DE102015208541A1

DE102015208541A1 - Verfahren zur Regenerierung einer Brennstoffzelle und Brennstoffzellensystem

Info

Publication number: DE102015208541A1
Application number: DE102015208541.4A
Authority: DE
Inventors: Maren Ramona Kirchhoff; Lasse Schmidt; Dr. Hübner Gerold; Sebastian Kirsch
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Audi AG; Volkswagen AG
Priority date: 2015-05-07
Filing date: 2015-05-07
Publication date: 2016-11-10
Also published as: CN106129492A; CN106129492B

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regeneration einer Brennstoffzelle, die eine Membran-Elektroden-Einheit mit einer Anode und einer Kathode, welche durch eine Membran getrennt sind, sowie einen Stromkreis, der ausgelegt ist, die Anode und die Kathode elektrisch zu verbinden, umfasst, sowie ein Brennstoffzellensystem, das eingerichtet ist, ein solches Verfahren auszuführen.
Es ist vorgesehen, dass in Abhängigkeit eines gemessenen und/oder berechneten Kontaminationsgrads (k) der Membran-Elektroden-Einheit mit Schadstoffen auf die Brennstoffzelle ein oxidierendes Halbzellenpotential aufgeprägt wird, indem die Anode einer oxidationsmittelhaltigen Atmosphäre ausgesetzt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regenerierung einer Brennstoffzelle, die eine Membran-Elektroden-Einheit mit einer Anode und einer Kathode, welche durch eine Membran getrennt sind, sowie einen Stromkreis, der ausgelegt ist die Anode und die Kathode elektrisch zu verbinden, umfasst, sowie ein Brennstoffzellensystem, das eingerichtet ist, ein solches durchzuführen.
Brennstoffzellen nutzen die chemische Umsetzung eines Brennstoffs mit Sauerstoff zu Wasser, um elektrische Energie zu erzeugen. Hierfür enthalten Brennstoffzellen als Kernkomponente die sogenannte Membran-Elektroden-Einheit (MEA für membrane electrode assembly), die ein Verbund aus einer ionenleitenden, insbesondere protonenleitenden Membran und jeweils einer beidseitig an der Membran angeordneten Elektrode (Anode und Kathode) ist. Zudem können Gasdiffusionsschichten (GDL) beidseitig der Membran-Elektroden-Einheit an den der Membran abgewandten Seiten der Elektroden angeordnet sein. In der Regel wird die Brennstoffzelle durch eine Vielzahl im Stapel angeordneter MEAs gebildet, deren elektrische Leistungen sich addieren. Im Betrieb der Brennstoffzelle wird der Brennstoff, insbesondere Wasserstoff H₂ oder ein wasserstoffhaltiges Gasgemisch, der Anode zugeführt, wo eine elektrochemische Oxidation von H₂ zu H⁺ unter Abgabe von Elektronen stattfindet. Über den Elektrolyten oder die Membran, welche die Reaktionsräume gasdicht voneinander trennt und elektrisch isoliert, erfolgt ein (wassergebundener oder wasserfreier) Transport der Protonen H⁺ aus dem Anodenraum in den Kathodenraum. Die an der Anode bereitgestellten Elektronen werden über eine elektrische Leitung der Kathode zugeleitet. Der Kathode wird Sauerstoff oder ein sauerstoffhaltiges Gasgemisch zugeführt, sodass eine Reduktion von O₂ zu O^2– unter Aufnahme der Elektronen stattfindet. Gleichzeitig reagieren im Kathodenraum diese Sauerstoffanionen mit den über die Membran transportierten Protonen unter Bildung von Wasser. Durch die direkte Umsetzung von chemischer in elektrische Energie erzielen Brennstoffzellen gegenüber anderen Elektrizitätsgeneratoren aufgrund der Umgehung des Carnot-Faktors einen verbesserten Wirkungsgrad.
