DE602004000440T2

DE602004000440T2 - Brennstoffzellen-Antriebseinheit für ein Kraftfahrzeug und Verfahren zum Auftauen einer Brennstoffzelle

Info

Publication number: DE602004000440T2
Application number: DE602004000440T
Authority: DE
Inventors: Luc Rouveyre
Original assignee: Renault SA
Current assignee: Renault SA
Priority date: 2003-05-28
Filing date: 2004-05-18
Publication date: 2006-08-31
Anticipated expiration: 2024-05-19
Also published as: ATE319193T1; EP1482588B1; EP1482588A1; DE602004000440D1; FR2855656A1; EP1482588B8; FR2855656B1

Description

Die vorliegende Erfindung hat ein Leistungsmodul für ein Kraffahrzeug zum Gegenstand, mit einer Brennstoffzelle vom Typ mit einer Protonenaustauschmembran und einem Festkörperelektrolyt, sowie ein Verfahren, welches das gegen Frost sichern der Brennstoffzelle erlaubt.
Brennstoffzellen bedürfen einer Zufuhr an verdichteter Luft, um elektrischen Strom mit einer annehmbaren Leistung zu erzeugen, sowie einer Brennstoffzufuhr, die aus einem wasserstoffreichen Gas besteht. Die Wasserstoffzufuhr kann im Falle einer Anwendung auf ein Transportfahrzeug durch Lagerung von Wasserstoff in einem mitgeführten Tank sichergestellt werden oder durch die Vorortherstellung eines wasserstoffreichen Gases mittels eines Reformers, der einen in einem mitgeführten Tank enthaltenen Kohlenwasserstofftreibstoff verwendet.
Ein solches Leistungsmodul für ein Kraftfahrzeug umfasst ebenfalls eine mit einer Rückgewinnungsturbine verbundene Motorkompressorgruppe zur Versorgung der Brennstoffzelle mit verdichteter Luft.
Die Brennstoffzellen vom Typ mit Protonenaustauschmembran und einem Festkörperelektrolyt (PEMFC) erlauben die Stromerzeugung durch eine elektrochemische Reaktion zwischen einem Anoden- und einem Kathodenelement, die durch ein Festkörperelektrolyt in der Form einer Membran getrennt sind, die beispielsweise aus einem geschwefelten Perfluorpolymermaterial verwirklicht ist.
Die Reaktion an der Anode ist: H₂ → 2H⁺ + 2e^–
An der Kathode ist die Reaktion: ½ O₂ + 2H⁺ → H₂O
Eine solche Brennstoffzelle besteht im Allgemeinen aus einer Stapelung elementarer Zellen, wobei jede Zelle einen elektrochemischen Generator bildet. Die Zellen sind in Serie geschaltet und deren Versorgung mit Reaktionsmittel, d.h, mit Wasserstoff an der Anode und mit Sauerstoff an der Kathode, erfolgt parallel.
Platten, so genannte „bipolare Platten" umfassen jede individuelle Zelle, um dieser eine ausreichende mechanische Stabilität zu gewährleisten und um die Verteilung der Gase in den jeweiligen Anoden- und Kathodenkammern zu erlauben. Da die elektrochemische Reaktion exothermisch ist, ist es notwendig, die erzeugte Wärme durch einen Kühlkreislauf zu evakuieren, der in einigen dieser bipolaren Platten vorgesehen ist. Solche Platten, so genannte „Kühlungsplatten", erlauben es so, dank der Zirkulation eines wärmeabführenden Fluids, die Brennstoffzelle bei einer annehmbaren Temperatur zu halten, indem ein Überhitzen von deren internen Elementen vermieden wird.
Die in jeder der Zellen der Brennstoffzelle verwendeten elektrolytischen Membranen werden derart ausgewählt, dass sie eine gute elektrische Isolation sicherstellen und dabei den Ionenfluss begünstigen. Die ausgewählten Membranen müssen ebenso eine ausreichende Durchlässigkeit für die Reaktionsgase bieten, wobei sie dabei thermisch und mechanisch stabil bleiben müssen.
