DE19635008A1 - Brennstoffbatteriesystem - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem mit Brennstoffzellen zum Erzeugen elektrischer Energie durch Verbrauchen von Brennstoff­ gas beispielsweise Wasserstoffgas oder dergleichen.

Es sind Brennstoffzellensysteme entwickelt worden, die mehrere zu einem Stapel angeordnete Brennstoffzellen enthalten, die sich mit Sepa­ ratoren abwechseln, wobei jede Brennstoffzelle eine zwischen einer Anode und einer Kathode sandwichartig eingefaßte Festkörper-Polymer- Elektrolytmembran aufweist. In der Praxis sind derartige Brennstoff­ zellensysteme als Energieversorgungszellen zum Antreiben von mobilen Körpern eingesetzt worden, darunter auch Vierrad-Motorfahrzeuge und Motorräder. Außerdem wurden elektrisch betriebene Maschinen wie zum Beispiel tragbare Generatoren, mit derartigen Systemen betrieben.

In einer Brennstoffzelle wird die Anode mit einem Wasserstoffgas (Brennstoffgas) versorgt, welches durch Reformieren von Methanol mit Dampf gebildet wird, während der Kathode ein oxidierendes Gas (Luft) zugeführt wird. Das der Kathode zugeführte Wasserstoffgas wird ioni­ siert und strömt durch die Festkörper-Polymer-Elektrolytmembran unter Erzeugung elektrischer Energie, die dann von der Brennstoffzelle abge­ zogen wird.

Wenn ein Brennstoffzellensystem als Energieversorgungseinheit an oder in einer mobilen Einheit verwendet wird, zum Beispiel bei einem motor­ getriebenen Kraftfahrzeug, tendiert Kohlenmonoxid (CO), welches in von motorgetriebenen Kraftfahrzeugen ausgestoßenen Abgasen enthalten ist, dazu, gemeinsam mit dem oxidierenden Gas zu der Kathode zu gelangen. Wenn ein vierrädriges Kraftfahrzeug oder ein Motorrad in einen Tunnel fährt und/oder sich hinter einem Lastwagen oder einem anderen mittels Dieselmotor angetriebenen Fahrzeug in einem Stau befindet, wird die Konzentration des an die Kathode der Brennstoffzelle gelangenden Kohlenmonoxids sehr hoch. Infolgedessen wird der Elek­ troden-Katalysator der Brennstoffzelle durch das zugeführte Kohlenmon­ oxid beschädigt. Es ist bekannt, daß in Brennstoffzellen mit Festkörper- Polymer-Elektrolytmembranen der Elektroden-Katalysator durch das Kohlenmonoxid beschädigt wird und die Leistungsfähigkeit der Brenn­ stoffzelle auch dann sehr stark abnimmt, wenn die Konzentration des zugeführten Kohlenmonoxids nur etwa 10 ppm beträgt.

Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung eines Brennstoffzellen­ systems, welches in der Lage ist, den Brennstoffzellen als oxidierendes Gas von Kohlenmonoxid weitestgehend befreite Luft zuzuführen. Außer­ dem soll das System sich durch einen einfachen Aufbau auszeichnen.

Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch, daß atmosphä­ rische Luft in einen zu einer Kathode einer Brennstoffzellenanordnung führenden Kanal eingeleitet wird, und in der eingeleiteten atmos­ phärischen Luft enthaltenes Kohlenmonoxid selektiv mit Hilfe eines katalytischen Umwandlers oxidiert wird. Daher ist es möglich, Kohlen­ monoxid zuverlässig aus der Luft zu entfernen, die der Kathode als Oxidiergas zugeführt wird, so daß hierdurch die Kathode vor einer Beschädigung durch das Kohlenmonoxid wirksam bewahrt wird.

Im folgenden wird die bei den Ausführungsbeispielen der Erfindung genannte Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockdiagramm eines Brennstoffzellensystems gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 2 ein Blockdiagramm eines Brennstoffzellensystems gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung; und

Fig. 3 ein Blockdiagramm eines Brennstoffzellensystems gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung.

