PatentDe  


Dokumentenidentifikation DE202007000710U1 19.04.2007
Titel Brennstoffzellensystem
Anmelder Sartorius AG, 37075 Göttingen, DE
DE-Aktenzeichen 202007000710
Date of advertisement in the Patentblatt (Patent Gazette) 19.04.2007
Registration date 15.03.2007
Application date from patent application 17.01.2007
IPC-Hauptklasse H01M 8/04(2006.01)A, F, I, 20070117, B, H, DE

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung betrifft ein mindestens einen Brennstoffzellenstapel umfassendes Brennstoffzellensystem, bei welchem die Volumenströme von Brennmittel und Oxidationsmittel so einstellbar sind, dass der Austrag des in dem mindestens einen Brennstoffzellenstapel gebildeten Wassers und/oder des in den Reaktionsgasen enthaltenen Wassers stets im Wesentlichen gasförmig erfolgt.

Zur stationären und mobilen Stromgewinnung, z.B. für Straßenfahrzeuge, in der Raumfahrt, in Kraftwerken etc. werden in zunehmenden Maße Brennstoffzellen als mögliche Stromquelle untersucht und entwickelt. Eine Brennstoffzelle ist ein galvanisches Element, in dem chemische Energie direkt, d.h. nicht auf dem Umweg über thermische Energie, in elektrische Energie umgewandelt wird. Die Einzelzelle besteht dabei aus zwei Invarianten Elektroden, zwischen denen sich ein invarianter Elektrolyt befindet. Die Brennstoffzelle liefert kontinuierlich Strom, indem die zu oxidierende Substanz, d.h. das Brennmittel bzw. der sogenannte Brennstoff, wie beispielsweise Wasserstoff, Methanol oder Methangas, und das Oxidationsmittel, beispielsweise Sauerstoff, kontinuierlich zugeführt und die Oxidationsprodukte, beispielsweise Wasser, kontinuierlich abgeführt werden. Um Systeme mit einer in der Praxis geeigneten Spannung zu erhalten, werden in der Regel mehrere einzelne Brennstoffzellen zu einem Brennstoffzellenstapel zusammengefasst.

Es gibt verschiedene Typen von Brennstoffzellen, die sich durch die Art der Elektrolyten, die Betriebstemperaturen und die Prozessmedien (Brennstoff und Oxidationsmittel) voneinander unterscheiden. Die heute gebräuchlichsten Typen sind die Alkalische Brennstoffzelle (AFC), die Direkt-Methanol-Brennstoffzelle (DMFC), die Phosphorsäure-Brennstoffzelle (PAFC), die Schmelzcarbonat-Brennstoffzelle (MCFC), die Festoxid-Brennstoffzelle (SOFC) und die Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzelle (PEMFC).

Bei der PEM-Brennstoffzelle wird beispielsweise Wasserstoffgas oder wasserstoffhaltiges Gas als Brennstoff (im Folgenden auch als Brennmittel bezeichnet) und Sauerstoffgas oder sauerstoffhaltiges Gas (beispielsweise Luft) als Oxidationsmittel verwendet. Dabei findet an der Anode die elektrochemische Oxidation von Wasserstoff statt: H2 → 2H+ + 2e(1)

Die dabei frei werdenden Elektronen werden über die Elektrode an den Verbraucher abgeführt. Die entstehenden Protonen werden durch den Elektrolyten auf die Kathodenseite transportiert, wo sie mit Sauerstoff zu Wasser (im Folgenden auch als Produktwasser bezeichnet) umgesetzt werden: S O2 + 2H+ + 2e → H2O(2)

Die für diese Reaktion notwendigen Elektronen werden über die Elektrode zugeführt. Dabei beeinflussen die Betriebsbedingungen der Brennstoffzelle bzw. des Brennstoffzellenstapels wie beispielsweise Temperatur, Druck, Volumenstrom und Taupunkttemperatur der Reaktionsgase, ob das Produktwasser flüssig oder im Wesentlichen gasförmig über die Elektroden und Gasverteiler ausgetragen wird.

Mit Beginn des Einsatzes von polymeren Membranen als Invarianten Feststoff elektrolyten (PEM-Brennstoffzellen) richtete sich die Aufmerksamkeit auf protonenleitende Membranen unter anderem auf Basis basischer Polymere wie beispielsweise Polybenzimidazol (PBI). Bei Letztgenanntem ist das protonenleitende Polymer dabei mit einem Elektrolyten, insbesondere einer starken Säure wie beispielsweise Schwefelsäure oder Phosphorsäure, dotiert. Diese Dotierung führt zu einem Polymerelektrolyten, der ein Einphasensystem bildet, in dem die Säure durch das Polymer komplexiert ist.

PEM-Brennstoffzellen auf Basis derartiger Elektrolytmembranen werden üblicherweise bei Betriebstemperaturen oberhalb der Siedetemperatur von Wasser betrieben, da der Protonentransport nicht an das Vorhandensein von Wasser im Elektrolytsystem gebunden ist. Bei diesen Betriebsbedingungen fällt Wasser in gasförmiger Form an.

Ein deutlicher Nachteil von Brennstoffzellen auf Basis einer mit Schwefel- oder Phosphorsäure dotierten Polymermembran liegt allerdings darin, dass unter Betriebsbedingungen, die zu Wasser in kondensierter Form führen, der Elektrolyt verdünnt und in Wasser gelöst ausgetragen werden kann. Dieser Effekt wird auch als "Leaching" bezeichnet. Als Folge dessen nimmt mit der Zeit die Ionen- bzw. Protonenleitfähigkeit der Membran und/oder der Elektrode ab, was zu einer Erhöhung des Zelleninnenwiderstands und damit zu einer Verringerung der Zellleistung führt. Neben dem elektrochemisch produzierten Wasser kann Wasser unter ungünstigen Betriebsbedingungen auch aus den Prozessmedien (Brennmittel und Oxidationsmittel) flüssig in das System gelangen, sofern die Prozessmedien zuvor nicht ausreichend entfeuchtet wurden.

