DE19929472A1 - Verfahren zur Regulierung des Wasserhaushalts einer PEM-Brennstoffzelle - Google Patents
Verfahren zur Regulierung des Wasserhaushalts einer PEM-BrennstoffzelleInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regulierung des Wasserhaushalts einer PEM-Brennstoffzelle, wobei die Luftströmungsrichtung phasenweise umgekehrt wird. Gemäß der Erfindung wird die in die Brennstoffzelle einströmende Luft vor Eintritt in die Brennstoffzelle befeuchtet.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regulierung des Wasserhaushalts einer PEM-
Brennstoffzelle (PEM: proton exchange membrane), wobei die Luftströmungsrichtung
phasenweise umgekehrt wird.
Ein wesentliches Problem bei der Anwendung von PEM-Brennstoffzellen ist, daß
deren Membran-Elektroden-Einheit, im folgenden auch mit MEA genannt, im Betrieb
leicht austrocknet. Die notwendige Befeuchtung geschieht gemäß einem Verfahren
nach dem Stand der Technik (DE 198 09 575 A1) mit Befeuchtungssystemen, die
Flüssigwasser bei Bedarf an einen Befeuchter zur Befeuchtung der MEA abgeben.
Diese Systeme haben den Nachteil, daß sie nicht frostsicher sind, was insbesondere
im mobilen Einsatz in Kraftfahrzeugen nachteilig ist.
Stand der Technik hinsichtlich einer frostsicheren Luftbefeuchtung ist das soge
nannte AAD-Verfahren (AAD: Alternating Air) gemäß der WO 99/28985. Die Aus
trocknung der MEA ist vor allem am Frischlufteinlauf der Brennstoffzelle problema
tisch. Zwar entsteht an der Kathode der Luftseite infolge der Zellreaktion Wasser,
daß von der MEA aufgenommen wird. Die Menge des produzierten Wassers ist am
Frischlufteinlauf der Brennstoffzelle jedoch relativ gering. Deshalb wird beim AAD-
System die Strömungsrichtung der Zuluft in bestimmten Zeitintervallen umgeschaltet,
wie anhand von Fig. 1 dargestellt. Fig. 1 zeigt eine Brennstoffzelle 2 mit einem Ventil
5 zur Steuerung der Luftströmungsrichtung. Die Zuluft 3 wird über ein 4/2-Wegeventil
5 bei Ventilstellung a über die Leitung 6 zur Brennstoffzelle 2 geleitet. Bei Ventilstel
lung b wird die Zuluft 3 über die Leitung 7 der Brennstoffzelle 2 zugeführt. Die Abluft
aus der Brennstoffzelle 2 wird bei Ventilstellung a über die Leitung 7 an das 4/2-
Wegeventil 5 geleitet und von dort aus auf die Abluftleitung 4. Bei Ventilstellung b
wird die Abluft von der Brennstoffzelle 2 über die Leitung 6 an das 4/2-Wegeventil
geleitet und von dort aus auf die Abluftleitung 4. Die Schaltung läßt sich grundsätz
lich auch mit zwei 3/2-Wegeventilen anstatt einem 4/2-Wegeventil aufbauen.
Nachteilig an dem AAD-Verfahren ist die Tatsache, daß die in die Brennstoffzelle
einströmende trockene Luft sehr viel Feuchtigkeit aufnehmen kann, die der MEA
entzogen wird. Dieser Zusammenhang ist anhand von Fig. 2 für ein AAD-System
gemäß Fig. 1 dargestellt. Sie zeigt die relative Feuchte der einströmenden trockenen
Luft in Abhängigkeit vom Kanalweg (in % des Gesamtwegs) innerhalb der Brenn
stoffzelle. Wie man dem Diagramm entnehmen kann, steigt die relative Feuchtigkeit
im wesentlichen linear über dem Kanalweg an und erreicht erst am Ende des Wegs
den Sättigungszustand. Bis zu diesem Punkt nimmt der Luftstrom Wasser auf. Somit
wird der MEA annähernd über den gesamten Kanalweg Feuchtigkeit entzogen,
wobei der Feuchtigkeitsverlust der MEA wiederum am Einlauf am stärksten ist.