Wie in Fig. 1 gezeigt ist, enthält ein Brennstoffzellensystem 10 gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung einen Modifizierer 14, der mittels Dampf von einem Methanoltank 12 geliefertes Methanol (CH₃OH) modifiziert, einen Wassertank 16 zum Liefern von Wasser an den Reformer 14 und zum Liefern von Wasser zum Anfeuchten eines Wasserstoffgases (Brennstoffgases) und eines Kohlendioxidgases, die von dem Reformer 14 kommen, eine Gaszuführeinrichtung 17 zum Einleiten von Sauerstoff enthaltender Luft (als Oxidiergas) aus der Atmosphäre und zum Entfernen von Kohlenmonoxid aus der eingeleiteten Luft, eine Brennstoffzellenanordnung 18 die mit dem Wasserstoffgas und dem Kohlendioxidgas, nachdem beide angefeuchtet wurden, und außerdem mit der von dem Kohlenmonoxid befreiten Luft gespeist wird, und ein Paar Separatoren, nämlich einen ersten und einen zweiten Gas-Flüssig- Separator 20 bzw. 22, die ein aus der Brennstoffzellenanordnung 18 ausgetragenes Material auftrennen in ein Gas und Wasser, wobei das separierte Wasser in den Wassertank 16 zurückgeleitet wird.

Der Wassertank 16, der Reformer 14, die Brennstoffzellenanordnung 18 und der erste und der zweite Gas-Flüssig-Separator 20 und 22 sind über Kanäle 24 miteinander verbunden.

Der Reformer 14 besitzt einen Brenner 26, der mit unreagiertem Wasserstoff, Kohlendioxid etc. von dem ersten Gas-Flüssig-Separator 20 über einen Kanal 28 und außerdem mit unreagiertem Sauerstoff, Stick­ stoff etc. von dem zweiten Gas-Flüssig-Separator 22 über einen Kanal 30 gespeist wird. Sowohl der erste als auch der zweite Gas-Flüssig- Separator 20 und 22 enthält eine Kühleinheit, beispielsweise in Form eines Radiators.

Die Brennstoffzellenanordnung 18 enthält eine Mehrzahl von gestapelten Brennstoffzellen 32, jeweils beinhaltend einen Einheitszellen-Baukörper 34 und ein Paar den Einheitszellen-Baukörper 34 sandwichartig ein­ fassender Separatoren 36. Der Einheitszellen-Baukörper 34 enthält eine Festkörper-Polymer-Elektrolytmembran 38, eine Wasserstoffelektrode (Anode) 40, die sich auf einer Seite der Elektrolytmembran 38 befindet, und eine Luftelektrode (Kathode) 42, die sich auf der anderen Seite der Elektrolytmembran 38 befindet. Die Wasserstoffelektrode 40 und die Luftelektrode 42 sind mit einer Last 44 verbunden, beispielsweise einem Elektromotor oder dergleichen.

Die Gaszuführeinrichtung 17 besitzt einen Kanal 46 zum Verbinden der Brennstoffzellenanordnung 18 mit der Atmosphäre, ein Filter 48, einen katalytischen Umwandler 50, einen Luftkompressor 52 und einen Zwischenkühler 54, die in Reihe in dem Kanal 46 in der genannten Reihenfolge in Richtung auf die Brennstoffzellenanordnung 18 angeordnet sind.

Der katalytische Umwandler 50 besitzt einen Katalysator aus einem Edelmetall wie Pt, Ru, Ph, Pd oder einer Legierung aus diesen Stoffen, um in der in den Kanal 46 eingeleiteten Luft enthaltenes Kohlenmonoxid selektiv zu oxidieren. Der katalytische Umwandler 50 oxidiert Luft bei einer Temperatur zwischen 100 und 200°C und besitzt eine Heizvor­ richtung 56 zum Erwärmen des Katalysators. Alternativ kann man auf die Heizvorrichtung 56 verzichten, um von dem Brenner 26 des Refor­ mers 14 abgeführte Wärme zum Erhitzen des Katalysators zu benutzen.

