlet side. With the help of the additional flushing line, the flushing volume can be further reduced. This applies in particular if the further flushing line branches off from the gas line on the anode outlet side directly in the area of the anode outlet.
  • the further flushing line preferably branches off upstream of a shut-off valve integrated into the gas line on the anode outlet side. By closing the shut-off valve, a self-contained, reduced flushing volume can be created.
  • a directional control valve be integrated into the anode inlet-side flushing line for switching a further flushing line branching off from the anode inlet-side flushing line, which opens into the anode inlet-side gas line upstream of the valve unit.
  • the inert gas can then be introduced into the anode inlet gas line via one or the other flushing line.
  • a further flushing volume comprising the conditioning device can be connected to the inert gas storage, so that the conditioning device can also be flushed if necessary.
  • one flushing line opens downstream of the valve unit and the other Purge line upstream of the valve unit into the anode inlet gas line.
  • the valve unit then separates the two flushing volumes.
  • bypass line is preferably provided to bypass the fuel cell stack.
  • the bypass line also enables the conditioning device to be flushed without having to include the anode of the fuel cell stack.
  • the bypass line is preferably connected to the gas line on the anode inlet side via the valve unit and to the gas line on the anode outlet side via a further valve unit.
  • the inert gas storage can be connected to the anode inlet-side gas line via a further flushing line with an integrated shut-off valve, with the further flushing line opening into the anode inlet-side gas line upstream of the conditioning device.
  • the flushing volume comprising the conditioning device can be further reduced, so that flushing of the conditioning device is accelerated.
  • the conditioning device can have a separate outlet with a connected gas line for inert gas.
  • the separate outlet eliminates the need for a bypass line to bypass the fuel cell stack, since the inert gas used to flush the conditioning device can be discharged directly via the outlet.
  • the rinsing volume comprising the conditioning device can thereby be further reduced.
  • the procedure includes the steps:
  • Conditioning the anode with hydrogen which is taken from a hydrogen storage and fed via a gas line to an anode inlet, the hydrogen being passed through a conditioning device, preferably a humidification device,
  • Flushing the anode with an inert gas which is taken from an inert gas storage and fed to the anode inlet via a flushing line bypassing the conditioning device to expel the hydrogen from the anode.
  • Bypassing the conditioning device when rinsing reduces the rinsing volume, which means the rinsing process can be significantly shortened.
  • the time in which the fuel cell stack must remain in a device for conditioning and rinsing, which can in particular be a test bench, is correspondingly shortened.
  • the hydrogen storage is preferably separated from the anode using a shut-off valve and/or the conditioning device is separated from the anode using a valve unit.
  • the separation leads to a reduced and self-contained flushing volume.
  • the flushing line can also be used to flush the conditioning device.
  • the inert gas required for flushing can be supplied to the conditioning device via a directional control valve integrated into the flushing line and a branching flushing line connected thereto.
  • a further flushing volume comprising the conditioning device is then connected to the inert gas storage via the branching flushing line.
  • the branching flushing line preferably opens into the gas line upstream of the valve unit. The valve unit thus separates the two flushing volumes.
  • the inert gas used to flush the conditioning device is removed from the conditioning device via a separate outlet and a gas line connected thereto. In this way, a further reduction in the rinsing volume comprising the conditioning device can be achieved.
  • the flushing process is advantageously monitored using a high-frequency resistor. Monitoring can be used in particular to check the result of the rinsing process.
  • 1 shows a schematic representation of a first device according to the invention for conditioning and flushing a fuel cell stack
  • 2 shows a schematic representation of a second device according to the invention for conditioning and flushing a fuel cell stack
  • FIG. 3 shows a schematic representation of a third device according to the invention for conditioning and flushing a fuel cell stack
  • FIG. 4 shows a schematic representation of a fourth device according to the invention for conditioning and flushing a fuel cell stack
  • FIG. 5 shows a schematic representation of a fifth device according to the invention for conditioning and rinsing a fuel cell stack.
  • the device 1 shown in Figure 1 is used for conditioning and rinsing an anode 2 of a newly constructed fuel cell stack 3.
  • the device 1 has a hydrogen storage 4, which is connected to an anode inlet 7 of the anode 2 via a gas line 5.
  • a shut-off valve 6, a conditioning device 8 in the form of a humidifier column, and a valve unit 12 are integrated into the gas line 5.
