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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem mit einem
Wasserstoffkatalysator entsprechend des Oberbegriffs des Anspruchs
1.
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Stand der Technik
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Beim
Betrieb von Brennstoffzellen kommt es betriebsbedingt abgasseitig
zu unerwünschten Emissionen von Wasserstoff. Einerseits
reduziert sich dadurch der Wirkungsgrad des Brennstoffzellensystems
und andererseits bildet der unverbraucht emissionierte Wasserstoff
die Basis für explosive Gasgemische.
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In
der
DE 100 34 399
A1 wird unter anderem zur Verbesserung des Wirkungsgrades
die Anordnung eines katalytischen Brenners zur Umsetzung unverbrannten
Wasserstoffs in Wasser beschrieben, wobei die dabei entstehende
Wärme mittels eines Wärmeübertragers
einem zur Versorgung des Brennstoffzellenstapels mit Wasserstoff
vorgeschalteten Reformiervorgang zugeführt. Bei solchen
sogenannten katalytischen Brennern erfolgt die Umsetzung von Wasserstoff
mit Sauerstoff zu Wasser durch thermische Aktivierung, also durch
Zufuhr anderweitig erzeugter, den Katalysevorgang einleitender Initialisierungsenergie.
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Aufgabe und Vorteile der Erfindung
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Brennstoffzellensystem
der Eingangs dargelegten Art zu verbessern.
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Die
Lösung der gestellten Aufgabe erfolgt durch die Merkmale
des Anspruchs 1. Aus den nachfolgenden Unteransprüchen
gehen zweckmäßige und vorteilhafte Weiterbildungen
hervor.
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Demnach
betrifft die vorliegende Erfindung ein Brennstoffzellensystem mit
einem Brennstoffzellen-Abgasstrom und einen in dem Brennstoffzellen-Abgasstrom
angeordneten, elektrochemischen Wasserstoffkatalysator. Das Brennstoffzellensystem ist
dadurch gekennzeichnet, dass der Wasserstoffkatalysator als ein
Elektrode-Elektrolyt-System ausgebildet ist. Als Triebkraft zur
Aufoxidation des Wasserstoffs zu Wasser wird erfindungsgemäß ein
durch überschüssigen Sauerstoff im Brennstoffzellen-Abgasstrom
im Übergangsbereich zwischen Elektrode und Elektrolyt eingestelltes,
bestimmtes elektrisches Potential genutzt. Eine weitere Energiezufuhr
ist nicht erforderlich. Bei diesem Potential wird der im Abgas enthaltene
Wasserstoff mit hohem treibenden Gefälle zu Protonen oxidiert.
Dadurch verschiebt sich das durch die O2/H2O-Reaktion bestimmte Elektrodengleichgewicht,
so dass Wasser entsteht. Die Bruttoreaktion entspricht der Umsetzung
von Wasserstoff mit Sauerstoff zu Wasser. Eventuell in geringen
Mengen anfallendes Wasserstoffperoxid zerfällt chemisch
zu Wasser und Sauerstoff.
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Der
erfindungsgemäße, elektrochemische Wasserstoffkatalysator
kommt somit vollkommen ohne zusätzlichen, von anderen Quellen
stammenden Energieeintrag, insbesondere zur Initiierung des Katalysevorgangs,
aus. Er kann also vollkommen autonom arbeiten, kann jeglichen in
seine Nähe kommenden Wasserstoff sofort ohne irgendwelche
Verzögerungszeiten aufoxidieren, und zwar sowohl während
des Betriebs des Brennstoffzellensystems als auch in dessen Stillstandsphase,
so dass auch gegebenenfalls in dieser Phase vorhandener und/oder auftretender
Wasserstoff aufoxidiert wird, so dass eine Emission an die Umgebung
in jeder Phase des Brennstoffzellensystems zuverlässig
verhindert werden kann. Insbesondere kann der erfindungsgemäße,
elektrochemische Wasserstoffkatalysator auch kleinste Mengen an
Wasserstoff aufoxidieren, so dass auch bezüglich einer
Mindestmenge an Wasserstoff zur Initiierung eines Katalysevorgangs
erfindungsgemäß in vorteilhafter Weise keine Schwellwerte
zu überwinden sind.
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Das
Elektrolyt des Elektrode-Elektrolyt-Systems kann in einer ersten
Ausführungsform Perfluorsulfonsäure umfassen.
Ein solches Ionomer unterstützt die Katalyse von Wasserstoff
in vorteilhafter Weise insbesondere bei niedrigeren Temperaturen im
Bereich von unter etwa 100C°, wie diese in der Regel im
Abgasstrom von Brennstoffzellensystemen vorherrschen. In Zusammenwirkung
mit Platin kann durch den im Abgasstrom vorhandenen Restsauerstoff,
dieser liegt je nach Betriebszustand des Brennstoffzellensystems
zwischen ca. 6% und 8% vor, ein elektrochemisches Potential am Phasenübergang von
etwa 1,2 V aufbauen. Bei diesem Potential werden auch geringste
Spuren des im Anodenabgas des Brennstoffzellenstapels vorhandenen
Wasserstoffs oxidiert.