Um den Elektrolytaustrag durch flüssiges Wasser zu verhindern, wurde beispielsweise vorgeschlagen, den Elektrolyten durch Anbindung an die Polymermembran oder an den Katalysator zu immobilisieren. So offenbart beispielsweise US-Patent 5,599,639 eine Elektrolytmembran zur Verwendung in Brennstoffzellen, welche ein angesäuertes Polybenzimidazolharz umfasst, wobei das Polybenzimidazolharz Alkyl- oder Aryl-sulfoniert oder Alkyl- oder Aryl-phosphoniert ist.

Als Alternative dazu wurde vorgeschlagen, durch Derivatisierung die Wasserlöslichkeit des zur Dotierung verwendeten Elektrolyten herabzusetzen. So offenbart DE 101 55 543 C2 beispielsweise eine protonenleitende Elektrolytmembran, welche mindestens ein Basismaterial wie beispielsweise Polybenzimidazol und ein Dotierungsmittel umfasst, wobei das Dotierungsmittel das Reaktionsprodukt von einer mindestens zweibasigen anorganischen Säure wie beispielsweise Phosphorsäure mit einer organischen Verbindung wie beispielsweise 2-Ethylhexanol oder Phenol ist.

Derartig modifizierte Polymerelektrolytmembrane weisen allerdings den Nachteil auf, dass ihre Herstellung aufgrund zusätzlicher Syntheseschritte sehr aufwändig ist und für jeden Elektrolyten bzw. für jede Polymermembran/Elektrolyt-Kombination individuell optimiert werden muss.

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, ein Brennstoffzellensystem bereitzustellen, bei dem der Elektrolytaustrag durch flüssiges Wasser auf einfache Weise verhindert werden kann und bei dem die Zellleistung auch bei Betriebstemperaturen unterhalb der Siedetemperatur von Wasser über einen längeren Zeitraum nicht vermindert wird.

Diese Aufgabe wird durch den in Anspruch 1 definierten Gegenstand gelöst.

Die Erfindung beruht dabei auf der Erkenntnis, dass der Elektrolytaustrag durch flüssiges Wasser verhindert werden kann, wenn durch eine geeignete Betriebsführung das Vorliegen von flüssigem Wasser vermieden wird. Insbesondere ist durch eine geeignete Einstellung der Volumenströme von Brennmittel und/oder Oxidationsmittel erreichbar, dass der Austrag des Produktwassers stets im Wesentlichen gasförmig erfolgt. Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung liegt darin, dass auf einfache Weise durch eine entsprechende Einstellung der Volumenströme von Brennmittel und Oxidationsmittel die Zellleistung einer Brennstoffzelle bzw. eines Brennstoffzellenstapels auch bei Betriebstemperaturen unterhalb der Siedetemperatur von Wasser über einen längeren Zeitraum aufrechterhaltbar ist. Ferner ist das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem kostengünstig betreibbar und einfach im Aufbau, da keine teuren und aufwändigen zusätzlichen Komponenten benötigt werden.

Die Erfindung wird nachfolgend mit Bezug auf begleitende Zeichnungen bevorzugter Ausführungsformen beispielhaft beschrieben. Diese und andere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung sind einfacher anhand der folgenden detaillierten Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie der begleitenden Zeichnungen zu verstehen. Dabei sollten diese so verstanden werden, dass die Merkmale der verschiedenen Ausführungsformen, auch wenn diese nur in Bezug auf einzelne Ausführungsformen beschrieben werden, so miteinander kombiniert werden können, dass sich weitere Ausführungsformen ergeben. Außerdem werden die Ausführungsformen auch mit lediglich bevorzugten Merkmalen dargestellt, die nicht zwingend vorliegen müssen.

Beispiele für Brennstoffzellensysteme gemäß drei bevorzugter Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind in den 1 bis 3 gezeigt.

1 zeigt ein Brennstoffzellensystem gemäß einer bevorzugen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei dem die Volumenströme für Brennmittel und Oxidationsmittel auf den Gasauslass einstellbar, vorzugsweise steuer- oder regelbar, sind.

2 zeigt ein Brennstoffzellensystem gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei dem die Volumenströme für Brennmittel und Oxidationsmittel auf den Gaseinlass einstellbar sind.

3 zeigt ein Brennstoffzellensystem gemäß einer bevorzugen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei dem der Brennstoffzellenstapel ferner zumindest eine Zuführleitung und zumindest eine Abführleitung für ein Wärmefluid zum Zuführen oder Ableiten von Wärme an den Brennstoffzellenstapel umfasst.

Das Brennstoffzellensystem 1 umfasst dabei einen Brennstoffzellenstapel 2, der vorzugsweise einen Anodenraum A und einen Kathodenraum K aufweist. Ferner dient ein Temperatursensor 15 zum Ermitteln bzw. Bestimmen der Arbeitstemperatur des Brennstoffzellenstapels 2. Ein Stromsensor 16 dient zum Ermitteln des von dem Brennstoffzellenstapel 2 produzierten elektrischen Stroms.

Weiterhin weist das Brennstoffzellensystem 1 vorzugsweise eine Zuführleitung für Brennmittel 5, über die Brennmittel dem Anodenraum A des Brennstoffzellenstapels 2 zuführbar sind, und eine Abführleitung für nicht umgesetztes Brennmittel 7, über die nicht umgesetztes Brennmittel abführbar ist, auf. Weiterhin weist das Brennstoffzellensystem 1 vorzugsweise eine Zuführleitung für Oxidationsmittel 6, über die Oxidationsmittel dem Kathodenraum K des Brennstoffzellenstapels 2 zuführbar sind, und eine Abführleitung für Oxidationsprodukte 8, über die Oxidationsprodukte abführbar sind, auf.

Sowohl in der Zuführleitung für Brennmittel 5 als auch in der Zuführleitung für Oxidationsmittel 6 kann jeweils ein Entfeuchter 11, 12 vorgesehen werden, der jeweils mittels einer Bypassleitung umgangen werden kann, die über Ventile V1, V2, V3, V4 in die jeweilige Zuführleitung 5, 6 einschaltbar ist, sodass das Brennmittel und/oder das Oxidationsmittel zumindest teilweise entfeuchtet werden kann.

