Der Schwerpunkt der bisherigen Entwicklungen lag meist auf der Membran, die die Brennstoffpermeation verhindern oder zumindest auf ein Minimum reduzieren soll. Ein weiterer Ansatzpunkt, den Brennstoffdurchtritt zu verhindern wird in dem EP 0 868 758 B 1 beschrieben.

Hierbei wird die erste Elektrode in zwei Hauptflächen unterteilt, die jeweils eine Menge an Katalysator besitzen, und so den flüssigen Brennstoff auf der Anode möglichst vollständig umsetzen.

Die Kombination aus elektrischem Energiespeicher und Brennstoffzelle erscheint im mobilen und portablen Bereich sinnvoll, da die Vorteile von beiden genutzt werden können. Bei dem elektrischen Speicher ist dies die hohe Leistungsdichte, die eine Brennstoffzelle zur Zeit noch nicht erreicht hat. Im Gegensatz hierzu besitzt ein Brennstoffzellensystem durch die kontinuierliche Brennstoffzuführung aus dem Tank eine hohe Energiedichte, die die eines elektrischen Energiespeichers in der Regel deutlich übersteigt. Es existieren einige Regelstrategien, die je nach Ladezustand des elektrischen Speichers die Leistung des Brennstoffzellenstacks erhöhen oder verringern, wie in EP 98 03154 und DE 689 14 3123 T2 beschrieben ist und Methoden, die bei variabler Leistungsanforderung die Leistungsaufteilung zwischen verschiedenen Komponenten eines Brennstoffzellensystemens oder Teile von diesem möglichst gut regeln (DE 199 30 877 C2).

In EP 0 907 979 B 1 wird die Dosierung die Zuführung des Methanols genau beschrieben, um den Lastwechseln folgen zu können und dabei die Brennstoffpermeation durch die Membran möglichst gering zu halten. Hierbei soll die Methanolkonzentration so einstellbar sein, dass auch bei extremen Betriebsparametern (wie Standby und Volllast) die BZ in einem Zustand nahe dem Diffusionsgrenzstrom betrieben werden kann.

Aufgabe der Erfindung Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, ein Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzelle oder Brennstoffzellenanlage zur Verfügung zu stellen, mit dem eine Leistungssteigerung und ein höherer Wirkungsgrad und eine höhere Brennstoffausnutzung zu erreichen ist. Zudem ist die Aufgabe der Erfindung, dass die Brennstoffzelle bzw. Brennstoffzellenanlage so betrieben wird, dass durch die Membran weniger Brennstoff ungenutzt durchtritt und so die Brennstoffverluste minimiert werden.

Mit der beschriebenen Verfahren ist es nicht notwendig die Brennstoff-und Sauerstoff-oder Luftzufuhr genau zu dosieren, wie es bei den meisten herkömmlichen Systemen benötigt wird.

Dadurch ist eine Kostenreduzierung der Brennstoffzellensysteme zu erreichen, ohne dass die Performance des Systems negativ beeinflusst wird. Weiterhin ist das System bestehend aus Brennstoffzelle und einem elektrischen Energiespeicher so zu regeln, dass die angeforderte Leistung auf BZ und Energiespeicher so aufgeteilt wird, damit dieses System immer im optimalen Arbeitspunkt betrieben werden kann.