Die Leistung von Brennstoffzellen mit Polymerelektrolytmembran (PEM) nimmt häufig mit zunehmender Betriebszeit ab. Eine Ursache dafür ist, dass die in diesen PEM-Brennstoffzellen (PEMFC) eingesetzten Membran-Elektroden-Einheiten (MEA) durch bestimmte chemische und/oder physikalische Vorgänge in ihrer Funktion beeinträchtigt werden. Diese Beeinträchtigung wird allgemein auch als "Degradation" bezeichnet. Ein Vorgang dieser Art ist beispielsweise die Vergiftung der in der MEA eingesetzten Katalysatorschicht der Anode durch zum Beispiel CO, das zum Beispiel aus der Herstellung des Brennstoffs stammt. Dabei koordiniert das CO an eine katalytisch aktive Stelle an der Oberfläche der Katalysatorschicht und macht diese Stelle für die erwünschte Reaktion, das heißt die katalytische Umsetzung des Brennstoffs, unzugänglich. Mit zunehmender CO-Koordination nimmt die katalytische Aktivität des Anoden Katalysators, und damit die Leistung der Brennstoffzelle, zunehmend ab.
Je nach Schadgas ist weniger die Grundbelastung der Umgebungsluft entscheidend als kurzfristige Spitzen, wie sie beispielsweise durch vorausfahrende Fahrzeuge oder in Tunneln auftreten können.
Um die Degradation in der Kathode zu verhindern wird in die Kathodenversorgung eine Filtereinheit eingebaut, die die Schadstoffe des Kathodenbetriebsgases, insbesondere der Luft, herausfiltern. Hiermit können jedoch in aller Regel nur Partikel wie Ruß und andere entzogen werden.
Auf der Anodenseite kommt es ebenfalls zu einer Kontamination des Katalysators mit Schadstoffen. Grund dafür kann beispielsweise die Verwendung eines Reformers zur Herstellung des Brennstoffs, insbesondere Wasserstoff, sein. Wird ein System beispielsweise mit Kohlenwasserstoffen betrieben, entstehen bei der Reformierung aber auch in der Anode Ablagerungen und Verunreinigungen, die zu einer Leistungsdegradation führen. Die wichtigsten Ablagerungen und Verunreinigen sind Ruß, der thermodynamisch aufgrund des chemischen Gleichgewichts abhängig von der Temperatur entsteht, Schwefel, der mit dem Kraftstoff zugeführt wird und höhere Kohlenwasserstoffe, die im Reformer nicht vollständig aufgebrochen werden konnten.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Regeneration der Brennstoffzelle vorzuschlagen, welches die fortschreitende Degradation der Leistungsfähigkeit der Brennstoffzelle reduziert. Insbesondere soll ein Verfahren bereitgestellt werden, welches eine degradierte Anode regeneriert und somit die Leistungsfähigkeit der Brennstoffzelle wieder herstellt.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des ersten unabhängigen Anspruchs gelöst. Somit betrifft ein erster Aspekt der Erfindung ein Verfahren zur Regeneration einer Brennstoffzelle, die eine Membran-Elektroden-Einheit mit einer Anode und einer Kathode umfasst. Die Anode und die Kathode sind durch eine Membran getrennt. Ferner umfasst die Brennstoffzelle einen Stromkreis, der ausgelegt ist, die Anode und die Kathode elektrisch miteinander zu verbinden. Erfindungsgemäß wird in Abhängigkeit eines gemessenen und/oder modellierten Kontaminationsgrads der Membran-Elektroden-Einheit mit Schadstoffen auf die Brennstoffzelle ein oxidierendes Halbzellenpotential aufgeprägt, indem die Anode einer oxidationsmittelhaltigen Atmosphäre ausgesetzt wird.
Der besondere Vorteil dieses Verfahrens liegt darin, dass die Regeneration bei Bedarf, also bei einer hohen Kontamination der Brennstoffzelle mit Schadstoffen durchgeführt wird. Das erfindungsgemäße Verfahren hat ferner den Vorteil, dass keine zusätzlichen Mittel, wie beispielsweise ein Filter, chemische Aufbereitung oder ähnliches, notwendig sind, um die Regeneration durchzuführen. Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich also durch eine flexible automatisierbare Regeneration aus, die nur im Bedarfsfall abläuft.
