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Title:
METHOD FOR OPERATING A FUEL CELL, AND FUEL CELL SYSTEM
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2022/161577
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a method for operating a fuel cell (1). The fuel cell (1) is supplied with gaseous fuel via an anode-side gas feed line (2) and with air via a cathode-side gas feed line (3). The anode-side gas feed line (2) and the cathode-side gas feed line (3) are coupled via a pressure-transmitting element (4), wherein in the event of an increased power requirement of the fuel cell (1), the gas pressure of the anode-side gas feed line (2) is at least partly transmitted to the cathode-side gas feed line (3) via the pressure-transmitting element (4) and causes the gas pressure of the cathode-side gas feed line (3) to increase. The invention additionally relates to a fuel cell system (10) having at least one fuel cell (1), an anode-side gas feed line (2), a cathode-side gas feed line (3), and a monitoring unit.

Inventors:
MATTES NICO ALEXANDER (DE)
HAUSSMANN JAN (DE)
Application Number:
PCT/DE2022/100027
Publication Date:
August 04, 2022
Filing Date:
January 13, 2022
Export Citation:
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Assignee:
SCHAEFFLER TECHNOLOGIES AG (DE)
International Classes:
H01M8/04089; H01M8/04082; H01M8/04537; H01M8/04746; H01M8/10
Foreign References:
JP2007042305A2007-02-15
US20200328438A12020-10-15
DE10013660A12001-09-27
JP2007165000A2007-06-28
EP3852176A12021-07-21
DE102014211791A12015-12-24
EP2521210B12016-11-02
DE102009040177A12010-04-15
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Claims:
Patentansprüche Verfahren zum Betrieb einer Brennstoffzelle (1), wobei der Brennstoffzelle (1) über eine anodenseitige Gaszuführung (2) gasförmiger Brennstoff zugeführt wird und über eine kathodenseitige Gaszuführung (3) Luft zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die anodenseitige Gaszuführung (2) und die kathodenseitigen Gaszuführung (3) über ein druckübertragendes Element (4) gekoppelt sind, wobei bei einer erhöhten Leistungsanforderung an die Brennstoffzelle (1) ein Gasdruck der anodenseitigen Gaszuführung (2) über das druckübertragende Element (4) zumindest teilweise auf die kathodenseitige Gaszuführung (3) übertragen wird und eine Erhöhung eines Gasdrucks der kathodenseitigen Gaszuführung (3) bewirkt. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das druckübertragende Element (4) eine flexible Membran oder einen verschiebbaren Kolben aufweist. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei der erhöhten Leistungsanforderung durch Einlassen von verdichteter Luft aus einem Druckspeicher (5) eine zusätzliche Erhöhung des Gasdrucks der kathodenseitigen Gaszuführung (3) bewirkt wird. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckspeicher (5) nach einer Beendigung des erhöhten Leistungsbedarfs wiederbefüllt wird bis ein Zieldruck des Druckspeichers (5) erreicht wird, wobei ein Luftdruck des Druckspeichers (5) insbesondere stufenweise bis zum Zieldruck erhöht wird. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die anodenseitige Gaszuführung (2) einen Abschnitt hohen Drucks (7) und einen Abschnitt niedrigen Drucks (6) aufweist, wobei das druckübertragende Element (4) über ein erstes Ventil (11) mit dem Abschnitt hohen Drucks (7) und über ein zweites Ventil (12) mit dem Abschnitt niedrigen Drucks (6) verbunden ist, wobei zur Übertragung des Gasdrucks der anodenseitigen Gaszuführung (2) auf die kathodenseitige Gaszuführung (3) das erste Ventil (11) geöffnet und das zweite Ventil (12) geschlossen wird. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass nach der Übertragung des Gasdrucks der anodenseitigen Gaszuführung (2) auf die kathodenseitige Gaszuführung (3) das erste Ventil (11) geschlossen und das zweite Ventil (12) geöffnet wird und insbesondere gasförmiger Brennstoff aus einem Abschnitt (16) zwischen dem ersten und zweiten Ventil (11, 12) durch das zweite Ventil (12) der Brennstoffzelle (1) zugeführt wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zum Wiederbefüllen des Druckspeichers (5) der Gasdruck der anodenseitigen Gaszuführung (2) durch das druckübertragende Element (4) zumindest teilweise auf den Druckspeicher (5) übertragen wird, wobei die kathodenseitige Gaszuführung (3) insbesondere einen Speicherabschnitt (17) aufweist, der über ein drittes Ventil (13) mit dem druckübertragenden Element (4) verbunden ist, über ein viertes Ventil (14) mit der Brennstoffzelle (1) verbunden ist und über ein fünftes Ventil (15) mit dem Druckspeicher (5) verbunden ist, wobei zum Wiederbefüllen des Druckspeichers (5) in einem ersten Befüllungsschritt bei geöffnetem dritten Ventil (13) das vierte Ventil (14) geschlossen und das fünfte Ventil (15) geöffnet wird, wobei durch das druckübertragende Element (4) der Gasdruck der anodenseitigen Gaszuführung (2) zumindest teilweise über den Speicherabschnitt (17) auf den Druckspeicher (5) übertragen wird, wobei in einem zweiten Befüllungsschritt das vierte Ventil (14) geöffnet und das fünfte Ventil (15) verschlossen wird. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Wiederbefüllen des Druckspeichers (5) zum Einlassen von verdichteter Luft aus dem Druckspeicher (5) das dritte Ventil (13) geschlossen und das fünfte Ventil (15) geöffnet wird. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Luft in der kathodenseitigen Gaszuführung (3) durch einen Verdichter (20) mit Druck beaufschlagt wird, wobei durch einen Betrieb des Verdichters (20) mit einer erhöhten Verdichterleistung eine weitere zusätzliche Erhöhung des Gasdrucks der kathodenseitigen Gaszuführung (3) bewirkt wird. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Luftdruck an einem Eingang der Brennstoffzelle (1) durch eine Druckregelung oder ein selbstregulierendes Element, insbesondere eine Blende, begrenzt wird. Brennstoffzellensystem (10), aufweisend mindestens eine Brennstoffzelle (1), insbesondere eine Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzelle, eine anodenseitige Gaszuführung (2), eine kathodenseitige Gaszuführung (3) und eine Kontrolleinheit, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der anodenseitigen und der 15 kathodenseitigen Gaszuführung (2, 3) ein druckübertragendes Element (4) angeordnet ist, wobei die Kontrolleinheit dazu konfiguriert ist, bei einer erhöhten Leistungsanforderung an die Brennstoffzelle (1) einen Gasdruck der anodenseitigen Gaszuführung (2) über das druckübertragende Element (4) zumindest teilweise auf die kathodenseitige Gaszuführung (3) zu übertragen und eine Erhöhung eines Gasdrucks der kathodenseitigen Gaszuführung (3) zu bewirken. Brennstoffzellensystem (10) nach Anspruch 11 , wobei das Brennstoffzellensystem (10) einen Druckspeicher (5) aufweist und die Kontrolleinheit dazu konfiguriert ist, bei der erhöhten Leistungsanforderung durch Einlassen von verdichteter Luft aus einem Druckspeicher (5) eine zusätzliche Erhöhung des Gasdrucks der kathodenseitigen Gaszuführung (3) zu bewirken.
Description:
Verfahren zum Betrieb einer Brennstoffzelle und Brennstoffzellensystem