Beschreibung der Erfindung Gegenstand der Erfindung ist eine Brennstoffzelle bzw. Brennstoffzellenanlage, die jeweils einen Versorgungskanal für den Brennstoff und einen für Luft oder ein sauerstoffreiches Gas besitzt und eine oder mehrere Membranelektrodeneinheit (en). Die BZ ist dabei mit mindestens einem parallelen Energiespeicher oder über eine elektrische Einrichtung an ein aufnahmefähiges elektrisches Netz gekoppelt oder mit einer Einrichtung verbunden, die die elektrische Energie komplett an elektrische Verbraucher abgeben oder in eine andere Energieform umwandeln kann. Die Erfindung betrifft alle Typen von Brennstoffzellen wie PEFC, DMFC, SOFC sowie Diese Brennstoffzellenanlage wird so betrieben, dass die abgegebene Leistung durch eine entsprechende Regelung so eingestellt wird, dass unabhängig von der Brennstoffkonzentration in der Einzellzelle oder dem Stack, die maximale Leistung entnommen oder ein möglichst hoher Wirkungsgrad erreicht wird. Dieser optimale Arbeitspunkt oder diese optimale Betriebsweise ergibt sich genau dann, wenn die Strom-Spannungskennlinie der Einzellzelle oder des Stacks vom ohmschen Bereich durch den Spannungsabfall über der Membran in den stofftransportlimitierten Bereich übergeht. In diesem Betriebspunkt wird erreicht, dass genau die Menge Brennstoff durch die Diffusionsschichten in die mit katalysatorbeladene Schicht gelangt, die benötigt wird. Die direkte Folge davon ist, dass der Konzentrationsgradienten des Brennstoffs über der Membran sehr klein wird und nur wenig Brennstoff durch die Membran hindurchtritt und wenig in der Membran eingelagert wird, so dass eine höchstmögliche Brennstoffausnutzung erfolgt. Des weiteren wird bei entsprechend genauer Regelung die Strom-Spannungskennlinie hin zu höheren Spannungswerten verbessert, da die Mischpotentialbildung durch die Brennstoffpermeation auf die Kathode der Brennstoffzelle bzw.

Brennstoffzellenanlage größtenteils vermieden wird. Darüber hinaus wird die Kinetik der Anode und gleichzeitig der Protonentransport verbessert, der dazu führt, dass sich der Membranwiderstand verringert. Würde durch eine kurzzeitig fehlerhafte Regelung der hier beschriebene Arbeitspunkt nicht erreicht werden, so kann es dazu kommen, dass die Leistungsdichte und der Wirkungsgrad der Einzelzelle oder Teile des Stacks zunächst deutlich absinken und erst nach einer gewissen Zeit, während die Brennstoffpermeation sehr gering ist, sich das erhöhte Spannungspotential und damit auch der hohe Wirkungsgrad wieder einstellt.

Die Regelung der Leistung kann spannungsgesteuert erfolgen mit Hilfe einer elektrischen Anlage über die stufenweise oder stufenlos die Spannung der Einzelzelle oder des Brennstoffzellenstacks oder Teile von diesem verändert wird. Zeitgleich wird der Strom gemessen und daraus die entnommene Leistung errechnet, um den Punkt der maximalen Leistung oder des optimalen Wirkungsgrades zu finden. Erhöht sich bei einer Spannungserhöhung auch die Leistung, dann muss die Regelung in der Lage sein, die Spannung noch weiter zu erhöhen, bis die entnehmbare Leistung nicht mehr steigt oder sogar sinkt. Verringert sich bei einer Spannungserhöhung die Leistung der Einzelzelle oder des Stacks, so befindet sich das Leistungsmaximum bei einem kleineren Spannungswert der durch Verringerung der einzustellenden Spannungswerte gefunden werden muss.

Ebenso kann die Regelung der Leistung oder des maximalen Wirkungsgrades auch stromgesteuert erfolgen. Hierbei wird dann die Spannung gemessen und ausgehend von dieser der Strom entsprechend variiert.

Im mobilen und portablen Einsatz ist bei dem beschriebenen Verfahren für den Betrieb mindestens ein zusätzlicher elektrischer Speicher notwendig, der es ermöglicht, dass die Brennstoffzelle mit der erläuterten optimalen Betriebsweise (hohe Brennstoffausnutzung, hoher Wirkungsgrad und/oder hohes Spannungsniveau) jederzeit betrieben werden kann. Die aus der Einzelzelle und/oder dem Stack entnommene Leistung wird dabei, wenn der Verbraucher diese nicht komplett benötigt, teilweise oder vollständig in den Speicher geladen oder durch eine Einrichtung in eine andere Energieform gewandelt. Nur dann, wenn die in der Brennstoffzelle erzeugte Energie zu jedem Zeitpunkt abgegeben werden wird, funktioniert das beschriebene Verfahren zufriedenstellend. Hierbei wird die Regelung der Brennstoffzuführung der Brennstoffzelle bzw. Brennstoffzellenanlage derart erfolgen, dass je nach Ladezustand des elektrischen Speichers die Brennstoffkonzentration, Temperatur, Druck und/oder weitere Betriebsbedingungen dementsprechend eingestellt werden. Dies bedeutet, dass mit abnehmenden Ladezustand des Speichers die Brennstoffkonzentration, Druck und/oder Temperatur erhöht werden, um dann eine größere Leistung der Brennstoffzellenanlage entnehmen zu können.

