DE10152884B4 - Geräuschlos arbeitende Brennstoffzelle ohne Nebenaggregate und Verfahren zur Stromerzeugung - Google Patents

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Abstract

Geräuschlos arbeitende Polymer-Elektrolyt-Membran (PEM)-Brennstoffzelle, umfassend
– einen Brennstoffzellen-Stack aus mehreren Membranelektrodenanordnungs(MEA)-Einheiten,
– Luftkanäle aufweisende Bipolarplatten zwischen den MEA-Einheiten, wobei in den Luftkanälen eine elektrische Widerstandsheizung integriert ist,
– zwei Endplatten, welche den Brenstoffzellen-Stack zusammenhalten, wobei in mindestens einer der Endplatten eine Einrichtung zum Messen und Regeln der Brennstoffzellen-Stacktemperatur integriert ist,
– einen Luft-Einlaufstrang und einen Luft-Auslaufstrang, sowie
– einen mit den Ausgängen und Eingängen der Brennstoffkanäle des Brennstoffzellen-Stacks verbundenen Tank für eine Methanol-Wasser-Mischung.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine geräuschlos arbeitende Brennstoffzelle sowie ein Verfahren zur Stromerzeugung von beispielsweise Safari-Ausrüstungen, Yachten und tragbaren elektronischen Geräten im Leistungsbereich bis 500 Wel.
  • Stand der Technik
  • Bekannt ist, daß man Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzellen als Batterieersatz für die Stromversorgung von tragbaren elektronischen Geräten einsetzen kann. Nachteilig ist aber, daß PEM-Brennstoffzellen ein Gebläse zur Luftzuführung, eine Wasserpumpe zur Kühlung und eine Rezirkulationspumpe zur H2-Rezirkulation bei H2-Betrieb mit "totem Ende" (üblicher Betrieb mit H2) benötigen, was Geräusche verursacht und 10% bis 50% des von der Brennstoffzelle erzeugten Stromes verbraucht.
  • Bekannt ist weiter, daß man auf die Kühlung verzichten kann, wenn man anstelle von Wasserstoff Methanol/Wasser-Mischungen in der Brennstoffzelle umsetzt. Nachteilig ist dann die auf Grund der hierbei erreichbaren niedrigen Betriebstemperatur von maximal 30°C zu geringe Leistungsdichte von nur 5% der H2-PEM-Brennstoffzelle. Diese macht zwar die Kühlung überflüssig, führt aber im Vergleich mit H2-Brennstoffzellen oder Batterien zu viel zu großen und schweren Anlagen, die zu dem eine Flüssigkeitspumpe zum Umwälzen der Methanol/Wasser-Mischung sowie ein Gebläse benötigen.
  • Die DE 197 57 318 C1 beschreibt eine Schnellheizung für Brennstoffzellen, wobei eine als elektrische Heizung ausgestaltete Schicht als Zwischenschicht im Elektrolyten angeordnet ist.
  • Die JP 09 045 353 A beschreibt eine portable Brennstoffzelle, bei der zur Vergleichmäßigung der Temperaturverteilung im Brennstoffzellen-Stack an beiden Endplatten Heizplatten angeordnet sind.
  • Die US 5, 798,186 A beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Starten des Betriebs einer Brennstoffzelle bei einer Temperatur unterhalb der Gefriertemperatur von Wasser, wobei elektrischer Strom aus dem Brennstoffzel len-Stack in der Weise dem externen Stromkreis der Brennstoffzelle zugeführt wird, dass die Temperatur der Membranelektrodenanordnung (MEA) die Gefriertemperatur von Wasser übersteigt.
    •
  • Ziel der Erfindung
  • Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, eine Brennstoffzelle sowie ein Verfahren zur Stromerzeugung zur Verfügung zu stellen, welche die Nachteile des Standes der Technik überwindet und insbesondere geräuschlos, bzw. geräuscharm arbeitet, keine Nebenaggregate benötigt sowie eine ausreichende Leistungsdichte sicherstellt.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Die oben genannte Aufgabe wird durch eine PEM-Brennstoffzelle gemäß Anspruch 1 sowie ein Verfahren gemäß Anspruch 5 gelöst. Bevorzugte bzw. besonders zweckmäßige Ausführungsformen des Anmeldungsgegenstandes sind in den Unteransprüchen angegeben.
