DE10061687A1

DE10061687A1 - Gefrierschutz für eine Brennstoffzelle durch Vakuumtrocknung

Info

Publication number: DE10061687A1
Application number: DE10061687A
Authority: DE
Inventors: Robert Lee Fuss
Original assignee: Motors Liquidation Co
Current assignee: Motors Liquidation Co
Priority date: 1999-12-13
Filing date: 2000-12-12
Publication date: 2001-07-12
Anticipated expiration: 2020-12-13
Also published as: DE10061687B4; JP2001185179A; US6358637B1; CA2323036A1; JP3455725B2

Abstract

Eine PEM-Brennstoffzelle wird vor der Lagerung unter Gefrierbedingungen vakuumgetrocknet.

Description

TECHNISCHES GEBIET

Diese Erfindung betrifft PEM-/SPE-Brennstoffzellen und insbesondere ein Verfahren zur Konditionierung derartiger Brennstoffzellen auf einen inak tiven Zustand (beispielsweise Lagerung) bei Gefrierbedingungen.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Brennstoffzellen sind für viele Anwendungen als Energiequelle vorgeschla gen worden. Sogenannte PEM-Brennstoffzellen (Protonenaus tauschmembran-Brennstoffzellen) [auch bekannt als SPE-Brennstoffzellen (Festpolymerelektrolyt-Brennstoffzellen)] weisen potentiell eine hohe Ener gie und ein niedriges Gewicht auf und sind daher für mobile Anwendun gen (beispielsweise elektrische Fahrzeuge) geeignet. PEM-/SPE- Brennstoffzellen umfassen einen "Membranelektrodenaufbau" (auch be kannt als MEA), der einen dünnen protonendurchlässigen Festpoly mermembranelektrolyten umfaßt, der auf einer seiner Seiten eine Anode und auf der entgegengesetzten Seite eine Kathode aufweist. Der MEA ist zwischen ein Paar elektrisch leitfähiger Elemente geschichtet, die als Stromkollektoren für die Anode und Kathode dienen und Kanäle/Nuten darin enthalten, die ein sogenanntes "Strömungsfeld" auf den Seiten der selben zur Verteilung der gasförmigen Reaktanden der Brennstoffzelle über die Oberflächen der jeweiligen Anode und Kathode ausbilden.

Die PEM-/SPE-Brennstoffzellen sind typischerweise H₂-O₂-Brennstoff zellen, wobei Wasserstoff der Anodenreaktant (d. h. Brennstoff und Sauer stoff der Kathodenreaktant (d. h. Oxidationsmittel) ist. Der Sauerstoff kann entweder in reiner Form oder mit Stickstoff verdünnt (beispielsweise Luft) vorliegen, und der Wasserstoff kann entweder in einer reinen Form oder von der Reformation von Methanol, Benzin oder dergleichen abgeleitet sein. Die Festpolymermembrane bestehen typischerweise aus Ionentau scherharzen, wie beispielsweise perfluorierter Sulfonsäure. Ein derartiges Harz ist NAFION®, das von der DuPont Company vertrieben wird. Derarti ge Membrane sind in der Technik gut bekannt und in den U.S. Patenten 5,272,017 und 3,134,697 wie auch in dem Journal of Power sources, Bd. 29, (1990), Seiten 367-387, u. a. beschrieben. Die Anode und Kathode umfassen typischerweise fein unterteilte katalytische Partikel entweder allein oder auf den Innen- und Außenflächen von Kohlenstoffpartikeln ge tragen und weisen dazwischengemischtes protonenleitfähiges Harz auf.