Jeder der Separatoren 36 der Brennstoffzellenanordnung 18 besitzt (nicht dargestellte) Poren zum Liefern eines Wasserstoffgases und Luft durch die Poren in Richtung des Einheitszellen-Baukörpers 34, außerdem einen (nicht dargestellten) Kühlraum, der mit dem Wassertank 16 über Kanäle 58a, 58b in Verbindung steht.

Im folgenden wird die Arbeitsweise des Brennstoffzellensystems 10 erläutert.

Von dem Methanoltank 12 wird Methanol an den Reformer 14 gege­ ben, und von dem Wassertank 16 wird an den Reformer 14 Wasser geliefert, um das Methanol mit Dampf zu reformieren, während ein Aufheizen durch den Brenner 26 stattfindet. Wenn das Brennstoff­ zellensystem gestartet wird, wird auch dem Brenner 26 Methanol zu­ geleitet.

Nachdem das Methanol mit Dampf reformiert ist, wird dem Methanol Wasser aus dem Wassertank 16 zugesetzt. Der Reformer 14 liefert nun an die Anode 40 des Einheitszellenbaukörpers 34 ein angefeuchtetes Arbeitsgas, welches ein Wasserstoffgas und ein Kohlendioxidgas enthält.

In der Gaszuführeinrichtung 17 wird über den zur Atmosphäre hin offe­ nen Kanal 46 Luft eingeleitet, von dem Filter 48 gefiltert und an­ schließend an den katalytischen Umwandler 50 gegeben. In dem kataly­ tischen Umwandler 50 wird der Katalysator auf einer Temperatur zwischen 100 und 200°C mit Hilfe der Heizvorrichtung 56 (und/oder mit Wärme von dem Brenner 26) aufgeheizt um das in der dem kataly­ tischen Umwandler 50 zugeleitete Luft enthaltene Kohlenmonoxid selek­ tiv zu oxidieren. Die Luft, deren Kohlenmonoxidkonzentration reduziert wurde, wird von dem Luftkompressor 52 komprimiert, von dem Zwischenkühler 54 auf eine Solltemperatur eingestellt und dann an die Kathode 42 des Einheitszellen-Baukörpers 34 gegeben.

In jeder der Brennstoffzellen 32 der Brennstoffzellenanordnung 18 wird das in dem Arbeitsgas enthaltene Wasserstoffgas ionisiert und strömt durch die Festkörper-Polymer-Elektrolytmembran 38 in Richtung der Kathode 42. Die Wasserstoffionen reagieren mit Sauerstoff und Elek­ tronen in der Kathode 42, wobei Wasser entsteht. Eine von der Anode 40 ausgeleitete Komponente gelangt in den ersten Gas-Flüssig-Separator 20 und wird dort in Gas und Wasser aufgetrennt. Eine von der Kathode 42 abgegebene Komponente gelangt in den zweiten Gas-Flüssig-Separa­ tor 22 und wird von diesem in Gas und Wasser separiert. Das von dem ersten und dem zweiten Gas-Flüssig-Separator 20 bzw. 22 gesammelte Wasser wird über die Kanäle 24 zurück zu dem Wassertank 16 geleitet.

Das unreagierte Wasserstoffgas, ein Kohlendioxidgas und nicht-gesam­ meltes Wasser, die von dem ersten Gas-Flüssig-Separator 20 aufgetrennt wurden, werden über den Kanal 28 in den Brenner 28 geleitet, der die zugeführten Gase verbrennt, um den Katalysator des Reformers 14 zu erhitzen. Das unreagierte Sauerstoffgas, ein Stickstoffgas und nicht­ gesammeltes Wasser, die von dem zweiten Gas-Flüssig-Separator 22 aufgetrennt wurden, werden über einen Kanal 30 abgeleitet oder, falls benötigt, dem Brenner 26 zugeführt.