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Brennstoffzelle, wobei der Brennstoffzelle über eine anodenseitige Gaszuführung gasförmiger Brennstoff zugeführt wird und über eine kathodenseitige Gaszuführung Luft zugeführt wird. Ferner betrifft die Erfindung ein Brennstoffzellensystem, aufweisend mindestens eine Brennstoffzelle, eine anodenseitige Gaszuführung, eine kathodenseitige Gaszuführung und eine Kontrolleinheit.

Die aus dem Stand der Technik bekannten Brennstoffzellen bestehen üblicherweise aus einer Anordnung zweier Elektroden, die durch einen lonenleiter leitend miteinander verbunden sind. Eine wichtige Bauform sind hierbei beispielsweise Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellen (PEM-BZ), bei denen der lonenleiter durch eine protonendurchlässige Polymermembran (PEM, „proton exchange membrane“ bzw. „polymer electrolyte membrane“) gebildet wird, durch die die an der Anode gebildeten Wasserstoff- Ionen zur Kathode wandern und dort mit dem an der Kathode reduzierten Sauerstoff zu Wasser reagieren. Unabhängig von der Bauform muss die Brennstoffzelle für die Aufrechterhaltung der elektrochemischen Reaktion kontinuierlich mit dem Brennstoff (z.B. Wasserstoff) und dem Oxidationsmittel (Sauerstoff) versorgt werden. Bei PEM-Zellen und anderen gängigen Typen von Brennstoffzellen werden die Reaktanden üblicherweise als Gas zugeführt. Die Einspeisung der Gase in die Zelle erfolgt dabei in einem überstöchiometrischen Verhältnis, um die Versorgung auch bei hohen Stromdichten zu gewährleisten, wobei das unverbrauchte Restgas am Gasausgang des Brennstoffzellenstapels wieder abgeführt wird.

