DE102013203310A1 - Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzelle - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzelle, welche eine Kathode, eine Anode, einer Membran und ggf. einen Kühlkanal aufweist. Um die negativen Folgen auf die Lebensdauer einer Brennstoffzelle zu verhindern oder mindestens zu mildern, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass bei jedem Startup- und/oder Shutdown-Vorgang ein geringes Volumen von Inertgas als Trennung der beiden Gasfronten eingesetzt werden kann, so dass das Inertgas den aus Diffusionsvorgängen vorhandenen Sauerstoff aus der Anode und/oder der Kathode verdrängt.
Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzelle, welche eine Kathode, eine Anode, eine Membran und ggf. einen Kühlkanal aufweist.
- Beim Betrieb von Brennstoffzellen in Fahrzeugen gibt es zum Shutdown- und zum Startup-Vorgang unterschiedliche Strategien. Aber letztendlich führen die im Brennstoffzellenstapel verbleibenden Restgase Wasserstoff und Sauerstoff immer zu Reaktionen mit der Platin-Trägerstruktur (Kohlenstoff) und erzeugen CO2. Dies geschieht an der Grenzfläche zwischen den beiden Gasen, dem Katalysator und dem Kohlenstoffträger. Durch diese Reaktion geht der Träger für das Platin verloren. Es wird ausgespült, und damit die verfügbaren Reaktionszonen reduziert. Der umgekehrte Prozess findet aber auch beim nächsten Startup-Vorgang statt. Um im Prüfstandsbetrieb eine längere Lebensdauer des Brennstoffzellenstapels zu erreichen, werden die Brennstoffzellen daher mit Stickstoff gespült, um den direkten Kontakt der Reaktionspartner zu vermeiden. Im Fahrzeug ist diese Variante bisher nur durch Einsatz einer zusätzlichen Stickstoffflasche für das Spülen diskutiert worden.
- Durch den Verlust von Reaktionszonen bei jedem Startup- und Shutdown-Vorgang wird der Wirkungsgrad des gesamten Systems zwar gering, aber doch merklich, reduziert. Außerdem geht Platin verloren, das sonst am Ende der Brennstoffzellenlebensdauer im Recyclingprozess wieder zurückgewonnen werden könnte. Eine zusätzliche Stickstoffflasche erhöht aber die Komplexität nicht nur des Fahrzeugs selbst, sondern auch für den Kunden (zusätzliches Tanken von Stickstoff) und führt außerdem zu einem erheblich höheren Gewicht und Volumen des gesamten Systems.
- Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die negativen Folgen auf die Lebensdauer einer Brennstoffzelle zu verhindern oder mindestens zu mildern.
- Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzelle, welche eine Kathode, eine Anode, einer Membran und ggf. einen Kühlkanal aufweist, erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass bei jedem Startup- und/oder Shutdown-Vorgang ein geringes Volumen von Inertgas als Trennung der beiden Gasfronten eingesetzt werden kann, so dass das Inertgas den aus Diffusionsvorgängen vorhandenen Sauerstoff aus der Anode und/oder der Kathode verdrängt und dass das Inertgas durch Prozesse, die im Rahmen des Brennstoffzellenbetriebes notwendigerweise stattfinden, erzeugt wird.
- Mit dieser Maßnahme kann die Lebensdauer einer Brennstoffzelle erheblich gesteigert werden, und dies vor allem bei Brennstoffzellen im intermittierenden Betrieb mit vielen Starts und Stopps, aber auch bei längeren Stillstandszeiten. Zudem wird durch die Spülung der Anode der Wasserstoff kontrolliert ausgetragen und kann nicht durch kleinste, normalerweise nicht sicherheitsrelevante Undichtigkeitsstellen austreten. Dadurch wird eine ungewollte Wasserstoffanreicherung im Fahrzeug vermieden. Darüber hinaus ist es auch nicht erforderlich Inertgas mitführen zu müssen, da das Inertgas durch Prozesse, die im Rahmen des Brennstoffzellenbetriebes generiert werden, erzeugt wird.
- Die Unteransprüche beinhalten vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung.
- Das erfindungsgemäße Verfahren wird vorteilhafterweise nach einer längeren Stillstandsphase der Brennstoffzelle durchgeführt.
- Als Inertgas wird vorzugsweise Stickstoff, Argon und/oder CO2 verwendet. Im Folgenden wird die Verwendung von Stickstoff skizziert.
