DE102007015955B4

DE102007015955B4 - Vorrichtung zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems

Info

Publication number: DE102007015955B4
Application number: DE102007015955.4A
Authority: DE
Inventors: Claudia Ansorge; Dipl.-Ing. Hollnaicher Simon; Dr.-Ing. Limbeck Uwe; Dipl.-Ing. Maurer Wolfgang; Dipl.-Ing. Pasera Uwe; Simon Steinhübl; Harald Teves
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2007-04-03
Filing date: 2007-04-03
Publication date: 2014-01-30
Anticipated expiration: 2027-04-04
Also published as: WO2008119495A1; DE102007015955A1

Abstract

Vorrichtung zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems, mit einem Brennstoffzellenstapel (11), – wobei der Brennstoffzellenstapel (11) eine Kathodeneinlassleitung (23) zum Zuführen eines gasförmigen Oxidationsmittels (24) sowie eine Kathodenauslassleitung (31) zum Herausführen eines Kathodenabgases aufweist, – in der Kathodeneinlassleitung (23) und in der Kathodenauslassleitung (31) jeweils ein Feuchtigkeitssensor (40, 41) angeordnet ist, – ein Befeuchter (30) zur Regulierung der Wasserdampfkonzentration des dem Brennstoffzellenstapel (11) zugeführten gasförmigen Oxidationsmittels (24) vorgesehen ist, – eine Bypassleitung (32a) zur kontrollierten Umgehung des Befeuchters (30) für das zu befeuchtende gasförmige Oxidationsmittel (24) und eine Bypassleitung (32b) zur kontrollierten Umgehung des Befeuchters (30) für das Kathodenabgas in Abhängigkeit der Sensorsignale der Feuchtigkeitssensoren (40, 41) vorhanden ist – in den Bypassleitungen (32a, 32b) jeweils ein Bypassventil (33a, 33b) angeordnet ist, – und eine Steuereinrichtung vorgesehen ist, die so ausgebildet ist, dass sie durch Differenzbildung der Sensorsignale der beiden Feuchtigkeitssensoren (40, 41) eine die aktuelle Wasserdampfkonzentration wiedergebende Befeuchtungsgröße λ ermittelt, auf deren Basis durch Betätigung der Bypassventile (33a, 33b) ein vorgegebener Sollwert der Wasserdampfkonzentration einstellbar ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems, mit einem Brennstoffzellenstapel, wobei der Brennstoffzellenstapel eine Kathodeneinlassleitung zum Zuführen eines gasförmigen Oxidationsmittels sowie eine Kathodenauslassleitung zum Herausführen eines Kathodenabgases aufweist, wobei in der Kathodeneinlassleitung und in der Kathodenauslassleitung jeweils ein Feuchtigkeitssensor angeordnet ist.
Das Brennstoffzellensystem dient beispielsweise der Energieversorgung eines elektromotorischen Antriebs in einem Kraftfahrzeug.
Ein im Kraftfahrzeugbereich gebräuchlicher Brennstoffzellentyp stellt die sogenannte Proton Exchange Membrane Fuel Cell (PEMFC) bzw. Proton Exchange Fuel Cell (PEFC) dar, die durch elektrochemische Reaktion eines wasserstoffhaltigen Brenngases mit einem sauerstoffhaltigen Oxidationsmittel elektrische Energie erzeugt. Als Elektrolyt dient eine feste Polymermembran, beispielsweise aus Nafion. Die Polymermembran ist beidseitig mit einem Elektrodenmaterial beschichtet, das aus einer Mischung von Kohlenstoff mit einem metallischen Katalysator besteht. Bei dem metallischen Katalysator handelt es sich in der Regel um Platin und/oder Ruthenium. Um die zur effizienten Elektrizitätserzeugung erforderliche Protonenleitfähigkeit der Polymermembran aufrechtzuerhalten, muss diese in einem vorgegebenen Feuchtigkeitsbereich betrieben werden.