Weiterhin können in jeder der Zuführleitungen 5, 6 Ermittlungsvorrichtungen 13, 14 für die Taupunkttemperaturen des Brennmittels und/oder des Oxidationsmittels vorgesehen werden. Vorzugsweise sind diese zwischen dem Ventil V2 und dem Anodenraum A und zwischen dem Ventil V4 und dem Kathodenraum K vorgesehen.

Volumenstromeinstelleinheiten 9, 10 für Brennmittel und Oxidationsmittel können jeweils in den Abführleitungen 7, 8 vorgesehen werden, wie in 1 gezeigt ist, oder in den Zuführleitungen 5, 6, wie in der in 2 dargestellten zweiten Ausführungsform und in der in 3 dargestellten dritten Ausführungsform gezeigt ist.

Dabei können bei der zweiten oder dritten Ausführungsform die Volumenstromeinstelleinheiten 9, 10 für Brennmittel und Oxidationsmittel entweder vor den Ventilen V1, V3 des Bypasses vorgesehen werden, wie in 2 und 3 gezeigt, oder an anderer Stelle der Zuführleitungen 5, 6.

Ferner umfasst das Brennstoffzellensystem 1 eine Einstelleinheit 17, die zumindest mit den Volumenstromeinstelleinheiten 9, 10, den Ermittlungsvorrichtungen für die Taupunkttemperaturen 13, 14, dem Temperatursensor 15 und dem Stromsensor 16 verbunden oder verbindbar ist. Durch die Einstelleinheit 17 sind die Volumenströme des Brennmittels und Oxidationsmittels über die Volumenstromeinstelleinheit 9, 10 unter Berücksichtigung der von den Ermittlungsvorrichtungen für die Taupunkttemperaturen 13, 14 ermittelten bzw. bestimmten Taupunkttemperaturen von Brennmittel und Oxidationsmittel, der von dem Temperatursensor 15 ermittelten Arbeitstemperatur des Brennstoffzellenstapels 2 und des von dem Stromsensor 16 ermittelten elektrischen Stroms einstellbar.

Gemäß der in 3 dargestellten dritten Ausführungsform kann der Brennstoffzellenstapel 2 ferner eine Zuführleitung 3 aufweisen, welche ein Wärmefluid dem Brennstoffzellenstapel 2 zuführt, das dann über eine Abführleitung 4 wieder abführbar ist.

Insbesondere wird ein Brennstoffzellensystem 1 bereitgestellt, welches zumindest einen Brennstoffzellenstapel 2, umfassend mindestens eine Brennstoffzelle, wobei der Brennstoffzellenstapel 2 jeweils zumindest eine Zuführleitung 5, 6 für Brennmittel und Oxidationsmittel sowie jeweils zumindest eine Abführleitung 7, 8 für nicht umgesetzte Brennmittel und Oxidationsprodukte aufweist, umfasst. Vorzugsweise ist das verwendete Brennmittel ein Brenngas oder ein Brennfluid. Ebenfalls bevorzugt ist das verwendete Brennmittel Wasserstoffgas oder wasserstoffhaltiges Gas. Das verwendete Oxidationsmittel ist vorzugsweise ein Oxidationsgas oder ein Oxidationsfluid. Ebenfalls bevorzugt wird als Oxidationsmittel Sauerstoffgas oder sauerstoffhaltiges Gas wie beispielsweise Luft verwendet.

Die Eingänge des Brennstoffzellenstapels 2 werden auch als Gaseinlass bezeichnet und sind mit den Zuführleitungen 5, 6 für Brennmittel und Oxidationsmittel verbunden. Die Ausgänge des Brennstoffzellenstapels 2 werden auch als Gasauslass bezeichnet und sind mit den Abführleitungen 7, 8 für nicht umgesetzte Brennmittel und Oxidationsprodukte verbunden. Die Abführleitungen 7, 8 für nicht umgesetzte Brennmittel und Oxidationsprodukte sind nicht auf das Abführen von Oxidationsprodukten bzw. nicht umgesetzten Brennmitteln beschränkt. Da ein Teil des an der Kathode produzierten Wassers durch Diffusion durch den Elektrolyten zur Anode transportiert wird, ist beispielsweise ein Teil des elektrochemisch produzierten Wassers auch über die Abführleitungen für nicht umgesetzte Brennmittel 7 abführbar. Ferner ist über die Abführleitungen für Oxidationsprodukte 8 ebenfalls nicht umgesetztes Oxidationsmittel wie beispielsweise Sauerstoff abführbar.

Der Brennstoffzellenstapel 2 umfasst mindestens eine Brennstoffzelle. Der Brennstoffzellenstapel 2 kann allerdings eine Vielzahl an Brennstoffzellen umfassen. Vorzugsweise umfasst der Brennstoffzellenstapel 2 etwa 5 bis etwa 200 Brennstoffzellen, mehr bevorzugt etwa 10 bis etwa 100 Brennstoffzellen. Die mindestens eine Brennstoffzelle umfasst eine Kathode und eine Anode. Somit kann der Brennstoffzellenstapel 2 eine Vielzahl an Kathoden und Anoden umfassen, die gemeinsam als Kathodenraum bzw. als Anodenraum bezeichnet werden. In dem Brennstoffzellensystem 1 ist ein Brennstoffzellenstapel 2 bevorzugt, der aus Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzellen aufgebaut ist und Membran-Elektroden-Einheiten mit einer Polymermembran und Separatorplatten aufweist. Dabei ist die Polymermembran vorzugsweise mit einem flüssigen Elektrolyten dotiert. Der flüssige Elektrolyt umfasst vorzugsweise Phosphorsäure, Schwefelsäure oder eine Kombination davon.