Bei einer zeitlichen Änderung der Stromdichte, wie sie insbesondere bei einem Lastwechsel auftritt, wird eine entsprechende Änderung der Reaktionsrate und damit eine höhere bzw. niedrigere Gasmenge benötigt. Die zugeführte Gasmenge wird auf der Anodenseite aus einem Drucktank bereitgestellt und beispielsweise über eine passive oder aktive Wasserstoffpumpe eingestellt und auf der Kathodenseite von einem Luftverdichter bereitgestellt. Dadurch, dass der gasförmige Brennstoff damit unter erhöhtem Druck verfügbar ist, kann die benötigte Gasmenge auf Anodenseite wesentlich rascher eingestellt werden als auf Kathodenseite, wo der Verdichter die Luft aus der Umgebung erst auf ein höheres Druckniveau heben muss. Wird am Brennstoffzellenstapel die Stromdichte von einem niedrigeren auf einen höheren Wert geändert, ist die Gasmenge in Richtung des Gasausgangs unter Umständen nicht mehr ausreichend. Dies kann zu geringeren Leistungen und lokal zu niedrigen elektrischen Potentialen an den einzelnen Zellen führen, wodurch die Degradation der Zellen-Materialien beschleunigt wird. Um diesem Effekt entgegenzuwirken, wird in solchen Brennstoffzellensystemen die Stromdichte üblicherweise nicht sprungartig geändert, sondern über eine bestimmte Zeit kontinuierlich erhöht. Dies schränkt jedoch die zeitliche Änderungsrate der Leistung erheblich ein. Die dynamische Laständerung ist damit maßgeblich von der Dynamik des Luftverdichters abhängig.

Schnellere Laständerungen sind in der Regel nur über Brennstoffzellen-Batterie- Hybridkonzepte abdeckbar.

Aus der DE 102014211 791 A1 ist hierzu ein Versorgungssystem bekannt, bei dem Lastschwankungen durch einen Druckspeicher ausgeglichen werden, so dass der Luftstrom durch die Zwischenspeicherung im Druckspeicher vom Betriebspunkt des Verdichters entkoppelt wird. Weitere Brennstoffzellensysteme mit Druckspeichern sind beispielsweise aus der EP 2 521 210 B1 und der DE 102009040 177 A1 bekannt.

Vor diesem Hintergrund stellt sich die Aufgabe, ein Verfahren zum Betrieb einer Brennstoffzelle zur Verfügung zu stellen, das eine beschleunigte zeitliche Leistungssteigerung ermöglicht und so die Anwendungsmöglichkeiten des Brennstoffzellensystems verbessert.

Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zum Betrieb einer Brennstoffzelle, wobei der Brennstoffzelle über eine anodenseitige Gaszuführung gasförmiger Brennstoff zugeführt wird und über eine kathodenseitige Gaszuführung Luft zugeführt wird, wobei die anodenseitige Gaszuführung und die kathodenseitigen Gaszuführung über ein druckübertragendes Element gekoppelt sind, wobei bei einer erhöhten Leistungsanforderung an die Brennstoffzelle ein Gasdruck der anodenseitigen Gaszuführung über das druckübertragende Element zumindest teilweise auf die kathodenseitige Gaszuführung übertragen wird und eine Erhöhung eines Gasdrucks der kathodenseitigen Gaszuführung bewirkt.

Vorzugsweise wird mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ein aus einer Mehrzahl von Brennstoffzellen gebildeter Zellenstapel (Stack) betrieben. Bei der Brennstoffzelle bzw. den Brennstoffzellen kann es sich insbesondere um Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzellen wie beispielsweise Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellen handeln.

Gegenüber dem Stand der Technik wird mithilfe des druckübertragenden Elements zwischen Brennstoff- und Luftseite (d.h. der anoden- bzw. kathodenseitigen Gaszuführung) der höhere Druck auf der Anodenseite genutzt, um auf der Luftseite einen zusätzlichen Volumenstrom bereitzustellen. Auf diese Weise wird vorteilhafterweise die Dynamik des Brennstoffzellensystems verbessert und dessen maximale Leistung erhöht. Der gasförmige Brennstoff wird dabei vorzugsweise durch einen Drucktank bereitgestellt. Der Luftstrom wird vorzugsweise aus der Umgebungsluft zugeführt, durch einen Verdichter mit erhöhtem Druck beaufschlagt und anschließend in die Brennstoffzelle eingespeist. Insbesondere wird bei einer erhöhten Leistungsanforderung an die Brennstoffzelle der Verdichter mit einer höheren Leistung betrieben, so die entsprechend stärker verdichtete Luft mit erhöhtem Druck in die Brennstoffzelle eingespeist werden kann. Bis die gewünschte höhere Verdichterleistung erreicht wird, wird die erforderliche Druckerhöhung zumindest teilweise oder vollständig von dem druckübertragenden Element erzeugt, so dass die Umstellung auf einen höheren Druck vorteilhafterweise wesentlich rascher erfolgen kann. Auf diese Weise kann insbesondere bei Lastsprüngen von niedriger auf hohe Last die Zeit überbrückt werden, bis der Luftverdichter die geforderte höhere Luftmenge liefern kann und diese den Eingang der Brennstoffzelle erreicht hat. Durch die schnellere Versorgung mit Luftsauerstoff kann die Brennstoffzelle Laständerungen in kürzerer Zeit bewältigen, ohne dass dabei eine Unterversorgung mit Sauerstoff auftritt. Eine solche Unterversorgung kann lokal zu Degradationseffekten insbesondere an der Katalysatorschicht führen und damit die Lebensdauer des Brennstoffzellenstapels negativ beeinflussen. Die bei einem Lastsprung von niedriger auf hohe Last zusätzlich benötigte Luftmenge kann bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ausschließlich über das im druckübertragenden Element verfügbare Volumen bereitgestellt werden oder durch ein Zusammenspiel aus dem druckübertragenden Element und einem zusätzlichen Druckspeicher (siehe weiter unten) erzeugt werden.