Vor diesem Hintergrund schlägt die DE 102 46 168 A1 eine Vorrichtung zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems mit einem Brennstoffzellenstapel vor, bei der die Wasserdampfkonzentration eines über eine Kathodeneinlassleitung zugeführten sauerstoffhaltigen Gases sowie eines über eine Kathodenauslassleitung abgelassenen Kathodenabgases mittels jeweils zugehöriger Feuchtigkeitssensoren überwacht wird, um in Abhängigkeit des Messergebnisses einen Teil des wasserdampfhaltigen Kathodenabgases zur Kathodeneinlassleitung zurückzuführen. Ein kritisches Austrocknen der Polymermembran lässt sich auf diese Weise zuverlässig vermeiden.
Nachteilig ist, dass sich aufgrund der Rückführung des Kathodenabgases vermehrt inerte Bestandteile auf der Elektrodenoberfläche anreichern können, was letztlich eine Verringerung der Effizienz der Elektrizitätserzeugung zur Folge hat.
Aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 10 2006 022 864 A1 ist ein Brennstoffzellensystem bekannt, das einen Brennstoffzellenstapel, eine Kathodeneinlassleitung zum Zuführen eines gasförmigen Oxidationsmittels, eine Kathodenauslassleitung zum Herausführen von Kathodenabgas, Feuchtigkeitssensoren in der Kathodeneinlassleitung und in der Kathodenauslassleitung, einen Befeuchter zum Regulieren der Feuchtigkeit des zugeführten gasförmigen Oxidationsmittels und eine Bypassleitung umfasst, wobei die Bypassleitung zur kontrollierten Umgehung des Befeuchters der in Abhängigkeit von den Sensorsignalen der Feuchtigkeitssensoren dient.
In der deutschen Offenlegungsschrift DE 102 19 626 A1 wird eine elektronische Steuerung zur Umleitung von Gas (Luft oder Sauerstoff) um einen Befeuchter herum zu der Kathode eines Brennstoffzellenstapels beschrieben. In Abhängigkeit von den Sensorsignalen des Feuchtigkeitssensors regelt die Feuchtigkeitssteuerung, ob das zugeführte Gas durch den Befeuchter hindurch zur Brennstoffzelle oder durch die Bypassleitung hindurch ohne Befeuchtung zur Brennstoffzelle geliefert wird.
Wenn die Feuchtigkeit, die durch den Feuchtigkeitssensor erfasst wird, ein erstes vorbestimmtes Niveau überschreitet oder unter ein zweites vorbestimmtes Niveau abfällt, wird der Anteil des Gases, der umgeleitet wird, unter Verwendung der Bypassleitung variiert.
Sowohl in DE 10 2006 022 864 A1 als auch in DE 102 19 626 A1 wird jeweils ein Brennstoffzellenstapel beschrieben, bei dem mit Hilfe je eines Feuchtigkeitssensors in der Kathodeneinlassleitung und in der Kathodenauslassleitung, in Abhängigkeit von den Sensorsignalen, der Grad der Befeuchtung des zugeführten gasförmigen Oxidationsmittels über den vor der Brennstoffzelle gelegenen Befeuchter mittels einer Bypassleitung zur Umgehung des Befeuchters geregelt wird. Dabei wird jeweils nur mit einer der beiden Bypassleitungen der Befeuchtungsgrad des gasförmigen Oxidationsmittels geregelt.
In den deutschen Offenlegungsschriften DE 10 2005 022 863 A1 und DE 10 2004 005 446 A1 werden weitere Brennstoffzellensysteme beschrieben, in denen die Feuchtigkeit mittels Feuchtigkeitssensoren überwacht und gesteuert wird.
In der Patentanmeldung US 2001/0010875 A1 wird ein Befeuchtungssystem für Brennstoffzellenreaktionsgas beschrieben, wobei verschiedene Bypassvariationen einstellbar sind.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art derart weiterzubilden, dass diese eine Regulierung der Wasserdampfkonzentration in einem Brennstoffzellenstapel mit verbesserter Genauigkeit ermöglicht.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
Die Vorrichtung zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems umfasst einen Brennstoffzellenstapel, wobei der Brennstoffzellenstapel eine Kathodeneinlassleitung zum Zuführen eines gasförmigen Oxidationsmittels sowie eine Kathodenauslassleitung zum Herausführen eines Kathodenabgases aufweist, wobei in der Kathodeneinlassleitung und in der Kathodenauslassleitung jeweils ein Feuchtigkeitssensor angeordnet ist.