Wenn das Brennstoffzellensystem 10 als Energieversorgungszelle zum Antreiben eines Vierrad- oder Zweiradfahrzeugs eingesetzt wird, wird das in von den Motoren der Motorfahrzeuge emittierten Abgasen enthal­ tene Kohlenmonoxid leicht über den Kanal 46 in die Brennstoffzellen­ anordnung 18 eingeleitet. Wenn das Vierrad- oder Zweirad-Kraftfahr­ zeug in einem Tunnel fährt und/oder sich hinter einem Lastwagen oder einem anderen dieselgetriebenen Fahrzeug in einem Stau befindet, wird die Konzentration des durch den Kanal 46 gelangenden Kohlenmonoxids sehr hoch.

Bei der ersten Ausführungsform wird die in den Kanal 46 gelangende Luft dem katalytischen Umwandler 50 zugeleitet, welcher das in der zugeführten Luft enthaltene Kohlenmonoxid selektiv oxidiert. Deshalb wird das Kohlenmonoxid, welches in der der Kathode 42 als Oxidiergas zugeleiteten Luft enthalten ist, zuverlässig entfernt und dadurch verhin­ dert, daß der beispielsweise aus Platin bestehende Elektrodenkatalysator der Kathode 42 durch Kohlenmonoxid beschädigt wird. Folglich läßt sich jegliche Leistungsverringerung der Brennstoffzellenanordnung 18 aufgrund einer Beschädigung durch Kohlenmonoxid wirksam vermeiden.

Fig. 2 zeigt schematisch in Blockform ein Brennstoffzellensystem 70 gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung. Das Brennstoffzellensystem 70 enthält eine Gaszuführeinrichtung 72 mit einem Kanal 74 zum Verbinden der Brennstoffzellenanordnung 18 mit der Atmos­ phäre, ein Filter 76, einen Luftkompressor 78, einen katalytischen Um­ wandler 80 und einen Zwischenkühler 82, die in dieser genannten Reihenfolge hintereinander in dem Kanal 74 in Richtung der Brennstoff­ zellenanordnung 18 angeordnet sind.

Der katalytische Umwandler 80 enthält einen Katalysator aus einem Edelmetall wie zum Beispiel Pt, Ru, Ph Pd oder einer Legierung aus diesen Stoffen, um in der in den Kanal 74 eingeleiteten Luft enthaltenes Kohlenmonoxid selektiv zu oxidieren. Da der Luftkompressor 78 sich stromaufwärts bezüglich des katalytischen Umwandlers 80 innerhalb des durch den Kanal 74 strömenden Luftstroms befindet, kann der kataly­ tische Umwandler 80 von dem Luftkompressor 78 komprimierte Druck­ luft verwenden, so daß auf eine Heizvorrichtung verzichtet werden kann.

Genauer gesagt: die von dem Luftkompressor 78 komprimierte Luft ist auf eine Temperatur erhitzt, die sich in einem zum Oxidieren von Kohlenmonoxid geeigneten Bereich befindet. Deshalb wird in der dem katalytischen Umwandler 80 zugeführten Luft enthaltenes Kohlenmo­ noxid in einfacher Weise und zuverlässig selektiv oxidiert, wenn die Luft über den Luftkompressor 78 dem katalytischen Umwandler 80 zugeleitet wird.

Andere bauliche Einzelheiten des Brennstoffzellensystems 70 sind iden­ tisch mit denen des in Fig. 1 gezeigten Brennstoffzellensystems 10.