- Dies kann auf verschiedene Arten geschehen. Zum einen kann die Brennstoffzelle kurzzeitig mit einem stöchiometrischen Mischungsverhältnis von ca. 1 und/oder < 1 (Lambda = 1) betrieben und die dabei anfallende und fast ausschließlich aus Inertgasen bestehende Abluft in einem Vorratsbehälter aufgefangen und beim nächsten Startvorgang zum Fluten der Anode und/oder der Kathode verwendet werden.
- Zusätzlich kann auch das in der Abluft in Form von Dampf vorhandene Wasser kondensiert in einem Vorratsbehälter gespeichert werden.
- Dieses Wasser kann gemäß einer bevorzugten Weiterbildung bei einem Startup-Vorgang der Brennstoffzelle bei hohen Temperaturen an die Membran gebracht werden, bevor die Membran sich durch das beim Betrieb der Brennstoffzelle entstehende Wasser selbst befeuchtet.
- Bei einem Startup-Vorgang der Brennstoffzelle bei niedrigen Temperaturen, bei denen das Wasser in flüssiger oder fester Form vorliegt, verbleibt das Wasser dagegen in dem Vorratsbehälter.
- Eine alternative Möglichkeit zur Gewinnung des Inertgases sieht vor, dass der Stickstoff über eine Stickstoffabscheidungseinheit abgeschieden und in einem Vorratsbehälter gesammelt wird.
- Alternativ kann der Stickstoff auch als Abfallprodukt einer Sauerstoffanreicherungseinheit bereitgestellt und in einem Vorratsbehälter gesammelt werden.
- Gemäß einer weiteren Alternative kann der Stickstoff aus der beim Betrieb der Brennstoffzelle entstehenden Prozessluft abgeschieden und in einem Vorratsbehälter gesammelt werden.
- Weiterhin kann der Stickstoff über eine Abscheidungseinheit direkt aus der Umgebungsluft abgeschieden und in einem Vorratsbehälter gesammelt werden.
- Gemäß einer weiteren Alternative kann das Inertgas durch eine Verringerung des Sauerstoffs der Luft erzeugt werden. Dabei erfolgt die Verringerung des Sauerstoffs der Luft beim Betrieb der Brennstoffzelle, durch Verbrennung z. B. in einer Brennkammer, durch eine katalytische Verbrennung, eine zusätzlich Mini-Brennstoffzelle, Oxidationsprozesse o. dgl.
- Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung kann beim Startup-Vorgang zusätzlich Wasserstoff zugeführt werden. Auch das Zuführen von Luft beim Shutdown-Vorgang ist möglich.
- Wenn mehrere Brennstoffzellen zu einem Brennstoffzellenstapel zusammengefasst sind, kann bei jedem Startup-Vorgang und/oder Shutdown-Vorgang die Anode (
3 ) und/oder die Kathode (2 ) bei Bedarf mit einem Inertgas geflutet werden. - Eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann eine der Brennstoffzelle zugeordnete Stickstoffabscheidungseinheit aufweisen.
- Alternativ kann auch eine Sauerstoffanreicherungseinheit vorgesehen sein. Weiterhin alternativ kann der Brennstoffzelle auch eine Brennkammer zugeordnet ist, insbes. dann, wenn die Sauerstoffreduktion beim Betrieb der Bernstoffzelle, durch Verbrennung z. B. in einer Brennkammer, durch eine katalytische Verbrennung, eine zusätzlich Mini-Brennstoffzelle, Oxidationsprozesse o. dgl. erfolgt.
- Je nach Bedarf kann auch ein Vorratsbehälter für das Inertgas vorhanden sein.
- Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich besonders für den Einsatz in einem Kraftfahrzeug
- Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung anhand der Zeichnungen. Es zeigen:
-
1 eine schematische Ansicht einer Brennstoffzelle, bei welcher das Fluten der Anode mit Stickstoff aus der Kathode oder einer Sauerstoffanreicherungseinheit erfolgt, und -
2 eine schematische Ansicht einer Brennstoffzelle, bei welcher das Fluten der Kathode mit Stickstoff aus einem Vorratsbehälter erfolgt. - In den Figuren sind nur die hier interessierenden Teile der Brennstoffzelle dargestellt, alle übrigen Elemente sind der Übersichtlichkeit halber weggelassen.