Dabei wird für die Druckübertragung von der anodenseitigen auf die kathodenseitige Gaszuführung insbesondere ein mit gasförmigem Brennstoff gefülltes erstes Volumen vergrößert und ein mit Luft gefülltes zweites Volumen entsprechend verkleinert, so dass sich der Druck im ersten Volumen erniedrigt, während der Druck im zweiten Volumen erhöht wird. Vorzugsweise erfolgt die Druckübertragung nur während einer Übergangsphase, in der sich die Verdichterleistung des Verdichters auf einen höheren Wert einstellt, d.h. bis die gewünschte Druckerhöhung der kathodenseitigen Gaszuführung vom Verdichter alleine geleistet werden kann. Vorzugsweise wird ferner das von der Brennstoffzelle abgeführte unverbrauchte Brennstoffgas durch eine Rezirkulationspumpe (z.B. eine Freistrahlpumpe) wieder in Richtung der Brennstoffzelle gepumpt und insbesondere mit dem vom Drucktank neu eingeleiteten Brennstoffgas zusammenführt.

Vorzugsweise weist das druckübertragende Element eine flexible Membran oder einen verschiebbaren Kolben auf. Bei der Druckübertragung wird insbesondere ein mit gasförmigem Brennstoff gefülltes erstes Volumen vergrößert und ein mit Luft gefülltes zweites Volumen verkleinert, wobei sich die zwischen den beiden Volumina angeordnete Membran elastisch verformt bzw. der Kolben entsprechend verschoben wird.

Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass bei der erhöhten Leistungsanforderung durch Einlassen von verdichteter Luft aus einem Druckspeicher eine zusätzliche Erhöhung des Gasdrucks der kathodenseitigen Gaszuführung bewirkt wird. Wird über einen längeren Zeitraum ein Massenstromausgleich bzw. eine Massenstromerhöhung benötigt, kann der Druckspeicher zusätzlich zum druckübertragenden Element eingesetzt werden. Der zusätzliche Druckspeicher ist dabei vorzugsweise nahe an der Zufuhr zur Brennstoffzelle angeordnet und kann über Ventile gesteuert werden und vom Verdichter mit Luft befüllt werden. Auf diese Weise kann in zeitlichen Phasen hoher Last bzw. bei Laständerungen die im Druckbehälter gespeicherte Luft der Brennstoffzelle zur Luftversorgung zugefügt werden. Der Druckspeicher erhöht gegenüber der ausschließlichen Verwendung des druckübertragenden Elements die speicherbare Luftmenge und ermöglicht außerdem eine weitere Druckerhöhung der gespeicherten Luft.

Vorzugsweise wird der Druckspeicher nach einer Beendigung des erhöhten Leistungsbedarfs wiederbefüllt, bis ein Zieldruck des Druckspeichers erreicht wird, wobei ein Luftdruck des Druckspeichers insbesondere stufenweise bis zum Zieldruck erhöht wird. Der Vorgang des Befüllens ist im Betrieb insbesondere bei geringer Last vorzunehmen, um gleichzeitig die Versorgung mit Luft und den weiteren Betrieb der Brennstoffzelle zu gewährleisten. Dabei kann insbesondere über eine Ventilschaltung eine druckverbindende Leitung zur anodenseitigen Gaszuführung hergestellt werden und der dort vorherrschende höhere Druck über das druckübertragende Element auf den Druckspeicher übertragen werden. Ist der Druckaufladevorgang abgeschlossen, kann nun die Ventilschaltung wieder so geändert werden, dass die Luft höheren Druckes dem Brennstoffzellenstapel zur Verfügung gestellt wird. Dies erfolgt vorzugsweise genau dann, wenn eine Laständerung von niedriger Last auf höhere Last erfolgt.

Vorzugsweise weist die anodenseitige Gaszuführung einen Abschnitt hohen Drucks und einen Abschnitt niedrigen Drucks auf, wobei das druckübertragende Element über ein erstes Ventil mit dem Abschnitt hohen Drucks und über ein zweites Ventil mit dem Abschnitt niedrigen Drucks verbunden ist, wobei zur Übertragung des Gasdrucks der anodenseitigen Gaszuführung auf die kathodenseitige Gaszuführung das erste Ventil geöffnet und das zweite Ventil geschlossen wird. Vorzugsweise ist der Abschnitt hohen Drucks der Bereich der anodenseitigen Gaszuführung, in dem die Vorentspannung des gasförmigen Brennstoffs stattfindet. Beispielsweise kann dieser Abschnitt hohen Drucks im Gaspfad unmittelbar hinter einem Auslassventil des Brennstofftanks angeordnet sein, während der Abschnitt niedrigen Drucks unmittelbar vor dem Eingang zur Brennstoffzelle angeordnet ist. Auf diese Weise lässt sich die Druckübertragung über ein gezieltes Öffnen bzw. Schließen des ersten und zweiten Ventils steuern.

