DE19646354C1

DE19646354C1 - Brennstoffzelle mit Sauerstoffzufuhr in den Brennstoff

Info

Publication number: DE19646354C1
Application number: DE19646354A
Authority: DE
Inventors: Volker Dr Peinecke
Original assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH
Priority date: 1996-11-09
Filing date: 1996-11-09
Publication date: 1998-06-18
Anticipated expiration: 2016-11-10
Also published as: WO1998021775A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Brennstoffzelle.

Eine z. B. aus der DE 19 505 913 A1 bekannte Brennstoffzelle weist eine Kathode, einen Elektrolyten sowie eine Anode auf. Der Kathode wird ein Oxidationsmittel, z. B. Luft und der Anode wird ein Brennstoff, z. B. Wasserstoff zugeführt. An der Kathode bilden sich in Anwesenheit des Oxidationsmittels Sauerstoffionen. Die Sauerstoff ionen passieren den Elektrolyten und rekombinieren auf der Anodenseite mit dem vom Brennstoff stammenden Was serstoff zu Wasser. Mit der Rekombination werden Elek tronen freigesetzt und so elektrische Energie erzeugt.

Es sind sogenannte PEM-Brennstoffzellen bekannt, bei denen protonenleitende Membranen als Elektrolyt und Platin als Anodenkatalysator vorgesehen sind. PEM- Brennst offzellen werden im Vergleich zu sogenannten SOFC-Brennstoffzellen bei geringen Temperaturen um die 100°C betrieben.

Mehrere Brennstoffzellen werden in der Regel zur Erzie lung großer Leistungen seriell miteinander zu einem so genannten Brennstoffzellenstapel verbunden. Das verbin dende Element zweier Brennstoffzellen ist unter der Be zeichnung Interkonnektor oder aber bipolare Platte be kannt.

Aus den Druckschriften DE 33 45 956 A1 und EP 07 18 904 A1 gehen Brennstoffzellen hervor, die mit Elektrolyseuren (Elektrolysezellen) gekoppelt sind. Der in den Elektrolysezellen erzeugte Wasserstoff wird nach einer Zwischenlagerung der Brennstoffzelle zugeführt und dient so der Stromerzeugung.

Wasserstoff kann alternativ durch Reformierung von Brennstoffen wie Methanol oder Methan gewonnen werden. Bei der Reformierungsreaktion entstehen neben Wasserstoff und Kohlendioxid auch Kohlenmonoxid (CO) in Konzentrationen von etwa 0,5 bis 2 Vol.-%.

Nachteilhaft werden Anodenkatalysatoren wie Platin schon bei geringsten Kohlenmonoxidkonzentrationen ver giftet, d. h. es treten schon bei Kohlenmonoxidkonzen trationen im Wasserstoff oberhalb von etwa 10 ppm hohe Spannungs- und Leistungsverluste auf.

Es ist bekannt, zur Lösung des Problems im Anschluß an die Reformierung des Brenngases CO-Konzentrationen im Wasserstoff mittels nachgeschalteter Reinigungsstufen so gering wie möglich zu halten.

Nachteilhaft erfordert eine nachgeschaltete Reinigungs stufe einen zusätzlichen Reaktor und eine entsprechende Regeltechnik. Die Reinigung ist folglich aufwendig und teuer. Des weiteren lassen sich CO-Konzentrationen un ter 100 ppm mit üblichen Reinigungsstufen praktisch nicht erreichen. Somit ist der CO-Gehalt trotz Rei nigungsstufe zu hoch.

Es ist ferner bekannt, zur Lösung des Problems CO-resi stente Anodenkatalysatoren zu entwickeln und einzu setzen. Zu diesem Zweck wurden Platin-Ruthenium-Legie rungen als Katalysator verwendet.

Allerdings tritt auch bei diesen verbesserten Katalysa toren noch ein deutlicher Spannungsverlust aufgrund von im Wasserstoff auftretenden CO auf. Ferner sind die Le gierungen teuer und müssen aufwendig verarbeitet wer den.