Ferner umfasst das Brennstoffzellensystem 1 jeweils zumindest eine Volumenstromeinstelleinheit 9, 10 für Brennmittel und Oxidationsmittel, welche derart gestaltet sind, dass mit ihnen die Volumenströme des Brennmittels und Oxidationsmittels eingestellt werden können. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung können alle herkömmlichen, im Stand der Technik bekannten Einstelleinheiten verwendet werden, die geeignet sind, den Volumenstrom eines Gases einzustellen. Ferner können die Mengen an zugeführtem Brennmittel und Oxidationsmittel auch über andere Größen als den Volumenstrom eingestellt werden. So ist die Menge an zugeführtem Brennmittel und Oxidationsmittel beispielsweise auch über den Massenstrom mittels einer Massenstromeinstelleinheit einstellbar. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung umfasst die Volumenstromeinstelleinheit derartige Einstelleinheiten.

Diese Volumenstromeinstelleinheiten 9, 10 können entweder dem Brennstoffzellenstapel 2 vor- oder nachgeschaltet sein. In einer bevorzugten Ausführungsform des Brennstoffzellensystems 1 sind die Volumenstromeinstelleinheiten 9, 10 dem Brennstoffzellenstapel 2 vorgeschaltet. In diesem Fall werden die Volumenströme über den Gaseinlass eingestellt. In einer anderen bevorzugten Ausführungsform des Brennstoffzellensystems 1 sind die Volumenstromeinstelleinheiten 9, 10 dem Brennstoffzellenstapel 2 nachgeschaltet. In diesem Fall sind die Volumenströme über den Gasauslass einstellbar.

Außerdem umfasst das Brennstoffzellensystem 1 jeweils zumindest eine Ermittlungsvorrichtung für die Taupunkttemperaturen 13, 14 des Brennmittels und des Oxidationsmittels. Diese Ermittlungsvorrichtungen sind vorzugsweise an oder in den Zuführleitungen für das Brennmittel und das Oxidationsmittel angeordnet. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung können alle herkömmlichen, im Stand der Technik bekannten Vorrichtungen verwendet werden, die geeignet sind, die Taupunkttemperatur eines Gases zu ermitteln.

Das Brennstoffzellensystem 1 umfasst ferner zumindest einen Temperatursensor 15, welcher derart gestaltet ist, dass mit ihm die Arbeitstemperatur des Brennstoffzellenstapels 2 ermittelbar ist. Der Temperatursensor ist vorzugsweise an oder in dem Brennstoffzellenstapel 2 angeordnet. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung sind alle herkömmlichen, im Stand der Technik bekannten Temperatursensoren verwendbar, die geeignet sind, die Arbeitstemperatur eines Brennstoffzellenstapels zu ermitteln. Die Arbeitstemperatur ist durch direkte Messung oder durch Messen einer von der Arbeitstemperatur abhängigen Größe (beispielsweise eines Widerstands in einem Temperaturfühlerwiderstand) ermittelbar. Als Arbeitstemperatur wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung die Temperatur des Brennstoffzellenstapels verstanden, die dieser während des Betriebs, aber auch während des Anfahrens und Abfahrens aufweist.

Das Brennstoffzellensystem 1 umfasst ferner zumindest einen Stromsensor 16, welcher derart gestaltet ist, dass mit ihm die Stromstärke des von dem Brennstoffzellenstapel 2 produzierten elektrischen Stroms ermittelbar ist. Der Stromsensor 16 ist zwischen Kathode und Anode geschaltet. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung sind alle herkömmlichen, im Stand der Technik bekannten Stromsensoren verwendbar, die geeignet sind, die Stromstärke eines elektrischen Stroms zu ermitteln. Die Stromstärke ist durch direkte Messung oder durch Messen einer von der Stromstärke abhängigen Größe (beispielsweise mittels einer Induktionsschleife) ermittelbar.

In dem Brennstoffzellensystem 1 sind die Volumenströme des Brennmittels und Oxidationsmittels durch die Volumenstromeinstelleinheit unter Berücksichtigung der von den Ermittlungsvorrichtungen für die Taupunkttemperaturen 13, 14 ermittelten Taupunkttemperaturen von Brennmittel und Oxidationsmittel, der von dem Temperatursensor 15 ermittelten Arbeitstemperatur des Brennstoffzellenstapels 2 und des von dem Stromsensor 16 ermittelten elektrischen Stroms einstellbar.

Vorzugsweise ist dies mit einer Einstelleinheit 17 möglich, die zumindest mit den Volumenstromeinstelleinheiten 9, 10, den Ermittlungsvorrichtungen für die Taupunkttemperaturen 13, 14, dem Temperatursensor 15 und dem Stromsensor 16 verbunden oder verbindbar ist, durch welche die Volumenströme des Brennmittels und Oxidationsmittels über die Volumenstromeinstelleinheit unter Berücksichtigung der von den Ermittlungsvorrichtungen für die Taupunkttemperaturen 13, 14 ermittelten Taupunkttemperaturen von Brennmittel und Oxidationsmittel, der von dem Temperatursensor 15 ermittelten Arbeitstemperatur des Brennstoffzellenstapels 2 und des von dem Stromsensor 16 ermittelten elektrischen Stroms einstellbar sind. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung sind alle herkömmlichen, im Stand der Technik bekannten Einstelleinheiten verwendbar, die für diesen Zweck geeignet sind.