Erfindungsgemäß ist zusätzlich ein Befeuchter zur Regulierung der Wasserdampfkonzentration des zugeführten gasförmigen Oxidationsmittels vorgesehen, wobei eine Bypassleitung zur kontrollierten Umgehung des Befeuchters in Abhängigkeit der Sensorsignale des Feuchtigkeitssensors vorhanden ist.
Bei dem Befeuchter handelt es sich insbesondere um einen sogenannten Gas-zu-Gas-Befeuchter, bei dem ein wasserdampfhaltiges Befeuchtergas entlang einer hydrophilen bzw. selektiven Membran, beispielsweise aus Polyphenylsulfon (PPSU) oder Nafion, im Gegenstrom zu dem zu befeuchtenden gasförmigen Oxidationsmittel geleitet wird. Als Befeuchtergas wird beispielsweise das wasserdampfgesättigte Kathodenabgas des Brennstoffzellenstapels genutzt.
Eine vorteilhafte Ausführung der erfindungsgemäßen Vorrichtung geht aus dem Unteranspruch hervor.
Die Einstellung der Wasserdampfkonzentration kann durch Anpassung des Öffnungswinkels eines in Abhängigkeit der Sensorsignale des Feuchtigkeitssensors betätigten Bypassventils, das in der Bypassleitung des Befeuchters angeordnet ist, erfolgen. Das Bypassventil, das beispielsweise als stromlos offenes Regelklappenventil ausgebildet ist, erlaubt hierbei eine gezielte Überbrückung des Volumenflusses zwischen Ein- und Ausgangsseite des Befeuchters, mithin also letztlich eine Veränderung der Befeuchtungsleistung. Derartige Bypassleitungen sind für das Befeuchtergas und das zu befeuchtende Betriebsgas vorgesehen.
Hierbei ermittelt eine zentrale Steuereinrichtung durch Auswertung der Sensorsignale eine die aktuelle Wasserdampfkonzentration wiedergebende Befeuchtungsgröße λ und stellt diese durch geeignete Betätigung der Bypassventile entsprechend einem vorgegebenen Sollwert ein. Der Sollwert wird vorteilhafterweise derart vorgegeben, dass eine für den Betrieb des Brennstoffzellenstapels optimale Wasserdampfkonzentration eingehalten wird.
Um im Falle dynamischer Lastwechsel eine genaue Einstellung der Wasserdampfkonzentration sicherzustellen, ist es erforderlich, die feuchtigkeitspuffernde Wirkung des Brennstoffzellenstapels aufgrund des darin vorhandenen Prozesswassers zu berücksichtigen. Die feuchtigkeitspuffernde Wirkung des Brennstoffzellenstapels lässt sich auf Grundlage einer Differenzfeuchtigkeitsmessung zwischen der Kathodeneinlassleitung und der Kathodenauslassleitung abschätzen. Daher sind insgesamt zwei Feuchtigkeitssensoren vorhanden, wobei sich die Befeuchtungsgröße λ als Differenz der Sensorsignale der beiden Feuchtigkeitssensoren ergibt.
Wird das Brennstoffzellensystem im Kraftfahrzeug eingesetzt, ist es von Vorteil, wenn der Fahrer auf einen unzulässigen Betriebszustand des Brennstoffzellensystems aufgrund einer zu geringen Feuchtigkeit der Polymermembran hingewiesen wird. Hierzu erfolgt die Ausgabe einer Fahrerwarnung, wenn die betragliche Abweichung zwischen der ermittelten Befeuchtungsgröße und dem vorgegebenen Sollwert einen einzuhaltenden Sicherheitswert überschreitet.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung wird im folgenden anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Die einzige Figur zeigt ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems.
Das Brennstoffzellensystem 10 umfasst einen Brennstoffzellenstapel 11, wobei der Brennstoffzellenstapel 11 aus einer schichtweisen Anordnung einzelner Brennstoffzellen 12 besteht.