Zudem ist es notwendig, ein übermäßiges Austrocknen zu vermeiden, um einen annehmbaren Betrieb dieser Membranen aufrechtzuerhalten, indem sowohl der gasförmige Treibstoff als auch die verdichtete Luft befeuchtet werden, welche die Brennstoffzelle versorgen.
Unter diesen Bedingungen enthält eine Brennstoffzelle während ihres Betriebs eine nicht zu vernachlässigende Menge an Wasser in flüssiger Form. Dieses Wasser verbleibt nach dem Ausschalten der Brennstoffzelle und kann Schwierigkeiten verursachen, wenn das Fahrzeug während einer ausreichend langen Dauer unter Bedingungen ausgeschaltet bleibt, in denen die Umgebungstemperatur geringer als 0° C ist. Um die Beschädigung der Brennstoffzelle zu vermeiden und um im Übrigen den Kaltstart zu erleichtern, ist es folglich notwendig, eine Entwässerung der Brennstoffzelle nach deren Betriebsende vorzusehen, um so das Wasser aus der Brennstoffzelle zu entfernen, welches sowohl in den Kanälen der Kühlungsplatten als auch in den elektrolytischen Membranen und den bipolaren porösen Platten steht.
Das Patent US 6,358,637 sieht für diesen Zweck vor, einer Motorkompressorgruppe eine Vakuumpumpe hinzuzufügen, die zwischen den kathodischen und anodischen Kreisläufen der Brennstoffzelle montiert ist und nach dem Betriebsende der Brennstoffzelle in Betrieb gesetzt werden kann, um so einen Unterdruck zu erzeugen, der dazu in der Lage ist, eine Verdampfung des in der Brennstoffzelle enthaltenen Wassers zu bewirken.
Eine solche Lösung hat den Nachteil, dass sie die Hinzufügung einer Vakuumpumpe erfordert, was zusätzliche Kosten zur Folge hat. Selbst in dem Fall, in welchem das Fahrzeug bereits eine Vakuumpumpe für andere Anwendungen besitzt, ist es erforderlich, zusätzliche Leitungen vorzusehen, um die Vakuumpumpe mit der Brennstoffzelle während der Entwässerungsphasen zu verbinden.
Die vorliegende Erfindung hat zur Aufgabe, ein gegen Frost sichern einer Brennstoffzelle durch einfachere und billigere Mittel zu ermöglichen.
Das erfindungsgemäße Leistungsmodul für ein Kraftfahrzeug umfasst eine Brennstoffzelle mit einer Protonenaustauschmembran und einem Festkörperelektrolyt, eine Motorkompressorgruppe, die mit einer Rückgewinnungsturbine verbunden ist, um die Brennstoffzelle mit verdichteter Luft zu versorgen, und. ein Mittel zur Versorgung der Brennstoffzelle mit einem wasserstoffreichen Gas. Es umfasst ebenfalls Mittel, um die Drehrichtung der Motorkompressorgruppe umzukehren, und Mittel, beispielsweise Ventile, zum In-Verbindungsetzen der kathodischen und anodischen Kreisläufe der Brennstoffzelle.
Es ist so möglich, auf einfache Weise das gegen Frost sichern der Brennstoffzelle durchzuführen, indem das in ihr enthaltene Wasser abgeleitet wird, indem mittels der normalerweise für die Versorgung der Brennstoffzelle mit verdichteter Luft verwendeten Motorkompressorgruppe ein Unterdruck in der Brennstoffzelle erzeugt wird. Die Motorkompressorgruppe erfüllt so eine doppelte Funktion, indem sie nicht nur die Versorgung mit verdichteter Luft während des Normalbetriebes sondern ebenso die Entwässerung beim Stillstand gewährleistet.
Vorzugsweise sind die Turbine und die Motorkompressorgruppe vom volumetrischen Typ.