Fig. 3 zeigt fragmentarisch in Blockdiagrammform ein Brennstoff­ zellensystem 90 nach einer dritten Ausführungsform der Erfindung. Das Brennstoffzellensystem 90 enthält eine Gaszuführeinrichtung 72 mit einem Kanal 94 zum Verbinden einer Brennstoffzellenanordnung 18 mit der Atmosphäre, ein Filter 96, ein Luftgebläse 98, einen katalytischen Umwandler 100 und einen Zwischenkühler 102, die in Richtung der Brennstoffzellenanordnung 18 in der genannten Reihenfolge in dem Kanal 94 angeordnet sind. Der katalytische Umwandler 100 hat den gleichen Aufbau wie der katalytische Umwandler 50 der ersten Aus­ führungsform, und ein Katalysator wird entweder von einer Heizvor­ richtung 104 oder mit Hilfe seitens des Brenners 26 zugeführter Wärme erhitzt.

Bei der dritten Ausführungsform sind die in der ersten und der zweiten Ausführungsform vorhandenen Luftkompressoren 52 und 78 ersetzt durch das Luftgebläse 98, um die Gaszuführeinrichtung 92 unter Nor­ maldruck zu betreiben. Diese Ausgestaltung der dritten Ausführungsform liefert die gleichen Vorteile wie die der Oxidiergaszufuhren 17 und 72, die unter Druckbedingungen arbeiten.

Bei den Brennstoffzellensystemen gemäß der Erfindung wird mit Hilfe des katalytischen Umwandlers Kohlenmonoxid, welches in der in den zu der Kathode jeder Brennstoffzelle führendem Kanal eingeleiteten Außen­ luft enthalten ist, selektiv oxidiert. Daher ist es möglich, auf zuver­ lässige Weise in der der Kathode als Oxidiergas zugeführten Luft enthal­ tenes Kohlenmonoxid zu beseitigen. Der Elektrodenkatalysator jeder der Brennstoffzellen wird damit vor einer Beschädigung durch Kohlen­ monoxid bewahrt, und aus diesem Grund läßt sich auch eine Leistungs­ verminderung des Brennstoffzellensystem s wirksam vermeiden. Wenn das Brennstoffzellensystem als Energieversorgungseinheit zum Antreiben eines Vierrad- oder Zweirad-Kraftfahrzeugs eingesetzt wird, besteht die Möglichkeit, abträgliche Einflüsse auf ein Brennstoffzellensystem zu vermeiden, die auf Kohlenmonoxid zurückzuführen sind, welches in von Motorfahrzeugen ausgestoßenen Abgasen enthalten ist.

Claims (15)

1. Brennstoffzellensystem, umfassend:
eine Brennstoffzellenanordnung (18) mit einer Mehrzahl von gestapelten Brennstoffzellen (32), die jeweils eine Anode (40), eine Kathode (42) und eine Festkörper-Polymer-Elektrolytmembran (38), die sandwichartig zwischen der Anode (40) und der Kathode (42) aufgenommen ist, auf­ weisen;
eine Brennstoffgaszufuhr (12, 14, 16) zum Zuführen eines Brennstoff­ gases zu der Anode (40) jeder der Brennstoffzellen (18) über einen ersten Kanal (20);
eine Gaszuführeinrichtung für sauerstoffhaltiges Gas (48, 50, 52, 54; 76, 78, 80, 82; 96, 98, 100, 102) zum Zuführen eines oxidierenden Gases zu der Kathode (42) jeder der Brennstoffzellen (18) über einen zweiten Kanal (46; 74; 94); und
einen katalytischen Umwandler (50, 80, 100), der in dem zweiten Kanal (46, 74, 94) angeordnet ist, um in der in den zweiten Kanal eingeleiteten Luft enthaltenes Kohlenmonoxid selektiv zu oxidieren.

2. System nach Anspruch 1, bei dem der katalytische Umwandler (50) eine Heizvorrichtung (56) zum Erhitzen des katalytischen Umwandlers (50) auf eine zum Oxidieren des Kohlenmonoxids geeignete Temperatur aufweist.

3. System nach Anspruch 2, bei dem die Heizvorrichtung (56) eine mittels elektrischer Energie betreibbare Heizvorrichtung (56) enthält.