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In
einer abgewandelten Ausführungsform kann das zusätzlich
zum Katalysatormaterial vorgesehene Elektrolyt auch als ein sulfoniertes
Tetrafluorethylen-Polymer vorgesehen sein. Auch hier wird am Übergang
zwischen dem Katalysatormaterial und dem Elektrolyt durch den im
Abgasstrom vorhandenen Restsauerstoff ein entsprechendes elektrochemisches
Potential erzeugt, welches jegliche Anteile von Wasserstoff im Abgasstrom
oxidieren lässt.
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Die
Elektrode kann je nach Ausführungsform des Elektrode-Elektrolyt-Systems
aus ungeträgertem oder aus Kohlenstoff oder einem anderen
hochoberflächigen Material aufgetragenem Platin aufgebaut sein.
Diese katalytisch aktive Schicht in der Form von Platinmohr oder
geträgertem Platin, also nanodispersem Platin, ist sowohl
mit der Gasphase als auch mit der Elektrolytphase in Kontakt. Idealerweise
beinhaltet die Elektrode zudem eine oder mehrere Gasdiffusionslagen,
die dem mechanischen Schutz und dem Wasserhaushalt dienen. Der Aufbau
kann beispielweise dem einer Brennstoffzellenelektrode ähneln (Gasdiffusionselektrode).
Denkbar ist auch die Verwendung von Legierungskatalysatoren, wie
z. B. Pt3CO/C oder Pt3Ni/C.
Grundsätzlich sind alle Sauerstoffreduktions- und Wasserstoffoxidationskatalysatoren
geeignet. Vorstellbar sind auch platinfreie und damit kostengünstigere
aber vergleichsweise geringer katalytisch aktiver Co-Porphyrine.
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In
einer besonders bevorzugten Ausführungsform kann sich diese
katalytische Schicht auf einer gasdichten, nicht leitfähigen
Trägerschicht befinden, die gegebenenfalls zusätzlich
vorteilhaft zur Abfuhr der Oxidationswärme gekühlt
werden kann. Zwar ist aufgrund der geringen Wasserstoffkonzentration
im Abgasstrom der Brennstoffzelle mit keiner nennenswerten Temperaturerhöhung
zu rechnen, grundsätzlich kann eine Kühlvorrichtung
aber den Betrieb des Katalysators positiv beeinflussen. Als besonders
vorteilhaft wird daher das Vorsehen von Kühlkanälen
vorgeschlagen, die von einem entsprechend geeignetem Kühlmedium
durchströmt werden können. Als Kühlmedium
eignen sich vorteilhaft sowohl Gase als Flüssigkeiten,
insbesondere deionisiertes Wasser. Dieses kann zusätzlich
vorteilhaft zur Beeinflussung des Wasserhaushaltes im Katalysator verwendet
werden, so dass durch eine derartige Anordnung gleichzeitig auch
eine Befeuchtung realisiert werden kann.
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Die
Ausbildung von Kühlkanälen oder auch Kühlkammern
kann z. B. in vorteilhafter Weise an und/oder in der Rückseite
oder Rückwand des Trägermaterials erfolgen, so
dass eine möglichst kurze Wärmeleitstrecke zur
Abfuhr von durch die Wasserstoffkatalyse entstehender Oxidationswärme
realisiert werden kann. Eine so realisierte Kühlung ist
rein zur Vermeidung von lokaler Überhitzung des Katalysators
vorgesehen und kann insbesondere bei einer durch Gaskühlung
realisierten Ausführungsform vollkommen einfach durch vom
Abgas durchströmte Kanäle realisiert sein. Damit
ist auch eine systemunkritische Abfuhr von größeren
Wärmeeinträgen möglich, die z. B. im
Falle eines System-Not-Aus aufgrund einer dabei gegebenenfalls erhöhten
Zufuhr von Wasserstoff in den Brennstoffzellenabgasstrom und damit
verbundenen intesiveren und/oder häufigeren Redoxvorgängen
hervorgerufen werden kann.
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In
einer weiteren Ausführungsform kann grundsätzlich
auch ein separat ausgebildeter Befeuchter für den Katalysator
vorgesehen sein, gegebenenfalls ähnlich der bereits oben
beschriebenen, Kanäle oder andere, entsprechende Leitungen
für ein Befeuchtungsmittel aufweisenden Ausführungsform
zur Befeuchtung des Elektrode-Elektrolyt-Systems. Eine solche Ausführungsform
kann ihrerseits wiederum zusätzlich in weiter vorteilhafter
Weise eine Kühlung der betreffenden Katalysatorbereiche bewirken.
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Ausführungsbeispiel
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Die
Erfindung wird anhand der Zeichnungen und der nachfolgend darauf
Bezug nehmenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen:
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1:
beispielhaft und schematisch einen in einem Brennstoffzellen-Abgasstrom
angeordneten elektrochemischen Wasserstoffkatalysator und
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2 und 3 ebenfalls
beispielhaft und schematisch weitere Details des elektrochemischen Wasserstoffkatalysators.
