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Title:
FUEL CELL SYSTEM AND METHOD FOR OPERATING A FUEL CELL SYSTEM
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2008/003576
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a fuel cell system (2) comprising a fuel cell stack (4, 8) which can be supplied with a reaction gas (G) on the gas inlet side and which comprises at least one flush valve (18) on the gas outlet side on a flush cell (10). A control device, which controls the actuation of the flush valve (18) as a function of the voltage of the flush cell (10), is provided, wherein the voltage tap is provided in a region (28, 42) of the flush cell (10) at which the concentration of the reaction gas drops the fastest to a predefined threshold value. Due to the voltage tap in the region where the concentration of the reaction gases drop the fastest to a predefined threshold value, compared to a voltage tap in the region of a gas inlet (12) or gas outlet (14) a significantly more sensitive and precise control or regulation of the flush is possible and voltage dips are effectively prevented in the flush cell (10), as a result of which the overall risk of corrosion can be minimized for the flush cell.

Inventors:
MATTEJAT ARNO (DE)
STUEHLER WALTER (DE)
Application Number:
PCT/EP2007/055947
Publication Date:
January 10, 2008
Filing Date:
June 15, 2007
Export Citation:
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Assignee:
SIEMENS AG (DE)
MATTEJAT ARNO (DE)
STUEHLER WALTER (DE)
International Classes:
H01M8/04; H01M2/10; H01M8/24
Domestic Patent References:
WO2006003158A12006-01-12
Foreign References:
US20030022037A12003-01-30
DE3732234A11989-04-13
DE2146933A11973-03-22
US3580741A1971-05-25
US3256116A1966-06-14
Other References:
VOSS H ET AL: "Portable fuel cell power generator", JOURNAL OF POWER SOURCES, ELSEVIER, AMSTERDAM, NL, vol. 65, no. 1, March 1997 (1997-03-01), pages 155 - 158, XP004059644, ISSN: 0378-7753
Attorney, Agent or Firm:
SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT (München, DE)
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Claims:

Patentansprüche

1. Brennstoffzellenanlage (2) mit zumindest einem Brennstoff ¬ zellenstapel (4), dem gaseingangsseitig ein Reaktionsgas (G) zuführbar ist und der gasausgangseitig an einer Spülzelle (10) zumindest ein Spülventil (18) aufweist, und mit einer Steuerung, die die Betätigung des Spülventils (18) in Abhängigkeit der Spannung der Spülzelle (10) steuert, dadurch gekennzeichnet, dass ein Spannungsabgriff in einem Bereich (28, 42) der Spülzelle vorgesehen ist, an dem die

Konzentration des Reaktionsgases (G) am schnellsten auf einen vorgegebenen Grenzwert abfällt.

2. Brennstoffzellenanlage (2) nach Anspruch 1, bei der zwi- sehen zwei Brennstoffzellen (6, 10) eine Bipolarplatte (20,

40) angeordnet ist und der Spannungsabgriff im Bereich einer Randseite (30, 32, 46, 48) der Bipolarplatte (20, 40) vor ¬ gesehen ist.

3. Brennstoffzellenanlage (2) nach Anspruch 1 oder 2, bei der mehrere kaskadenartig angeordnete Brennstoffzellenstapel (4) vorgesehen sind.

4. Brennstoffzellenanlage (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der PEM-Brennstoffzellen (6, 10) verwendet werden .

5. Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenanlage (2), die zumindest einen Brennstoffzellenstapel (4) aufweist, dem gaseingangsseitig ein Reaktionsgas (G) zugeführt wird und der gasausgangsseitig eine Spülzelle (10) mit einem zugeordneten Spülventil (18) aufweist, wobei die Spannung der Spülzelle (10) gemessen und in Abhängigkeit der gemessenen Spannung die Betätigung des Spülventils (18) gesteuert wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannung in einem Bereich (28, 42) der Spülzelle (10) gemessen wird, an dem die Kon ¬ zentration des Reaktionsgases am schnellsten auf einen vorgegebenen Grenzwert abfällt.

6. Verfahren nach Anspruch 5, bei dem mehrere kaskadenartig angeordnete Brennstoffzellenstapel (4) vorgesehen sind, die von dem Reaktionsgas (G) seriell durchströmt werden.