Beispielsgemäß ist die Brennstoffzelle 12 vom Typ einer sogenannten Proton Exchange Membrane Fuel Cell (PEMFC) bzw. Proton Exchange Fuel Cell (PEFC). Eine derartige Brennstoffzelle 12 weist ein Anodenströmungsfeld 12a und ein Kathodenströmungsfeld 12b auf, wobei die beiden Felder durch einen Elektrolyten in Gestalt einer aus Nafion bestehenden Polymermembran voneinander getrennt sind. Die Polymermembran ist beidseitig mit einem Elektrodenmaterial beschichtet, das aus einer Mischung von Kohlenstoff mit einem metallischen Katalysator besteht. Bei dem metallischen Katalysator handelt es sich in der Regel um Platin und/oder Ruthenium.
Zum Betrieb der Brennstoffzelle 12 wird dem Anodenströmungsfeld 12a über eine Anodeneinlassleitung 13 ein wasserstoffhaltiges Brenngas 14 zugeführt, das von Seiten eines Hochdrucktanks oder eines Reformers bereitgestellt wird. Bei dem wasserstoffhaltigen Brenngas 14 kann es sich um reines Wasserstoffgas handeln.
Ist das Brennstoffzellensystem 10 abgeschaltet, wird die Versorgungsleitung 13 mittels eines elektromagnetischen Ventils 15 abgesperrt, um eine unerwünschte Freisetzung von Wasserstoffgas in die Umgebung auszuschließen.
Das im Anodenströmungsfeld 12a gebildete Anodenabgas wird über eine Anodenauslassleitung 20 entweder unmittelbar zur Umgebung hin abgelassen oder aber zumindest teilweise über eine Anodenspülleitung 21, die in die Anodeneinlassleitung 13 der Brennstoffzelle 12 mündet, in das Anodenströmungsfeld 12a zurückgeführt. Der Volumenstrom des zurückgeführten Anodenabgases lässt sich mittels eines in der Anodenspülleitung 21 angeordneten elektrisch betätigbaren Drosselklappenventils 22 steuern.
Gleichzeitig wird dem Kathodenströmungsfeld 12b über eine Kathodeneinlassleitung 23 ein gasförmiges Oxidationsmittel 24 in Form komprimierter Luft zugeführt. Die Komprimierung der Luft, die über ein Luftfiltersystem aus der Außenatmosphäre entnommen wird, erfolgt hierbei mittels einer elektrisch betriebenen Luftversorgungseinheit 25a, beispielsweise mittels eines Kompressors bzw. Turboladers. Das Luftfiltersystem weist unter anderem neben einem chemischen und/oder mechanischen Partikelfilter einen Schalldämpfer zur Verringerung des Geräuschs beim Betrieb der Luftversorgungseinheit 25a auf.
Das Brennstoffzellensystem 10 umfasst zusätzlich einen Befeuchter 30 zur Regulierung der Wasserdampfkonzentration des zugeführten gasförmigen Oxidationsmittels 24. Bei dem Befeuchter 30 handelt es sich um einen sogenannten Gas-zu-Gas-Befeuchter, bei dem ein wasserdampfhaltiges Befeuchtergas entlang einer hydrophilen bzw. selektiven Membran, beispielsweise aus Polyphenylsulfon (PPSU) oder Nafion, im Gegenstrom zu dem zu befeuchtenden gasförmigen Oxidationsmittel 24 geleitet wird. Als Befeuchtergas wird das über eine Kathodenauslassleitung 31 herausgeführte wasserdampfgesättigte Kathodenabgas des Brennstoffzellenstapels 11 verwendet, wobei dieses nach Durchlaufen des Befeuchters 30 über einen mit dem Luftversorgungseinheit 25a verbundenen Expander 25b entspannt und zur Umgebung hin abgelassen wird.
Es sind Bypassleitungen 32a und 32b zur kontrollierten Umgehung des Befeuchters 30 vorhanden, wobei in den Bypassleitungen 32a und 32b jeweils ein elektrisch betätigbares Bypassventilventil 33a, 33b angeordnet ist. Die Bypassventile 33a, 33b erlauben hierbei eine gezielte Überbrückung des Volumenflusses zwischen Ein- und Ausgangsseite des Befeuchters 30, mithin also letztlich eine Veränderung der Befeuchtungsleistung. Derartige Bypassleitungen 32a, 32b sind für das Befeuchtergas (also das Kathodenabgas) und das zu befeuchtende gasförmige Oxidationsmittel 24 vorgesehen.
