DE19600200C1 - Verfahren zum Betrieb von PEM-Brennstoffzellen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb von PEM-Brennstoffzellen mit gasförmigen Reaktanten und einem Kühl­ medium.

In Brennstoffzellen, die mit gasförmigen Reaktanten betrieben werden, entsteht als Reaktionsprodukt zwar Wasser, durch die abströmenden Reaktanten wird aus den Zellen aber ständig Feuchtigkeit ausgetragen. Bei Brennstoffzellen mit einer ionenleitenden Polymermembran als Elektrolyt, sogenannten PEM-Brennstoffzellen (PEM = Polymer-Elektrolyt-Membran), muß deshalb für eine ausreichende Feuchtigkeit in der Membran gesorgt werden. Ist dies nicht der Fall, so trocknet die Mem­ bran aus, was zu einer Verschlechterung der Leistung oder so­ gar zu einem Defekt bzw. Ausfall der Brennstoffzelle führt. Aber auch zu viel Wasser in den Zellen hat einen Leistungs­ abfall zur Folge, weil dann die Versorgung der Zelle mit den gasförmigen Reaktanten schlechter wird.

Bislang werden PEM-Brennstoffzellen dadurch feucht gehalten, daß die zugeführten gasförmigen Reaktanten, d. h. die Reak­ tionsgase, befeuchtet werden. Diese Gase werden dazu in Be­ feuchtern, die den Zellen vorgeschaltet sind, auf die in den Zellen herrschende Temperatur gebracht, so daß sie am Gas­ eingang, d. h. beim Eintritt in die Brennstoffzelle, mit Wasserdampf gesättigt sind (siehe dazu beispielsweise DE-OS 42 01 632). Diese Vorgehensweise gewährleistet zwar insbeson­ dere am Gaseingang eine ausreichende Befeuchtung der Membran, für die Befeuchter ist aber ein nicht unerheblicher konstruk­ tiver Aufwand erforderlich. Bei der Befeuchtung über eine Membran (siehe DE-OS 42 01 632) ist bei Luftbetrieb der Brennstoffzellen eine sehr große Membranfläche erforderlich, um bei einer typischen Betriebstemperatur von ca. 80°C die Luft vollständig zu befeuchten.

Um die erforderliche Verdampfungswärme von den Brennstoff­ zellen an die Befeuchter abzugeben, wird - wegen der großen Wärmemenge - als Transportmedium im allgemeinen eine Flüssig­ keit benützt; dazu dient insbesondere der Kühlwasserkreislauf der Brennstoffzellenbatterie. Damit erfordert aber die Peri­ pherie eines Brennstoffzellenaggregates, die beispielsweise auch die Rückführung des Produktwassers zu den Befeuchtern beinhalten muß, einen relativ großen Aufwand.

Wenn andererseits die Verdampfungswärme des den Befeuchtern zugeführten Wassers nicht aus der Abwärme der Brennstoff­ zellen aufgebracht wird, dann ist ein geringerer Wirkungsgrad des Gesamtsystems die Folge. Auch aus diesem Grunde kommt bislang bei Brennstoffzellenbatterien nur eine Kühlung mit­ tels Wasser in Frage. Nachteile einer Wasserkühlung sind aber die Frostgefahr bei Betriebspausen, die einen Frostschutz für das Kühlmittel oder eine ständige Beheizung erfordert, sowie die elektrischen Verluste im Kühlmittel und die Gefahr einer elektrochemischen Korrosion, die eine aufwendige dauernde Kontrolle und Aufbereitung des Kühlwassers erforderlich macht.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren anzugeben, durch das die bisher beim Betrieb von PEM-Brennstoffzellen auf­ tretenden Probleme bei der Befeuchtung der Reaktionsgase wei­ testgehend vermieden werden und wobei auch auf eine Flüssig­ keitskühlung verzichtet werden kann.

Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß wenigstens einer der gasförmigen Reaktanten den Zellen trocken oder lediglich teilbefeuchtet zugeführt wird, daß über die Zellen - zwischen dem Eintritt und dem Austritt der trockenen bzw. teilbefeuchteten Reaktanten - eine Temperaturdifferenz ein­ gestellt wird, wobei die Eintrittstemperatur T(E) niedriger ist als die Austrittstemperatur T(A), und daß die trockenen bzw. teilbefeuchteten Reaktanten parallel zum Temperatur­ gradienten durch die Zellen geführt werden.

Ein wesentliches Merkmal des Verfahrens nach der Erfindung besteht somit in, der sogenannten internen Befeuchtung. Dies bedeutet, daß eine externe Befeuchtung der Reaktionsgase ganz oder zumindest teilweise entfällt. Dementsprechend wird die­ ses Verfahren vorzugsweise in der Weise durchgeführt, daß beide Reaktanten, nämlich Wasserstoff einerseits und Sauer­ stoff bzw. Luft andererseits, den Zellen trocken, d. h. un­ befeuchtet zugeführt werden. Somit kann auf (externe) Be­ feuchter verzichtet werden, wodurch die damit verbundenen Nachteile entfallen.