Ist eine Regeneration aufgrund eines hohen Kontaminationsgrads der Brennstoffzelle mit Schadstoffen notwendig, werden die Schadstoffe durch das oxidierende Halbzellenpotential eliminiert. Das oxidierende Halbzellenpotential wird durch die oxidationsmittelhaltige Atmosphäre im Bereich der Anode, insbesondere in einem Anodenraum erzielt. Wird anschließend die Brennstoffzelle mit den Reaktanden beaufschlagt und ein Stromkreis zwischen Anode und Kathode geschlossen, kommt es zur Bildung einer ungünstigen Reaktandenfront durch die Membran, sodass es zu einer Schädigung der Brennstoffzelle kommen kann. Daher läuft das Verfahren erfindungsgemäß nur ab, wenn die Vorteile der Regeneration die Nachteile durch die Schädigung überwiegen. Die Kontamination der Brennstoffzelle mit Schadstoffen, insbesondere der Kontaminationsgrad, bildet also eine Stellgröße für das erfindungsgemäße Verfahren. Bei Bedarf, also bei Erreichen eines Kontaminationsgrads der Brennstoffzelle mit Schadstoffen, die die Leistungsfähigkeit der Brennstoffzelle reduzieren, gelangt ein Oxidationsmittel in den Bereich der Anode, insbesondere den Anodenraum, welches zu einer Eliminierung der Schadstoffe führt. Da das erfindungsgemäße Verfahren das Einbringen von Oxidationsmittel auf die Anode erfordert, wird das erfindungsgemäße Verfahren mit besonderem Vorteil bei beziehungsweise vor dem Start, also vor der Inbetriebnahme der Brennstoffzelle ausgeführt. Alternativ kann das Verfahren auch bei Wartungsprozessen durchgeführt werden, die einen Neustart des Brennstoffzellensystems vorsehen. Der jeweilige Start mit Oxidationsmittel auf der Anode wird bevorzugt mit hohem Druck und Durchsatz an Brennstoff durchgeführt, sodass die beschriebene Schädigung minimiert wird.
In einer bevorzugten Ausführung des Verfahrens ist vorgesehen, dass die Anode einen Anodenraum umfasst und die oxidationsmittelhaltige Atmosphäre erzeugt wird, indem Kathodengas in den Anodenraum aktiv eingeführt wird oder passiv in diesen gelangt. Der Vorteil dieser Ausführungsform liegt darin, dass das Kathodengas ein Oxidationsmittel für den Brennstoffzellenprozess ist und daher in jedem Brennstoffzellensystem bevorratet ist. Überdies handelt es sich bei dem Kathodengas zumeist um Luft, welche günstig ist und in ausreichendem Maße vorhanden ist und über oxidierenden Sauerstoff verfügt.
Bevorzugt gelangt das Kathodengas aktiv, also durch Einbringen des Kathodengases über eine Leitung in den Anodenraum, oder passiv, also durch Diffusion des Kathodengases durch die Membran von der Kathodenseite auf die Anodenseite, in den Anodenraum.
Allgemein wird versucht, das Vorliegen von Oxidationsmittel, insbesondere Kathodengas, auf der Anodenseite zu verhindern. Insbesondere soll die Ausbildung einer Wasserstoff-Luft-Front verhindert werden. Hierzu sind aus dem Stand der Technik verschiedene Präventionsverfahren bekannt. Bei dem Präventionsverfahren handelt es sich beispielsweise um ein Verfahren, welches beim Herunterfahren der Brennstoffzelle ausgeführt wird und verhindert, dass das Kathodengas auf der Kathodenseite vorliegt und während einer Standby-Zeit in den Anodenraum diffundieren kann. Eine Alternative dazu sieht vor, dass vor dem Start, beispielsweise durch Spülen des Anoden- oder Kathodenraums, sichergestellt wird, dass beim Schließen des Stromkreises keine Potentialdifferenz zwischen Anode und Kathode, aber insbesondere kein oxidatives Halbzellenpotential, an der Brennstoffzelle anliegt.