Zur Kühlung der Brennstoffzelle 12 ist eine Kühleinrichtung 12c vorgesehen. Die Kühleinrichtung 12c ist an einen Kühlmittelkreislauf 35 angeschlossen, der eine elektrisch betriebene Förderpumpe 36 zum Umwälzen eines in dem Kühlmittelkreislauf 35 zirkulierenden Kühlmittels aufweist. Die beim Betrieb der Brennstoffzelle 12 anfallende Prozesswärme wird über einen im Kühlmittelkreislauf 35 befindlichen Radiator 37 an die Umgebung abgegeben.
Eine nicht dargestellte zentrale Steuereinrichtung des Brennstoffzellensystems 10 wertet die Sensorsignale der in der Kathodeneinlassleitung 23 und der Kathodenauslassleitung 31 angeordneten Feuchtigkeitssensors 40 und 41 aus, um eine die aktuelle Wasserdampfkonzentration wiedergebende Befeuchtungsgröße λ zu ermitteln und diese durch geeignete Betätigung der Bypassventile 33a und 33b entsprechend einem vorgegebenen Sollwert einzustellen. Es sind insgesamt zwei Feuchtigkeitssensoren 40 und 41 vorhanden, wobei sich die Befeuchtungsgröße als Differenz der Sensorsignale der beiden Feuchtigkeitssensoren 40 und 41 ergibt.
Um den Fahrer auf einen unzulässigen Betriebszustand des Brennstoffzellensystems 10 aufgrund einer zu geringen Feuchtigkeit der Polymermembran der Brennstoffzelle 12 hinzuweisen, ist gemäß einer beispielhaften Weiterbildung vorgesehen, dass die zentrale Steuereinrichtung die Ausgabe einer Fahrerwarnung veranlasst, wenn die betragliche Abweichung zwischen der ermittelten Befeuchtungsgröße und dem vorgegebenen Sollwert einen einzuhaltenden Sicherheitswert überschreitet.

Claims

Vorrichtung zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems, mit einem Brennstoffzellenstapel (11), – wobei der Brennstoffzellenstapel (11) eine Kathodeneinlassleitung (23) zum Zuführen eines gasförmigen Oxidationsmittels (24) sowie eine Kathodenauslassleitung (31) zum Herausführen eines Kathodenabgases aufweist, – in der Kathodeneinlassleitung (23) und in der Kathodenauslassleitung (31) jeweils ein Feuchtigkeitssensor (40, 41) angeordnet ist, – ein Befeuchter (30) zur Regulierung der Wasserdampfkonzentration des dem Brennstoffzellenstapel (11) zugeführten gasförmigen Oxidationsmittels (24) vorgesehen ist, – eine Bypassleitung (32a) zur kontrollierten Umgehung des Befeuchters (30) für das zu befeuchtende gasförmige Oxidationsmittel (24) und eine Bypassleitung (32b) zur kontrollierten Umgehung des Befeuchters (30) für das Kathodenabgas in Abhängigkeit der Sensorsignale der Feuchtigkeitssensoren (40, 41) vorhanden ist – in den Bypassleitungen (32a, 32b) jeweils ein Bypassventil (33a, 33b) angeordnet ist, – und eine Steuereinrichtung vorgesehen ist, die so ausgebildet ist, dass sie durch Differenzbildung der Sensorsignale der beiden Feuchtigkeitssensoren (40, 41) eine die aktuelle Wasserdampfkonzentration wiedergebende Befeuchtungsgröße λ ermittelt, auf deren Basis durch Betätigung der Bypassventile (33a, 33b) ein vorgegebener Sollwert der Wasserdampfkonzentration einstellbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung so ausgebildet ist, dass sie die Ausgabe einer Fahrerwarnung veranlasst, wenn die betragliche Abweichung zwischen der ermittelten Befeuchtungsgröße λ und dem vorgegebenen Sollwert einen einzuhaltenden Sicherheitswert überschreitet.