  • the device 1 has an inert gas storage 9, which is connected to the gas line 5 via a flushing line 10, the flushing line 10 opening into the gas line 5 downstream of the conditioning device 8 and the valve unit 12.
  • the flushing line 10 thus bypasses the conditioning device 8, so that the volume to be flushed is significantly reduced. In this way the rinsing process can be accelerated.
  • the anode 2 is flushed with inert gas in shutdown mode.
  • hydrogen present in the anode 2 is expelled during flushing.
  • the hydrogen and the inert gas exit via an anode outlet 13, to which another gas line 14 is connected.
  • the embodiment shown in FIG. 2 is proposed.
  • the inert gas storage 9 is arranged in the area of the anode inlet 7, so that the flushing line 10 can be made particularly short.
  • a further flushing line 15 branches off from the gas line 14 on the anode outlet side, via which the inert gas can be removed. Since the further flushing line 15 branches off upstream of a shut-off valve 16 integrated into the gas line 14, a reduced and self-contained flushing volume can be created.
  • a further shut-off valve 25 can be integrated into the gas line 5 on the anode inlet side, which is arranged even closer to the anode 2 than the valve unit 12, so that the flushing volume is further minimized.
  • FIG. 3 shows a device 1 that combines various embodiments.
  • the inert gas storage 9 is connected to the gas line 5 analogously to FIG. 1, however, a directional control valve 17 is integrated into the flushing line 10, from which a further flushing line 18 branches off, which also opens into the gas line 5, but upstream of the valve unit 12.
  • a directional control valve 17 is integrated into the flushing line 10, from which a further flushing line 18 branches off, which also opens into the gas line 5, but upstream of the valve unit 12.
  • inert gas from the inert gas storage 9 is supplied to the anode 2 or the conditioning device 8.
  • the device 1 of Figure 3 thus also enables the conditioning device 8 to be rinsed, independently of the anode 2.
  • bypass line 19 is shown in FIG. 3, which serves to bypass the fuel cell stack 3.
  • the inert gas used to flush the conditioning device 8 therefore does not have to be discharged via the anode 2 of the fuel cell stack 3.
  • the bypass line 19 is connected via the valve unit 12 to the anode inlet-side gas line 5 and a further valve unit 20 to the anode outlet-side gas line 14.
  • the valve unit 12 is designed as a directional control valve and not as a simple shut-off valve.
  • a further flushing line 21 can be present, which connects the inert gas storage with the gas line 5, as an alternative or in addition to the branching flushing line 18, but the further flushing line 21 opens into the gas line 5 upstream of the conditioning device 8.
  • the flushing volume comprising the conditioning device 8 can be further minimized.
  • a shut-off valve 22 is integrated into the flushing line 21 in order to be able to separate the inert gas storage 9 from the flushing line 21.
  • the conditioning device 8 has a separate outlet 23 with a gas line 24 connected thereto.
  • the bypass line 19 is therefore dispensable. This embodiment is shown in Figure 5.
  • the valve unit 12 can be designed as a simple shut-off valve. The same applies to the valve unit 20.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (1), insbesondere einen Prüfstand, zum Konditionieren und Spülen einer Anode (2) eines vorzugsweise neu aufgebauten Brennstoffzellenstapels (3), umfassend: - einen Wasserstoffspeicher (4), der über eine Gasleitung (5) mit integriertem Absperrventil (6) mit einem Anodeneinlass (7) verbunden ist, wobei zwi- schen dem Absperrventil (6) und dem Anodeneinlass (7) eine Konditionier- einrichtung (8), vorzugsweise eine Befeuchtungseinrichtung, in die Gaslei- tung (5) integriert ist, - einen Inertgasspeicher (9), der über eine Spülleitung (10), in die vorzugs- weise ein Absperrventil (11) integriert ist, mit der Gasleitung (5) verbunden ist, wobei die Spülleitung (10) stromabwärts der Konditioniereinrichtung (8) in die Gasleitung (5) mündet. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Konditionieren und Spülen einer Anode (2) eines vorzugsweise neu aufgebauten Brennstoffzellenstapels (3).

Description

Beschreibung
Titel:
Vorrichtung und Verfahren zum Konditionieren und Spülen einer Anode eines
Brennstoffzellenstapels
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Konditionieren und Spülen einer Anode eines vorzugsweise neu aufgebauten Brennstoffzellenstapels. Bei der Vorrichtung kann es sich insbesondere um einen Prüfstand handeln.