Die zum In-Verbindungbringen der kathodischen und anodischen Kreisläufe der Brennstoffzelle während der Entwässerungsphase verwendeten Ventile können in den Aufbau der Brennstoffzelle integriert sein oder jeweils der Brennstoffzelle vorgeschaltet und nachgeschaltet sein.
Das Verfahren der Erfindung erlaubt das gegen Frost sichern einer Brennstoffzelle vom Typ mit einer Protonenaustauschmembran und einem Festkörperelektrolyt, die durch eine Motorkompressorgruppe mit verdichteter Luft versorgt wird, welche mit einer Rückgewinnungsturbine verbunden ist. Erfindungsgemäß setzt man die kathodischen und anodischen Kreisläufe der Brennstoffzelle nach Betriebsende der Brennstoffzelle in Verbindung, und man treibt die Motorkompressorgruppe während einer Entwässerungsphase von vorbestimmter Zeitdauer in zur während des Betriebes der Brennstoffzelle verwendeten Drehrichtung entgegengesetzter Richtung an.
Vorzugsweise wird die Drehgeschwindigkeit der Motorkompressorgruppe derartig ausgewählt, dass der absolute Differenzdruck zwischen dem Eingang und dem Ausgang der Brennstoffzelle während der Entwässerungsphase zwischen 0,5 und 0,8 Bar liegt.
Die Erfindung wird beim Studium eines detaillierten Ausführungsbeispiels besser verstanden werden, welches beispielhaft, in nicht einschränkender Weise beschrieben ist und durch die beigefügten Zeichnungen veranschaulicht wird, in denen:
1 schematisch die Hauptelemente eines Leistungsmoduls mit einer Brennstoffzelle in seiner normalen Betriebskonfiguration zeigt; und
2 dieselben Elemente während des Betriebs in der Entwässerungsphase veranschaulicht.
Wie es in 1 veranschaulicht ist, umfasst das Leistungsmodul eine Brennstoffzelle 1, die durch einen volumetrischen Kompressor 2 mit verdichteter Luft versorgt werden kann, der durch einen Elektromotor 3 in Drehung versetzt wird, dessen Drehrichtung durch eine Steuervorrichtung 4 bestimmt werden kann, welche mit dem Motor 3 über die Verbindung 5 verbunden ist. Eine Turbine 6 vom volumetrischen Typ ist auf einer Welle 7 montiert, die dem Kompressor 2 und dem Motor 3 gemein ist.
Die Brennstoffzelle 1 ist vorzugsweise vom Typ mit Protonenaustauschmembran (PEMFC) und Festkörperelektrolyt. Es ist bekannt, dass eine solche Brennstoffzelle aus einer Stapelung von Elementarzellen besteht, die elektrisch in Serie geschaltet sind und deren Versorgung mit Reaktionsmitteln parallel erfolgt. In 1 sind schematisch die Anodenzone 8 und die Kathodenzone 9 dargestellt, die schematisch durch eine Elektrolytmembran 10 getrennt sind, welche aus einem porösen, elektrolytischen Polymer besteht. In Wirklichkeit besteht die Brennstoff zelle 1 aus einer Stapelung von elektrisch in Serie verbundenen Elementarzellen, die in der Figur nicht veranschaulicht sind.
Im Normalbetrieb, wie in 1 veranschaulicht, wird die Anodenzone 8 durch die Leitung 11 über einen Befeuchter 19 mit wasserstoffreichem Gas versorgt. Die Kathodenzone 9 wird durch die Leitung 12 über den Befeuchter 19 mit verdichteter Luft versorgt, die vom Kompressor 2 stammt, wobei die verdichtete Luft ein Elektroventil 13 durchquert, welches in dem in 1 veranschaulichten Beispiel vorgeschaltet außerhalb der Brennstoffzelle 1 angeordnet ist. Eine Verbindungsleitung 14 ist außerdem zwischen dem Ventil 13 und der Leitung 11 zur Wasserstoffversorgung vorgesehen. Im Normalbetrieb verhindert das Ventil 13 jeglichen Durchgang in die Verbindungsleitung 14, wobei die Anodenzone 8 und Kathodenzone 9 isoliert sind.