Aufgrund dessen ist beim AAD-Verfahren ein häufiges Umschalten der Luftströ
mungsrichtung notwendig. Häufiges Umschalten führt jedoch zu einer Verminderung
der Standzeiten der betreffenden Schaltventile.
Ein häufiges Umschalten ist darüberhinaus auch aus dem Grund unerwünscht, weil
im Moment der Umschaltung die mit Sauerstoff abgereicherte Luft in entgegenge
setzter Richtung aus der Brennstoffzelle geführt wird. Die Sauerstoffkonzentration
reicht dann nicht mehr aus, um die Zellspannung stabil zu halten. Es entsteht ein
kurzzeitiger Leistungseinbruch. Fig. 3 zeigt hierzu den entsprechenden Spannungs
verlauf der Brennstoffzelle beim AAD-Verfahren. Deutlich zu erkennen sind die
Spannungseinbrüche beim Umschalten der Strömungsrichtung.
Aufgabe der Erfindung ist es, das AAD-System insoweit zu verbessern, daß mög
lichst lange Perioden zwischen den Umschaltvorgängen erreicht werden können, um
die Standzeit der Ventile zu erhöhen und um die Verluste durch Leistungseinbrüche
zu minimieren.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des Patentanspruch 1
gelöst. Die weiteren Ansprüche betreffen vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wird zusätzlich zur phasenweisen Umkeh
rung der Luftströmungsrichtung die Luft vorbefeuchtet. Diese Kombination hat den
Vorteil, daß die Umschaltzeiten wesentlich verlängert werden können. Dadurch wird
eine wirtschaftlicher Betrieb der Brennstoffzelle ermöglicht. Insbesondere wird die
Standzeit der Ventile erhöht und die Verluste durch Leistungseinbrüche minimiert.
In einer besonders vorteilhaften Ausführung wird die Luft vor der Befeuchtung
komprimiert (insbesondere auf das Druckniveau in der Brennstoffzelle). Dies hat den
Vorteil, daß für die beim Befeuchten stattfindende Wasserverdampfung keine
zusätzliche Energie bereitgestellt werden muß. Vielmehr kann die benötigte Ver
dampfungsenergie der komprimierten Luft entzogen werden. Diese muß ohnehin vor
Eintritt in die Brennstoffzelle gekühlt werden, um eine Schädigung der Brennstoffzelle
zu vermieden. Durch diese Verdampfungskühlung ist kein zusätzliches Aggregat für
die Luftkühlung notwendig.
Die Befeuchtung der Luft kann zum Beispiel durch Eindüsen mittels einer Düse
erfolgen.
In einer weiteren Ausführung erfolgt die Befeuchtung mittels eines Membranmoduls.
Dabei wird das vorzubefeuchtende Gas über eine Membranfläche geführt, und nimmt
über die Membran Wasser auf.
Besonders geeignet als Membranmaterial ist das in den Patentansprüchen der
EP 0 111 360 B1 beschriebene Material.
Um den Leistungseinbruch bei der Umkehrung der Luftströmungsrichtung zu mini
mieren, kann in einer weiteren Ausführung der Erfindung zusätzlich die Luftzufuhr,
d. h. der entsprechende Volumendurchsatz der Brennstoffzelle gezielt geregelt
werden. Dabei kann besonders vorteilhaft unmittelbar vor oder unmittelbar nach den
Zeitpunkten, zu denen die Luftströmungsrichtung umgekehrt wird, eine Erhöhung der
Luftzufuhr vorgenommen werden.