Stand der Technik
Ein neu aufgebauter Brennstoffzellenstapel wird vor Inbetriebnahme in der Regel einem Konditionierprozess unterzogen. Dadurch soll sichergestellt werden, dass der Brennstoffzellenstapel seine volle Leistungsfähigkeit erreicht. Im Anschluss an den Konditionierprozess muss der Brennstoffzellenstapel zunächst abgekühlt und danach spannungsfrei gespült werden, wobei zum Spülen ein Inertgas, üblicherweise Stickstoff, verwendet wird. Erst dann kann der neu aufgebaute Brennstoffzellenstapel aus dem Prüfstand genommen werden.
Beim Konditionieren wird einer Anode des Brennstoffzellenstapels Wasserstoff zugeführt. Beim anschließenden Spülen wird in der Anode vorhandener Wasserstoff mit Hilfe des Inertgases ausgetrieben. Damit kein Wasserstoff nachströmt, wird das Spülen in einem Shutdown-Modus durchgeführt. Das heißt, dass die Wasserstoffversorgung mittels eines Absperrventils abgesperrt wird.
Das Spülen stellt einen zeitintensiven Prozess dar, da der gesamte der Wasserstoffversorgung der Anode dienende Anodenpfad gespült wird. Eine Prozessdauer von 60 Minuten ist daher nicht unüblich. Während dieser Zeit ist der Prüfstand belegt, so dass kein weiterer Brennstoffzellenstapel konditioniert und gespült werden kann. Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, den Prozess des Spülens zu beschleunigen, um die teure Prüfstandzeit zu verkürzen. Angestrebt wird eine Spülzeit von weniger als 10 Minuten.
Zur Lösung der Aufgabe werden die Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 8 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den jeweiligen Unteransprüchen zu entnehmen.
Offenbarung der Erfindung
Die vorgeschlagene Vorrichtung zum Konditionieren und Spülen einer Anode eines vorzugsweise neu aufgebauten Brennstoffzellenstapels umfasst: einen Wasserstoffspeicher, der über eine Gasleitung mit integriertem Absperrventil mit einem Anodeneinlass verbunden ist, wobei zwischen dem Absperrventil und dem Anodeneinlass eine Konditioniereinrichtung, vorzugsweise eine Befeuchtungseinrichtung, in die Gasleitung integriert ist, einen Inertgasspeicher, der über eine Spülleitung, in die vorzugsweise ein Absperrventil integriert ist, mit der Gasleitung verbunden ist, wobei die Spülleitung stromabwärts der Konditioniereinrichtung in die Gasleitung mündet.
Bei der Vorrichtung kann es sich insbesondere um einen Prüfstand handeln.
Bei der vorgeschlagenen Vorrichtung ist der Inertgasspeicher über eine Spülleitung mit der zu spülenden Anode des Brennstoffzellenstapels verbunden, wobei die Spülleitung stromabwärts der Konditioniereinrichtung in die Gasleitung mündet. Das heißt, dass die Spülleitung die Konditioniereinrichtung umgeht. Die Mündung der Spülleitung kann somit im Bereich des Anodeneinlasses angeordnet werden, so dass nicht mehr der gesamte Anodenpfad bis zum Anodeneinlass gespült werden muss, sondern im Wesentlichen nur noch die Anode selbst.
Dadurch reduziert sich das zu spülende Volumen, so dass die Spüldauer deutlich verkürzt werden kann. Ferner werden Ressourcen geschont, da weniger Was- serstoff ausgetrieben wird. Der im Anodenpfad verbleibende Wasserstoff kann dann beim nächsten Konditioniervorgang genutzt werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung mündet die Spülleitung stromabwärts einer Ventileinheit, die stromabwärts der Konditioniereinrichtung in die Gasleitung integriert ist und ein Absperrventil und/oder ein Wegeventil umfasst, in die Gasleitung. Mit Hilfe der Ventileinheit kann die Konditioniereinrichtung von dem zu spülenden Volumen abgetrennt werden. Das Abtrennen kann sowohl mit einem Absperrventil als auch mit einem Wegeventil erreicht werden. Das Wegeventil kann - je nach Auslegung der Vorrichtung - weitere Vorteile besitzen. Auf diese wird weiter unten eingegangen.