Nachteilhaft liegt daher der Leistungsverlust einer Membranbrennstoffzelle bei CO-Anteilen zwischen 10 ppm und 250 ppm, je nach Anodenkatalysator und abhängig von der Belastung, zwischen 20 und 90%.

Aus den Druckschriften DE 44 08 962 A1 sowie WO 04/09523 A1 geht hervor, daß CO aus dem Brenngas durch Carbonisieren bzw. durch Umsetzung mit Sauerstoff oder sauerstoffhaltigen Gasgemischen im isothermischen Reaktor aus dem Brennstoff entfernbar ist.

Es ist also bekannt, zur Lösung des Problems geringe Mengen Sauerstoff oder Luft zum Wasserstoffgas hinzuzugeben. Vergiftungseffekte aufgrund von CO lassen sich so komplett eliminieren. Bei Zusatz von etwa 1% Sauerstoff zum Wasserstoff wurden die gleichen Leistungsdaten (Strom-Spannungs-Kurven) wie bei reinem, CO-freiem Wasserstoff erreicht.

Nachteilhaft ist bei der Zugabe von Sauerstoff oder Luft darauf zu achten, daß die auftretenden Sauer stoffkonzentrationen im Wasserstoff bei jedem H₂-Durch fluß, d. h. für jede Brennstoffzellen-Leistung unter der Zündgrenze liegen. Es müssen daher genau regelbare Durchflußregler (auch Mass-Flow-Controller genannt) oder spezielle Düsen etc. zur Gasdosierung installiert werden, die technisch aufwendig und teuer sind. Zudem muß eine hohe Betriebssicherheit geschaffen werden, um niemals Gasmischungen im zündfähigen Bereich herzustel len.

Bei der Lufteindüsung tritt zusätzlich ein Inertgaspro blem auf, da Stickstoff mit eingetragen wird. Die Zelle kann anodenseitig dann nicht mehr im "Dead-End"- Modus, das heißt mit geschlossenem Auslaß betrieben werden. Die daher erforderliche Austragung von Stick stoff bedingt gleichzeitig einen Austrag und Verlust von Wasserstoff.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer Brenn stoffzelle, bei der Katalysatorvergiftungen durch Einspeisung von reinem Sauerstoff vermieden werden, so daß keine Inertgasprobleme auftreten.

Die Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkma len des Hauptanspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausgestal tungen ergeben sich aus den rückbezogenen Ansprüchen. Die Vorrichtung gemäß Hauptanspruch weist eine Brenn stoffzelle mit einer Brennstoffversorgungsleitung für die Brennstoffzelle sowie einen Elektrolyseur zur Ein speisung von Sauerstoff in die Brennstoffversorgungs leitung auf. Der eingespeiste Sauerstoff ist frei von Stickstoff, so daß die mit dem Stickstoff verbundenen Probleme nicht mehr auftreten. Des weiteren kann die Sauerstoffeinspeisung mit verhältnismäßig einfachen Mitteln geregelt werden. Hierfür sind lediglich Mittel vorzusehen, die die Leistung des Elektrolyseurs, d. h. seine Sauerstoffproduktion steuern. Die aus dem Stand der Technik bekannten genau regelbaren, aufwendigen Mittel zur Gasdosierung können daher entfallen.