Desweiteren kann zur Glättung der Leistungskennlinie der Brennstoffzelle ein
elektrischer Speicher, z. B. eine Batterie, ein Kondensator oder ein Superkondensator
eingesetzt werden, der parallel zur Brennstoffzelle geschaltet wird.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführung zur Minimierung des kurzzeitigen Leis
tungseinbruchs bei der Richtungsumkehr kann die Brennstoffzelle in mehrere
Bereiche unterteilt werden, die separat mit Luft versorgt werden. Dies kann insbe
sondere dadurch geschehen, daß ein Brennstoffzellenstack in mehrere derartiger
Bereiche unterteilt wird. Alternativ können auch einzelne Brennstoffzellenstacks
innerhalb einer Brennstoffzellenanlage aus mehreren Stacks als derartige Bereiche
definiert werden. In jedem Fall werden die Umkehrtakte der Luftströmung innerhalb
dieser Bereiche so aufeinander abgestimmt, daß die Umkehrung der Luftströmungs
richtungen immer zu unterschiedlichen Zeitpunkten erfolgt.
Auch bei dieser Unterteilung in einzelne Bereiche kann zusätzlich eine Regelung der
Luftzufuhr vorgenommen werden, um den Leistungsbeinbruch der Brennstoffzelle zu
minimieren. So kann zum Beispiel zu dem Zeitpunkt, zu dem in einem Bereich der
Brennstoffzelle die Luftströmungsrichtung umgekehrt wird, in einem anderen Bereich
eine Erhöhung der Luftzufuhr vorgenommen werden.
In einer besonders vorteilhaften Ausführung erfolgt in zwei Bereichen der Brennstoff
zelle die Umkehrung der Luftströmungsrichtung zu unmittelbar aufeinanderfolgenden
Zeitpunkten, wobei jeweils zu dem Zeitpunkt, zu dem in dem einen Bereich die
Luftströmungrichtung umgekehrt wird, in dem anderen Bereich eine Erhöhung der
Luftzufuhr vorgenommen wird, um den Leistungseinbruch der Brennstoffzelle zu
minimieren.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Zeichnungen und Diagrammen näher
erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 ein prinzipielles Schaltbild des zum Stand der Technik gehörenden AAD-
Luftbefeuchtungssystems, wie in der Beschreibungseinleitung erläutert;
Fig. 2 der Verlauf der relativen Feuchte des Luftstroms in Abhängigkeit vom Weg
innerhalb der Brennstoffzelle bei Speisung mit trockener Luft (gemäß dem
zum Stand der Technik gehörenden AAD-Luftbefeuchtungssystem);
Fig. 3 den Spannungsverlauf der Brennstoffzelle beim AAD-Luftbefeuchtungs
system (Stand der Technik),
Fig. 4 ein prinzipielles Schaltbild zum Ablauf einer Ausführung des erfindungsge
mäßen Verfahrens, wobei die Vorbefeuchtung durch Wassereindüsen erfolgt;
Fig. 5 ein prinzipielles Schaltbild zum Ablauf einer weiteren Ausführung des
erfindungsgemäßen Verfahrens, wobei die Vorbefeuchtung durch Gas/Gas-
Befeuchtung erfolgt;
Fig. 6 den Verlauf der relativen Feuchte des Luftstroms in Abhängigkeit vom Weg
innerhalb der Brennstoffzelle gemäß einer Ausführung der Erfindung;
Fig. 7 Spannungsverlauf über der Zeit für zwei verschiedene Brennstoffzellenberei
che der Brennstoffzelle, bei zusätzlicher, abgestimmter Sauerstoffzufuhr ge
mäß einer Ausführung der Erfindung;
Fig. 8 Spannungsverlauf über der Zeit für zwei verschiedene Brennstoffzellenberei
che bei zusätzlicher, abgestimmter Sauerstoffzufuhr gemäß einer weiteren
Ausführung der Erfindung.