Ferner wird vorgeschlagen, dass an einen Anodenauslass eine weitere Gasleitung angeschlossen ist. Über die anodeneislassseitige weitere Spülleitung kann der in der Anode vorhandene Wasserstoff ausgelassen bzw. ausgetrieben werden. Von der anodenauslassseitigen Gasleitung zweigt vorzugsweise eine weitere Spülleitung ab. Mit Hilfe der weiteren Spülleitung kann das Spülvolumen weiter reduziert werden. Dies gilt insbesondere, wenn die weitere Spülleitung unmittelbar im Bereich des Anodenauslasses von der anodenauslassseitigen Gasleitung abzweigt. Bevorzugt zweigt die weitere Spülleitung stromaufwärts eines in die anodenauslassseitige Gasleitung integrierten Absperrventils ab. Durch Schließen des Absperrventils kann ein in sich abgeschlossenes reduziertes Spülvolumen geschaffen werden.
In Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass in die anodeneinlassseitige Spülleitung ein Wegeventil zum Schalten einer von der anodeneinlassseitigen Spülleitung abzweigenden weiteren Spülleitung intergiert ist, die stromaufwärts der Ventileinheit in die anodeneinlassseitige Gasleitung mündet. Abhängig von der Schaltstellung des Wegeventils kann dann das Inertgas wahlweise über die eine oder die andere Spülleitung in die anodeneinlassseitige Gasleitung eingeleitet werden. Auf diese Weise kann ein die Konditioniereinrichtung umfassendes weiteres Spülvolumen an den Inertgasspeicher angebunden werden, so dass bei Bedarf auch die Konditioniereinrichtung gespült werden kann. Um die Anode und die Konditioniereinrichtung unabhängig voneinander spülen zu können, mündet die eine Spülleitung stromabwärts der Ventileinheit und die andere Spülleitung stromaufwärts der Ventileinheit in die anodeneinlassseitige Gasleitung. Die Ventileinheit trennt dann die beiden Spülvolumina.
Ferner bevorzugt ist eine Bypassleitung zur Umgehung des Brennstoffzellenstapels vorgesehen. Die Bypassleitung ermöglicht ebenfalls ein Spülen der Konditioniereinrichtung ohne die Anode des Brennstoffzellenstapels einbeziehen zu müssen. Die Bypassleitung ist vorzugsweise über die Ventileinheit mit der anodeneinlassseitigen Gasleitung und über eine weitere Ventileinheit mit der anodenauslassseitigen Gasleitung verbunden.
Zudem kann der Inertgasspeicher über eine weitere Spülleitung mit integriertem Absperrventil mit der anodeneinlassseitigen Gasleitung verbunden sein, wobei die weitere Spülleitung stromaufwärts der Konditioniereinrichtung in die anodeneinlassseitige Gasleitung mündet. Mit Hilfe der weiteren Spülleitung kann das die Konditioniereinrichtung umfassende Spülvolumen weiter reduziert werden, so dass das Spülen der Konditioniereinrichtung beschleunigt wird.
Des Weiteren kann die Konditioniereinrichtung einen separaten Auslass mit angeschlossener Gasleitung für Inertgas aufweisen. Der separate Auslass macht eine Bypassleitung zur Umgehung des Brennstoffzellenstapels entbehrlich, da das zum Spülen der Konditioniereinrichtung verwendete Inertgas über den Auslass direkt abgeführt werden kann. Das die Konditioniereinrichtung umfassende Spülvolumen kann dadurch weiter reduziert werden.
Darüber hinaus wird ein Verfahren zum Konditionieren und Spülen einer Anode eines vorzugsweise neu aufgebauten Brennstoffzellenstapels vorgeschlagen.
Das Verfahren umfasst die Schritte:
Konditionieren der Anode mit Wasserstoff, der einem Wasserstoffspeicher entnommen und über eine Gasleitung einem Anodeneinlass zugeführt wird, wobei der Wasserstoff durch eine Konditioniereinrichtung, vorzugsweise eine Befeuchtungseinrichtung, geleitet wird,
Spülen der Anode mit einem Inertgas, das einem Inertgasspeicher entnommen und über eine die Konditioniereinrichtung umgehende Spülleitung dem Anodeneinlass zum Austreiben des Wasserstoffs aus der Anode zugeführt wird. Die Umgehung der Konditioniereinrichtung beim Spülen reduziert das Spülvolumen, wodurch der Prozess des Spülens deutlich verkürzt werden kann. Entsprechend verkürzt sich die Zeit, in welcher der Brennstoffzellenstapel in einer Vorrichtung zum Konditionieren und Spülen, wobei es sich insbesondere um einen Prüfstand handeln kann, verbleiben muss.
