DE10054050A1 - Verfahren zum Betreiben einer HT-PEM-Brennstoffzellenanlage und zugehörige Brennstoffzellenanlage - Google Patents

Abstract

Vom Stand der Technik ist bereits der Betrieb einer Brennstoffzellenanlage in Kaskadenschaltung bekannt. Gemäß der Erfindung wird speziell für eine HT-PEM-Brennstoffzellenanlage eine Kaskadenbauweise vorgeschlagen, für das hier ein Kaskadenbetrieb möglich ist. Damit können vorteilhafterweise die Auslassemissionen beeinflusst werden.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betreiben einer HT-PEM-Brennstoffzellenanlage, die aus wenigstens einem als Stapel von Brennstoffzellen ausgebildeten Brennstoffzel­ lenmodul für den Wasserstoff-Betrieb besteht. Daneben bezieht sich die Erfindung auch auf eine zugehörige HT-PEM-Brenn­ stoffzellenanlage mit wenigstens einem Brennstoffzellenmodul für den Wasserstoffbetrieb.

PEM-Brennstoffzellen sind vom Stand der Technik bekannt. Un­ ter HT-PEM-Brennstoffzellenanlage ist eine Anlage verstanden, bei der die Brennstoffzellen Polymer-Elektrolyt-Membran­ brennstoffzellen sind, die bei erhöhten Betriebstemperaturen arbeitet.

Erhöhte Betriebstemperaturen sind höhere Temperaturen im Ver­ gleich zur Betriebstemperatur der PEM-Brennstoffzelle von 60°C, und zwar Temperaturen zwischen 60 und 300°C, insbeson­ dere im Bereich zwischen 120 und 200°C.

Vom Stand der Technik ist es weiterhin bekannt, bei speziell für den U-Boot-Betrieb konzipierten Brennstoffzellenanlagen die zu einem Stapel zusammengefassten Brennstoffzellen kaska­ diert zu betreiben. Dadurch soll eine optimale Ausnutzung des Brennstoffes erreicht werden. Im Einzelnen wird mit der EP 0 596 366 B1 ein Verfahren und eine zugehörige Vorrichtung angegeben, bei dem das Brenngas durch ein geeignetes Fluid­ system nach parallelen Durchströmen einer ersten Gruppe von Brennstoffzellen aufkonzentriert und sukzessive weiteren Brennstoffzellengruppen zugeführt wird Nicht übertragbar ist dieses System auf eine HT-PEM-Brenn­ stoffzellenanlage. Trotzdem werden in der Praxis die gleichen Anforderungen gestellt.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine HT-PEM-Brennstoff­ zellenanlage in verbesserter Betriebsweise vorzuschlagen.

Die Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die Maßnahmen des Pa­ tentanspruches 1 gelöst. Eine zugehörige Brennstoffzellenan­ lage ist im Patentanspruch 3 angegeben.

Mit der Erfindung werden Maßnahmen und zugehörige Mittel für den Aufbau eines Brennstoffzellenmoduls vorgeschlagen, mit denen eine HT-PEM-Brennstoffzellenanlage im Kaskadenbetrieb arbeiten kann. Dabei wird die HT-PEM-Brennstoffzellenanlage im Temperaturbereich zwischen 60 und 300°C, vorzugsweise zwi­ schen 120 und 200°C, betrieben.

Mit der Erfindung lässt sich in vorteilhafter Weise errei­ chen, dass der sogenannte λ-Wert beim Brennstoffzellenbetrieb gezielt eingestellt werden kann. Damit ergeben sich speziell für die HT-PEM-Brennstoffzelle besondere Vorteile.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung eines Ausführungs­ beispiels. Die einzige Figur zeigt ein Brennstoffmodul einer HT-PEM-Brennstoffzellenanlage mit Mitteln für einen Kaskaden­ betrieb.