4. System nach Anspruch 2, bei dem die Heizvorrichtung (56) einen Brenner (26) enthält, der an den katalytischen Umwandler (50) Wärme liefert.

5. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Gaszuführeinrichtung enthält: einen Luftkompressor (52) und einen Zwischenkühler (54), wobei der katalytische Umwandler (50), der Luft­ kompressor (52) und der Zwischenkühler (54) sukzessive in dieser Reihenfolge in dem zweiten Kanal (56) angeordnet sind, wobei der Zwischenkühler (54) an die Kathode (42) angeschlossen ist.

6. System nach Anspruch 5, bei dem der katalytische Umwandler (50) eine Heizvorrichtung (56) aufweist.

7. System nach Anspruch 6, bei dem die Gaszuführeinrichtung außerdem ein Filter (48) aufweist, welches stromauf bezüglich des katalytischen Umwandlers (50) relativ zu dem Strom des Oxidiergases zu der Kathode angeordnet ist.

8. System nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch ein Methanolzufuhrsystem (12), einen Reformer (14) und ein Wasserzufuhr­ system (16), die über den ersten Kanal (24) an die Anode (40) ange­ schlossen sind, wobei der Reformer (14) einen Brenner (26) aufweist, der ein Abgassystem enthält, weiches mit dem katalytischen Umwandler (50) gekoppelt ist, um diesen auf eine Temperatur zu erwärmen, die sich zum Oxidieren von Kohlenmonoxid eignet.

9. System nach Anspruch 8, bei dem die Gaszuführeinrichtung außerdem ein Luftfilter (48) aufweist, welches sich stromauf von dem katalytischen Umwandler (50) in Bezug auf den Strom des Oxidiergases zu der Katho­ de befindet.

10. System nach Anspruch 1, bei dem die Gaszuführeinrichtung einen Luftkompressor (78) und einen Zwischenkühler (82) enthält, wobei der Luftkompressor (78), der katalytische Umwandler (80) und der Zwischenkühler (82) sukzessive in dieser Reihenfolge in dem zweiten Kanal (74) angeordnet sind und die Anordnung derart beschaffen ist, daß der katalytische Umwandler (80) auf eine zum Oxidieren des Kohlen­ monoxids geeignete Temperatur erhitzt wird, wenn über den Luftkom­ pressor (78) komprimierte Luft erhitzt ist.

11. System nach Anspruch 10, bei dem die Gaszuführeinrichtung außer­ dem ein Filter (76) aufweist welches stromauf bezüglich des Luftkom­ pressors (78) in dem Strom des Oxidiergases zu der Kathode hin an­ geordnet ist.

12. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Gaszuführeinrichtung ein Luftgebläse (98) und einen Zwischenkühler (102) enthält, wobei das Luftgebläse (98), der katalytische Umwandler (100) und der Zwischenkühler (102) sukzessive in dieser Reihenfolge in dem zweiten Kanal (94) angeordnet sind, wobei der katalytische Um­ wandler (100) eine Heizeinrichtung (104) aufweist, um den katalytischen Umwandler (100) auf eine zum Oxidieren von Kohlenmonoxid geeignete Temperatur zu erhitzen.

13. System nach Anspruch 12, bei dem die Heizeinrichtung (104) einen Heizer (104) aufweist, der mit elektrischer Energie betreibbar ist.

14. System nach Anspruch 13, bei dem die Heizeinrichtung (104) einen Brenner (26) aufweist, um dem katalytischen Umwandler (100) Wärme zuzuführen.

15. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein Methanolzufuhrsystem (12), einen Reformer (14) und ein Wasserzufuhrsystem (16), die über den ersten Kanal (24) an die Anode (40) angeschlossen sind, wobei der Reformer (14) einen Brenner auf­ weist, dessen Abgassystem mit dem katalytischen Umwandler (100) gekoppelt ist, um diesen auf eine zum Oxidieren von Kohlenmonoxid geeignete Temperatur zu erwärmen.