Durch den elektrischen Energiespeicher können auch Verbraucher mit sehr dynamischen Lastanforderungen versorgt werden, da zunächst die angeforderte Leistung auch aus dem Speicher genommen wird. Im Betrieb des Systems wird die angeforderte Leistung des Verbrauchers zu einem bestimmten Teil von der Brennstoffzelle und der Rest von dem elektrischen Energiespeicher geliefert.

Dies bringt dahingehend Vorteile, dass das BZ-System nicht auf die dynamischen Leistungsanforderungen ausgelegt sein muss und so immer optimal betrieben werden kann. Auch hierbei ist die wesentliche Aufgabe, die Regelung der aus der Brennstoffzelle entnommenen Leistung oder des Wirkungsgrades auf ein Maximum. In der Abbildung 1 ist für mobile oder portable Systeme das beschriebene Verfahren für die Regelung eines Stacks und in der Abbildung 2 ist die Regelung für mehrere Stacks eines Hybridsystems oder Teile eines Stacks dargestellt.

Im stationären Einsatz wird die in der Brennstoffzelle erzeugte Leistung sofort in das vorhandene elektrische Netz eingespeist. Dabei ist zu beachten, dass dieses Netz zu jedem beliebigen Zeitpunkt die Leistung aufnehmen kann, um die Brennstoffzelle in dem beschriebenen optimalen Arbeitspunkt zu betreiben. Möchte man die einzuspeisende Leistung erhöhen, dann sind zunächst die Brennstoffkonzentration, Temperatur, Druck und/oder weitere Betriebsbedingungen zu erhöhen. Die Steigerung der Leistungsabgabe durch die oben beschriebene Regelung erfolgt etwas zeitverzögert, da sich die veränderten Betriebsbedingungen in der Einzelzelle, dem Stack oder Teile von diesem erst einstellen müssen. In der Abbildung 3 ist für netzgekoppelte Systeme das beschriebene Verfahren für die Regelung eines Stacks und in der Abbildung 4 ist die Regelung für mehrere Stacks oder Teile eines Stacks dargestellt.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung gegenüber dem Stand der Technik ergibt sich dadurch, dass die Brennstoffkonzentration bei Zufuhrung von flüssigen oder gasförrnigen/dampfförrnigen Brennstoffen, nachdem sie die Zelle, den Stack oder Teile von diesem durchlaufen hat, am Ausgang der Anode oder Kathode sehr gering ist. Zusätzlich kann durch den verwendeten oder einen separaten Stack die Brennstoffkonzentration am Ausgang so verringert werden, dass das Gemisch problemlos entsorgt oder einfach beseitigt werden kann. Dieses kann in flüssiger Form oder durch Verdampfen in die Umgebung abgeführt werden. Besonders einfach zu realisieren ist dies z. B. bei Stacks, bei denen die Brennstoffzuführung zu den Zellen so erfolgt, dass das Brennstoffgemisch alle Zellen nacheinander durchströmen muss, bevor es aus dem Stack austritt. Hierbei würde dann die Gaszuführung, nicht wie üblich zu den Zellen parallel, sondern in Reihe erfolgen.

Weiterhin ist keine Bestimmung der Brennstoffkonzentration notwendig, da aufgrund des sich durch die Regelung einstellenden Arbeitspunktes, Rückschlüsse auf die Brennstoffkonzentration geschlossen werden kann.

Bei diesem Verfahren können konventionelle Membranen eingesetzt werden, da der Brennstoffübertritt durch die Regelung größtenteils vermieden wird. Bessere Ergebnisse werden jedoch erzielt, wenn die mit katalysator beladene Schicht auf der Anodenseite, auf der der Brennstoff zugeführt wird, eine möglichst hohe Aktivität und räumliche Ausdehnung besitzt. Es hat sich gezeigt, dass dieses Konzept in der Praxis mehrere überraschende Vorteile hat. Es kann nun mit vereinfachten Flow-Field Strukturen und Pumpen-bzw. Dosiersystemen gearbeitet werden.