Beim Verfahren nach der Erfindung kann aber auch eines der beiden Reaktionsgase befeuchtet werden, insbesondere der Wasserstoff; das andere Reaktionsgas wird den Zellen dann im allgemeinen trocken zugeführt. Es ist aber auch möglich, teilbefeuchtete Reaktionsgase einzusetzen.

Der Begriff "teilbefeuchtet" bedeutet im Rahmen der vorlie­ genden Erfindung, daß der Taupunkt des Reaktionsgases deutlich geringer ist als die mittlere Zelltemperatur, ins­ besondere um ca. 20 bis 40°C. Das Reaktionsgas enthält dann im allgemeinen lediglich ein Drittel derjenigen Wassermenge, die der Sättigung bei der mittleren Zelltemperatur ent­ spricht.

Trockene bzw. teilbefeuchtete Reaktionsgase werden parallel zum Temperaturgradienten durch die Zellen geleitet. Wird ein Reaktionsgas vollständig befeuchtet, so kann bei diesem Gas eine derartige Parallelführung entfallen.

Die beim Verfahren nach der Erfindung erforderliche Tempera­ turdifferenz wird vorzugsweise über das Kühlmedium, insbeson­ dere Luft, eingestellt, d. h. über die Strömungsgeschwindig­ keit. Die Temperaturdifferenz kann aber auch über die Größe bzw. die Form von Kühlblechen und/oder Kühlkanälen realisiert werden. Hierbei wird die zur Kühlung zur Verfügung stehende Kühlfläche verändert. Außerdem kann die Erzeugung der Tempe­ raturdifferenz durch Wärmeleitung erfolgen, insbesondere durch Heizen bzw. Kühlen an den Zellenden mit Wasser.

Beim Betrieb von Brennstoffzellen entsprechend dem Verfahren nach der Erfindung wird in den Zellen eine Temperaturdiffe­ renz eingestellt, und zwar ausgehend vom Zelleingang. Das eintretende trockene Reaktionsgas nimmt dabei am Zelleingang zwar Wasser mit, die Zell- bzw. Batterietemperatur im Ein­ trittsbereich der Reaktionsgase wird aber so niedrig gehal­ ten, daß keine merkliche Austrocknung der Membran erfolgen kann. Im weiteren Verlaufist dann eine Erhöhung der Tempe­ ratur zulässig bzw. möglich, weil durch die kontrollierte Auf- und Mitnahme von Produktwasser aus der Membran eine Aus­ trocknung nachfolgender Bereiche vermieden wird. Bei einem derartigen Temperaturverlauf über der Zelle ist - trotz der relativ niedrigen Temperatur am Gaseintritt - aufgrund der höheren Temperatur zum Gasaustritt hin eine effektive Kühlung möglich.

Ein wesentliches Merkmal der Erfindung ist somit eine hohe Temperaturdifferenz AT = T(A)-T(E) über jeder Zelle. Diese Temperaturdifferenz beträgt vorzugsweise etwa 10 bis 80°C, insbesondere ca. 20 bis 40°C. Typische Temperaturen bei einem stationären Betrieb sind - abhängig von Last, Betriebsdruck und Umgebungstemperatur - beispielsweise: T(E) = 20 bis 40°C und T(A) = 50 bis 100°C. Diese Temperaturverteilung wird vor­ zugsweise durch eine Parallelführung von Kühlmedium, insbe­ sondere Luft, und Reaktionsgas erreicht. Die im Eingangsbe­ reich der Zellen - aufgrund der relativ niedrigen Temperatur - verringerte Zell- bzw. Batterieleistung erfordert unter Um­ ständen eine etwas größere Batterie (bis zu ca. 30%). Dieser Nachteil wird jedoch durch ein insgesamt geringeres Bauvolu­ men mehr als ausgeglichen.

Beim Verfahren nach der Erfindung ist von Bedeutung, daß auf Wasser als Kühlmedium verzichtet werden kann. Bei diesem Ver­ fahren dient deshalb vorzugsweise Luft als Kühlmedium. Eine Luftkühlung ist insbesondere beim Einsatz von Brennstoff­ zellen für die Elektrotraktion von Vorteil. Grundsätzlich kann bei diesem Verfahren aber auch eine Flüssigkeitskühlung erfolgen, wozu dann im allgemeinen Wasser dient.

Das Verfahren nach der Erfindung kann besonders vorteilhaft zum Betrieb von Brennstoffzellen bzw. -batterien dienen, wie sie in der DE-PS 44 42 285 beschrieben sind; hierbei erfolgt eine Luftkühlung. Dieses Verfahren bietet folgende weitere Vorteile:

• - es liegt ein sehr einfaches Betriebssystem vor;
• - es ist kein eigenes Kühlmittel erforderlich;
• - es erfolgt keine elektrochemische Korrosion durch das Kühlmedium;
• - es sind hohe Batteriespannungen möglich (einige 100 V);
• - es erfolgt keine Zerstörung der Membran (T(E) ist niedrig);
• - die Regelung ist sehr einfach.

