DE10023578A1 - Brennstoffzelle - Google Patents

Brennstoffzelle

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DE10023578A1
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Andreas Christen
Detlev Gerling
Steffen Wieland
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Bosch Thermotechnik GmbH
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Buderus Heiztechnik GmbH
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
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Abstract

Bei einer Brennstoffzelle mit einer von H¶2¶ als Brennstoff beaufschlagbaren Anode (1) und einer von einem Luftstrom mit Gebläseunterstützung angeströmten Kathode (2) wird das H¶2¶-reiche Anodenabgas einem nachgeschalteten Brenner (6) zum Oxidieren des noch vorhandenen H¶2¶-Anteils zugeführt. Statt einer separaten Verbrennungsluftzufuhr zum Brenner (6) wird die Kathodenabluft als O¶2¶-Träger durch einen Strömungskanal (9) mit integriertem Regelorgan zum Brenner (6) geführt. Der O¶2¶-Anteil der Kathodenabluft reicht in der Regel zum Oxidieren des H¶2¶ aus, wobei gegebenenfalls auch direkt Luft vom Gebläse (7) über einen separaten Luftkanal (14) zum Brenner (6) geleitet werden kann.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Brennstoffzelle nach dem Oberbegriff des Patentan­ spruchs 1.
Eine Brennstoffzelle besitzt eine von H2 als Brennstoff beaufschlagbare Anode, eine in ei­ nem Luftstrom angeordnete Kathode und einen dazwischen liegenden, nur von den Proto­ nen des an der Anode zerlegten H2 durchströmbaren Elektrolyten. Die Protonen des H2 reagieren mit dem O2 der Luft unter Abgabe von Wärme zu H2O. Die Elektronen fließen über einen Leiter von der Anode zur Kathode, da ein Potential vorhanden ist. Somit ist die Brennstoffzelle zum Erzeugen von Wärme und von elektrischem Strom geeignet.
Brennstoffzellen wird mehr H2 zugeführt als zur stöchiometrischen Umsetzung des H2 be­ nötigt wird. Daher tritt ein H2-reiches Anodenabgas aus, dessen H2-Anteil unter Erzeugung von Wärme in einem nachgeschalteten Brenner oxidiert wird. Es kann ein konventioneller oder ein katalytischer Brenner eingesetzt werden. Ein katalytischer Brenner hat dabei den bekannten Vorteil, dass die Oxidation bei niedrigen Temperaturen erfolgt, wodurch die Bil­ dung von Schadstoffen, vor allem von NOx, verringert wird.
Dem nachgeschalteten Brenner muss zur Oxidation des H2 aus dem Anodenabgas Luft zugeführt werden. Dies geschieht in der Regel mit einem zusätzlichen Gebläse, welches zur exakten Dosierung des Luftstromes mit einer aufwendigen Regelung ausgestattet sein muss.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Luftzufuhr zum nachgeschalteten Brenner ohne großen Sonderaufwand für ein Gebläse und dessen Regelung zu erreichen.
Die erfindungsgemäße Brennstoffzelle besitzt die im Patentanspruch 1 genannten Merk­ male.
Die Brennstoffzelle ist mit dem nachgeschalteten Brenner durch einen die Kathodenabluft als O2-Träger zum Brenner führenden Strömungskanal mit integriertem Regelorgan ver­ bunden. Auf diese Weise dient das zur Luftversorgung eingesetzte Gebläse bzw. ein Kom­ pressor sowohl der Luftzufuhr zur Kathode als auch der Zufuhr der Kathodenabluft als O2- Träger zum Brenner.
Die Kathodenabluft ist noch derart stark mit O2 angereichert, dass dieser als Oxidations­ mittel im nachgeschalteten Brenner verwandt werden kann. Statt der bisher zwei Luftströ­ me mit zwei Gebläsen wird jetzt nur noch ein einziger Luftstrom mit einem einzigen Geblä­ se eingesetzt, der sowohl die Oxidation des H2 an der Kathode als auch des H2 aus dem Anodenabgas im nachgeschalteten Brenner bewirkt. Der Aufwand ist dadurch wesentlich reduziert.
Der Volumenstrom der Kathodenabluft ist um ein mehrfaches höher als der für die Oxidati­ on des H2 im Brenner benötigte Luftstrom. Deshalb ist eine Regulierung des Stromes not­ wendig, wobei ein Teil der Kathodenabluft als Abluftstrom abgeleitet werden muss. Diese Regulierung erfolgt durch das im Strömungskanal integrierte Regelorgan. Als Regelorgan kann eine Regelklappe eingesetzt werden. Je nach ihrer Stellung gibt diese den Weg zum Brenner und/oder zum Abluftstutzen frei. Bei einem festgelegten, nicht veränderbaren Ver­ hältnis der Ströme in der Brennstoffzelle kann an Stelle einer Regelklappe auch eine Düse im Strömungskanal angeordnet werden, da das Verhältnis von Anodenabgas und Katho­ denabluft dann immer gleich ist.
Durch den hohen N-Anteil und den relativ geringen O2-Anteil in der Kathodenabluft lässt sich die Oxidation des H2 im Brenner leicht regeln. Sollte aber der O2-Gehalt in der Katho­ denabluft für eine vollständige Oxidation des H2 im Brenner zu gering sein, kann durch ei­ nen zusätzlichen direkt vom Gebläse zum Brenner führenden Luftkanal eine direkte Luft­ zufuhr zum Brenner erfolgen.
Die besonderen Vorteile der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle bestehen darin, dass ein zusätzliches Gebläse entfällt und dass ein kompaktes und kostengünstiges System ge­ schaffen wurde. Durch entsprechende Steuer- und Regelelemente ist eine einfache Regu­ lierung der Zufuhr an Kathodenabluft bzw. an direkter Luft zum Brenner zu erreichen.
Die Zeichnung stellt in einer einzigen Figur ein Schema einer Brennstoffzelle als Ausfüh­ rungsbeispiel der Erfindung dar.
Die Brennstoffzelle besitzt eine Anode 1, eine Kathode 2 und einen dazwischen liegenden Elektrolyten 3.
Die Anode 1 wird durch einen Zufuhrkanal 4 mit H2 als Brennstoff beaufschlagt. Dort wird das H2 aufgespaltet in Protonen und Elektronen. Die Protonen durchdringen den Elektro­ lyten 3 und wandern zur Kathode 2. H2-reiches Anodenabgas wird durch einen Abfuhrkanal 5 einem nachgeschalteten Brenner 6 zugeführt.
Der Kathode 2 wird durch ein Gebläse 7 in einem Luftkanal 8 Luft zugeführt. O2 der Luft reagiert dabei unter Abgabe von Wärme mit den Protonen des H2 zu H2O. Die Kathoden­ abluft mit einem O2-Überschuss gelangt durch einen Strömungskanal 9 mit integriertem Regelorgan, im dargestellten Fall einer Regelklappe 10, zum Brenner 6 oder durch den Abluftstutzen 11 ins Freie. Im Brenner 6 reagiert der O2 der Kathodenabluft mit dem H2 des Anodengases zu H2O unter Abgabe von Wärme. Die Wärme wird durch einen Wärmetau­ scher 12 abgeführt. Die Verbrennungsprodukte werden durch geeignete Anschlüsse 13 abgeführt.
Durch einen direkt vom Gebläse 7 zum Brenner 6 führenden Luftkanal 14 kann dem Bren­ ner 6 alternativ auch direkt Luft zugeführt werden.