Umfasst der Betrieb der Brennstoffzelle ein derartiges Präventionsverfahren vor, so wird mit besonderem Vorteil das erfindungsgemäße Verfahren ausgeführt, indem die oxidationsmittelhaltige Atmosphäre im Anodenraum durch Aussetzen des Präventionsverfahrens erzeugt wird. Der besondere Vorteil liegt darin, dass das erfindungsgemäße Verfahren in dieser Ausführungsform sehr einfach umzusetzen ist, beispielsweise indem bei Bedarf ein im Rahmen des Präventionsverfahrens durchzuführender Spülprozess beim Herunterfahren und/oder beim Starten der Brennstoffzelle unterbunden wird. Das Umgehen des Präventionsprogrammes findet ausschließlich bei Bedarf, also bei erhöhtem Kontaminationsgrad der Brennstoffzelle mit Schadstoffen statt, sodass im regulären Betrieb der Brennstoffzelle das Präventionsverfahren weiterhin angewendet wird.
Vorzugsweise wird das Verfahren in bestimmten Zeitintervallen durchgeführt. Dabei wird der Kontaminationsgrad der Brennstoffzelle mit Schadstoffen als proportional zur Zeit angenommen, sodass das Verfahren intervallgesteuert durchgeführt wird. Dabei wird angestrebt, die Intervalle so kurz wie nötig und so lang wie möglich zu wählen, um die Vorteile der Regeneration gegenüber den Nachteilen der oxidationsmittelhaltigen Atmosphäre überwiegen zu lassen. In einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens ist daher vorgesehen, dass die Modellierung des Kontaminationsgrads in Abhängigkeit von der Betriebsdauer (t) der Brennstoffzelle, einer Expositionsdauer der Brennstoffzelle mit Schadstoffen und/oder einem Expositionsgrad der Brennstoffzelle mit Schadstoffen erfolgt.
Die Größe der Zeitintervalle wird dabei mit besonderem Vorteil in Abhängigkeit einer antizipierten und/oder gemessenen Änderung des Kontaminationsgrads geregelt. So werden die Kontaminationsgradänderung und insbesondere der Einfluss der Kontamination auf die Leistungsfähigkeit der Brennstoffzelle, beispielsweise indirekt durch die wiederholte Aufnahme einer Kennlinie der Brennstoffzelle, also einer Strom-Spannungskurve, gemessen.
In besonders bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist somit vorgesehen, dass die Modellierung des Kontaminationsgrads in Abhängigkeit von einer gemessenen Kennlinie der Brennstoffzelle erfolgt. Anhand der Änderungen dieser Kennlinie in Abhängigkeit von der Zeit kann eine Aussage über die Abnahme der Leistungsfähigkeit in diesem Zeitabschnitt getroffen werden. Eine kontinuierliche Leistungsabnahme wird zu einem großen Teil auf die Kontamination der Brennstoffzelle mit Schadstoffen zurückgeführt. Bevorzugt wird aus einer Vielzahl von wiederholten Messungen verschiedener und/oder gleicher Brennstoffzellen ein Modell der Abhängigkeit des Kontaminationsgrads von der Zeit erstellt und damit ein Zeitintervall zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens definiert.
Mit besonderem Vorteil erfolgt die Modellierung des Kontaminationsgrads in Abhängigkeit von der kumulierten Leistung und/oder der Betriebsmittelmassenströme.
Vorzugsweise werden die Kennlinien der Brennstoffzelle während des Betriebs der Brennstoffzelle überwacht, sodass alternativ und/oder zusätzlich eine Reduzierung der Leistungsfähigkeit, welche während des Betriebs der Brennstoffzelle detektiert wird, ein Startsignal für das erfindungsgemäße Verfahren ist.