  • Gegenstand der Erfindung ist somit eine geräuschlos arbeitende Polymer-Elektrolyt-Membran (PEM)-Brennstoffzelle, umfassend einen Brennstoffzellen-Stack aus mehreren Membranelektrodenanordnungs(MEA)-Einheiten, Luftkanäle aufweisende Bipolarplatten zwischen den MEA-Einheiten, wobei in den Luftkanälen eine elektrische Widerstandsheizung integriert ist, zwei Endplatten, welche den Brenstoffzellen-Stack zusammenhalten, wobei in mindestens einer der Endplatten eine Einrichtung zum Messen und Regeln der Brennstoffzellen-Stacktemperatur integriert ist, einen Luft-Einlaufstrang und einen Luft-Auslaufstrang, sowie einen mit den Ausgängen und Eingängen der Brennstoffkanäle des Brennstoffzellen-Stacks verbundenen Tank für eine Methanol-Wasser-Mischung.
  • Gegenstand der Erfindung ist ebenfalls ein Verfahren zur Stromerzeugung unter Verwendung der erfindungsgemäßen PEM-Brennstoffzelle, umfassend die Schritte: Beheizen der PEM-Brennstoffzelle durch den von ihr erzeugten, zunächst geringen elektrischen Strom, der durch die Widerstandsheizung fließt, bis die für den Leistungsbetrieb erforderliche Stacktemperatur erreicht ist, Abschalten der Widerstandsheizung nach Erreichen der für den Leistungsbe trieb erforderlichen Stacktemperatur mittels der Einrichtung zum Messen und Regeln der Brennstoffzellen-Stacktemperatur, und Zuschalten eines Stromverbrauchers.
  • Detaillierte Beschreibung der Erfindung
  • Erfindungsgemäß wird somit eine besonders aufgebaute Direkt-Methanol-Brennstoffzelle (DMBZ) eingesetzt, bestehend aus einem Brennstoffzellen-Stack, in welchem eine elektrische Widerstandsheizung in den Luftkanälen integriert ist und einer Stack-Temperatur-Regulierungseinrichtung sowie einem Tank für Methanol-Wasser-Mischungen, der mit den Aus- und Eingängen der Brennstoffkanäle des Stacks verbunden ist.
  • Der Aufbau und die Komponenten einer PEM-Brennstoffzelle sind dem Fachmann bekannt. Der Brennstoffzellen-Stack umfaßt vorzugsweise 30 Membranelektrodenanordnungs(MEA)-Verbundeinheiten und dementsprechend ebenfalls 30 Bipolarplatten, vorzugsweise Graphit-Bipolarplatten. Unter einer Membranelektrodenanordnungs(MEA)-Einheit ist eine Elektrode-Membran-Elektrode-Einheit zu verstehen.
  • Vorzugsweise ist im Luft-Auslaufstrang der PEM-Brennstoffzelle ein Kondensatabscheider vorgesehen.
  • Die elektrische Widerstandsheizung in den Luftkanälen der Bipolarplatten umfaßt vorzugsweise korrosionsfest beschichtete Widerstandsdrähte, welche so untergebracht sind, daß über gasdichte elektrisch isolierte Durchführungen eine Verbindung zur Außenseite des Brennstoffezellen-Stacks entsteht, so daß ein elektrischer Anschluß an die in den Endplatten integrierte Temperaturmeß- und Regeleinrichtung möglich wird.
  • Beim erfindungsgemäßen Verfahren zur Stromerzeugung wird die DMBZ durch den von ihr erzeugten, zunächst geringen elektrischen Strom, der durch die Widerstandsheizung fließt, so lange beheizt, bis die für den Leistungsbetrieb erforderliche Stack-Betriebstemperatur, geeigneterweise 70°C bis 80°C, erreicht ist, welche eine thermische Belüftung der Kathode durch die Schornsteineinwirkung in den Luftkanälen der Brennstoffzelle sowie eine thermische Umwälzung der Methanol-Wasser-Mischungen ermöglicht, wodurch Pumpen und Gebläse vermieden werden.