Kommerziell erhältliche Festpolymermembrane erfordern alle einen gewis sen Feuchtigkeitsgrad, um wirksam zu bleiben. Daher ist irgendwo in dem Brennstoffzellensystem typischerweise ein Befeuchter vorgesehen, um die Zellen mit Feuchtigkeit zu versorgen. Überdies bildet die stromerzeugende Brennstoffzellenreaktion (d. h. H₂ + O₂ → H₂O) Wasser in situ innerhalb der Zelle während ihres Normalbetriebes. Wenn es gefriert, bildet das Wasser in den Zellen Eis, das (1) die Strömungskanäle verstopfen und damit verhindern kann, daß Reaktandengas durch diese gelangen kann, (2) die Polymermembran beschädigen kann und (3) schädliche Drücke in nerhalb der Zelle(n) resultierend aus der Ausdehnung des Wassers wäh rend des Gefrierens ausüben kann. Solange die Brennstoffzelle arbeitet (d. h. Strom erzeugt) oder anderweitig erwärmt wird, ist die Eisbildung kein Problem. Während einer Abschaltung, einer Lagerung oder einer ander weitigen Inaktivität der Brennstoffzelle kann sich unter Gefrierzuständen jedoch schädliches Eis bilden.

Die vorliegende Erfindung löst das Problem in Verbindung mit Eisbildung bei inaktiven/nicht erwärmten Brennstoffzellen, die Gefrierbedingungen ausgesetzt sind.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kondotionierung einer PEM-/SPE-Brennstoffzelle vorbereitend zu ihrer Inaktivierung bei Gefrier bedingungen. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine wesent liche Entwässerung der Brennstoffzelle vor dem Gefrieren durch Evakuie rung des Strömungsfeldes/der Strömungsfelder der Brennstoffzelle(n) mit einem Vakuum, das ausreichend ist, um genug Wasser von der Brenn stoffzelle/den Brennstoffzellen zu verdampfen und zu entfernen, um so einen Schaden daran infolge eines Gefrierens zu verhindern. Vorzugsweise findet die Evakuierung der Brennstoffzelle statt, wenn der Zellenstapel ei ne Temperatur von zumindest etwa 20°C aufweist. Damit wird das Wasser von einer warmen Brennstoffzelle mit einem kleineren Vakuum leichter verdampft, als von einer kälteren. Vorzugsweise wird der Brennstoffzellen stapel normalerweise bei einer erhöhten Temperatur (beispielsweise etwa 80°C) betrieben und dann evakuiert, um das Wasser, kurz nachdem er abgeschaltet und von seinem Betrieb immer noch warm (d. h. zumindest etwa 50°C) ist, zu entfernen.

ZEICHNUNGSKURZBESCHREIBUNG

Die vorliegende Erfindung wird im folgenden beispielhaft unter Bezug nahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, in welchen:

Fig. 1 eine vereinfachte schematische Darstellung der Erfindung ist; und

Fig. 2 eine Kurve der Siedepunkte von Wasser bei verschiedenen subatmosphärischen Drücken (d. h. Vakuum) ist.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Schutz einer PEM-/SPE-Brenn stoffzelle gegenüber Gefrierschäden durch Anlegen eines ausreichenden Vakuums an das Strömungsfeld der Brennstoffzelle, um die Brennstoff zelle im wesentlichen zu entwässern, bevor die Temperatur der Brenn stoffzelle unterhalb des Gefrierpunktes abfällt. Zu diesem Zweck ist eine Vakuumpumpe mit den Anoden- und Kathodenversorgungs- oder - austragsleitungen verbunden, die zu der Brennstoffzelle hin oder von die ser weg führen. Fig. 1 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung, bei der ein Wasserstoffbrennstoffstrom 2 und ein Sauerstoffoxidationsmittelstrom 4 (beispielsweise Luft) in einem Befeuchter 6 befeuchtet werden, von dem sie über Absperrventile 10 und 12 in die Brennstoffzelle 8 gelangen. An oden- und Kathodenabflußströme 14 bzw. 16 verlassen die Brennstoffzelle und gelangen durch Absperrventile 18 und 20. Nachdem die Brennstoff zelle deaktiviert worden ist, werden die Ventile 10, 12, 18 und 20 ge schlossen, um die Brennstoffzelle von dem Rest des Systems zu isolieren.