Die Änderung des Kontaminationsgrads der Brennstoffzellen mit Schadstoffen ist ferner von äußeren Faktoren, wie Temperatur, Luftfeuchte und Luftdruck, und insbesondere von der Kontamination der umgebenden und insbesondere der angesaugten Luft abhängig. Je höher der Schadstoffgehalt in der Luft und je ungünstiger die physikalischen Parameter der Umgebung, desto schneller wird ein Kontaminationsgrad der Brennstoffzelle mit Schadstoffen erreicht, welcher die Leistungsfähigkeit der Brennstoffzelle deutlich reduziert. In besonders bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist daher vorgesehen, dass die Modellierung des Kontaminationsgrads der Membran-Elektroden-Einheit in Abhängigkeit eines äußeren Parameters, insbesondere eines klimatischen und/oder geographischen Parameters und/oder einer Schadstoffkontamination der umgebenden Luft erfolgt. Diese äußeren Parameter können wiederum gemessen oder aber auch über Modelle bestimmt werden. Beispielsweise wird die Schadstoffbelastung der Luft an bestimmten geografischen Punkten, wie Metropolen oder außerhalb bestimmter Metropolen, bestimmt und in einem Modell zur Bestimmung des Kontaminationsgrads hinterlegt. Befindet sich die Brennstoffzelle in einer bestimmten geografischen Region, kann auf diese Daten zurückgegriffen werden und ein Zeitintervall zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens in Abhängigkeit von der Schadstoffbelastung der Umgebung definiert beziehungsweise angepasst werden. Ist die Brennstoffzelle beispielsweise in einem Fahrzeug verbaut, so kann per GPS-Signal der Aufenthaltsort des Fahrzeugs festgestellt werden und zur Berechnung der Entwicklung des Kontaminationsgrads in Abhängigkeit von der Zeit auf die eben beschriebenen Modelle zurückgegriffen werden. Alternativ oder zusätzlich kann der bei der Fahrzeugzulassung angegebene hauptsächliche Aufenthaltsort des Fahrzeugs über die Wahl der Modelle angenommen werden. Wird der Kontaminationsgrad der Brennstoffzelle in Abhängigkeit von der Zeit und damit das Zeitintervall für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß dieser Ausgestaltung der Erfindung bestimmt, so können sehr gute Annahmen getroffen werden, da die größten Einflussfaktoren auf die Schadstoffkontamination der umgebenden Luft bei der Bestimmung berücksichtigt werden. Somit kann auch ohne zeitgenaue Messung der Schadstoffkontamination der umgebenden Luft, insbesondere bei Verwendung von GPS- und/oder Wetterdaten, eine flexible und automatisierbar ablaufende Regeneration der Brennstoffzelle mit dem erfindungsgemäßen Verfahren durchgeführt werden.
Mit besonderem Vorteil wird alternativ oder zusätzlich die Schadstoffkontamination in der direkten Umgebung des Brennstoffzellensystems gemessen. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn ein mit einer Brennstoffzelle betriebenes Fahrzeug in eine Verkehrssituation gerät, in der insbesondere im Ansaugbereich der Luft abschnittsweise eine erhöhte und insbesondere stark erhöhte Schadstoffkonzentration vorliegt. Derartige Situationen können sich beispielsweise ergeben, wenn ein Fahrzeug in einen Tunnel fährt und/oder im Stau beziehungsweise auf Stop-and-Go-Strecken sehr nah an ein voraus fahrendes Auto auffährt und dessen Schadstoffemission ausgesetzt ist. Mit besonderem Vorteil findet die Messung der Schadstoffkontamination in der direkten Umgebung des Brennstoffzellensystems, insbesondere im Betriebsraum des Fahrzeugs, vorzugsweise in der Nähe der Ansaugstelle der Luft statt.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem, das eingerichtet ist, das erfindungsgemäße Verfahren durchzuführen. Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem weist insbesondere eine Steuereinheit auf, die in bestimmten Zeitintervallen Steuersignale zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens an die Brennstoffzelle übermittelt und insbesondere aus übermittelten berechneten und/oder gemessenen Werten für den Kontaminationsgrad Zeitintervalle zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens anpasst, also verkürzt oder verlängert. Mit besonderem Vorteil verfügt die Steuereinheit ferner über eine Verbindung zur Datenübermittlung von äußeren Parametern, wie beispielsweise klimatischen und/oder geografischen Parametern. Alternativ oder zusätzlich sind in der Steuereinheit Modelle hinterlegt, welche die Schadstoffkontamination der Umgebung und/oder die erwartete Kontaminationsgradänderung in Abhängigkeit von der Zeit beinhalten.
Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.
Die verschiedenen in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar.
Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
1 eine, eine Vielzahl von Einzelzellen umfassende Brennstoffzelle;
2 eine schematische Schnittdarstellung einer Einzelzelle der Brennstoffzelle aus 1 mit einer Membran-Elektroden-Einheit; und
3 eine graphische Darstellung des zeitlichen Verlaufs einer Abfolge von Betriebszuständen einer Brennstoffzelle sowie der Kontaminationsgrad der Brennstoffzelle mit Schadstoffen in dieser Zeit.
In 1 ist zur Einordnung des Verfahrens eine Brennstoffzelle 10 dargestellt, die eine Vielzahl in Reihe geschalteter Einzelzellen 12 umfasst, von denen eine einzelne in 2 näher dargestellt ist. Jede Einzelzelle 12 weist eine Membran-Elektroden-Einheit 14 (MEA) auf, die jeweils eine protonenleitende Polymerelektrolytmembran 16 umfasst, sowie zwei sandwichartig an die beiden äußeren Membranflächen anschließende Elektroden 18, 20, nämlich eine Anode 18 und eine Kathode 20. Ferner umfassen die Einzelzellen 12 zwischen jeweils zwei MEA 14 angeordnete Bipolarplatten 22, die beidseitig den MEA-Verbund elektrisch kontaktieren und für die Zuleitung der Prozessgase sowie die Ableitung des Produktwassers sorgen. Zudem trennen sie die einzelnen MEA 14 im Brennstoffzellenstapel 10 weitgehend gasdicht voneinander. Die Bipolarplatten 22 weisen eine Vielzahl von inneren Transportkanälen auf, die der Zufuhr der Reaktionsgase (im Fall der Anode Wasserstoff und im Fall der Kathode Sauerstoff beziehungsweise Luft) und kathodenseitig ferner der Abfuhr des Produktwassers dienen. Materialien zur Abdichtung und Stabilisierung der MEA 14 sind nicht dargestellt.
Die Brennstoffzelle 10 weist ferner Brennstoffzuleitungen 24 auf, welche den Bipolarplatten 22 Brennstoff, vorzugsweise Wasserstoffgas zuführen. Ein inneres anodenseitiges Kanalsystem der Bipolarplatten 22 leitet den zugeführten Wasserstoff H₂ den Anoden 18 der Membran-Elektroden-Einheiten 14 zu, wo dieser zu Protonen H⁺ oxidiert wird. Über Wasserstoffableitungen 26, die mit einem weiteren anodenseitigen inneren Kanalsystem der Bipolarplatten 22 in Verbindung stehen, wird der unverbrauchte Restwasserstoff (und durch die Membran 16 diffundiertes Produktwasser) ab- und in den Kreislauf zurückgeführt. Ferner sind Luftzuleitungen 28 vorgesehen, mit denen Luft und damit Sauerstoff zu den Bipolarplatten 22 und von dort über ein kathodenseitiges Kanalsystem derselben den Kathoden 20 zugeleitet wird. Über ein weiteres kathodenseitiges Kanalsystem der Bipolarplatten 22 und daran angeschlossene Luftableitungen 30 erfolgt die Ableitung der restlichen Luft und des Produktwassers. Der Stapel aus den Einzelzellen 12 wird seitlich von Endplatten 32 begrenzt. Nicht dargestellt in 1 sind weitere Komponenten der Brennstoffzelle 10, beispielsweise ein Kühlsystem, Pumpen, Ventile und dergleichen.