- In beiden Figuren ist die Brennstoffzelle
1 bzw. ein Brennstoffzellenstapel durch eine Kathode2 , eine Anode3 und einen dazwischen liegenden Kühlkanal4 symbolisiert. Die Katode2 ist mit einer Luftversorgung5 , die Anode3 mit einer Wasserstoffversorgung6 und der Kühlkanal4 mit einer Kühlwasserversorgung7 verbunden. - In dem an der Abflussseite der Anode
3 vorgesehenen Wasserstoffabfluss8 ist ein Spülventil9 vorgesehen. Weiterhin kann zwischen der Abflussseite der Anode3 und dem Spülventil9 eine Rezirkulationsleitung10 vorgesehen sein, welche über eine Venturidüse oder Rezirkulationspumpe11 in die Wasserstoffversorgung6 mündet. - Weiterhin kann in der Luftversorgung
5 ein Druckförderer12 , z. B. ein Kompressor, ein Lüfter o. dgl. angeordnet sein. - Gemäß einer ersten, in
1 dargestellten Ausführungsform erfolgt das Fluten der Anode3 mit Stickstoff aus der Kathode2 oder aus einer Sauerstoffanreicherungseinheit13 . - Um die Anode
3 mit Stickstoff aus der Kathode2 zu fluten, ist die Abgasleitung14 der Kathode3 über ein Ventil15 mit einem Vorratsbehälter16 verbunden, in dem aus dem Abgas der Kathode2 gewonnener Stickstoff gespeichert werden kann. Der Vorratsbehälter16 wiederum ist über ein Ventil17 an die Wasserstoffversorgung6 angeschlossen. - Um die Anode
3 mit Stickstoff aus der Sauerstoffanreicherungseinheit13 zu fluten, ist die Sauerstoffanreicherungseinheit13 in einer Bypassleitung18 der Luftversorgung5 angeordnet und über einen Sauerstoffejektor19 mit dieser verbunden. - Von der Sauerstoffanreicherungseinheit
13 führt eine Stickstoffleitung20 entweder zu dem Vorratsbehälter16 oder direkt in die Wasserstoffversorgung6 . - Um die Anode
3 mit Stickstoff zu fluten, kann somit Stickstoff, der aus dem Abgas der Kathode2 gewonnen wurde, entweder unter Zwischenlagerung in dem Vorratsbehälter16 oder direkt in die Anode3 eingespeist werden. - Sofern der Stickstoff als Abfallprodukt der Sauerstoffanreicherungseinheit
13 erzeugt wurde, kann dieser ebenfalls entweder unter Zwischenlagerung in dem Vorratsbehälter16 oder direkt in die Anode3 eingespeist werden - In
2 ist eine zweite Ausführungsform dargestellt, bei welcher die Kathode2 mit Stickstoff aus einem Vorratsbehälter21 geflutet werden kann. Dieser Vorratsbehälter21 ist zwischen zwei Ventilen22 ,23 in einer Leitung24 angeordnet, welche die Abgasleitung14 mit der Luftversorgung5 verbindet. In der Luftversorgung5 bzw. der Abgasleitung14 kann noch ein Ventil25 bzw.26 vorgesehen sein, um diese zu sperren. - Der Stickstoff kann auch bei dieser Ausführungsform aus dem Abgas der Kathode
2 gewonnen werden. - Somit kann Stickstoff aus dem Vorratsbehälter
21 in die Kathode2 eingeleitet werden, um diese zu fluten. - Die Erfindung beschreibt somit ein Verfahren, bei dem zur Verhinderung bzw. Milderung der negativen Folgen der Start-/Stopp-Vorgänge auf die Lebensdauer einer Brennstoffzelle
1 vor jedem Startup-Vorgang (vor allem nach einer längeren Stillstandsphase) die Anode3 , also die Wasserstoffseite, und/oder die Kathode2 mit Stickstoff, einem anderen Inertgas (z. B. Argon) und/oder CO2 geflutet wird. Dazu wird gleichzeitig das Spülventil9 geöffnet. - Der einströmende Stickstoff verdrängt dabei den vorhandenen Sauerstoff aus der Anode
3 bzw. der Kathode2 . - Der oben erwähnte Stickstoff kann dabei aus unterschiedlichen Quellen stammen. Idealerweise kann er aber durch Prozesse, die im Rahmen des Brennstoffzellenbetriebs notwendigerweise stattfinden, erzeugt werden.