Claims (5)

1. Brennstoffzelle zum Erzeugen von Wärme und elektrischer Energie mit einer von H2 als Brennstoff beaufschlagten Anode (1), einer von einem Luftstrom mit Gebläseunter­ stützung angeströmten Kathode (2) und einem zwischen der Anode und der Kathode lie­ genden Elektrolyten (3) und mit einem nachgeschalteten Brenner (6) zum Oxidieren des im Anodenabgas noch vorhandenen H2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kathodenabluft durch einen Strömungskanal (9) mit integriertem Regelorgan zum Brenner (6) geführt wird und dort als O2-Träger für das Oxi­ dieren des H2 aus dem Anodenabgas dient.
2. Brennstoffzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das integrierte Regelorgan als Regelklappe (10) gestaltet ist, die je nach Stellung den Weg zum Brenner (6) und/oder zum Abluftstutzen (11) freigibt.
3. Brennstoffzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das integrierte Regelorgan als Düse gestaltet ist, die den zum Brenner geführten Kathodenabluft-Strom reguliert.
4. Brennstoffzelle nach den Ansprüchen 1 bis 3, gekennzeichnet durch einen zusätzlichen direkt vom Gebläse (7) im Zuluftstrom zum Bren­ ner (6) führenden Luftkanal (14) für eine direkte Luftzufuhr bei einem für das Oxidieren des H2 im Anodenabgas nicht ausreichenden O2-Gehalt in der Kathodenabluft.
5. Brennstoffzelle nach den Ansprüchen 1 bis 4, gekennzeichnet durch entsprechende Steuer- und Regelelemente zum Regulieren der Kathodenabluft-/Luftzufuhr zum Brenner.
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