In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der Brennstoffzellenstapel 2 ferner zumindest eine Zuführleitung 3 und zumindest eine Abführleitung 4 für ein Wärmefluid zum Ableiten oder Zuführen von Wärme an den Brennstoffzellenstapel 2. Durch Verwendung eines Wärmefluids ist die Arbeitstemperatur des Brennstoffzellenstapels 2 auf einen gewünschten Wert einstellbar. Verwendbar sind alle herkömmlichen, im Stand der Technik bekannten Wärmefluide, wie beispielsweise Siliconöle, Wärmeträger auf Mineralölbasis oder Alkohole wie Glykole, die für diesen Zweck geeignet sind.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst das Brennstoffzellensystem 1 ferner zumindest jeweils einen Entfeuchter 11, 12 für Brennmittel und/oder Oxidationsmittel, welcher über die Ventile V1, V2, V3, V4 zuschaltbar ist, zum Entfeuchten des Brennmittels und/oder des Oxidationsmittels. Verwendbar sind alle herkömmlichen, im Stand der Technik bekannten Entfeuchter, die geeignet sind, Feuchtigkeit aus einem Gas zumindest teilweise zu entfernen. Durch Verwendung eines Entfeuchters kann der Wassergehalt des Brennmittels und/oder Oxidationsmittels auf weniger als etwa 5 g/m3 (d.h. ein Wassergehalt von etwa 5 g in 1 m3 Luft bei 0°C) reduziert werden. Vorzugsweise wird der Wassergehalt durch den Entfeuchter auf weniger als etwa 1 g/m3 reduziert. Enthält das Brennmittel und/oder das Oxidationsmittel weniger als etwa 1 g/m3 Wasser, wird das Brennmittel und/oder das Oxidationsmittel als im Wesentlichen trocken angesehen. Durch Verwendung eines Entfeuchters ist das Wasseraufnahmevermögen der Reaktionsgase erhöhbar. Vorzugsweise ist der Entfeuchter während des Betriebs des Brennstoffzellensystems 1 regenerierbar, beispielsweise durch die im Betrieb freigesetzte Wärme.

Das Brennstoffzellensystem ist unter Ablauf der folgenden, konsekutiven Schritte betreibbar:

  • (a) ein Ermitteln der Stromstärke des von dem Brennstoffzellenstapel produzierten elektrischen Stroms,
  • (b) ein Ermitteln des Massenstroms an produziertem Wasser aus dem gemäß Schritt (a) ermittelten Strom,
  • (c) ein Ermitteln der Arbeitstemperatur des Brennstoffzellenstapels,
  • (d) ein Ermitteln der maximal zulässigen absoluten Feuchten des Brennmittels und des Oxidationsmittels an den Ausgängen des Brennstoffzellenstapels unter der Maßgabe, dass die maximal zulässige Taupunkttemperatur der Temperatur des Brennstoffzellenstapels entspricht,
  • (e) ein Ermitteln des maximalen Wasseraufnahmevermögens des Brennmittels und des Oxidationsmittels, unter Berücksichtigung des Anteils an Wasser, der durch Diffusion durch den Elektrolyten von der Kathode zur Anode transportiert wird,
  • (f) ein Ermitteln der Mindestvolumenströme für Brennmittel und Oxidationsmittel aus dem gemäß Schritt (b) ermittelten Massenstrom an Wasser und dem gemäß Schritt (e) ermittelten maximalen Wasseraufnahmevermögen, und
  • (g) ein Einstellen der Volumenströme von Brennmittel und Oxidationsmittel derart, dass zu keiner Zeit die gemäß Schritt (f) berechneten Mindestvolumenströme für Brennmittel und Oxidationsmittel unterschritten werden.

Als Brennmittel kann Wasserstoffgas oder wasserstoffhaltiges Gas verwendet werden. Das Brennmittel kann Feuchtigkeit enthalten oder im Wesentlichen trocken sein. Als Oxidationsmittel kann Sauerstoffgas oder sauerstoffhaltiges Gas wie beispielsweise Luft verwendet werden. Das Oxidationsmittel kann Feuchtigkeit enthalten oder im Wesentlichen trocken sein. In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Brennmittel und/oder das Oxidationsmittel zunächst durch einen Entfeuchter durchleitbar. Damit wird das Wasseraufnahmevermögen der Reaktionsgase erhöht. Auf diese Weise ist die Taupunkttemperatur der Reaktionsgase einfacher unterhalb der Temperatur des Brennstoffzellenstapels regulierbar. Während des Betriebs ist der Entfeuchter vorzugsweise regenerierbar, beispielsweise durch die im Betrieb freigesetzte Wärme.

Enthalten Brennmittel und/oder Oxidationsmittel Feuchtigkeit, d.h., sind das Brennmittel und/oder Oxidationsmittel nicht im Wesentlichen trocken, ist vorzugsweise gemäß einem weiteren Schritt (h) zunächst die Taupunkttemperatur von Brennmittel und/oder Oxidationsmittel ermittelbar. Die Taupunkttemperatur ist die Temperatur, bei der ein feuchtes Gas mit Wasserdampf gesättigt ist, also die relative Feuchtigkeit etwa 100 Prozent beträgt. Folglich ist die Taupunkttemperatur auch die Temperatur, auf die ein Gas abgekühlt werden müsste, damit es im Wesentlichen kein Wasser mehr aufnehmen kann und die Kondensation des in dem Gas enthaltenen Wassers beginnt. Werden im Wesentlichen trockene Reaktionsgase verwendet, so ist die Ermittlung der Taupunkttemperatur gemäß Schritt (h) nicht erforderlich.

Aus den vorzugsweise in Schritt (h) ermittelten Taupunkttemperaturen von Brennmittel und/oder Oxidationsmittel sind in einem weiteren Schritt (i) vorzugsweise die absoluten Feuchten von Brennmittel und/oder Oxidationsmittel ermittelbar. So ist jeder Taupunkttemperatur ein bestimmter Wasserdampfdruck und damit eine bestimmte absolute Feuchte zugeordnet.

Die absolute Feuchte dV [g/m3] entspricht dem Quotienten aus der Masse des im Gas enthaltenen Wassers mD und dem Volumen V. Aus dem idealen Gasgesetz pD·V = n·R·T ergibt sich mit pD als Dampfdruck des Wassers, V als Volumen, n als Stoffmenge, R als allgemeine Gaskonstante, T als Temperatur und einer Molmasse von Wasser von = 18 g/mol folgende Näherung (3) für die absolute Feuchte dv:

Der Dampfdruck pD des Wassers in einem feuchten Gas entspricht dem Sättigungsdampfdruck pS bei der Taupunkttemperatur des Gases. Der Zusammenhang zwischen dem Sättigungsdampfdruck und der Temperatur ist durch die Dampfdruckkurve des Wassers gegeben, welche eine Naturkennlinie ist, die durch folgende Näherungsgleichung (4) für Temperaturen oberhalb von 0°C beschrieben werden kann:

Auf diese Weise kann aus der Taupunkttemperatur eines feuchten Gases der Dampfdruck pD des Wassers in dem feuchten Gas und damit die absolute Feuchte dV ermittelt werden. Alternativ zur Ermittlung der absoluten Feuchte dV aus der Taupunkttemperatur eines Gases kann die absolute Feuchte dV eines Gases bei einer gegebenen Taupunkttemperatur mit Hilfe gebräuchlicher Tabellen ermittelt werden. Werden im Wesentlichen trockene Reaktionsgase verwendet, so folgt für deren absolute Feuchte am Gaseinlass näherungsweise dV, Einlass = 0 g/m3.