Description:

Beschreibung

Brennstoffzellenanlage und Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenanlage

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzellenanlage gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und ein Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenanlage gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 5; eine derartige Brennstoffzellenanlage bzw, ein derartiges Verfahren sind z.B. aus der WO 2006/003158 Al bekannt .

Beim Betrieb einer Brennstoffzellenanlage wird üblicherweise einem aus gestapelten Brennstoffzellen gebildeten Brennstoff- zellenblock zur Erzeugung elektrischen Stroms anodenseitig ein Brenngas, beispielsweise Wasserstoff, und kathodenseitig Luft oder Sauerstoff als weiteres Reaktionsgas zugeführt. Es gibt mittlerweile eine Vielzahl von unterschiedlichen Arten von Brennstoffzellenanlagen, die sich im Hinblick auf ihren Aufbau und insbesondere im Hinblick auf die verwendeten Elek- trolyte sowie im Hinblick auf die notwendige Betriebstempera ¬ tur unterscheiden. Bei einer sogenannten PEM-Brennstoffzelle (proton exchange membrane) ist zwischen einer gasdurchlässi ¬ gen Anode und einer gasdurchlässigen Kathode eine Polymer- membran angeordnet, die für Wasserstoffprotonen durchlässig ist. Da eine einzige Brennstoffzelle eine Spannung von ledig ¬ lich etwa 0,7 bis 0,9 Volt liefert, sind mehrere Brennstoff ¬ zellen elektrisch in Serie zu einem Stapel miteinander verbunden. Die einzelnen Brennstoffzellen sind hierbei üblicher- weise durch eine bipolare Platte voneinander getrennt. Die bipolare Platte weist hierbei in der Regel eine Art Rillen ¬ oder Noppenstruktur auf und liegt an der Anode bzw. an der Kathode an. Durch die Rillen- oder Noppenstruktur ist ein Gasraum zwischen der bipolaren Platte und der Anode bzw. Ka- thode gebildet, durch den die Reaktionsgase strömen.

Beim Betrieb einer PEM-Brennstoffzelle wandern Wasserstoff ¬ protonen durch den Elektrolyten auf die Sauerstoffseite und

reagieren mit dem Sauerstoff. Dabei fällt als Reaktionspro ¬ dukt Reaktionswasser an. Durch die üblicherweise vorgenomme ¬ nen Befeuchtung der Reaktionsgase vor ihrem Eintritt in die Brennstoffzelle wird zusätzlich Wasser in die Gasräume einge- bracht. Neben dem Wasser fallen zudem - je nach dem Reinheitsgrad der verwendeten Reaktionsgase - Inertgase an. Bei einer Brennstoffzellenanlage mit mehreren kaskadenartig in Reihe nacheinander angeordneten Brennstoffzellenstapeln sammeln sich das Wasser sowie die Inertgase im letzten Stapel oder der letzten Brennstoffzelle an. Dort sind die Reaktions ¬ gase daher mit Inertgas angereichert. Aufgrund dieser „Reak- tantenverdünnung" kommt es zu einem Spannungsabfall der letzten Brennstoffzelle bzw. des letzten Brennstoffzellenstapels .

Dieser Brennstoffzellenstapel wird daher in gewissen Zeitab ¬ ständen gespült, d.h. über ein Spülventil wird eine gasaus- gangsseitig an den Stapel angeschlossene Spülleitung geöff ¬ net, so dass das angesammelte Wasser und die Inertgase ausge ¬ tragen werden. Die letzte Brennstoffzelle oder der letzte Brennstoffzellenstapel werden daher auch als Spülzelle bzw. als Spülzellenstapel bezeichnet. Der Spannungsabfall wird üb ¬ licherweise als Steuer- oder Regelsignal für das öffnen des Spülventils herangezogen. Durch das Spülen wird die Konzent ¬ ration der Inertgase abgereichert , so dass das Span- nungsniveau wieder angehoben wird.