In 2 ist exemplarisch ein Beispiel für eine Brennstoffzelle angegeben. Wie aus 2 hervorgeht, umfassen die beiden Elektroden 18, 20 bevorzugt jeweils eine mikroporöse Katalysatorschicht 34, welche die Polymerelektrolytmembran 16 beidseitig kontaktiert. Die Katalysatorschichten 34 Anode 34a und Kathode 34b enthalten als eigentlich reaktive Zentren der Elektroden ein katalytisches Material, bei dem es sich in der Regel um ein Edelmetall handelt, wie Platin, Iridium oder Ruthenium oder um Übergangsmetalle, wie Chrom, Cobalt, Nickel, Eisen, Vanadium oder Zinn, oder Mischungen oder Legierungen von diesen. Die katalytische Substanz liegt auf einem porösen Kohlenstoffträger fixiert vor. Im dargestellten Beispiel sind die Elektroden 18, 20 als Gasdiffusionselektroden ausgestaltet, die jeweils eine Gasdiffusionsschicht (GDL für gas diffusion layer) 36 umfassen, die an den jeweils äußeren, von der Polymermembran 16 abgewandten Flächen der Katalysatorschichten 34 anschließen. Funktion der GDL 36 ist es, eine gleichmäßige Anströmung der Katalysatorschichten 34 mit den Reaktionsgasen Sauerstoff beziehungsweise Luft auf der Kathodenseite und Wasserstoff auf der Anodenseite zu gewährleisten. In alternativer Ausgestaltung können die mikroporösen Katalysatorschichten 34 statt auf der GDL 18, 20 auch direkt auf der Membranoberfläche aufgetragen sein.
Wird Wasserstoff nach einer Betriebspause der Brennstoffzelle 10 erneut eingeleitet, bildet sich eine Wasserstoff-/Luft-Front 37 aus, die durch eine gestrichelte Linie angedeutet ist.
Die Front 37 bildet sich aus, wenn sich, beispielsweise nach einer Betriebspause der Brennstoffzelle 10, im Bereich der Anode 18 und natürlich auch im Bereich der Kathode 20 Sauerstoff angereichert hat beziehungsweise sich ohnehin befindet. Im Bereich der Zuleitung zu der Anode 18 befindet sich durch erneute Einleitung von Wasserstoff bereits Wasserstoff, während die anderen Bereiche, insbesondere der eine Bereich der Anode 18 sauerstoffhaltiges Gas aufweisen. Hieraus ergibt sich unter anderem eine zu vermeidende irreversible Kohlenstoffkorrosion sowie eine Oxidation des Katalysators, was zur Degradation der Leistungsfähigkeit der Brennstoffzelle führt. Die Ausbildung der Front 37 wird durch verschiedene Präventionsverfahren vermieden. Dennoch reduziert sich die Leistungsfähigkeit der Brennstoffzelle, da der Katalysatordurch Besetzung von Molekülen blockiert und damit inaktiviert wird.
Die 3 zeigt eine graphische Darstellung den zeitlichen Verlauf einer Abfolge von Betriebszuständen einer Brennstoffzelle sowie der Kontaminationsgrad der Brennstoffzelle mit Schadstoffen in dieser Zeit. Im Diagramm der Figur sind im oberen Teil die Betriebszustände ein (1) und aus/stand-by (0) in Abhängigkeit von der Betriebsdauer (t) dargestellt. Die Längen der einzelnen Abschnitte sind dabei nur schematisch und lassen keine Rückschlüsse auf die tatsächliche Dauer der einzelnen Abschnitte oder zeitliche Relationen von einzelnen Abschnitten zueinander zu. Vielmehr soll eine prinzipielle Abfolge dargestellt werden.
Die vertikalen Verbindungslinien stellen Start- (b) und Abfahr (a)-Verfahren dar. Im gezeigten Beispiel beinhaltet das Startverfahren (b) ein Präventionsverfahren (c), welches verhindert, dass zu einem Zeitpunkt während des Startverfahrens (b), in dem die Brennstoffzellenreaktion startet, ein oxidatives Halbzellenpotential an der Brennstoffzelle anliegt. Ein derartiges Präventionsverfahren (c) kann auch Teil des Abfahrverfahrens (a) sein (hier nicht gezeigt).
Im unteren Teil der Graphik ist gegen denselben Zeitabschnitt (t) ein Kontaminationsgrad k einer Membran-Elektroden-Einheit der Brennstoffzelle dargestellt. Der Kontaminationsgrad nimmt proportional mit der Betriebsdauer (t) zu. Zu einem Zeitpunkt t_s wird ein definierter Kontaminationsgrad k_s erreicht, der das erfindungsgemäße Verfahren auslöst. In der gezeigten Darstellung wird das erfindungsgemäße Verfahren ausgelöst, indem das Präventionsverfahren (c) umgangen wird, also nicht stattfindet.