Je größer die Stromproduktion der Brennstoffzelle ist, desto größer ist der Sauerstoffbedarf zur Vermeidung von Vergiftungen des Katalysators. Bei einer vorteil haften Ausgestaltung der Erfindung sind daher Mittel vorgesehen, die die Leistung des Elektrolyseurs derart steuern, daß die Sauerstoffproduktion im Elektrolyseur abhängig von der Brennstoffzellen-Stromproduktion er folgt. So wird auf einfache Weise zuverlässig sicherge stellt, daß die Sauerstoffproduktion dem Sauerstoffbe darf entspricht.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Er findung sind Mittel zur Einleitung von in der Brenn stoffzelle erzeugtem Produktwasser in den Elektrolyseur vorgesehen. Das in der Brennstoffzelle erzeugte Wasser wird beispielsweise zunächst in einen Behälter einge speist. Das zur Elektrolyse erforderliche Wasser wird aus diesem Behälter entnommen. Auf einfache und wirt schaftliche Weise wird so der Wasserbedarf des Elektro lyseurs durch das in der Brennstoffzelle erzeugte Pro duktwasser gedeckt.

Es zeigen:

Fig. 1: Brennstoffzelle 1 mit Elektrolyseur 2 zur Ein speisung von Sauerstoff in die Brennstoffversorgungs leitung 3;

Fig. 2: Elektrolyseur 2 zur Einspeisung von Sauerstoff in die Brennstoffversorgungsleitung 3.

Fig. 1 zeigt eine Brennstoffzelle 1 mit einem Elek trolyseur 2 zur Einspeisung von Sauerstoff in die Brennstoffversorgungsleitung 3. Über die Brennstoffver sorgungsleitung 3 wird in die Brennstoffzelle 1 wasser stoffreiches Gas als Brennstoff eingeleitet. Das was serstoffreiche Gas stammt aus einem nicht dargestellten Reformierungsreaktor. Es enthält daher geringe Mengen CO. Über eine Oxidationsmittelversorgungsleitung 4 wird Luft in die Brennstoffzelle 1 eingespeist.

Über eine Wasserversorgungsleitung 5 wird Wasser in den Elektrolyseur 2 eingeleitet. Die Brennstoffversorgungs leitung 3 wird im oberen Bereich des Elektrolyseurs 2, d. h. oberhalb der Membran-Elektroden-Einheit des Elek trolyseurs 2 entlanggeleitet (vergleiche Fig. 2).

Der Elektrolyseur 2 produziert Sauerstoff und Wasser stoff. Der produzierte Sauerstoff sowie der produzierte Wasserstoff werden der Brennstoffversorgungsleitung 3 zugeführt. Auf diese Weise gelangt Sauerstoff in das wasserstoffreiche Gas. Das mit Sauerstoff angerei cherte, wasserstoffreiche Gas tritt anschließend aus dem Elektrolyseur 2 aus und gelangt in die Brennstoff zelle 1. In der Brennstoffzelle 1 wird aus dem wasser stoffreichen Gas als Brennstoff und Luft als Oxidati onsmittel Strom erzeugt. Der Sauerstoffgehalt im was serstoffreichen Gas verhindert eine Katalysatorvergif tung.

Aus einer Wasserstoffabgasleitung 6 tritt unverbrauch tes, wasserstoffreiches Gas aus der Brennstoffzelle 1 aus. Aus der Produktwasser-Oxidationsmittel-Abgaslei tung 7 tritt unverbrauchte Luft sowie Produktwasser aus der Brennstoffzelle 1 aus.

Das Produktwasser wird einem nicht dargestellten Behäl ter zugeführt. Das hier zwischengelagerte Wasser wird der Wasserversorgungsleitung 5 entsprechend dem Wasser verbrauch im Elektrolyseur 2 zugeführt.

Die Entnahme von elektrischem Strom aus der Brennstoff zelle wird durch den Pfeil 8 angedeutet. Ein prozentual gleichbleibender Teil dieses Stromes dient der Energie versorgung des Elektrolyseurs 2. Hierfür ist eine nicht dargestellte elektronische Ansteuerung vorgesehen. Pfeil 9 symbolisiert die Energieversorgung für den Elektrolyseur 2. Der Elektrolyseur 2 wird so proportio nal zur Leistung bzw. zum Strom der Brennstoffzelle 1 betrieben. Eine annähernd konstante Konzentration des Sauerstoffs im wasserstoffreichen Gas liegt so auf ein fache Weise vor.