In der Figur ist mit 10 ein Brennstoffzellenmodul aus einer Vielzahl von Brennstoffzelleneinheiten dargestellt, der Teil einer HT-PEM-Brennstoffzellenanlage ist. Wie bei der üblichen PEM-Brennstoffzelle ergibt sich durch die Stapelung der Brennstoffzelleneinheiten mit jeweils einer Membran-Elektro­ deneinheit ein Stapel, der in der Fachterminologie auch als Stack bezeichnet wird. Eine solches HT-PEM-Brennstoffzellen- Stack wird im Vergleich zur üblichen PEM-Brennstoffzelle, die bei beispielsweise 60°C arbeitet, mit erhöhter Temperatur be­ trieben, beispielsweise bei Temperaturen zwischen 60 und 300°C. Vorteilhafte Arbeitstemperaturen für die HT-PEM- Brennstoffzelle liegen zwischen 120 und 200°C.

Der Brennstoffzellenmodul 10 ist in einzelne Einheiten 1, 2, 3, 4, . . . aufgeteilt, wobei in der Figur beispielhaft vier Einheiten 1 bis 4 dargestellt sind. Alle vier Einheiten 1 bis 4 mit aufeinanderfolgenden geringer werdenden Anzahl von Brennstoffzellen und MEA's werden kaskadiert mit Wasserstoff als Brenngas aus einem gemeinsamen Brenngassystem betrieben, womit sich eine geeignete Anpassung des Brenngases ergibt.

Das Brennstoffzellenmodul 10 wird über den Eingang E mit dem Brenngas versorgt. In den einzelnen Kaskadierungsstufen sind die Fluidleitungen mit 21 bis 24 bezeichnet. Am Ausgang A des Brennstoffzellenmoduls 10 wird Restgas ausgegeben.

Durch die beschriebene Kaskadierung auch bei HT-PEM-Brenn­ stoffzellen ergibt sich die Möglichkeit, den sog. λ-Wert, der die Nutzung des Brenngases charakteristisch ist, zu optimie­ ren. Damit werden speziell für die HT-PEM-Brennstoffzelle er­ hebliche Verbesserungen erreicht. Im Einzelnen können damit die Auslassemissionen beeinflusst und somit insbesondere schädliche Emissionen vermindert werden.

Claims (6)

1. Verfahren zum Betreiben einer HT-PEM-Brennstoffzellen­ anlage, die aus wenigstens einem als Stapel von Brennstoff­ zellen ausgebildeten Brennstoffzellenmodul (Stack) für einen Wasserstoff(H2)-Betrieb besteht, dadurch ge­ kennzeichnet, dass das Brennstoffzellenmodul der HT-PEM-Brennstoffzellenanlage kaskadiert betrieben wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, dass das Brennstoffzellenmodul der HT- PEM-Brennstoffzellenanlage im Temperaturbereich zwischen 60 und 300°C, vorzugsweise zwischen 120 und 200°C, betrieben wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Kaskadierung die Auslassemissionen des Brennstoffzellenmoduls beeinflusst, insbesondere vermindert, werden.

4. HT-PEM-Brennstoffzellenanlage zur Durchführung des Verfah­ rens nach Anspruch 1 oder Anspruch 2 bzw. 3 mit wenigstens ei­ nem Brennstoffzellenmodul für Wasserstoff(H2)-Betrieb, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel (21, 22, 23, 24, . .) zum Kaskadenbetrieb des Brennstoffzel­ lenmoduls (10) vorhanden sind.

5. HT-PEM-Brennstoffzellenanlage nach Anspruch 4, da­ durch gekennzeichnet, dass zum Kaska­ denbetrieb das Brennstoffzellenmodul (10) in einzelne Einhei­ ten (1, 2, 3, 4, . .) aufgeteilt ist.

6. HT-PEM-Brennstoffzellenanlage nach Anspruch 5, da­ durch gekennzeichnet, dass die einzel­ nen Einheiten (1, 2, 3, 4, . .) des Brennstoffzellenmoduls (10) mit einem gemeinsamen Brenngassystems (21, 22, 23, 24, . .) betrieben werden.