  • Erfindungsgemäß schaltet die Stack-Temperatur-Regelungseinrichtung die elektrische Beheizung durch den von der Brennstoffzelle erzeugten Strom bei Erreichen von 70°C Stacktemperatur automatisch ab. Der elektrische Heizstrom ist durch die Temperaturerhöhung in der Brennstoffzelle und den damit verbundenen Anstieg der Stackspannung bei 70°C um ein Vielfaches gegenüber 25°C gestiegen. Nach dem Abschalten des Heizstroms können elektrische Verbraucher wie TV, Radio, Batterieladegerät, Lampen oder Kühlschrank angeschaltet und betrieben werden. Die hohe Betriebstemperatur garantiert dann den elektrischen Leistungsbetrieb der Brennstoffzelle.
  • Ist der Verbraucher so dimensioniert, daß die Brennstoffzelle mit 50% bis 100% elektrischer Volllast beaufschlagt wird, so hält die Brennstoffzelle sich selbst auf optimaler Betriebstemperatur von 70°C bis 80°C durch die JOULE'sche Wärme, die in der Brennstoffzelle bei Stromfluß erzeugt wird.
  • Unterhalb 50% Volllast wir die elektrische Beheizung der Brennstoffzelle erfindungsgemäß stufenweise von der Temperatur-Regelungseinrichtung so zugeschaltet, daß die optimale Betriebstemperatur von 70°C bis 80°C erhalten bleibt. Dadurch ist Leistungsbetrieb bis 20% Volllast ohne Einbruch der Zellspannung möglich, wie er beim Absinken der Stacktemperatur auf 30°C bei Teillastbetrieb herkömmlicher PEM-Brennstoffzellen sonst vorkommt.
    •
  • Ausführungsbeispiel
  • Die Erfindung wird anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Hierbei zeigt
  • 1 die schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen PEM-Brennstoffzelle.
  • Die in 1 gezeigte, geräuschlos arbeitende Brennstoffzelle, bestehend aus
    • – 30 Stück Membranelektrodenanordnungs(MEA)-Einheiten mit 100 cm2 aktiver Zellfäche
    • – 30 Stück Graphit-Bipolarplatten mit korresionsfesten, gasdicht in den Luftkanälen jeder Bipolarplatten eingebundenen Widerstandsdrähten
    • – 2 Endplatten mit Bolzen und Muttern, die die gestapelten MEA-Einheiten und Bipolarplatten durch Pressen zum Stack zusammenfügen
    • – einer Temperatur-Meß- und Regelungseinrichtung, die in die Kathoden-Endplatte integriert ist
    • – einem Methanol-Wassermischungs-Tank mit Umlauf und Kondensatabscheider sowie Methanol-Vorratstank
    • – einem Lufteinlauf-Strang und Auslaufstrang mit Kondensatabscheider sowie diversen elektrischen Verbrauchern,
    wird per Knopfdruck an die Verbraucher über einen DC/DC-Inverter angeschlossen. Die offene Zellspannung des Stacks von 18V sinkt dabei auf Werte unter 6V, wodurch die Verbraucher automatisch abgeschaltet und die Heizung in den Luftkanälen angeschaltet wird. Die Temperatur des Brennstoffzellenstacks steigt dadurch innerhalb von 30 Minuten auf 70°C. Gleichzeitig erhöht sich die Stackspannung auf 10–14V, der elektrische Strom auf 10A und die Luftzirkulation erreicht 10 Normalliter/min.
  • Die CO2-Entwicklung an der Anode setzt dabei den Methanol-Umlauf in Gang. Bei Erreichen von 70°C werden dann die Verbraucher über den DC/DC-Inverter mit Ausgangsspannung von 12V automatisch durch die Temperatur-Meß- und Regelungseinrichtung angeschlossen. Sinkt die Zellspannung des Stacks unter 9V bei 70°C und maximal 10A, so öffnet automatisch das Ventil zum Methanol-Vorratstank kurzzeitig und dosiert eine geringe Menge konzentrierten Methanols, wodurch die Spannung wieder auf 12–14V ansteigt.