Bei einer Anreicherung mit Inertgasen werden die Spülzellen nur noch unzureichend mit den Reaktionsgasen bei gleichzeitig fließendem Strom versorgt. Es liegen daher die Randbedingun- gen für eine Wasser-Elektrolyse vor und es kommt auf der Ano ¬ denseite zu der Teilreaktion 4OH " >θ2+2H 2 O+2e ~ . Es wird also Sauerstoff gebildet, der an den Spülzellen zu Korrosion führen kann. Dieses Problem besteht insbesondere dann, wenn die Spannung in den Spülzellen bis in den Bereich des Korrosions- Potenzials des verwendeten Materials absinkt.

Aus der WO 2006/003158 Al ist es bekannt, diese Korrosionsge ¬ fahr dadurch zu vermeiden, dass der Spannungsabgriff zur Messung der Spannung in der Spülzelle im Bereich eines Gasaustritts zum Spülventil. Unter „im Bereich des Gasaustritts" wird hierbei die Anordnung des Spannungsabgriffs in etwa auf der Höhe des Gasaustritts verstanden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen noch sicheren Betrieb einer Brennstoffzellenanlage mit noch geringerer Kor- rosionsgefahr zu ermöglichen.

Die Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst durch eine Brenn ¬ stoffzellenanlage mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.

Die Erfindung geht hierbei von der überlegung aus, dass derjenige Bereich der Brennstoffzelle der größten Korrosionsge ¬ fahr ausgesetzt ist, in dem sich am schnellsten unzulässig niedrige Reaktionsgaskonzentrationen einstellen. Wie sich herausgestellt hat, muss sich dieser Bereich nicht notwendi- gerweise im Bereich des Gasaustrittes befinden, sondern er kann sich, abhängig von der Gestaltung des Gasraumes, auch an anderen Stellen des Gasraumes befinden. So kann er sich bei einem Gasraum mit weitgehend homogenem Strömungswiderstand, wie er bei Noppenstrukturen vorliegt, dort befinden, wo Reak- tionsgase einen langen Strömungsweg zurückgelegt haben, ohne sich mit anderen Gasströmen zu mischen. Der Bereich findet sich insbesondere in „toten Ecken" des Gasraumes, in denen sich im Vergleich zum dem Gasaustrittsbereich deutlich geringere Gasströmungen einstellen.

Der genaue Bereich, an dem die Konzentration des Reaktionsgases am schnellsten auf einen vorgegebenen Grenzwert abfällt, kann hierbei rechnerisch oder auch experimentell ermittelt werden .

Durch einen Spannungsabgriff in dem Bereich, an dem die Konzentration des Reaktionsgases am schnellsten auf einen vorgegebenen Grenzwert abfällt, kann sichergestellt werden, dass

an keiner Stelle des Gasraumes das Korrosionspotenzial unter ¬ schritten wird, wodurch die Korrosionsgefahr deutlich reduziert werden kann. Weiterhin hat sich herausgestellt, dass durch einen derartigen Spannungsabgriff eine besonders genaue und sensible Steuerung oder Regelung für die Betätigung des Spülventils möglich ist, wodurch sich insgesamt steuerungs- oder regelungstechnische Verbesserungen ergeben. Im Vergleich zu einem Spannungsabgriff im Bereich des Gasaustrittes kommt es hierdurch natürlich zu vermehrten Spülvorgängen, d.h. die Spülrate wird erhöht.

Wenn zwischen zwei Brennstoffzellen eine Bipolarplatte angeordnet ist, ist der Spannungsabgriff vorzugsweise im Bereich einer Randseite der Bipolarplatte vorgesehen.

Für eine möglichst effiziente Ausnutzung der Reaktionsgase weist die Brennstoffzellenanlage mehrere kaskadenartig ange ¬ ordnete Brennstoffzellenstapel auf. Hierunter wird eine Ab ¬ folge von Brennstoffzellenstapel verstanden, die in Serie von den Reaktionsgasen durchströmt werden, wobei in Strömungs ¬ richtung der Reaktionsgase die Anzahl der Brennstoffzellen der einzelnen aufeinander folgenden Stapel sukzessive abnimmt. Die Abnahme der Anzahl der Brennstoffzellen ist hierbei auf die jeweilige Restgasmenge abgestimmt, welche aus dem vorhergehenden Brennstoffzellenstapel austritt. Der letzte

Brennstoffzellenstapel ist als Spülzellenstapel mit einer o- der mehreren Spülzellen ausgebildet, an den sich das Spülventil anschließt.