Bevorzugt wird beim Spülen der Anode mit Inertgas der Wasserstoffspeicher mit Hilfe eines Absperrventils und/oder die Konditioniereinrichtung mit Hilfe einer Ventileinheit von der Anode getrennt. Die Trennung führt zu einem reduzierten und in sich abgeschlossenem Spülvolumen.
Bei Bedarf kann die Spülleitung auch zum Spülen der Konditioniereinrichtung verwendet werden. Das zum Spülen benötigte Inertgas kann dabei über ein in die Spülleitung integriertes Wegeventil und eine hieran angeschlossene abzweigende Spülleitung der Konditioniereinrichtung zugeführt werden. Über die abzweigende Spülleitung wird dann ein die Konditioniereinrichtung umfassendes weiteres Spülvolumen an den Inertgasspeicher angeschlossen. Um dieses Spülvolumen von dem die Anode umfassenden Spülvolumen zu trennen, mündet vorzugsweise die abzweigende Spülleitung stromaufwärts der Ventileinheit in die Gasleitung. Die Ventileinheit trennt somit die beiden Spülvolumina.
Als weiterbildende Maßnahme wird vorgeschlagen, dass das zum Spülen der Konditioniereinrichtung verwendete Inertgas über einen separaten Auslass und eine hieran angeschlossene Gasleitung aus der Konditioniereinrichtung abgeführt wird. Auf diese Weise kann eine weitere Reduzierung des die Konditioniereinrichtung umfassenden Spülvolumens erreicht werden.
Vorteilhafterweise wird der Vorgang des Spülens mit Hilfe eines Hochfrequenzwiderstands überwacht. Anhand der Überwachung kann insbesondere das Ergebnis des Spülvorgangs überprüft werden.
Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer ersten erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Konditionieren und Spülen eines Brennstoffzellenstapels, Fig. 2 eine schematische Darstellung einer zweiten erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Konditionieren und Spülen eines Brennstoffzellenstapels,
Fig. 3 eine schematische Darstellung einer dritten erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Konditionieren und Spülen eines Brennstoffzellenstapels,
Fig. 4 eine schematische Darstellung einer vierten erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Konditionieren und Spülen eines Brennstoffzellenstapels und
Fig. 5 eine schematische Darstellung einer fünften erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Konditionieren und Spülen eines Brennstoffzellenstapels.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
Die in der Figur 1 dargestellte Vorrichtung 1 dient dem Konditionieren und Spülen einer Anode 2 eines neu aufgebauten Brennstoffzellenstapels 3. Die Vorrichtung 1 weist hierzu einen Wasserstoffspeicher 4 auf, der über eine Gasleitung 5 mit einem Anodeneinlass 7 der Anode 2 verbunden ist. In die Gasleitung 5 sind ein Absperrventil 6, eine Konditioniereinrichtung 8 in Form einer Befeuchterkolonne, sowie eine Ventileinheit 12 integriert. Darüber hinaus weist die Vorrichtung 1 einen Inertgasspeicher 9 auf, der über eine Spülleitung 10 mit der Gasleitung 5 verbunden ist, wobei die Spülleitung 10 stromabwärts der Konditioniereinrichtung 8 und der Ventileinheit 12 in die Gasleitung 5 mündet. Die Spülleitung 10 umgeht somit die Konditioniereinrichtung 8, so dass sich das zu spülende Volumen deutlich verkleinert. Auf diese Weise kann der Vorgang des Spülens beschleunigt werden.
Das Spülen der Anode 2 mit Inertgas erfolgt im Shutdown-Modus. Das heißt, dass zumindest die Ventileinheit 12, vorzugsweise die Ventileinheit 12 und das Absperrventil 6, geschlossen ist bzw. sind. Ein in der Spülleitung 10 integriertes Absperrventil 11 ist dagegen geöffnet, um dem Inertgasspeicher 9 Inertgas zu entnehmen. Mit Hilfe des Inertgases wird beim Spülen in der Anode 2 vorhandener Wasserstoff ausgetrieben. Der Wasserstoff und das Inertgas treten über einen Anodenauslass 13 aus, an den eine weitere Gasleitung 14 angeschlossen ist.