- Beispielsweise kann die Brennstoffzelle
1 z. B. kurzzeitig mit stöchiometrischen Mischungsverhältnis von ca. 1 und/oder < 1, insbesondere 1 (Lambda = 1) betrieben werden. Die dann entstehende Abluft besteht fast ausschließlich aus Inertgasen (hauptsächlich Stickstoff, aber auch Argon und diverse Restgase). Dieses Gemisch kann dann in einem Vorratsbehälter aufgefangen und beim nächsten Startup-Vorgang benutzt werden. - Das Gemisch enthält außerdem in einer relativ hohen Konzentration Wasser in Form von Dampf aus der H2/O2-Reaktion, das auch in einem Vorratsbehälter gespeichert werden kann. Beim Startup-Vorgang mit hohen Temperaturen kann dadurch schon Wasser an die Membran der Brennstoffzelle
1 gebracht werden, bevor die Membran sich durch das bei der Reaktion entstehende Wasser selbst befeuchten muss. - Bei niedrigen Temperaturen liegt das Wasser jedoch in flüssiger oder auch fester Form vor und verbleibt daher im Vorratsbehälter. Das Wasser kann ggf. durch ein Ventil o. dgl. aus dem Vorratsbehälter abgelassen werden. Eine andere Möglichkeit besteht darin, Luft durch den Vorratsbehälter zuzuführen, um dadurch das Wasser aus dem Vorratsbehälter zu entfernen.
- Eine zweite Variante ist die Bereitstellung über eine Stickstoffabscheidungseinheit, aber auch als „Abfallprodukt” einer Sauerstoffanreicherungseinheit
13 . In jedem Fall wird im Betrieb ein Teil des Stickstoffs aus der Prozessluft abgeschieden und einem Vorratsbehälter16 mit einem verfügbaren Prozessdruck von z. B. 2 bar, zugeführt. Beim Shutdown-Vorgang wird Stickstoff entnommen, wodurch sich der Druck im Vorratsbehälter16 auf z. B. 1,6 bar verringert. Beim Startup-Vorgang wird der restliche im Vorratsbehälter16 vorhandene Stickstoff verwendet, was zu einer weiteren Verringerung des Drucks im Vorratsbehälter16 auf z. B. 1,1 bar führt,. - Aus diesem Vorrat wird dann sowohl der Spülvorgang beim Shutdown-Vorgang (Druck z. B. 2,0–1,6 bar) und beim nächsten Startup-Vorgang (Druck z. B. 1.5–1,1 bar) realisiert.
- Die Stickstoffspülung kann in Form einer Stickstoffwand stattfinden. Um beim Startup-Vorgang den Stickstoff komplett durch die Brennstoffzelle
1 zu fördern, muss hierbei noch Wasserstoff aus dem Wasserstoffvorrat eingesetzt werden. Beim Shutdown-Vorgang geschieht dies mit Luft, für die der Druckförderer12 aktiviert werden muss. - Wenn ausreichend viel Stickstoff erzeugt werden kann, kann auch ein aus mehreren Brennstoffzellen
1 bestehende Brennstoffzellenstapel komplett mit Stickstoff durchströmt werden. - Die erste Variante hat den Vorteil eines geringen Volumens für den Vorratsbehälter, die zweite Variante dagegen ist einfacher zu realisieren.
- Der Stickstoff kann über eine Abscheidungseinheit ggf. auch direkt aus der Umgebungsluft gewonnen werden und während des Startup-Vorgangs durch den Brennstoffzellenstapel geführt werden. Auch in diesem Fall kann der ebenfalls gewonnene Sauerstoff kathodenseitig verwendet werden.
- Das „Fluten” kann nicht nur anodenseitig, sondern auch auf der Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels oder auf beiden Seiten stattfinden.
- Die vorhergehende Beschreibung der vorliegenden Erfindung dient nur zu illustrativen Zwecken und nicht zum Zwecke der Beschränkung der Erfindung. Im Rahmen der Erfindung sind verschiedene Änderungen und Modifikationen möglich, ohne den Umfang der Erfindung sowie ihrer Äquivalente zu verlassen.