  • Das Methanol/Wasser-Mischungsverhältnis beträgt vorzugsweise 1:10 bis 1:20 im Tank und kann beispielsweise durch einem schwimmergeregelten Zulauf aus einem Vorrats-Drucktank mit konzentrierter Methanol-Wasser-Mischung eingestellt werden.

Claims (9)

  1. Geräuschlos arbeitende Polymer-Elektrolyt-Membran (PEM)-Brennstoffzelle, umfassend – einen Brennstoffzellen-Stack aus mehreren Membranelektrodenanordnungs(MEA)-Einheiten, – Luftkanäle aufweisende Bipolarplatten zwischen den MEA-Einheiten, wobei in den Luftkanälen eine elektrische Widerstandsheizung integriert ist, – zwei Endplatten, welche den Brenstoffzellen-Stack zusammenhalten, wobei in mindestens einer der Endplatten eine Einrichtung zum Messen und Regeln der Brennstoffzellen-Stacktemperatur integriert ist, – einen Luft-Einlaufstrang und einen Luft-Auslaufstrang, sowie – einen mit den Ausgängen und Eingängen der Brennstoffkanäle des Brennstoffzellen-Stacks verbundenen Tank für eine Methanol-Wasser-Mischung.
  2. PEM-Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei im Luft-Auslaufstrang ein Kondensatabscheider vorgesehen ist.
  3. PEM-Brennstoffzelle nach Anspruch 1 und/oder 2, umfassend 30 MEA-Einheiten und 30 Bipolarplatten, vorzugsweise Graphit-Bipolarplatten.
  4. PEM-Brennstoffzelle nach mindestens einem der Ansprüche 1–3, wobei die elektrische Widerstandsheizung korrosionsfest beschichtete Widerstandsdrähte umfaßt, welche gasdicht in den Luftkanälen der Bipolarplatten eingebunden sind.
  5. Verfahren zur Stromerzeugung unter Verwendung der PEM-Brennstoffzelle gemäß den Ansprüchen 1–4, umfassend die Schritte: – Beheizen der PEM-Brennstoffzelle durch den von ihr erzeugten, zunächst geringen elektrischen Strom, der durch die Widerstandsheizung fließt, bis die für den Leistungsbetrieb erforderliche Stacktemperatur erreicht ist, – Abschalten der Widerstandsheizung nach Erreichen der für den Leistungsbetrieb erforderlichen Stacktemperatur mittels der Einrichtung zum Messen und Regeln der Brennstoffzellen-Stacktemperatur, und – Zuschalten eines Stromverbrauchers.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei die erforderliche Belüftung der Kathode durch die Schornsteinwirkung der beheizten Luftkanäle und die erforderliche Umwälzung der Methanol-Wasser-Mischung durch thermische Umwälzung zwischen den Brennstoffkanälen und dem Tank erreicht wird.
  7. Verfahren nach Anspruch 5 und/oder 6, wobei die für den Leistungsbetrieb erforderliche Stacktemperatur sowie Belüftung der Kathode und Umwälzung der Methanol-Wasser-Mischung bei abgeschalteter Widerstandsheizung durch die Wärmeerzeugung der Brennstoffzelle bei Stromentnahme durch den Stromverbraucher aufrechterhalten wird.
  8. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 5–7, wobei die Einrichtung zum Messen und Regeln der Brennstoffzellen-Stacktemperatur die Widerstandsheizung bei Unterschreiten der für den Leistungsbetrieb erforderlichen Stacktemperatur bei Teillastbetrieb stufenweise zuschaltet, so daß ein effektiver Leistungsbetrieb bis 20% Volllast möglich ist.
  9. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 5–8, wobei die für den Leistungsbetrieb erforderliche Stacktemperatur 70–80°C beträgt.
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