Fig. 4 zeigt ein prinzipielles Schaltbild zum Ablauf einer Ausführung des erfindungs
gemäßen Verfahrens. Dargestellt ist eine Brennstoffzelle 2 mit einem Ventil 5 zur
Steuerung der Luftströmungsrichtung und einem Bauteil 8 zur Vorbefeuchtung der
Zuluft. Der Vorbefeuchter 8 umfaßt in dieser Ausführung eine Düse, mit der das
Wasser in den Luftstrom eingedüst wird. Die Zuluft wird über die Leitung 3 zuerst zu
dem Vorbefeuchter 8 und dann über ein 4/2-Wegeventil 5 bei Ventilstellung a über
die Leitung 6 zur Brennstoffzelle 2 geleitet. Bei Ventilstellung b wird die Zuluft 3 über
die Leitung 7 der Brennstoffzelle 2 zugeführt. Die Abluft aus der Brennstoffzelle 2
wird bei Ventilstellung a über die Leitung 7 an das 4/2-Wegeventil 5 geleitet und von
dort aus zu einem Wasserabscheider 9 auf die Abluftleitung 4. Bei Ventilstellung b
wird die Abluft von der Brennstoffzelle 2 über die Leitung 6 an das 4/2-Wegeventil
geleitet und von dort aus auf die Abluftleitung 4. In Leitung 10 wird das Wasser aus
dem Wasserabscheider 9 zu dem Vorbefeuchter 8 transportiert. Optional ist es
möglich, in der Leitung 10 ein Teil der feuchten Abluft der Zuluft zuzuführen und
damit den Luftstrom vorzubefeuchten. Der Wasserabscheider 9 würde dann entfal
len. Dafür müßte evtl. eine zusätzliche Pumpe und eine Regelung eingebaut werden.
Wie der Fachmann erkennt, läßt sich die gezeigte Schaltung auch mit zwei 3/2-
Wegeventilen anstatt einem 4/2-Wegeventil aufbauen.
Fig. 5 zeigt ein prinzipielles Schaltbild zum Ablauf einer weiteren Ausführung des
erfindungsgemäßen Verfahrens, wobei die Vorbefeuchtung durch Gas/Gas-
Befeuchtung erfolgt. Dargestellt ist ein Brennstoffzelle 2 mit einem Ventil 5 zur
Steuerung der Luftströmungsrichtung und einem Gas/Gas-Befeuchter 11 zur Vorbe
feuchtung der Zuluft. Der Gas/Gas-Befeuchter 11 umfaßt als wesentliches Element
eine oder mehrere Membranschichten 14, über die das vorzubefeuchtende Gas
Wasser aufnimmt. Die Verdampfung findet auf der Membranoberfläche statt.
Die Zuluft wird nach der Kompression am Kompressor 15 über die Leitung 3 über ein
4/2-Wegeventil 5 bei Ventilstellung a über die Leitung 6 zum Gas/Gas-Befeuchter
und dann über Leitung 13 zur Brennstoffzelle 2 geleitet. Bei Ventilstellung b wird die
Zuluft 3 über die Leitung 7 zu dem Gas/Gas-Befeuchter und dann über Leitung 12
der Brennstoffzelle 2 zugeführt. Die Abluft aus der Brennstoffzelle 2 wird bei Ventil
stellung a über die Leitung 12 an den Gas/Gas-Befeuchter dann über Leitung 7 an
das 4/2-Wegeventil 5 geleitet und von dort aus auf die Abluftleitung 4. Bei Ventilstel
lung b wird die Abluft von der Brennstoffzelle 2 über die Leitung 13 an den Gas/Gas-
Befeuchter 11 geleitet dann an das 4/2-Wegeventil 5 und von dort aus auf die
Abluftleitung 4. Die dargestellte Schaltung ist also so ausgelegt, daß die Vorbe
feuchtung der Zuluft im Gas/Gas-Befeuchter 11 mittels der feuchten Abluft der
Brennstoffzelle erfolgen kann.
Wie der Fachmann erkennt, läßt sich die Schaltung grundsätzlich auch mit zwei 3/2-
Wegeventilen anstatt einem 4/2-Wegeventil aufbauen.