- Bezugszeichenliste
-
- 1
- Brennstoffzellensystem
- 2
- Kathode
- 3
- Kühlkanal
- 4
- Anode
- 5
- Luftversorgung
- 6
- Wasserstoffversorgung
- 7
- Kühlwasserversorgung
- 8
- Wasserstoffabfluss
- 9
- Spülventil
- 10
- Rezirkulationsleitung
- 11
- Venturidüse oder Rezirkulationspumpe
- 12
- Druckförderer
- 13
- Sauerstoffanreicherungseinheit
- 14
- Abgasleitung
- 15
- Ventil
- 16
- Vorratsbehälter
- 17
- Ventil
- 18
- Bypassleitung
- 19
- Sauerstoffejektor
- 20
- Stickstoffleitung
- 21
- Vorratsbehälter
- 22
- Ventil
- 23
- Ventil
- 24
- Leitung
- 25
- Ventil
- 26
- Ventil
Claims (21)
- Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzelle, welche eine Kathode, eine Anode, einer Membran und ggf. einen Kühlkanal aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass bei jedem Startup- und/oder Shutdown-Vorgang ein geringes Volumen von Inertgas als Trennung der beiden Gasfronten eingesetzt werden kann, so dass das Inertgas den aus Diffusionsvorgängen vorhandenen Sauerstoff aus der Anode (
3 ) und/oder der Kathode (2 ) verdrängt. - Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluten insbes. nach einer längeren Stillstandsphase durchgeführt wird.
- Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Inertgas Stickstoff, Argon und/oder CO2 verwendet wird.
- Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzelle (
1 ) kurzzeitig mit einem stöchiometrischen Mischungsverhältnis von ca. 1 und/oder < 1 betrieben wird und dass die dabei anfallende und fast ausschließlich aus Inertgasen bestehende Abluft in einem Vorratsbehälter (16 ) aufgefangen und beim nächsten Startvorgang zum Fluten der Anode (3 ) und/oder der Kathode (2 ) verwendet wird. - Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das in der Abluft in Form von Dampf vorhandene Wasser kondensiert ebenfalls in einem Vorratsbehälter gespeichert wird.
- Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Wasser bei einem Startup-Vorgang der Brennstoffzelle (
1 ) bei hohen Temperaturen an die Membran gebracht wird, bevor die Membran sich durch das beim Betrieb der Brennstoffzelle (1 ) entstehende Wasser selbst befeuchtet. - Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Wasser beim Startup-Vorgang der Brennstoffzelle (
1 ) bei niedrigen Temperaturen, bei denen das Wasser in flüssiger oder fester Form vorliegt, in dem Vorratsbehälter verbleibt. - Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Stickstoff über eine Stickstoffabscheidungseinheit abgeschieden und in einem Vorratsbehälter gesammelt wird.
- Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Stickstoff als Abfallprodukt einer Sauerstoffanreicherungseinheit (
13 ) bereitgestellt und in einem Vorratsbehälter gesammelt wird. - Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Stickstoff aus der beim Betrieb der Brennstoffzelle (
1 ) entstehenden Prozessluft abgeschieden und in einem Vorratsbehälter gesammelt wird. - Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Stickstoff über eine Abscheidungseinheit direkt aus der Umgebungsluft abgeschieden und in einem Vorratsbehälter gesammelt wird.
- Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Inertgas durch eine Verringerung des Sauerstoffs der Luft bereitgestellt wird.
- Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Verringerung des Sauerstoffs der Luft beim Betrieb der Bernstoffzelle, durch Verbrennung z. B. in einer Brennkammer, durch eine katalytische Verbrennung, eine zusätzlich Mini-Brennstoffzelle, Oxidationsprozesse o. dgl. erfolgt.
- Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beim Startup-Vorgang zusätzlich Wasserstoff zugeführt wird.
- Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beim Startup- und beim Shutdown-Vorgang die Anode und/oder die Kathode bei Bedarf mit einem Inertgas geflutet wird.
- Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der gesamte aus mehreren Brennstoffzellen bestehende Brennstoffzellenstapel bei jedem Startup-Vorgang und/oder Shutdown-Vorgang mit einem Inertgas geflutet wird.
- Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoffzelle eine Stickstoffabscheidungseinheit zugeordnet ist.
- Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoffzelle eine Sauerstoffanreicherungseinheit zugeordnet ist.
- Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoffzelle eine Brennkammer zugeordnet ist.
- Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoffzelle ein Vorratsbehälter für das Inertgas zugeordnet ist.
- Kraftfahrzeug mit einer Brennstoffzelle, wobei die Brennstoffzelle nach dem vorbeschriebenen Verfahren betrieben wird.
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Applications Claiming Priority (1)
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DE102013203310.9A DE102013203310A1 (de) | 2013-02-27 | 2013-02-27 | Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzelle |
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