Anschließend wird eine Vakuumpumpe 22, die mit den Strömen 14 und 16 in Verbindung steht, betrieben, um jegliches freies Wasser (d. h. nicht in der Membran enthalten), das in der Brennstoffzelle ist, zu verdampfen. Die Vakuumpumpe wird zu einem Zeitpunkt aktiviert, nachdem die Brennstoffzelle abgeschaltet worden ist und bevor die Temperatur der Brennstoffzelle in die Gefrierzone (d. h. unterhalb 0°C bei einem Druck von einer Atmosphäre) abfällt. In dem Fall eines mit Brennstoffzelle betriebe nen Elektrofahrzeuges könnte die Vakuumpumpe entweder eine Bord pumpe, die von dem Elektrofahrzeug getragen wird (beispielsweise bereits für andere Verwendungen an Bord) oder eine separate alleinstehende Pumpe sein, die außerhalb des Fahrzeugs (beispielsweise in einer Garage) vorgesehen ist.

Die Intensität des angelegten Vakuums variiert abhängig von der Tempe ratur der Brennstoffzelle zum Zeitpunkt des Anlegens des Vakuums. Bei höheren Temperaturen kann ein niedrigeres Vakuum verwendet werden, als bei niedrigeren Temperaturen, um dieselbe Entwässerungsmenge zu bewirken. Vorzugsweise tritt eine Evakuierung bei einer Temperatur von zumindest etwa 20°C auf. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung tritt eine Evakuierung auf, kurz nachdem die Brennstoffzelle deaktiviert ist, während die Zelle immer noch warm ist, d. h. während die Zelle eine Temperatur in der Nähe ihrer Betriebstemperatur oder zumin dest etwa 50°C aufweist. Dies ist insbesondere bei Elektrofahrzeuganwen dungen mit einer bzw. mehreren Bordvakuumpumpen vorteilhaft, da die Pumpe(n) kleiner und leichter sein kann/können und weniger Energie verbrauchen, als große Pumpe(n). Moderne PEM-/SPE-Brennstoffzellen arbeiten typischerweise bei etwa 80°C. Bei dieser Temperatur ist ein Va kuum von nur etwa 47,4 kPa (abs) erforderlich, um das freie Wasser von der Brennstoffzelle zu verdampfen. Bei 50°C sind etwa 12,35 kPa erforder lich. Bei niedrigeren Temperaturen ist ein höheres Vakuum erforderlich. Daher wäre beispielsweise, wenn die Temperatur der Brennstoffzelle zu dem Zeitpunkt, wenn das Vakuum angelegt wird, nur etwa 35°C beträgt, ein Vakuum von zumindest etwa 5,6 kPa (abs) erforderlich. Dies würde eine wesentlich größere Vakuumpumpe erfordern, die erheblich mehr Energie verbraucht, als die kleineren Pumpen, die zur Evakuierung bei höheren Temperaturen verwendet werden. Alternativ dazu könnte die Temperatur der Brennstoffzelle während der Evakuierung durch Steue rung der Temperatur des Kühlmittels beibehalten oder eingestellt werden, das normalerweise durch die Brennstoffzelle strömt, um von dieser wäh rend ihres Normalbetriebes Wärme abzuziehen.

Allgemein gesprochen kann das minimale Vakuum, das erforderlich ist, um das Wasser bei einer gegebenen Temperatur zu verdampfen, Fig. 1 oder einer anderen psychometrischen Tabelle oder einem entsprechenden Diagramm entnommen werden, das den Siedepunkt (d. h. die Temperatur) von Wasser bei unterschiedlichen subatmosphärischen Drücken zeigt. Diesbezüglich stellt Fig. 1 eine Kurve dar, die die Siedepunkte (d. h. Tem peratur in °C) von Wasser bei verschiedenen subatmosphärischen Drüc ken (d. h. Vakuum in kPa absolut) zeigt.