Die Gase, die nicht reagiert haben, verlassen die Kathodenzone 9 über die Auslassleitung 15, nachdem sie ein Elektroventil 16 durchquert haben, welches nachgeschaltet außerhalb der Brennstoffzelle 1 angeordnet ist. Die von der Auslassleitung 15 beförderten Gase können sich in der Turbine 6 ausdehnen, die ein Teil von deren Energie zum Antreiben des Kompressors 2 über die gemeinsame Weile 7 zurückgewinnt.
Die von der Anodenzone 8 stammenden Gase, die nicht reagiert haben, werden über die Ablassleitung 17 abgeführt. Eine Verbindungsleitung 18 verbindet das Ventil 16 mit der Ablassleitung 17, nachgeschaltet zur Brennstoffzelle 1.
Während des Normalbetriebs der Brennstoffzelle, wie er in 1 veranschaulicht ist, blockiert das Ventil 16 jeglichen Durchgang zur Verbindungsleitung 18.
Wenn die Brennstoffzelle 1 ausgeschaltet ist, ist es erforderlich, wie vorab angegeben, eine Ableitung des sich in der Brennstoffzelle 1 befindlichen Wassers vorzunehmen, sei es, dass es sich um das Wasser handelt, welches durch die elektro lytische Reaktion gebildet wird, das Wasser oder die Flüssigkeit, die in den Kühlungskanälen verbleibt, die nicht auf der Fig. dargestellt sind, oder um das Wasser, welches von der Befeuchtung der zur Versorgung dienenden Reaktionsgase durch den Befeuchter 19 stammt.
Zu diesem Zweck führt man erfindungsgemäß ein gegen Frost sichern der Brennstoffzelle 1 durch, indem in der Brennstoffzelle ein Unterdruckluftfluss erzeugt wird, der die Ableitung des Wassers sowohl durch einen Mitnahmeeffekt wie auch durch Verdampfung erlaubt.
Um dies zu tun, kehrt man die Drehrichtung des Kompressors 2 und der Turbine 6 durch Umkehrung der Drehrichtung des Motors 3 um, wie es in 2 veranschaulicht ist. Die Ventile 13 und 16 werden in die Stellung versetzt, in welcher sie die zwei Verbindungsleitungen 14 und 18 öffnen, um so die Anodenzone 8 und die Kathodenzone 9 der Brennstoffzelle 1 in Verbindung zu bringen. Wohlgemerkt ist während dieser Entwässerungsphase die Wasserstoffversorgung ausgesetzt.
Dank der Umkehrung der Zirkulationsrichtung in dem Kreislauf mit dem volumetrischen Kompressor 2 und der volumetrischen Turbine 6 werden der anodische Kreislauf 8 wie auch der anodische Kreislauf 9 von einem Luftfluss durchdrungen, der einen Unterdruck erzeugt, welcher in der Größe von 0,5 bis 0,8 Bar absolut sein kann. Das sich im Inneren der Brennstoffzelle befindliche Wasser wird durch mechanische Wirkung mitgerissen. Zudem begünstigt der so erzeugte Unterdruck die Verdampfungsvorgänge in den Feuchtzonen, in welchen der Geschwindigkeitsgradient zu gering wäre, um ein In-Bewegungsetzen des Wassers zu verursachen.
Die Erfindung kann auf alle Typen von bipolaren Platten angewandt werden, seien sie porös oder massiv. Im Fall von porösen bipolaren Platten erlaubt der erzeugte Unterdruck ein Ansaugen des sich sowohl in der kathodischen Zone als auch in der anodischen Zone befindlichen Wassers dank der zwei Ventile 13 und 16. Ein Differentialdruck in der Größenordnung von 0,14 Bar ist ausreichend, um eine annehmbare Entwässerung zu bewirken. Ein solcher Differentialdruck wird durch den Unterdruck von 0,5 bis 0,8 Bar absolut erzielt, der durch die Umkehrung der Drehrichtung der Motorkompressorgruppe verursacht wird.