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Demnach
zeigt die 1 ein Brennstoffzellensystem 1 mit
einer Brennstoffzelle 2, einem Brennstoffzellenabgasstrom 3 und
einen in diesem Abgasstrom angeordneten, elektrochemischen Wasserstoffkatalysator 4.
Der Katalysator 4 ist erfindungsgemäß als
ein Elektrode-Elektrolyt-System ausgebildet. Als Elektrolyt 6 der
Elektrode 5 können beispielsweise Perfluorsulfonsäure
oder Tetrafluorethylen-Polymer verwendet werden.
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Die
katalytisch aktive Schicht 7 kann z. B. in der Form von
Platinmohr 8 ausgebildet sein. Denkbar ist aber auch eine
Form von gegebenenfalls auf Kohlenstoff oder einem anderen hochoberflächigen
Material geträgerten, nanodispersen Platin bestehen (2).
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In
besonders vorteilhafter Weise ist eine Trägerschicht 9 der
Elektrode gasdicht und vorzugsweise elektrisch nicht leitend ausgebildet.
Durch die gasdichte Ausführung wird sichergestellt, dass
kein Abgas ins eventuell vorhandene Kühlmedium gelangen kann.
Dadurch, dass das Trägermaterial nicht leitfähig
ist, kann durch einen daran oder darin ausgebildeten Kühlkanal 10 zur
Abführung von Wärme neben Gas auch eine Flüssigkeit,
z. B. in der Form von deionisiertem Wasser, als Kühlmittelstrom 11 (2) zur
Abfuhr beim Katalysevorgang entstehender Wärme genutzt
werden. In weiter vorteilhafter Weise kann das deionisierte Wasser
zusammen mit dem Kanal 10 gleichzeitig einen Befeuchter 12 zur
Regulierung des Feuchtehaushalts des Elektrode-Elektrolyt-Systems
ausbilden. Dies gilt auch für den Fall, dass die Trägerschicht
z. B. durch ein als Festkörper ausgebildetes Elektrolyt 6 realisiert
ist.
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In
der 1 ist im Katalysator 4 eine mehrschichtige
Anordnung von katalytisch aktiven Schichten 7 gezeigt,
zwischen denen in jeweiligen Trägerschichten 9 Kanäle 10 zur
Durchleitung von Kühlmittel 11 gezeigt sind. In
einer einfachen Ausführungsform kann zur Kühlung
das Abgas des Abgasstroms 3 selbst hindurchgeleitet werden.
Denkbar ist aber auch eine Durchleitung von außerhalb des
Abgasstroms befindlicher Luft oder die Durchleitung von Flüssigkeit, insbesondere
von deionisiertem Wasser, wie oben beschrieben, so dass hierdurch
gleichzeitig der oben beschriebene Befeuchter 12 realisiert
werden kann. Hierdurch kann gegebenenfalls zusätzlich zur äußeren
Befeuchtung durch das feuchte Brennstoffzellenabgas mit einer typischen
Feuchte von 70 bis 100% eine Befeuchtung des Oxidationskatalysators
von Innen her erfolgen.
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Die 3 zeigt
beispielhaft und schematisch einen Querschnitt durch einen Oxidationskatalysator 4, ähnlich
wie die 2. Der Schwerpunkt dieser Darstellung
liegt jedoch in der Visualisierung des Katalysevorgangs. Der im
Abgasstrom 3 enthaltene Sauerstoff (O2) treibt an der Grenzschicht
zwischen dem Elektrolyt 6 und der katalytisch aktiven Schicht 7 ein
elektrisches Potential 13, das hier beispielhaft als elektrischer
Pfeil dargestellt ist. Diese elektrische Potential 13 lässt
den im Abgas enthaltenen Wasserstoff mit hohem treibenden Gefälle
zu Protonen entsprechend der Darstellung zum Pfeil 14 (H+, e–) zu Wasser
(H2O) oxidieren. Die treibende Kraft ist somit lediglich das durch
den im Abgasstrom 3 im Überschuss vorhandenen
Sauerstoff (O2) getriebene elektrochemische Potential an der Grenzschicht
zwischen dem Elektrolyt 6 und der katalytischen Schicht 7.
Weitere, extern erzeugte Energie, insbesondere zur Initialisierung
eines Katalysevorgangs, ist nicht erforderlich, so dass hierdurch
jeglicher im Abgasstrom 3 vorhandener oder entstehender
Wasserstoff sofort und vollständig aufoxidiert werden kann,
und zwar sowohl während des Betriebs der Brennstoffzelle
als auch während deren Stillstandzeit. Ein bei einem thermisch
aktiviertem Katalysator erforderlicher Nachlauf an das Abstellen
des Brennstoffzellen-Systems ist damit in weiter vorteilhafter Weise
nicht erforderlich.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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