Durch das Umgehen des Präventionsverfahrens (c) am Zeitpunkt t_s wird nicht verhindert, dass Kathodengas in den Anodenraum gelangt. Es bildet sich ein oxidierendes Halbzellenpotential aus, wodurch die Schadstoffe in der Membran-Elektroden-Einheit eliminiert werden.
Damit nimmt der Kontaminationsgrad nach Ausführen des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Zeitpunkt t_s deutlich ab. Anschließend findet die Abfolge von Abfahr- (a), Start- (b) und Präventionsverfahren (c) wieder in der zuvor beschriebenen Reihenfolge statt, bis erneut der Schwellenwert k_s des Kontaminationsgrads erreicht wird und das erfindungsgemäße Verfahren erneut durchlaufen wird.
Bezugszeichenliste

10: Brennstoffzelle
12: Einzelzelle
13: Stromkreis
14: Membran-Elektroden-Einheit
16: Polymerelektrolytmembran
18: Elektrode/Anode
20: Elektrode/Kathode
22: Bipolarplatte
24: Wasserstoffzuleitung
26: Wasserstoffableitung
28: Luftzuleitung
30: Luftableitung
32: Endplatten
34a: Katalysatorschicht /Anode
34b: Katalysatorschicht /Kathode
36: Gasdiffusionsschicht GDL
37: Front
a: Abfahrverfahren
b: Startverfahren
c: Präventionsverfahren
t: Betriebsdauer der Brennstoffzelle
k_s: Schwellenwert des Kontaminationsgrads
t_s: Zeitpunkt zum Erreichen des Schwellenwerts

Claims

Verfahren zur Regeneration einer Brennstoffzelle (10), die eine Membran-Elektroden-Einheit (14) mit einer Anode (34a) und einer Kathode (34b), welche durch eine Membran getrennt sind, sowie einen Stromkreis (13), der ausgelegt ist, die Anode (34a) und die Kathode (34b) elektrisch zu verbinden, umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit eines gemessenen und/oder modellierten Kontaminationsgrads (k) der Membran-Elektroden-Einheit (14) mit Schadstoffen auf die Brennstoffzelle (10) ein oxidierendes Halbzellenpotential aufgeprägt wird, indem die Anode (34a) einer oxidationsmittelhaltigen Atmosphäre ausgesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren beim Start (b) einer Brennstoffzelle (10) durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anode (34a) einen Anodenraum umfasst und die oxidationsmittelhaltige Atmosphäre erreicht wird, indem Kathodengas in den Anodenraum aktiv eingeführt wird oder passiv in diesen gelangt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Betrieb der Brennstoffzelle (10) ein Präventionsverfahren umfasst, welches ausgelegt ist, eine oxidationsmittelhaltige Atmosphäre an der Anode zu verhindern, und die oxidationsmittelhaltige Atmosphäre durch Aussetzen des Präventionsverfahrens erzeugt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Modellierung des Kontaminationsgrads (k) in Abhängigkeit von der Betriebsdauer (t) der Brennstoffzelle, einer Expositionsdauer der Brennstoffzelle mit Schadstoffen und/oder einem Expositionsgrad der Brennstoffzelle mit Schadstoffen erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Modellierung des Kontaminationsgrad (k) in Abhängigkeit von der kumulierten Leistung und/oder der Betriebsmassenströme erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die die Modellierung des Kontaminationsgrad (k) in Abhängigkeit von einer gemessenen Kennlinie der Brennstoffzelle erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Modellierung des Kontaminationsgrads (k) der Membran-Elektroden-Einheit (14) in Abhängigkeit eines äußeren Parameters, insbesondere eines klimatischen Parameters, geographischen Parameters und/oder einer Schadstoffkontamination der umgebenden Luft, erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Schadstoffkontamination in der direkten Umgebung des Brennstoffzellensystems gemessen wird.
Brennstoffzellensystem, das eingerichtet ist das Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche auszuführen.