Diese Vorteile sind prinzipiell auch dann gegeben, wenn eine Teilbefeuchtung der Reaktionsgase erfolgt, was bei bestimmten Betriebsbedingungen erforderlich sein könnte.

Anhand von Beispielen und einer Figur soll die Erfindung noch näher erläutert werden.

Die Wasseraufnahme bzw. -abgabe von Elektrolytmembranen in PEM-Brennstoffzellen, welche Ionenaustauschermembranen sind, ist unter anderem abhängig von der Differenz dem Wasserdampf­ partialdruckes im Gleichgewicht und dem Wasserdampfpartial­ druck des durch die Zelle strömenden Gases. Damit ist die Wasserabgabe an ein trocken einströmendes Gas stark tempera­ turabhängig. Wenn über der Membranfläche ein Temperaturprofil entsprechend der Entstehung von Produktwasser eingestellt wird, wie dies beim Verfahren nach der Erfindung der Fall ist, dann kann das Wasser gasförmig abgeführt werden, ohne daß die Membran austrocknet.

Bei der Verwendung von Luft als Reaktionsgas beispielsweise, die am Gaseingang trocken mit einer Luftzahl von λ = 2 zur Verfügung steht, ist bei einer Temperatur T(A) von ca. 62°C eine Sättigung mit Wasserdampf aus dem entstehenden Produkt­ wasser möglich. Die eingesparte Kühlleistung durch die Ver­ dampfung des Produktwassers beträgt P_th/I = 0,23 W/A. Dies entspricht etwa einem Drittel der insgesamt anfallenden ther­ mischen Leistung am Arbeitspunkt (P_el/I ≈ 0,75 V). Zur Luft­ kühlung eines Zellstapels von 40 Zellen (Fläche: 100 cm²) ist ein Kühlluftstrom von ca. 144 m³/h erforderlich, bei einer Druckdifferenz von 0,8 mbar.

Die Figur zeigt einen luftgekühlten Zellstapel einer PEM-Brennstoffzellenbatterie nach der Erfindung, der am Zell- bzw. Gaseingang eine niedrigere Temperatur aufweist als am Ausgang. Das zugehörige Temperaturprofil ist schematisch dargestellt.

Eine Zelle (aktive Fläche: 100 cm²), die mit Sauerstoff und Wasserstoff betrieben wird, wird am Sauerstoffeingang gekühlt und am Ausgang geheizt. Auf diese Weise wird am Eingang eine Temperatur von 35 bis 40°C eingestellt und am Ausgang eine Temperatur von 65 bis 75°C. Während der Sauerstoff trocken eingesetzt wird, d. h. unbefeuchtet, wird der Wasserstoff be­ feuchtet. Messungen bei einem Überschuß an Sauerstoff von λ = 5 und einem Laststrom von 40 A, entsprechend 400 mA/cm², zeigen, daß sich die Spannung innerhalb eines Zeitraumes von ca. 70 h nicht ändert; sie liegt im Bereich etwa zwischen 720 und 740 mV. Trotz des hohen Sauerstoffdurchsatzes ist aber kein Austrocknen der Membran zu beobachten, was mit einem Ab­ sinken der Spannung verbunden wäre. Das in der Zelle gebilde­ te Reaktionswasser reicht somit für die Gasbefeuchtung aus. Dies gilt auch für einen Sauerstoffüberschuß bis zu λ = 10, was einem Luftbetrieb mit λ = 2 entspricht. Bei einem Betrieb der Zelle mit trockenem Wasserstoff ist in einem Zeitraum von mehreren Tagen lediglich ein leichtes Absinken der Spannung festzustellen.

Claims (7)

1. Verfahren zum Betrieb von PEM-Brennstoffzellen mit gas­ förmigen Reaktanten und einem Kühlmedium, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens einer der gas­ förmigen Reaktanten den Zellen trocken oder lediglich teil­ befeuchtet zugeführt wird, daß über die Zellen - zwischen dem Eintritt und dem Austritt der trockenen oder teilbefeuchteten Reaktanten - eine Temperaturdifferenz eingestellt wird, wobei die Eintrittstemperatur niedriger ist als die Austrittstempe­ ratur, und daß die trockenen oder teilbefeuchteten Reaktanten parallel zum Temperaturgradienten durch die Zellen geführt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die trockenen oder teil­ befeuchteten Reaktanten parallel zum Kühlmedium durch die Zellen geführt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß beide Reaktanten den Zellen trocken zugeführt werden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Tempe­ raturdifferenz zwischen 10 und 80°C, insbesondere zwischen 20 und 40°C, eingestellt wird.

5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Tem­ peraturdifferenz über die Strömungsgeschwindigkeit des Kühl­ mediums eingestellt wird.

6. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Tem­ peraturdifferenz über die Größe von Kühlblechen oder Kühl­ kanälen eingestellt wird.

7. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Kühl­ medium Luft verwendet wird.