Zur Weiteren Reduzierung des Spülvolumens wird die in der Figur 2 dargestellte Ausführungsform vorgeschlagen. Hier ist der Inertgasspeicher 9 im Bereich des Anodeneinlasses 7 angeordnet, so dass die Spülleitung 10 besonders kurz ausgeführt werden kann. Im Bereich des Anodenauslasses 13 zweigt von der anodenauslassseitigen Gasleitung 14 eine weitere Spülleitung 15 ab, über welche das Inertgas abgeführt werden kann. Da die weitere Spülleitung 15 stromaufwärts eines in die Gasleitung 14 integrierten Absperrventils 16 abzweigt, kann ein reduziertes und in sich abgeschlossenes Spülvolumen geschaffen werden. Bei Bedarf kann in die anodeneinlassseitige Gasleitung 5 ein weiteres Absperrventil 25 integriert werden, das noch dichter als die Ventileinheit 12 an der Anode 2 angeordnet ist, so dass das Spülvolumen weiter minimiert wird.
Figur 3 zeigt eine Vorrichtung 1, die verschiedene Ausführungsformen kombiniert. Der Inertgasspeicher 9 ist analog der Figur 1 an die Gasleitung 5 angebunden. Im Unterschied zur Figur 1 ist jedoch in der Spülleitung 10 ein Wegeventil 17 integriert, von dem aus eine weitere Spülleitung 18 abzweigt, die ebenfalls in die Gasleitung 5 mündet, jedoch stromaufwärts der Ventileinheit 12. Je nach Schaltstellung des Wegeventils 17 und der Ventileinheit 12 kann somit Inertgas aus dem Inertgasspeicher 9 der Anode 2 oder der Konditioniereinrichtung 8 zugeführt werden. Die Vorrichtung 1 der Figur 3 ermöglicht somit auch ein Spülen der Konditioniereinrichtung 8, und zwar unabhängig von der Anode 2.
Darüber hinaus ist in der Figur 3 eine Bypassleitung 19 dargestellt, die der Umgehung des Brennstoffzellenstapels 3 dient. Das zum Spülen der Konditioniereinrichtung 8 verwendete Inertgas muss demnach nicht über die Anode 2 des Brennstoffzellenstapels 3 abgeführt werden. Die Bypassleitung 19 ist hierzu über die Ventileinheit 12 an die anodeneinlassseitige Gasleitung 5 und eine weitere Ventileinheit 20 an die anodenauslassseitige Gasleitung 14 angebunden. Hier erweist es sich demnach als Vorteil, wenn die Ventileinheit 12 als Wegeventil und nicht als einfaches Absperrventil ausgeführt ist. Wie beispielhaft in der Figur 3 dargestellt kann - alternativ oder ergänzend zur abzweigenden Spülleitung 18 - eine weitere Spülleitung 21 vorhanden sein, die den Inertgasspeicher mit der Gasleitung 5 verbindet, wobei die weitere Spülleitung 21 jedoch stromaufwärts der Konditioniereinrichtung 8 in die Gasleitung 5 mündet. Mit Hilfe der Spülleitung 21 kann demnach das die Konditioniereinrichtung 8 umfassende Spülvolumen weiter minimiert werden. In die Spülleitung 21 ist ein Absperrventil 22 integriert, um den Inertgasspeicher 9 von der Spülleitung 21 trennen zu können. Eine Weiterbildung der Ausführungsform der Figur 3 ist in der Figur 4 dargestellt.
Zur weiteren Minimierung des die Konditioniereinrichtung 8 umfassenden Spülvolumens weist die Konditioniereinrichtung 8 einen separaten Auslass 23 mit einer hieran angeschlossenen Gasleitung 24 auf. Die Bypassleitung 19 ist daher verzichtbar. Diese Ausführungsform ist in der Figur 5 dargestellt. Durch den Verzicht auf die Bypassleitung 19 kann die Ventileinheit 12 als einfaches Absperrventil ausgeführt sein. Gleiches gilt für die Ventileinheit 20.