Der Elektrolyseur 2 kann alternativ mit konstanter Lei stung betrieben werden. Bei Betrieb mit konstanter Leistung ist der Brennstoffzelle 1 eine konstante Menge an wasserstoffreichem Gas zuzuführen.

Bei einem Bedarf von z. B. 0,5% Sauerstoff im wasser stoffreichen Gas werden etwa 2% der elektrischen Lei stung der Brennstoffzelle 1 verbraucht.

Der Elektrolyseur besteht vorzugsweise aus lediglich einer Zelle, d. h. er weist nur eine Membran-Elektro den-Einheit auf. Eine (großflächige) Zelle reicht in der Regel aus, um die erforderliche Sauerstoffmenge be reitzustellen. Das Vorsehen von nur einer Zelle ist zu bevorzugen, da keine bipolare Platte erforderlich und somit der Aufbau einfach und kostengünstig ist.

Fig. 2 verdeutlicht die Sauerstoffeinspeisung in die Brennstoffversorgungsleitung 3 der Brennstoffzelle 1. Der Elektrolyseur 2 weist eine Membran 10 mit beidsei tig angebrachten Elektroden 11 auf. Diese Membran-Elek troden-Einheit 10, 11 befindet sich in einer behälter förmigen Aufweitung 12 der Brennstoffversorgungsleitung 3. Die Wasserzuführung zum Elektrolyseur 2 wird über ein Rohr 13 bewerkstelligt. Rohr 13 ist mit dem nicht dargestellten Behälter, der mit Produktwasser der Brennstoffzelle 1 gefüllt wird, verbunden. Die Membran- Elektroden-Einheit 10, 11 wird beidseitig von Stromver teilern 14 kontaktiert. Die Stromverteiler 14 sind über jeweilige Kontakte 15 und Kabel 16 mit der äußeren Stromquelle, nämlich mit der Brennstoffzelle 1 oder al ternativ mit einer Batterie verbunden.

Die Membran 10 mit den Elektroden 11 und den Stromzu führmitteln 14, 15, 16 werden vollständig unter Wasser gehalten. Dadurch wird eine Zündgefahr für das entste hende Wasserstoff-Sauerstoff-Gemisch ausgeschlossen. Das Wasserstoff-Sauerstoff-Gemisch wird nach Austritt aus dem Wasser durch den Brennstoff (H₂) sofort auf ge ringe und somit ungefährliche Konzentrationen verdünnt.

Mit der Vorrichtung läßt sich eine Brennstoffzelle mit CO-haltigen Gasen bei minimalem Leistungsverlust sehr einfach und kostengünstig betreiben. Die integrierte, einfach aufgebaute Elektrolysezelle verbraucht nur sehr wenig Energie und läßt sich leicht regeln.

Claims

1. Brennstoffzelle (1) mit einem mit der Brennstoffver sorgungsleitung (3) derart verbundenen Elektrolyseur (2), daß der im Elektrolyseur (2) erzeugte Sauerstoff in die Brennstoffversorgungsleitung eingespeist wird sowie mit Steuerungsmitteln, die die Konzentration des eingespeisten Sauerstoffs im Brennstoff steuern.

2. Brennstoffzelle (1) nach vorhergehendem Anspruch, daß die Steuerungsmittel die Leistung des Elektrolyseurs (2) so steuern, daß die Sauerstoffproduktion im Elektrolyseur (2) abhängig von der Stromproduktion der Brennstoffzelle (1) erfolgt.

3. Brennstoffzelle (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit Mitteln zur Einleitung von in der Brennstoffzelle (1) erzeugtem Produktwasser in den Elektrolyseur (2).

4. Brennstoffzelle (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der derartige Mittel vorgesehen sind, daß der Energiebedarf des Elektrolyseurs (2) durch in der Brennstoffzelle (1) erzeugtem Strom gedeckt wird.