In Schritt (a) ist die Stromstärke des von dem Brennstoffzellenstapel produzierten elektrischen Stroms ermittelbar. Die Stromstärke kann durch direkte Messung oder durch Messen einer von der Stromstärke abhängigen Größe (beispielsweise mittels einer Induktionsschleife) ermittelt werden.

In Schritt (b) ist der Massenstrom an produziertem Wasser aus der gemäß Schritt (a) ermittelten elektrischen Stromstärke ermittelbar. Dieser Massenstrom entspricht der elektrochemischen Wasserproduktion. Dazu wird zunächst nach folgender Gleichung (5) der Gesamtmassenstrom [g/min] ermittelt:

Dabei stellt F die Faraday-Kontante, ZSTACK die Anzahl der Brennstoffzellen in dem Brennstoffzellenstapel, I die in Schritt (a) ermittelte Stromstärke in Ampere A und die Molmasse von Wasser dar.

Es ist dabei allerdings zu berücksichtigen, dass ein Teil des an der Kathode produzierten Wassers durch Diffusion durch den Elektrolyten zur Anode transportiert werden kann. Diese Menge ist abhängig von den Betriebsbedingungen der Brennstoffzelle bzw. des Brennstoffzellenstapels wie beispielsweise Temperatur, Druck, Volumenstrom und/oder Taupunkttemperatur der Reaktionsgase. Das Verhältnis zwischen dem Anteil an Produktwasser, der über die Kathode ausgetragen wird, zu dem Anteil an Produktwasser, der über die Anode ausgetragen wird, entspricht Erfahrungswerten, die vorab experimentell zu ermitteln sind. Dazu wird die Brennstoffzelle im jeweiligen Betriebspunkt stationär betrieben, wobei das elektrochemisch produzierte Wasser anoden- und kathodenseitig vollständig auskondensiert und gravimetrisch bestimmt wird.

Mit dem gemäß Gleichung (5) bestimmten Gesamtmassenstrom an Wasser und dem experimentell bestimmten Prozentsatz an Wasser, der von der Kathode auf die Anode transportiert wird, ist der Massenstrom an Wasser für Kathode und Anode ermittelbar.

In Schritt (c) ist die Arbeitstemperatur des Brennstoffzellenstapels ermittelbar. Die Temperaturermittlung erfolgt in geeigneter Weise durch einen Temperatursensor, der an oder in dem Brennstoffzellenstapel angeordnet ist. Die Arbeitstemperatur kann durch direkte Messung oder durch Messen einer von der Arbeitstemperatur abhängigen Größe ermittelt werden.

In Schritt (d) sind die maximal zulässigen absoluten Feuchten des Brennmittels und des Oxidationsmittels an den Ausgängen des Brennstoffzellenstapels unter der Maßgabe ermittelbar, dass die maximal zulässige Taupunkttemperatur der Temperatur des Brennstoffzellenstapels entspricht, d.h., die Temperatur des Brennstoffzellenstapels nicht übersteigt.

Das in dem Brennstoffzellensystem elektrochemisch gebildete Wasser kann zunächst flüssig und/oder im Wesentlichen gasförmig vorliegen. Erfindungsgemäß ist das Brennstoffzellensystem ohne das Auftreten von flüssigem Wasser betreibbar, um damit den Elektrolytaustrag durch das flüssige Wasser zu verhindern. Das elektrochemisch gebildete Wasser liegt im Wesentlichen gasförmig als Wasserdampf vor, wenn die Taupunkttemperatur des Brennmittels und des Oxidationsmittels am Gasauslass des Brennstoffzellenstapels die Temperatur des Brennstoffzellenstapels nicht überschreiten. Liegt die Taupunkttemperatur des Brennmittels und/oder des Oxidationsmittels oberhalb der Temperatur des Brennstoffzellenstapels, so ist in dem Gas mehr Wasser als im gesättigten Zustand des Gases enthalten. In diesem Fall kondensiert ein Teil des Wassers und liegt damit auch in flüssiger Form vor.

Aus der gemäß Schritt (c) ermittelten Arbeitstemperatur des Brennstoffzellenstapels lässt sich über die Gleichungen (3) und (4) die absolute Feuchte dV, Aus lass ermitteln, die das Brennmittel und das Oxidationsmittels maximal aufweisen dürfen, damit das elektrochemisch gebildete Wasser im Wesentlichen gasförmig als Wasserdampf vorliegt.

In Schritt (e) ist das maximale Wasseraufnahmevermögen des Brennmittels und des Oxidationsmittels ermittelbar. Ist das Brennmittel und/oder das Oxidationsmittel im Wesentlichen trocken, so entspricht das maximale Wasseraufnahmevermögen des Brennmittels und/oder des Oxidationsmittels der in Schritt (d) ermittelten maximal zulässigen Feuchte dV, Auslass am Gasauslass. Wenn das Brennmittel und/oder das Oxidationsmittel nicht im Wesentlichen trocken ist, so ist das maximale Wasseraufnahmevermögen des Brennmittels und/oder des Oxidationsmittels aus der Differenz der gemäß der Schritte (d) und (i) ermittelten absoluten Feuchten ermittelbar.