Vorzugsweise wird nach der Übertragung des Gasdrucks der anodenseitigen Gaszuführung auf die kathodenseitige Gaszuführung das erste Ventil geschlossen und das zweite Ventil geöffnet und insbesondere gasförmiger Brennstoff aus einem Abschnitt zwischen dem ersten und zweiten Ventil durch das zweite Ventil der Brennstoffzelle zugeführt.

Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass zum Wiederbefüllen des Druckspeichers der Gasdruck der anodenseitigen Gaszuführung durch das druckübertragende Element zumindest teilweise auf den Druckspeicher übertragen wird, wobei die kathodenseitige Gaszuführung insbesondere einen Speicherabschnitt aufweist, der über ein drittes Ventil mit dem druckübertragenden Element verbunden ist, über ein viertes Ventil mit der Brennstoffzelle verbunden ist und über ein fünftes Ventil mit dem Druckspeicher verbunden ist, wobei zum Wiederbefüllen des Druckspeichers in einem ersten Befüllungsschritt bei geöffnetem dritten Ventil das vierte Ventil geschlossen und das fünfte Ventil geöffnet wird, wobei durch das druckübertragende Element der Gasdruck der anodenseitigen Gaszuführung zumindest teilweise über den Speicherabschnitt auf den Druckspeicher übertragen wird, wobei in einem zweiten Befüllungsschritt das vierte Ventil geöffnet und das fünfte Ventil verschlossen wird. Vorzugsweise werden der erste Befüllungsschritt und der zweite Befüllungsschritt wiederholt, so dass der Druckspeicher stufenweise bis zum Zieldruck gefüllt wird.

Vorzugsweise wird nach dem Wiederbefüllen des Druckspeichers zum Einlassen von verdichteter Luft aus dem Druckspeicher das dritte Ventil geschlossen und das fünfte Ventil geöffnet.

Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird das Wiederbefüllen durch ein Zusammenspiel des ersten und zweiten Ventils der anodenseitigen Gaszuführung mit dem dritten, vierten und fünften Ventil der kathodenseitigen Gaszuführung realisiert: Zunächst sind das erste und fünfte Ventil geschlossen während das zweite, dritte und vierte Ventil geöffnet sind. Im ersten Befüllungsschritt werden das zweite und vierte Ventil geschlossen und das erste und fünfte Ventil geöffnet. Dies führt insbesondere zu einer Druckerhöhung des der anodenseitigen Gaszuführung zugewandten Teils des druckübertragenden Elements, wobei dieser erhöhte Druck auf die kathodenseitigen Gaszuführung übertragen wird und dort Luft in den Druckspeicher presst. Im zweiten Befüllungsschritt werden das erste und fünfte Ventil geschlossen und das zweite und vierte Ventil wieder geöffnet, wodurch sich insbesondere Druckunterschiede im druckübertragenden Element ausgleichen können. Der erste und zweite Befüllungsschritt kann je nach angestrebtem Zieldruck im Druckbehälter mehrfach wiederholt werden. Vorzugsweise wird das dritte Ventil anschließend geschlossen. Besteht nun eine erhöhte Leistungsanforderung an die Brennstoffzelle, kann das fünfte Ventil geöffnet und die Luft aus dem Druckspeicher zur Versorgung der Brennstoffzelle eingesetzt werden. Liefert schließlich der Verdichter die geforderte Luftmenge am Eingang der Brennstoffzelle, verringert sich der Luftstrom aus dem Druckbehälter. Dann kann das fünfte Ventil geschlossen und das dritte Ventil geöffnet werden. Der Vorgang zur Füllung des Luftbehälters und zur Druckerhöhung kann damit wieder von vorne beginnen.

Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Luft in der kathodenseitigen Gaszuführung durch einen Verdichter mit Druck beaufschlagt wird, wobei durch einen Betrieb des Verdichters (mit einer erhöhten Verdichterleistung eine weitere zusätzliche Erhöhung des Gasdrucks der kathodenseitigen Gaszuführung bewirkt wird. Damit ergibt sich eine weitere Funktion der Druckspeichereinheit für den Betrieb bei maximaler Leistungsanforderung. Zur kurzfristigen Steigerung der Brennstoffzellenleistung („Boost-Funktion“) kann dabei der Brennstoffzelle kurzzeitig ein erhöhter Luftmassenstrom zur Verfügung gestellt werden, indem der Verdichter unter Volllast läuft und zusätzliche Luft aus dem Druckspeicher ins System eingespeist wird.