BEISPIELE

Es wurde eine Anzahl von Untersuchungen durchgeführt, um den Wir kungsgrad der Vakuumentwässerung eines Brennstoffzellenstapels vor dem Gefrieren zur Verhinderung eines Zellenschadens und zur Erleichte rung eines Zellenstartes aus einem Gefrierzustand zu bewerten. Zu diesem Zweck wurde eine Anzahl von PEM-Brennstoffzellenstapeln variierend von 10 bis 20 Zellen pro Stapel und 500 cm² Zelle bei etwa 80°C bei ver schiedenen Lasten und Feuchtigkeitsniveaus unter Verwendung sowohl (1) von reinem H₂ als auch (2) CO-freiem synthetischem Reformat (d. h. 65H₂/25CO₂/10N₂) betrieben. Bei Beendigung des Normalbetriebes des Stapels wurden die Anoden- und Kathodenauslässe abgedichtet und die Einlässe mit einer Vakuumpumpe verbunden und auf einen Druck unter halb 3 kPa bei 25°C evakuiert. Einige der Stapel wurden vor einem Anle gen des Vakuums für eine Minute mit trockenem Stickstoff ge spült/ausgeblasen. Bei anderen wurde dieser Vorgang nicht durchgeführt. Der Stapel wurde dann auf Gefriertemperaturen gekühlt, die von etwa 0°C bis etwa -30°C variierten, und es wurde zugelassen, daß sich dieser Zu stand über mehrere Stunden stabilisiert hat. Zum Neustart der Zellen nach dem Gefrieren wurden die Reaktandenleitungen (d. h. Luft- und H₂- Leitungen) wieder verbunden und trockene Reaktanden bei etwa 20°C oh ne Befeuchtung geliefert. Erst nachdem die Innenstapeltemperatur gut oberhalb des Gefrierpunktes lag, wurde Kühlmittel durch den Stapel ge führt.

Bei diesen Untersuchungen wurde der Strom von der Zelle (d. h. die Last) bei drei verschiedenen Raten abgezogen. Bei der "Standard"-Rate wurde eine Anfangslast von 50 Ampere abgezogen und, nachdem alle Zellen je weils bei 0,600-0,650 Volt stabil waren, wurde die Last in Zuwächsen von 50 Ampere erhöht. Bei der "langsamen" Rate betrugt die Anfangslast 5 Ampere, die anschließend in Zuwächsen von 1 Ampere erhöht wurde, nachdem alle Zellen jeweils bei 0,550-0,600 Volt stabil waren. Bei der "Auto"-Rate wurde die Last so schnell wie möglich erhöht, während si chergestellt wurde, daß keine einzelne Zelle in dem Stapel unterhalb 0,5 Volt abfiel. Die elektrische Last an dem Stapel und die Reaktandenströ mungsraten wurden erhöht, bis entweder (1) die normale Betriebstempe ratur des Stapels erreicht war, oder (2) eine Stromdichte von 0,6 Am pere/cm² erreicht war. Die Leistungsfähigkeit und daher der Erfolg oder der Ausfall wurden durch die niedrigste Temperatur gemessen, bei der ein erfolgreicher Start erreicht wurde. Die Ergebnisse dieser Untersuchungen sind in Tabelle I gezeigt.

TABELLE I

Während die Erfindung hinsichtlich einer ihrer spezifischen Ausfüh rungsformen beschrieben worden ist, ist nicht beabsichtigt, daß diese darauf, sondern vielmehr nur auf das Ausmaß beschränkt ist, das in den folgenden Ansprüchen dargelegt ist.

Claims

1. Verfahren zur Konditionierung einer PEM-/SPE-Brennstoffzelle vor bereitend zu ihrer Beibehaltung in einem inaktiven Zustand bei Ge frierbedingungen, das umfaßt, daß die Brennstoffzelle mit einem Va kuum evakuiert wird, das ausreichend ist, um die Brennstoffzelle im wesentlichen zu entwässern, bevor die Brennstoffzelle diesen Zustän den ausgesetzt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Evakuierung bewirkt wird, wenn sich die Brennstoffzelle bei einer Temperatur von zumindest etwa 20°C befindet.

3. Verfahren zur Vorbereitung einer PEM-/SPE-Brennstoffzelle für nachfolgende Inaktivität bei Gefrierbedingungen umfassend, daß die Brennstoffzelle bei einer erhöhten Temperatur betrieben wird, der Betrieb unterbrochen wird und ein Vakuum an die Brennstoffzelle angelegt wird, während sich die Brennstoffzelle in der Nähe der er höhten Temperatur befindet, wobei das Vakuum ausreichend ist, um die Brennstoffzelle zu entwässern.

4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei die erhöhte Temperatur zumin dest etwa 50°C beträgt.