Bei der Anwendung dieses Verfahrens für ein System mit mehr als einer Zelle gibt es mehrere Ausführungsmöglichkeiten. Die im Einzelfall angewendete Variante hängt unter anderem von den Rahmenbedingungen, wie Leistungsgröße der gesamten Brennstoffzelle, Konzentration des zur Verfügung stehenden Brennstoffes und Kapazität des peripheren Energiespeichers ab.

Variante 1 : Wird der optimale Arbeitspunkt nur in einem Punkt geregelt, so muss die Brennstoffkonzentration in allen Einzelzellen möglichst gleich groß sein. Dies kann erreicht werden, indem der Durchfluss der Brennstoffgemisches in allen Einzellzellen möglichst hoch und gleichmäßig ist. Dies ist ein sinnvoller Weg in Gesamtsystemen mit einer Ausgangsleistung von weniger als 100 Watt und einer Zellenanzahl von 1 bis 20.

Variante 2 : Wird der optimale Arbeitspunkt in mehr als einem Punkt bezogen auf das Gesamtsystem geregelt, so muss die Brennstoffkonzentration über den Einzellzellen oder dem Bezugsbereich der einzelnen Regelungen eine annähernd gleich hohe Konzentration haben. Diese Regelungsvariante kann schon bei mindestens einer Einzellzelle nützlich sein.

Probleme, die sich bei diesem Regelverfahren für Brennstoffzellensysteme insbesondere für die Stacks, Teile von diesem oder Einzelzellen ergeben können, entstehen durch ungleiche Brennstoff- oder Sauerstoffkonzentrationen, unterschiedlichen Temperaturen und Drücken, Degradation sowie weiteren unerwünschten oder Betriebseigenschaften in Einzellzellen, dem gesamten Stack oder Teile von diesem. Dies kann dazu führen, dass das Spannungsniveau einzelner Zellen sehr niedrig wird oder in extremen Situationen sogar ihre Spannungspolarität ändern. In diesem Fall kann diese Zelle nur noch wenig oder keine Leistung mehr abgeben und es kommt unter ungünstigen Umständen zu einer Leistungsaufnahme. Die Folge davon ist, dass in dieser Zelle zeitgleich sehr viel Wärme produziert wird, so dass die Gefahr der thermischen Zerstörung besteht. Wenn bei der umgepolten Zelle die Spannung der Zersetzungsspannung von Wasser überschritten werden sollte, dann könnte diese Zelle die Elektrolyse von Wasser betreiben, was unbedingt zu vermeiden ist. Dabei würde zumindest die Aktivität der Katalysatorschicht in den entsprechenden Zellen in kurzer Zeit deutlich verringert, falls die Zelle nicht völlig zerstört werden würde. Im weiteren Betrieb würden diese Zellen dann immer deutlich schlechtere Betriebseigenschaften aufweisen als die übrigen, so dass eine Reparatur der Zellen bzw. des Stacks unumgänglich ist.

Abhilfe gegen dieses Problem wird mit parallel zu einer oder mehrerer Zellen angeordneter paralleler elektrische Bauteile die als Dioden, Transistoren, Thyristoren, IGBTs oder MOSFETs ausgeführt sein können oder anderer elektrischer Einrichtungen erreicht, die das Potential einzelner oder mehrerer Zellen auf einen bestimmten Wert begrenzen. Diese Bauteile oder Einrichtungen werden so betrieben oder eingesetzt, dass sie nur ein festgesetztes Potential für eine oder mehrere Zellen zulassen und diese vor dem Elektrolysebetrieb und Überlastung schützen. Dabei fließt der angeforderte Strom bei defekten oder funktionsgestörten Einzelzellen oder Zellsegmenten ganz oder teilweise durch die parallel geschalteten elektrischen Bauteile oder Geräte, so dass Stack und System bei nahezu unverminderter Leistung weiter betrieben werden können.

Der große Vorteil davon ist, dass bei Ausfall einer Einzellzelle noch die komplette Leistung der übrigen Zellen zur Verfügung steht und nicht wie es bei BZ-Systemen ohne diese Schutzeinrichtung ist, dass der gesamte Stack nur noch wenig oder keine Leistung mehr abgeben kann. Ein weiterer Vorteil der mit dieser Technik erzielt werden kann, ist eine Verlängerung der Lebensdauer von den in BZ-Systemen verwendeten Stacks.