Fig. 6 zeigt den Verlauf der relativen Feuchte des Luftstroms in Abhängigkeit vom
Weg innerhalb der Brennstoffzelle bei der erfindungsgemäßen Speisung mit vorbe
feuchteter Luft. Der in Fig. 6 benannte Kanalweg stellt den Weg dar, den die Luft
durch die Brennstoffzelle durchläuft. Auch wenn die Vorbefeuchtung nur sehr gering
gewählt wird, erreicht die Luft schon bei ca. der Hälfte ihres Weges den Sättigungs
zustand d. h. die Wasseraufnahme aus der Membran ist erheblich reduziert. Die
treibende Kraft für die Wasseraufnahme ist von Einlauf an deutlich geringer und die
Zeitdauer der Wasseraufnahme ist deutlich kürzer. Hinzu kommt, daß der Sätti
gungszustand der Luft über einen größeren räumlichen Bereich vorhanden ist. In
diesem Bereich kann das durch die Zellreaktion entstehende Wasser in der MEA
gespeichert werden, und wird nicht an den Luftstrom abgegeben. Durch diesen Effekt
kann die Zeitdauer bis zum nächsten Umschalten erheblich verlängert werden. Dies
hat den Vorteil, daß weniger Leistungseinbrüche beim Umschalten in Kauf genom
men werden müssen. Außerdem wird durch die geringere Anzahl der Umschaltungen
die Lebensdauer der Schaltventile erheblich verlängert.
Je größer der Grad der Befeuchtung, desto größer der Aufwand, diese zu bewerk
stelligen. Dies bezieht sich zum einen auf den technischen Aufwand und zum zweiten
auf den energetischen Aufwand. Für eine Vorbefeuchtung in dem Maße, wie sie in
Fig. 6 dargestellt ist, reicht meist schon die Energie aus der Temperaturerhöhung, die
durch der Verdichtung der Zuluft auf Brennstoffzellenniveau erzeugt wird (die BZ
arbeitet meist auf einem höheren Druckniveau als Umgebungsdruck).
Fig. 7 zeigt den Spannungsverlauf über der Zeit für zwei verschiedene Bereiche
des Brennstoffzellensystems bei zusätzlicher abgestimmter Sauerstoffzufuhr gemäß
der Erfindung. Die Teilung in einzelne Bereiche bezieht sich auf die Luftzufuhr, d. h.
die Luftzufuhr innerhalb eines Bereichs ist unabhängig von der Luftzufuhr des
anderen Bereichs. Die Umkehrung der Luftströmungsrichtung für die beiden Bereiche
wird so eingestellt, daß die Umkehrzeitpunkte in den einzelnen Bereichen zeitlich
nicht aufeinander fallen. Darüber hinaus kann die Luftzufuhr (Volumendurchsatz) für
die einzelnen Bereiche derart aufeinander abgestimmt werden, daß die Leistungs
einbrüche bei der Richtungsumkehr für die gesamte Brennstoffzelle minimiert
werden. Bei der Erhöhung der Luftzufuhr steigt die Zellspannung durch den größeren
Sauerstoffpartialdruck an. Allerdings ist für den erhöhten Volumendurchsatz eine
größere Kompressorleistung erforderlich, so das nicht ständig mit höherem Volu
menstrom gearbeitet wird. Wie in der Fig. 7 dargestellt, wird eine Erhöhung der
Luftzufuhr in einem Brennstoffzellenbereich gerade dann durchgeführt, wenn in dem
anderen Bereich ein Leistungsabfall aufgrund Richtungsumkehr auftritt.
Fig. 8 zeigt den Spannungsverlauf über der Zeit für zwei verschiedene Brennstoff
zellenbereiche bei einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführung. Die Luftzufuhr in
den einzelnen Brennstoffzellenbereichen wird so geregelt, daß unmittelbar vor
(Bereich 1) oder unmittelbar nach (Bereich 2) Umschalten der Strömungsrichtung
kurzzeitig mehr Luft zugeführt wird. Dadurch wird in jedem Bereich der Leistungsab
fall wesentlich verringert, weil sich in dem Moment der Richtungsumkehr mehr
Sauerstoff in der Brennstoffzelle befindet bzw. weil die abgereicherte Luft durch den
größeren Volumendurchsatz schneller aus der Brennstoffzelle verdrängt wird.