Die Erfindung ist gleichermaßen auch auf eine Brennstoffzel ¬ lenanlage mit einem einzigen parallel von den Reaktionsgasen durchströmten Brennstoffzellenblock anwendbar.

Vorzugsweise ist die Brennstoffzellenanlage mit PEM-Brenn- stoffzellen ausgebildet.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß weiterhin gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 5. Die im

Hinblick auf die Brennstoffzellenanlage angeführten Vorteile und bevorzugten Ausgestaltungen sind sinngemäß auch auf das Verfahren übertragbar.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen jeweils in schemati ¬ schen und stark vereinfachten Darstellungen:

FIG 1 einen Aufbau einer Brennstoffzellenanlage mit kas- kadenartig angeordneten Brennstoffzellenstapeln,

FIG 2 einen Spannungsabgriff bei einer ersten Bipolarplatte und

FIG 3 einen Spannungsabgriff bei einer zweiten Bipolarplatte .

Gemäß FIG 1 umfasst eine Brennstoffzellenanlage 2 mehrere kaskadenartig zueinander angeordnete Brennstoffzellensta- pel 4, die wiederum jeweils aus mehreren Brennstoffzellen 6 bestehen. Die einzelnen Brennstoffzellenstapel 4 sind hierbei gasseitig in Serie zueinander angeordnet. Dem gasseitig er ¬ sten Brennstoffzellenstapel wird ein Reaktionsgas G in einem oberen Bereich zugeführt und durchströmt die einzelnen Brennstoffzellen 6 parallel in Richtung der Pfeile nach unten. Dort verlässt das Reaktionsgas G den ersten Brennstoffzellen- Stapel 4 und wird in den nächsten Brennstoffzellenstapel 4 geleitet .

Der letzte Brennstoffzellenstapel ist als Spülzellenstapel 8 mit mehreren Spülzellen 10 ausgebildet. Dem Spülzellenstapel 8 wird das Reaktionsgas G im Bereich eines Gaseintritts 12 zugeführt und durchströmt die einzelnen Spülzellen 10 nach unten in Richtung zu einem Gasaustritt 14. An den Gasaustritt 14 schließt sich eine Spülleitung 16 an, die über ein regelbares Spülventil 18 verschließbar ist.

Die einzelnen Spülzellen 10 sind jeweils voneinander durch eine in FIG 2 schematisch dargestellte Bipolarplatte 20 von ¬ einander getrennt, die jeweils den oberen Gaseintritt 12 und

den unteren Gasaustritt 14 aufweisen. Die Begriffe „unten" und „oben" beziehen sich hier auf die Strömungsrichtung des Reaktionsgases G. Die Richtung des im Betrieb fließenden e- lektrischen Stroms ist senkrecht zu der Bipolarplatte 20 bzw. zur Zeichenfläche orientiert.

Beim Betrieb der Brennstoffzellenanlage ist das Spülventil 18 zunächst geschlossen, so dass sich in den Spülzellen 10 das bei der Reaktion entstehende Reaktionswasser sowie Inertgase anreichern, die in den Reaktionsgasen vorhanden sind. Durch die Anreicherung der Inertgase fällt die Spülzellenspannung ab. Diese wird gemessen und zur Steuerung oder Regelung eines Spülvorgangs herangezogen, also zur Steuerung oder Regelung des Spülventils 18. Unterschreitet die Spannung einen vorge- gebenen Regelwert, öffnet das Spülventil 18 und das Reakti ¬ onswasser sowie das in den Spülzellen 10 befindliche Restgas, insbesondere die Inertgase werden ausgetragen. Zweckdienlicherweise werden hierbei sowohl die Sauerstoff- oder Kathoden ¬ seite als auch die Wasserstoff- oder Anodenseite der Spülzel- len 10 vorzugsweise jeweils über ein eigenes Spülventil 18, insbesondere gleichzeitig gespült.

Aufgrund der Anreicherung mit Inertgasen werden die Spülzellen nur noch unzureichend mit den Reaktionsgasen bei gleich- zeitig fließendem Strom versorgt. Es liegen daher die Randbe ¬ dingungen für eine Wasser-Elektrolyse vor und es kommt auf der Anodenseite zu der Teilreaktion 4OH " >θ2+2H 2 O+2e ~ . Es wird also Sauerstoff gebildet, der bei der üblicherweise me ¬ tallischen Bipolarplatte 20 zu Korrosion führen kann. Dieses Problem besteht insbesondere dann, wenn die Spannung in den

Spülzellen 10 bis in den Bereich des Korrosionspotenzials des für die Bipolarplatten 20 verwendeten Materials absinkt.