In Schritt (f) erfolgt die Ermittlung der Mindestvolumenströme Vmin für Brennmittel und Oxidationsmittel aus dem gemäß Schritt (e) ermittelten maximalen Wasseraufnahmevermögen und dem gemäß Schritt (b) ermittelten Massenstrom an Wasser nach folgendem Zusammenhang (6):

Gemäß Schritt (g) sind dann die Volumenströme von Brennmittel und Oxidationsmittel derart einstellbar, dass zu keiner Zeit die gemäß Schritt (f) berechneten Mindestvolumenströme für Brennmittel und Oxidationsmittel unterschritten werden. Um sicher zu stellen, dass das in dem Brennstoffzellenstapel gebildete Produktwasser im Wesentlichen vollständig gasförmig vorliegt, können die in Schritt (f) berechneten Mindestvolumenströme V.min noch mit einem Sicherheitsfaktor multipliziert werden. Vorzugsweise liegt der Sicherheitsfaktor zwischen etwa 1 und etwa 10, mehr bevorzugt zwischen etwa 1,05 und etwa 5, noch mehr bevorzugt zwischen etwa 1,10 und etwa 2.

Die Einstellung der Mindestvolumenströme ist zweckmäßig mittels geeigneter Einstelleinheiten in oder an dem Brennstoffzellensystem möglich. Die Einstellung ist entweder über den Gaseinlass von Brennmittel und Oxidationsmittel oder über den Gasauslass von Brennmittel und Oxidationsmittel möglich. Werden die Mindestvolumenströme über den Gaseinlass eingestellt, so ist zusätzlich zu dem nach Gleichung (6) ermittelten Mindestvolumenstrom noch der Anteil an elektrochemisch umgesetztem Gas zu berücksichtigen. Der Verbrauch an Wasserstoff in dem Brennstoffzellenstapel ist gemäß folgender Näherung (7) ermittelbar, welche sich aus vorstehender Gleichung (5) und dem idealen Gasgesetz bei Standardbedingungen ergibt:

Dabei stellt sml Milliliter unter Standardbedingungen, min die Zeit in Minuten, l die am Brennstoffzellenstapel ermittelte Stromstärke in Ampere A und ZSTACK die Anzahl der Brennstoffzellen im Brennstoffzellenstapel dar. Entsprechend gilt für den Sauerstoffverbrauch folgende Näherung (8):

Wenn anstelle von reinem Sauerstoff Luft als Oxidationsmittel verwendet wird, so gilt entsprechend für den Luftverbrauch folgende Näherung (9):

In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Volumenströme von Brennmittel und Oxidationsmittel auch während des Anfahrens und/oder Abfahrens des Brennstoffzellenstapels derart einstellbar, dass der Austrag an Wasser stets im Wesentlichen gasförmig erfolgt. In diesem Betriebszustand wird kein oder nahezu kein Strom und daher auch kein oder nahezu kein Produktwasser produziert. Das in den Reaktionsgasen enthaltene Wasser stammt dann ausschließlich von dem Wasser, welches in den Reaktionsgasen schon beim Eintritt in den Brennstoffzellenstapel als Feuchtigkeit enthalten war. Ferner kann der Brennstoffzellenstapel beim Anfahren und/oder Abfahren mit trockenem Stickstoffgas anstelle der Reaktionsgase gespült werden. In diesem Fall wird über die Zuführleitungen für Brennmittel und Oxidationsmittel Stickstoffgas in den Brennstoffzellenstapel eingeleitet.

Beispiele Beispiel 1: Betrieb mit trockenen Gasen

Ein Brennstoffzellenstapel mit 10 Zellen wird bei etwa Atmosphärendruck auf der Anode mit trockenem Wasserstoff und auf der Kathode mit trockener Luft bei 60°C betrieben. Der Brennstoffzellenstapel liefert 20 A. Es wurde ermittelt, dass ein Fünftel des Produktwassers durch Diffusion auf die Anode transportiert wird.

Aus der maximalen Taupunkttemperatur am Gausauslass, die der Betriebstemperatur des Brennstoffzellenstapels von 60°C entspricht, errechnet sich eine maximal zulässige absolute Feuchte dV, Auslass von 129,619 g/m3. Ferner wird unter diesen Bedingungen die elektrochemische Wasserproduktion zu = 1,11934 g/min ermittelt. Davon sind 0,89547 g/min über die Kathode und 0,22387 g/min über die Anode gasförmig abzuführen.

Der Volumenstrom am Gasauslass wird folglich so eingestellt, dass er bei einem Sicherheitsfaktor von 1 einen Mindestvolumenstrom von 1,727 l/min auf der Anode und 6,909 l/min auf der Kathode nicht unterschreitet. Diese Volumenströme entsprechen nach Umrechnung auf Normalbedingungen (0°C, 1013 mbar) 1,416 nl/min bzw. 5,664 nl/min, wobei nl Liter unter Normalbedingungen bedeutet.

Beispiel 2: Betrieb mit feuchtem Oxidationsmittel

Ein Brennstoffzellenstapel mit 10 Zellen wird bei etwa Atmosphärendruck auf der Anode mit trockenem Wasserstoff und auf der Kathode mit Luft (Taupunkttemperatur 30°C) bei 60°C betrieben. Der Brennstoffzellenstapel liefert 20 A. Es wurde ermittelt, dass ein Fünftel des Produktwassers durch Diffusion auf die Anode transportiert wird.

Aus der Taupunkttemperatur der Luft ergibt sich eine absolute Feuchte von 27,5379 g/m3 des Kathodengases.

Aus der maximalen Taupunkttemperatur am Gausauslass, die der Betriebstemperatur des Brennstoffzellenstapels von 60°C entspricht, errechnet sich eine maximal zulässige absolute Feuchte dV, Auslass von 129,619 g/m3. Ferner wird unter diesen Bedingungen die elektrochemische Wasserproduktion zu = 1,11934 g/min ermittelt. Davon sind 0,89547 g/min über die Kathode und 0,22387 g/min über die Anode gasförmig abzuführen.