Erfolgt außerdem - wie in Fig. 8 gezeichnet - die Umkehrung der Luftströmungsrich
tung in den beiden Brennstoffzellenbereichen zu unmittelbar aufeinanderfolgenden
Zeitpunkten, so daß jeweils zu dem Zeitpunkt, zu dem in dem einen Bereich die
Luftströmungsrichtung umgekehrt wird, in dem anderen Bereich eine Erhöhung der
Luftzufuhr vorgenommen wird, und vice versa, so erreicht man eine weitere Absen
kung der Leistungsschwankung des Gesamtsystems.
Claims (12)
1. Verfahren zur Regulierung des Wasserhaushalts einer PEM-Brennstoffzelle,
wobei die Luftströmungsrichtung phasenweise umgekehrt wird, dadurch ge
kennzeichnet, daß die in die Brennstoffzelle einströmende Luft vor Eintritt in die
Brennstoffzelle befeuchtet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Befeuchtung der in
die Brennstoffzelle einströmenden Luft dadurch erfolgt, daß ihr ein Teil der
feuchten Brennstoffzellenabluft zugeführt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Luft vor Eintritt in
die Brennstoffzelle komprimiert und anschließend befeuchtet wird, wobei das zur
Befeuchtung eingebrachte Wasser verdampft wird, und die für die Verdampfung
notwendige Verdampfungsenergie der komprimierten Luft entzogen wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Befeuchtung der in
die Brennstoffzelle einströmenden Luft durch Eindüsen erfolgt.
5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Befeuchtung der in
die Brennstoffzelle einströmenden Luft mittels eines Membranmoduls erfolgt.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Membran ein
Material gemäß einem der Patentansprüche der EP 0 111 360 B1 eingesetzt
wird.
7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Membran
modul ein Gas/Gas-Befeuchter eingesetzt wird, der mit der feuchten Brennstoff
zellenabluft als feuchtigkeitsabgebendem Gas betrieben wird.
8. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß unmittelbar vor oder unmittelbar nach den Zeitpunkten, zu denen die Luft
strömungsrichtung umgekehrt wird, eine Erhöhung der Luftzufuhr vorgenommen
wird, um den Leistungseinbruch der Brennstoffzelle zu minimieren.
9. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß der Brennstoffzelle zur Glättung der Leistungskennlinie ein elektrischer Spei
cher, z. B. Batterie, Kondensator, Superkondensator, parallel geschaltet wird.
10. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß die Brennstoffzelle in mehrere Bereiche mit separatem Luftkreislauf unterteilt
ist, in denen die Umkehrung der Luftströmungsrichtung zu unterschiedlichen
Zeitpunkten erfolgt, um den Leistungseinbruch der Brennstoffzelle zu minimieren.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß zu dem Zeitpunkt, zu
dem in einem Bereich der Brennstoffzelle die Luftströmungsrichtung umgekehrt
wird, in einem anderen Bereich eine Erhöhung der Luftzufuhr vorgenommen
wird, um den Leistungsbeinbruch der Brennstoffzelle zu minimieren.
12. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß in zwei Bereichen der
Brennstoffzelle die Umkehrung der Luftströmungsrichtung zu unmittelbar aufein
anderfolgenden Zeitpunkten erfolgt, wobei jeweils zu dem Zeitpunkt, zu dem in
dem einen Bereich die Luftströmungsrichtung umgekehrt wird, in dem jeweils
anderen Bereich eine Erhöhung der Luftzufuhr vorgenommen wird, um den Leis
tungseinbruch der Brennstoffzelle zu minimieren.
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DE19929472A DE19929472A1 (de) | 1999-06-26 | 1999-06-26 | Verfahren zur Regulierung des Wasserhaushalts einer PEM-Brennstoffzelle |
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