Vorzugsweise wird ein Luftdruck an einem Eingang der Brennstoffzelle durch eine Druckregelung oder ein selbstregulierendes Element, insbesondere eine Blende, begrenzt. Über eine Regelung bzw. eine sich selbst regelnde Apparatur, wie z.B. eine Blende wird dabei sichergestellt, dass der Druck am Eingang der Brennstoffzelle limitiert wird und so eine kontrollierte Versorgung mit Luftsauerstoff gewährleistet bleibt. Hat der Luftverdichter nach dem Lastwechsel die Sollmenge der zu fördernden Luft erreicht, sinkt durch die Regelung bzw. die sich selbstregelnde Apparatur die bereitgestellte Luftmenge aus dem Druckbehälter wieder ab.

Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Brennstoffzellensystem, aufweisend mindestens eine Brennstoffzelle, eine anodenseitige Gaszuführung, eine kathodenseitige Gaszuführung und eine Kontrolleinheit, wobei zwischen der anodenseitigen und der kathodenseitigen Gaszuführung ein druckübertragendes Element angeordnet ist, wobei die Kontrolleinheit dazu konfiguriert ist, bei einer erhöhten Leistungsanforderung an die Brennstoffzelle einen Gasdruck der anodenseitigen Gaszuführung über das druckübertragende Element zumindest teilweise auf die kathodenseitige Gaszuführung zu übertragen und eine Erhöhung eines Gasdrucks der kathodenseitigen Gaszuführung zu bewirken. Vorzugsweise weist das Brennstoffzellensystem einen aus einer Mehrzahl von Brennstoffzellen gebildeter Zellenstapel auf. Bei der Brennstoffzelle bzw. den Brennstoffzellen kann es sich insbesondere um Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzellen wie beispielsweise Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellen handeln.

Für das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem ergeben sich dieselben Vorteile und Ausgestaltungen, die in Bezug auf das erfindungsgemäße Verfahren beschrieben wurden.

Gemäß einer solchen vorteilhaften Ausgestaltung weist das Brennstoffzellensystem einen Druckspeicher auf und die Kontrolleinheit ist dazu konfiguriert, bei der erhöhten Leistungsanforderung durch Einlassen von verdichteter Luft aus einem Druckspeicher eine zusätzliche Erhöhung des Gasdrucks der kathodenseitigen Gaszuführung zu bewirken.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung sollen nachfolgend anhand des in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert werden. Hierin zeigt:

Fig. 1 ein Brennstoffzellensystem aus dem Stand der Technik, in einer schematischen Darstellung;

Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems in einer schematischen Darstellung;

Fig. 3 ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems in einer schematischen Darstellung.

In der Fig. 1 ist ein aus dem Stand der Technik bekanntes Brennstoffzellensystem 10 schematisch dargestellt. Der Kern des Systems 10 ist der aus einer Mehrzahl von Brennstoffzellen 1 (z.B. Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellen) gebildete Zellstapel T, in dem die elektrochemischen Reaktionen zur Erzeugung der elektrischen Leistung stattfinden. Die dabei beteiligten Reaktionspartner werden über eine anodenseitige Gaszuführung 2 und eine kathodenseitige Gaszuführung 3 zu dem Brennstoffzellen-Stack T transportiert und in die Zellen 1 eingespeist. Anodenseitig wird dabei der gasförmige Brennstoff, hier insbesondere Wasserstoffgas, aus einem Drucktank 9 eingelassen und zunächst in einem, zwischen zwei Ventilen 23, 24 angeordneten Abschnitt 7 vorentspannt. Ein typischer Wert des hydrostatischen Drucks im Drucktank 9 ist beispielsweise 700 bar, während das Gas nach der Vorentspannung einen Druck von 10 bis 50 bar aufweist. Das vorentspannte Brennstoffgas wird zu den Brennstoffzellen 1 geführt, wo an der Anode der Brennstoffzelle 1 Wasserstoffionen erzeugt werden, die zur Kathode wandern und dort mit Sauerstoff zu Wasser reagieren. Um eine ausreichende Gasversorgung auch bei hohen Stromdichten zu gewährleisten, werden Brennstoff und Sauerstoff in einem überstöchiometrischen Mengenverhältnis zugeführt. Der unverbrauchte Anteil des Brennstoffs strömt dabei über die Rückführung 18 erneut zu den Brennstoffzellen, wobei dieser rückführende Kreislauf über eine Rezirkulationspumpe 19, hier über eine Freistrahlpumpe, angetrieben wird.

Um den Sauerstoff für die Reaktion zur Verfügung zu stellen, wird über die kathodenseitige Gaszuführung 3 Umgebungsluft zu den Brennstoffzellen 1 geführt. Die Luft strömt dabei zunächst durch einen Filter 22 und wird durch einen Luftverdichter 20 mit Druck beaufschlagt. Anschließend wird die mit Druck beaufschlagte Luft durch einen Ladeluftkühler 21 geführt und im Befeuchter 26 mit zusätzlicher Luftfeuchtigkeit angereichert. Danach wird die Luft in die Zellen 1 eingespeist, wo der Luftsauerstoff an der Kathode mit den Wasserstoffionen zu Wasser reagiert, das zusammen mit dem unverbrauchten Rest der Luft über das Ventil 25 abgeleitet wird. Das an der Kathode erzeugte Wasser wird hier dazu benutzt, die Feuchtigkeit für den Befeuchter 26 zu Verfügung zu stellen, indem der, ableitende Teil 8 des Systems über den Befeuchter 26 geführt wird, wo die ausströmende, das erzeugte Wasser mitführende Luft die Feuchtigkeit an die einströmende Luft abgibt.