Bei der in FIG 2 gezeigten Bipolarplatte wird durch eine nicht näher dargestellte Noppen- oder Rillenstruktur sichergestellt, dass die Gasführung vom Gaseintritt zu dem Gasaus ¬ tritt über die gesamte Fläche des Gasraumes erfolgt, d.h. die Reaktionsgase verteilen sich im Bereich des Gaseintritts 12

über die gesamte Fläche des Gasraumes 34 und werden im Be ¬ reich des Gasaustritts 14 wieder zusammengeführt. Hierdurch ergeben sich jedoch verschieden lange Gaswege 22, 24, 26 im Gasraum 34. Reaktionsgase, die entlang des Gasweges 26 strö- men, haben hierbei den längsten Weg von Gaseintritt 12 zu Gasaustritt 14 zurückzulegen. Im rechten unteren Eckbereich 28 des Gasraumes 34 werden sich deshalb die vergleichsweise ¬ geringsten Gasbewegungen des gesamten Gasraumes 34 einstellen, da dort zum einen durch die geometrische Gestaltung des Gasraumes 34 die Gasströmung behindert ist, zum anderen aber die Reaktionsgase auch den längsten Weg ohne weitere Vermi ¬ schung mit anderen Reaktionsgasen hinter sich haben. Hierdurch fällt in dem Eckbereich 28 die Reaktionsgaskonzentrati ¬ on am schnellsten auf einen vorgegebenen Grenzwert ab.

Im Vergleich hierzu hat im Bereich des Gasaustritts 14 das über den Gasweg 26 geführte Gas zwar einen noch längeren Weg zurückgelegt, aber es ist dort bereits wieder mit Gas ge ¬ mischt, das über den Gasweg 24 geführt wurde und deshalb eine höhere Reaktionsgaskonzentration aufweist. Im Bereich des

Gasaustritts 14 fällt deshalb die Reaktionsgaskonzentration langsamer auf den vorgegebenen Grenzwert ab als im Eckbereich Z O QO .

Der Spannungsabgriff für die Steuerung oder Regelung der Spülung ist deshalb an der bipolaren Platte 20 im Eckbereich 28 des Gasraumes vorgesehen, vorzugsweise im Bereich an der rechten seitlichen Randseite 30 oder der unteren Randseite 32 der bipolaren Platte 20.

FIG 3 zeigt eine Bipolarplatte 40 einer rechteckigen Brenn ¬ stoffzelle mit einer Diagonalgasführung. Hier befindet sich der Bereich, an dem die Reaktionsgaskonzentration am schnellsten auf einen vorgegebenen Grenzwert abfällt, im linken un- teren Eckbereich 42 des Gasraumes 44, da sich dort die ge ¬ ringsten Gasbewegungen einstellen. Der Spannungsabgriff für die Regelung der Spülung ist deshalb vorzugsweise im linken unteren Eckbereich 42 der Bipolarplatte 40 vorgesehen, insbe-

sondere im Bereich an der linken Randseiten 46 oder an der unteren Randseite 48 der bipolaren Platte 40.

Grundsätzlich kann der Bereich oder können die Bereiche, an denen die Reaktionsgaskonzentration (en) am schnellsten auf einen vorgegebenen Grenzwert abfällt (abfallen) , rechnerisch oder experimentell ermittelt werden. Der Grenzwert wird be ¬ vorzugt derart gewählt, dass er oberhalb des Korrosionspoten ¬ zials der Bipolarplatte 20, 40 liegt.

Werden mehrer Spülzellen parallel mit Reaktionsgas versorgt, so kann die Steuerung oder Regelung ebenfalls auf der schnellsten Abnahme der Zellspannung als Folge der schnellsten Abnahmen der Reaktionsgaskonzentrationen beruhen. Die Re- gelung ist in diesem Fall nur so aufzubauen, dass die Zelle mit der schnellsten Abnahme die Spülung auslöst.