Claims

Ansprüche
1. Vorrichtung (1), insbesondere Prüfstand, zum Konditionieren und Spülen einer Anode (2) eines vorzugsweise neu aufgebauten Brennstoffzellenstapels (3), umfassend: einen Wasserstoffspeicher (4), der über eine Gasleitung (5) mit integriertem Absperrventil (6) mit einem Anodeneinlass (7) verbunden ist, wobei zwischen dem Absperrventil (6) und dem Anodeneinlass (7) eine Konditioniereinrichtung (8), vorzugsweise eine Befeuchtungseinrichtung, in die Gasleitung (5) integriert ist, einen Inertgasspeicher (9), der über eine Spülleitung (10), in die vorzugsweise ein Absperrventil (11) integriert ist, mit der Gasleitung (5) verbunden ist, wobei die Spülleitung (10) stromabwärts der Konditioniereinrichtung (8) in die Gasleitung (5) mündet.
2. Vorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Spülleitung (10) stromabwärts einer Ventileinheit (12), die stromabwärts der Konditioniereinrichtung (8) in die Gasleitung (5) integriert ist und ein Absperrventil und/oder ein Wegeventil umfasst, in die Gasleitung (5) mündet.
3. Vorrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass an einen Anodenauslass (13) eine weitere Gasleitung (14) angeschlossen ist, von der vorzugsweise eine weitere Spülleitung (15) abzweigt, wobei die weitere Spülleitung (15) vorzugsweise stromaufwärts eines in die Gasleitung (14) integrierten Absperrventils (16) abzweigt.
4. Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in die anodeneinlassseitige Spülleitung (10) ein Wegeventil (17) zum Schalten einer von der Spülleitung (10) abzweigenden weiteren Spülleitung (18) intergiert ist, die stromaufwärts der Ventileinheit (12) in die anodeneinlassseitige Gasleitung (5) mündet.
5. Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Bypassleitung (19) zur Umgehung des Brennstoffzellenstapels (3) vorgesehen ist, die vorzugsweise über die Ventileinheit (12) mit der anodeneinlassseitigen Gasleitung (5) und eine weitere Ventileinheit (20) mit der anodenauslassseitigen Gasleitung (14) verbunden ist.
6. Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Inertgasspeicher (9) über eine weitere Spülleitung (21) mit integriertem Absperrventil (22) mit der anodeneinlassseitigen Gasleitung (5) verbunden ist, wobei die weitere Spülleitung (21) stromaufwärts der Konditioniereinrichtung (8) in die anodeneinlassseitige Gasleitung (5) mündet.
7. Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Konditioniereinrichtung (8) einen separaten Auslass (23) mit angeschlossener Gasleitung (24) für Inertgas aufweist.
8. Verfahren zum Konditionieren und Spülen einer Anode (2) eines vorzugsweise neu aufgebauten Brennstoffzellenstapels (3), umfassend die Schritte:
Konditionieren der Anode (2) mit Wasserstoff, der einem Wasserstoffspeicher (4) entnommen und über eine Gasleitung (5) einem Anodeneinlass (7) zugeführt wird, wobei der Wasserstoff durch eine Konditioniereinrichtung (8), vorzugsweise eine Befeuchtungseinrichtung, geleitet wird,
Spülen der Anode (2) mit einem Inertgas, das einem Inertgasspeicher (9) entnommen und über eine die Konditioniereinrichtung (8) umgehende Spülleitung (10) dem Anodeneinlass (7) zum Austreiben des Wasserstoffs aus der Anode (2) zugeführt wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass beim Spülen der Anode (2) mit Inertgas der Wasserstoffspeicher (4) mit Hilfe eines Absperrventils (6) und/oder die Konditioniereinrichtung (8) mit Hilfe einer Ventileinheit (12) von der Anode (2) getrennt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Spülleitung (10) auch zum Spülen der Konditioniereinrichtung (8) verwendet wird, wobei das zum Spülen benötigte Inertgas über ein in die Spülleitung (10) integriertes Wegeventil (17) und eine hieran angeschlossene abzweigende Spülleitung (18) der Konditioniereinrichtung (8) zugeführt wird.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das zum Spülen der Konditioniereinrichtung (8) verwendete Inertgas über einen separaten Auslass (23) und eine hieran angeschlossene Gasleitung (24) aus der Konditioniereinrichtung (8) ausgeleitet wird.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorgang des Spülens mit Hilfe eines Hochfrequenzwiderstands überwacht wird.
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