Im Falle einer erhöhten Leistungsanforderung an die Brennstoffzellen 1 (d.h. bei einer Laständerung von niedriger auf hohe Last), muss zum Erzielen der höheren Stromdichte entsprechend mehr Wasserstoff und Sauerstoff zu den Zellen 1 geführt werden. Während das Wasserstoffgas über den Drucktank 9 bereitgestellt wird und damit relativ schnell unter höherem Druck zur Verfügung steht, reagiert die kathodenseitige Gaszuführung 3 mit dem Verdichter 20 wesentlich langsamer auf die Umstellung. Sowohl die Dynamik des Luftverdichters 20 selbst, als auch die Länge des Luftpfads und die Anzahl der Komponenten von Verdichter 20 zu Stack T schränken die Regelzeit erheblich ein, so dass die Gaszuführung 3 nur mit einer gewissen Verzögerung auf den erhöhten Bedarf reagieren kann. Dies limitiert die bereitgestellte Leistung während des Lastwechsels und bei maximaler Leistung des Brennstoffzellenstapels.

Fig. 2 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems

10. Zwischen der anodenseitigen und der kathodenseitigen Gaszuführung 2, 3 (Wasserstoff- und Luftseite) ist ein druckübertragendes Element 4 angeordnet. Dieses Element 4 kann beispielsweise eine Membran oder ein anderes druckübertragendes Bauteil sein. Das druckübertragende Element 4 hat auf Wasserstoffseite über ein erstes Ventil 11 eine schaltbare Verbindung zum Bereich 7 hohen Drucks (hier dem Mitteldruckbereich zwischen Wasserstofftank 9 und Brennstoffzellenstapel T). Zusätzlich besteht zwischen der Wasserstoffseite des druckübertragenden Elements 4 über das zweite Ventil 12 eine schaltbare Verbindung mit einem Bereich 6 niedrigeren Drucks im Wasserstoffsystem 2. Die Luftseite des druckübertragenden Elements 4 ist mit der Luftzufuhr des Brennstoffzellenstapels 1‘ gegebenenfalls über ein druckregelndes Element verbunden. In Phasen niedriger und mittlerer Lastanforderung ist das erste Ventil 11 geschlossen und das zweite Ventil 12 geöffnet und das Druckübertragungssystem befindet sich in der Ausgangslage. Wird nun eine höhere Last der Brennstoffzelle 1 angefordert, wird das zweite Ventil 12 geschlossen und das erste Ventil 11 geöffnet. Dadurch erhöht sich der Druck auf Wasserstoffseite im druckübertragenden Element 4. Dies führt zu einem Luftstrom aus der Luftseite des druckübertragenden Elements 4 in den Brennstoffzellenstapel 1‘.

Gegebenenfalls kann zwischen der Luftseite des druckübertragenden Elements 4 und dem Anschluss zum Stack T ein weiteres Ventil vorgesehen werden, durch das die Vorgänge des Druckaufbaus und der Luftzuführung in den Stack T zeitlich entkoppelt werden können. Nachdem der Lastsprung erfolgt ist, wird das erste Ventil 11 geschlossen und das zweite Ventil 12 geöffnet. Die Restmenge an Wasserstoff mit höherem Druck kann durch das zweite Ventil 12, gegebenenfalls über ein weiteres druckregelndes Element, aus dem Abschnitt 16 in den Bereich 6 niedrigeren Drucks im Wasserstoffsystem entweichen. Sobald die Druckverhältnisse auf Wasserstoff- und Luftseite ausgeglichen sind, ist das Druckübertragungssystem wieder in der Ausgangslage.

In der Fig. 3 ist ein zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems 10 schematisch dargestellt. Neben den beschriebenen Komponenten gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel ist auf der Luftseite 3 ein zusätzlicher Druckbehälter 5 vorgesehen. Dieser Druckbehälter 5 ist mit der Luftleitung 17 verbunden, die sich zwischen der Luftseite des druckübertragenden Elements 4 und der Luftzufuhr des Brennstoffzellenstapels 1‘ befindet. Direkt an dem Druckbehälter 5 ist ein Ventil 14 (viertes Ventil) angeschlossen. Ein drittes Ventil 13 befindet sich im Luftpfad direkt an der Luftseite des druckübertragenden Elements 4. Zusätzlich ist bei dieser Variante des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems 10 ein fünftes Ventil 15 vor der Verbindung des Druckübertragungssystems 4 mit der Luftzuführung zum Brennstoffzellenstapel 1‘ angeordnet. Es ist zweckmäßig, durch die Regelung der Ventilstellung des fünften Ventils 15 oder durch ein anderes druck- bzw. volumenstromregelndes oder -begrenzendes Element, z.B. eine Blende, den Luftdruck an dieser Stelle zu regeln bzw. zu begrenzen, um Druckschwankungen zu vermindern und den zulässigen Druckbereich des Brennstoffzellenstapels 1‘ nicht zu überschreiten.