Der Volumenstrom am Gasauslass wird folglich so eingestellt, dass er bei einem Sicherheitsfaktor von 1 einen Mindestvolumenstrom von 1,727 l/min auf der Anode und 8,772 l/min auf der Kathode nicht unterschreitet. Diese Volumenströme entsprechen nach Umrechnung auf Normalbedingungen 1,416 nl/min bzw. 7,192 nl/min, wobei nl Liter unter Normalbedingungen bedeutet.

1
Brennstoffzellensystem
2
Brennstoffzellenstapel
3
Zuführleitung für ein Wärmefluid
4
Abführleitung für ein Wärmefluid
5
Zuführleitung für Brennmittel
6
Zuführleitung für Oxidationsmittel
7
Abführleitung für nicht umgesetztes Brennmittel
8
Abführleitung für Oxidationsprodukte
9
Volumenstromeinstelleinheit für Brennmittel
10
Volumenstromeinstelleinheit für Oxidationsmittel
11, 12
Entfeuchter
13, 14
Ermittlungsvorrichtung für die Taupunkttemperaturen des Brennmittels und des Oxidationsmittels
15
Temperatursensor zum Ermitteln der Arbeitstemperatur des Brennstoffzellenstapels 2
16
Stromsensor zum Ermitteln der Stromstärke des von dem Brennstoffzellenstapel 2 produzierten elektrischen Stroms
17
Einstelleinheit
V1, V2, V3, V4
Ventile zum Zuschalten der Entfeuchter 11, 12


Anspruch[de]
Brennstoffzellensystem (1 ), umfassend

(a) zumindest einen Brennstoffzellenstapel (2), umfassend mindestens eine Brennstoffzelle, wobei der Brennstoffzellenstapel (2) jeweils zumindest eine Zuführleitung (5, 6) für Brennmittel und Oxidationsmittel sowie jeweils zumindest eine Abführleitung (7, 8) für nicht umgesetzte Brennmittel und Oxidationsprodukte aufweist,

(b) jeweils zumindest eine Volumenstromeinstelleinheit (9, 10) für Brennmittel und Oxidationsmittel, welche derart gestaltet sind, dass mit ihnen die Volumenströme des Brennmittels und Oxidationsmittels einstellbar sind,

(c) jeweils zumindest eine Ermittlungsvorrichtung für die Taupunkttemperaturen (13, 14) des Brennmittels und des Oxidationsmittels,

(d) zumindest einen Temperatursensor (15), welcher derart gestaltet ist, dass mit ihm die Arbeitstemperatur des Brennstoffzellenstapels (2) ermittelbar ist,

(e) zumindest einen Stromsensor (16), welcher derart gestaltet ist, dass mit ihm die Stromstärke des von dem Brennstoffzellenstapel (2) produzierten elektrischen Stroms ermittelbar ist,

wobei die Volumenströme des Brennmittels und Oxidationsmittels durch die Volumenstromeinstelleinheit unter Berücksichtigung der von den Ermittlungsvorrichtungen für die Taupunkttemperaturen (13, 14) ermittelten Taupunkttemperaturen von Brennmittel und Oxidationsmittel, der von dem Temperatursensor (15) ermittelten Arbeitstemperatur des Brennstoffzellenstapels (2) und des von dem Stromsensor (16) ermittelten elektrischen Stroms einstellbar sind.
Brennstoffzellensystem (1) nach Anspruch 1, welches ferner eine Einstelleinheit (17) aufweist, die zumindest mit den Volumenstromeinstelleinheiten (9, 10), den Ermittlungsvorrichtungen für die Taupunkttemperaturen (13, 14), dem Temperatursensor (15) und dem Stromsensor (16) verbunden oder verbindbar ist, durch welche die Volumenströme des Brennmittels und Oxidationsmittels über die Volumenstromeinstelleinheit (9, 10) unter Berücksichtigung der von den Ermittlungsvorrichtungen für die Taupunkttemperaturen (13, 14) ermittelten Taupunkttemperaturen von Brennmittel und Oxidationsmittel, der von dem Temperatursensor (15) ermittelten Arbeitstemperatur des Brennstoffzellenstapels (2) und des von dem Stromsensor (16) ermittelten elektrischen Stroms einstellbar sind. Brennstoffzellensystem (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Volumenstromeinstelleinheiten (9, 10) dem Brennstoffzellenstapel (2) vorgeschaltet sind. Brennstoffzellensystem (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Volumenstromeinstelleinheiten (9, 10) dem Brennstoffzellenstapel (2) nachgeschaltet sind. Brennstoffzellensystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Brennstoffzellenstapel (2) ferner zumindest eine Zuführleitung (3) und zumindest eine Abführleitung (4) für ein Wärmefluid zum Ableiten oder Zuführen von Wärme an den Brennstoffzellenstapel (2) umfasst. Brennstoffzellensystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, welches ferner zumindest einen Entfeuchter (11, 12) für Brennmittel und/oder Oxidationsmittel, welcher über Ventile (V1, V2, V3, V4) zuschaltbar ist, zum Entfeuchten des Brennmittels und/oder des Oxidationsmittels umfasst. Brennstoffzellensystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Brennstoffzellenstapel (2) aus Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzellen aufgebaut ist und Membran-Elektroden-Einheiten mit einer Polymermembran und Separatorplatten aufweist. Brennstoffzellensystem (1) nach Anspruch 7, wobei die Polymermembran mit einem flüssigen Elektrolyten dotiert ist. Brennstoffzellensystem (1) nach Anspruch 8, wobei der flüssige Elektrolyt Phosphorsäure, Schwefelsäure oder eine Kombination davon umfasst.






IPC
A Täglicher Lebensbedarf
B Arbeitsverfahren; Transportieren
C Chemie; Hüttenwesen
D Textilien; Papier
E Bauwesen; Erdbohren; Bergbau
F Maschinenbau; Beleuchtung; Heizung; Waffen; Sprengen
G Physik
H Elektrotechnik

Anmelder
Datum

Patentrecherche

Patent Zeichnungen (PDF)

Copyright © 2008 Patent-De Alle Rechte vorbehalten. eMail: info@patent-de.com