Im Falle von massiven bipolaren Platten liegt das Wasser, welches der Brennstoffzelle entzogen werden muss, in viel geringerem Volumen vor, und der so erzeugte Unterdruck ist ausreichend, um eine Verdampfung des in den bipolaren Platten enthaltenen Wassers zu bewirken.
Auch wenn in den Figuren die Anwesenheit von zwei Ventilen 13 und 16 mit elektrischer Steuerung veranschaulicht wurde, die jeweils vorgeschaltet und nachgeschaltet außerhalb der Brennstoffzelle 1 angeordnet sind, ist es offensichtlich, dass gleichwertige Ventile im Inneren selbst des Aufbaus der Brennstoffzelle 1 montiert sein können.
Die vorliegende Erfindung erlaubt so das gegen Frost sichern einer Brennstoffzelle durch einen Unterdruckluftfluss, ohne dass es erforderlich wäre, in dem Leistungsmodul mit der Brennstoffzelle jegliche funktionsspezifische Komponente vorzusehen. Die zur Versorgung mit verdichteter Luft während des Normalbetriebs der Brennstoffzelle bereits verwendete Motorkompressorgruppe übernimmt eine ergänzende Rolle durch einfache Umkehrung derer Drehrichtung während einer Entwässerungsphase von vorbestimmter Dauer.
Die Tatsache, dass die Motorkompressorgruppe somit zwei Funktionalitäten besitzt, verringert die Anzahl der Komponenten des Leistungsmoduls und verbessert die Sicherheit des Systems sowie dessen Verfügbarkeit.

Claims

Leistungsmodul für ein Kraftfahrzeug mit einer Brennstoffzelle (1) vom Typ mit einer Protonenaustauschmembran und einem Festkörperelektrolyt, einer Motorkompressorgruppe (2) zur Versorgung der Brennstoffzelle mit verdichteter Luft, die mit einer Rückgewinnungsturbine (6) verbunden ist, und einem Mittel zur Versorgung der Brennstoffzelle mit wasserstoffreichem Gas, gekennzeichnet durch die Tatsache, dass es Mittel umfasst, um die Drehrichtung der Motorkompressorgruppe (2) umzukehren, und zwei Ventile (13, 16) zum In-Verbindungbringen der kathodischen und anodischen Kreisläufe der Brennstoffzelle.
Leistungsmodul gemäß Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Tatsache, dass die Motorkompressorgruppe und die Turbine vom volumetrischen Typ sind.
Leistungsmodul gemäß den Ansprüchen 1 oder 2, gekennzeichnet durch die Tatsache, dass die Ventile in den Aufbau der Brennstoffzelle integriert sind.
Leistungsmodul gemäß den Ansprüchen 1 oder 2, gekennzeichnet durch die Tatsache, dass die Ventile (13, 16) jeweils vorgeschaltet und nachgeschaltet außerhalb der Brennstoffzelle montiert sind.
Verfahren zum gegen Frost sichern einer Brennstoffzelle vom Typ mit einer Protonenaustauschmembran und einem Festkörperelektrolyt, die durch eine Motorkompressorgruppe (2) mit verdichteter Luft versorgt wird, die mit einer Rückgewinnungsturbine (6) verbunden ist, gekenn zeichnet durch die Tatsache, dass nach Beenden des Betriebs der Brennstoffzelle (1) die kathodischen (9) und anodischen (8) Kreisläufe der Brennstoffzelle in Verbindung gesetzt werden und während einer Entwässerungsphase von vorbestimmter Dauer die Motorkompressorgruppe in der zur während des Betriebs der Brennstoffzelle verwendeten Drehrichtung entgegengesetzten Richtung angetrieben wird.
Verfahren gemäß Anspruch 5, gekennzeichnet durch die Tatsache, dass die Drehgeschwindigkeit der Motorkompressorgruppe derart gewählt wird, dass der absolute Differentialdruck zwischen dem Eingang und dem Ausgang der Brennstoffzelle während der Entwässerungsphase 0,5 bis 0,8 Bar beträgt.