Die Druckübertragung wird bei der zweiten Variante des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems 10 wird in vier Schritten wie folgt realisiert:

(a) Im Normalbetrieb sind das erste und fünfte Ventil 11 , 15 geschlossen und das zweite, dritte und vierte Ventil 12, 13, 14 sind geöffnet. Im Druckbehälter 5 liegt derselbe bzw. ein ähnlicher Druck wie auf der Luftseite vor und die Brennstoffzelle 1 wird bei niedriger bzw. konstanter, nicht-maximaler Last betrieben.

(b) Danach erfolgt das Druckauf ladeverfahren. Zunächst werden Ventil 12 und 14 geschlossen. Anschließend werden Ventil 11 und Ventil 15 geöffnet. Dies führt zu einer Druckerhöhung des wasserstoffseitigen Drucks im druckübertragenden Element 4. Dadurch wird auf der Luftseite Luft vom druckübertragenden Element 4 in den Druckspeicher 5 gefördert und der Druck im Luftspeicher 5 erhöht. Danach werden die Ventile 11 und 15 geschlossen. Ventile 12 und 14 werden wieder geöffnet, wodurch sich der Druck im druckübertragenden Element 4 ausgleichen kann. Schritt (b) kann je nach gefordertem Druckniveau der Luft im Druckbehälter 5 mehrfach wiederholt werden.

(c) Ist Schritt (b) abgeschlossen, wird das Ventil 13 geschlossen. Wird nun eine höhere Last der Brennstoffzelle 1 angefordert, öffnet sich Ventil 15 und die bereitstehende Luft mit höherem Druck wird zur Versorgung der Brennstoffzelle 1 eingesetzt.

(d) Liefert schließlich der Luftverdichter 20 die geforderte Luftmenge am Eingang der Brennstoffzelle 1, verringert sich der Luftstrom aus dem Druckbehälter 5. Dann wird Ventil 15 geschlossen und Ventil 13 geöffnet. Der Vorgang zur Füllung des Luftbehälters 5 und zur Druckerhöhung kann damit wieder von vorne beginnen.

Die in Fig. 2 und 3 dargestellten Brennstoffzellensysteme 10 weisen mindestens eine Brennstoffzelle 1, eine anodenseitige Gaszuführung 2, eine kathodenseitige Gaszuführung 3 und eine Kontrolleinheit auf, wobei zwischen der anodenseitigen und der kathodenseitigen Gaszuführung 2, 3 ein druckübertragendes Element 4 angeordnet ist, wobei die Kontrolleinheit dazu konfiguriert ist, bei einer erhöhten Leistungsanforderung an die Brennstoffzelle 1 einen Gasdruck der anodenseitigen Gaszuführung 2 über das druckübertragende Element 4 zumindest teilweise auf die kathodenseitige Gaszuführung 3 zu übertragen und eine Erhöhung eines Gasdrucks der kathodenseitigen Gaszuführung 3 zu bewirken. Die dargestellten Brennstoffzellensysteme 10 eignen sich insbesondere zur Durchführung eines Verfahrens zum Betrieb einer Brennstoffzelle 1, wobei der Brennstoffzelle 1 über eine anodenseitige Gaszuführung 2 gasförmiger Brennstoff zugeführt wird und über eine kathodenseitige Gaszuführung 3 Luft zugeführt wird, wobei die anodenseitige Gaszuführung 2 und die kathodenseitigen Gaszuführung 3 über ein druckübertragendes Element 4 gekoppelt sind, wobei bei einer erhöhten Leistungsanforderung an die Brennstoffzelle 1 ein Gasdruck der anodenseitigen Gaszuführung 2 über das druckübertragende Element 4 zumindest teilweise auf die kathodenseitige Gaszuführung 3 übertragen wird und eine Erhöhung eines Gasdrucks der kathodenseitigen Gaszuführung 3 bewirkt.

Bezugszeichenliste

Brennstoffzelle

Zellstapel anodenseitige Gaszuführung kathodenseitige Gaszuführung druckübertragendes Element

Druckspeicher

Abschnitt mit niedrigem Druck

Vorentspannung/Abschnitt mit hohem Druck

Gasabführung

Brennstofftank

Brennstoffzellensystem erstes Ventil zweites Ventil drittes Ventil viertes Ventil fünftes Ventil

Abschnitt zwischen erstem und zweitem Ventil

Speicherabschnitt

Wasse rstoff rü ckf ü h ru ng

Rezirkulationspumpe

Verdichter

Ladeluftkühler

Filter erstes Ventil der Vorentspannung zweites Ventil der Vorentspannung

Ventil der Gasabführung

Befeuchter