DE19910387A1 - Brennstoffzellenbatterie mit Heizung und verbesserter Kaltstartperformance und Verfahren zum Kaltstarten einer Brennstoffzellenbatterie - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzellenbatterie mit Heizung und verbesserter Kaltstartperformance und ein Verfahren zum Kaltstarten einer solchen Batterie, wobei zunächst die Heizung, wie z. B. ein Reformer, gestartet wird, dessen Betriebswärme zum Aufheizen des Brennstoffzellenstacks genutzt wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzellenbatterie mit Hei­ zung und verbesserter Kaltstartperformance sowie ein Verfah­ ren zum Kaltstarten einer solchen Batterie, wobei zunächst die Heizung, wie z. B. ein Reformer, gestartet wird, dessen Betriebswärme zum Aufheizen des Brennstoffzellenstacks ge­ nutzt wird.

Eine Brennstoffzellenbatterie besitzt pro Brennstoffzellen­ einheit einen Elektrolyten, wie beispielsweise bei der PEM- Brennstoffzelle eine Ionenaustauschermembran, die als Haupt­ bestandteil eine sulfonierte chemische Verbindung enthält. Diese Gruppe chemischer Verbindungen bindet Wasser in der Membran, um eine ausreichende Protonenleitfähigkeit zu ge­ währleisten. Bei einer Temperatur unter 0°C steigt der Mem­ branwiderstand, bedingt durch das Einfrieren des gespeicher­ ten Wassers, sprunghaft um 2-3 Zehnerpotenzen an. Bei den an­ deren Nieder- und Mitteltemperatur-Brennstoffzellen, wie z. B. der PAFC (Phosphoric Acid Fuel Cell) gibt es ähnliche Proble­ me mit dem Elektrolyten. Durch den drastisch erhöhten Wider­ stand im Elektrolyten ist das Kaltstarten einer Brennstoff­ zellenbatterie stark erschwert.

Um dieses Problem zu lösen, kann bei niedriger Temperatur der Umgebung, entweder die Batterie, auch ohne Nutzung, bei mini­ maler Last betrieben werden, damit die Temperatur nicht unter den Gefrierpunkt fällt, oder es kann ein Thermofühler einge­ baut werden, so daß in dem Moment, wo die Temperatur so weit sinkt, daß der Elektrolytwiderstand sprunghaft anzusteigen droht, die Batterie anspringt und sich durch Betrieb auf­ heizt.

Es gibt auch den sogenannten Kurzschlußbetrieb, bei dem die Batterie in der Aufheizphase ständig kurzgeschlossen wird, so daß die gesamte Brennstoffzellenleistung zu Beginn des Be­ triebs als Kurzschlußwärme zum Aufheizen des Elektrolyten verbraucht wird.

Nachteilig am Kurzschlußbetrieb ist jedoch, daß bei Tempera­ turen unter dem Gefrierpunkt der extrem hohe Widerstand des Elektrolyten überwunden werden muß, bis die Zelle zum Laufen gebracht wird und sich dadurch aufheizen kann.

Bekannt sind demnach nur Methoden zum Kaltstarten einer Brennstoffzellenbatterie, die einen drastisch erhöhten Ver­ brauch an Reaktionsgas während des Startens haben oder die eine sehr lange Startzeit brauchen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Brennstoff­ zellenbatterie mit verbesserter Kaltstartperformance zu schaffen, die bei niedrigen Temperaturen auch ohne drastisch erhöhten Verbrauch an Prozeßgas gestartet werden kann. Außer­ dem ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, mit dem eine Brennstoffzellenbatterie kalt ge­ startet werden kann.

Gegenstand der Erfindung ist eine Brennstoffzellenbatterie mit Heizung, bei der zumindest eine Leitung von der Heizung zum Brennstoffzellenstack vorgesehen ist, so daß die Wärme in den Brennstoffzellenstack ausgekoppelt werden kann. Außerdem ist Gegenstand der Erfindung ein Verfahren zum Kaltstarten, bei dem die Abwärme aus der Verbrennung des Primär- und/oder Sekundärbrennstoffs zur Beheizung des Brennstoffzellenstacks genutzt wird.

Als Heizung wird jeder beheizbare Raum bezeichnet, in dem, auch unter Anwendung eines Wärmetauschers, ein Wärmetrans­ portmedium erwärmt werden kann. Die Heizung umfaßt bevorzugt ein Heizelement wie einen Katalytbrenner und/oder ein elek­ trisches Heizelement. Ein laufender Reformer kann deshalb auch eine Heizung im Sinne der Erfindung sein.

Die Leitung von der Heizung zum Brennstoffzellenstack kann nach einer Ausführungsform ein Teil eines Kreislaufsystems sein, bei dem ein Wärmetransportmedium (wie z. B. das Abgas des Reformers, also Reformiergas, das Abgas des Katalytbren­ ners, ein geheiztes Gas, wie z. B. CO₂, Sekundärbrennstoff etc., Erdgas, Methanol/Wasser-Gemisch, eine Flüssigkeit mit hoher spezifischer Wärmekapazität, wie Öl, Silikonöl, Metha­ nol, ein sonstiger Alkohol, reines Wasser oder ähnliches, wo­ bei eine Bedingung ist, daß das Wärmeleitmedium nicht elek­ trisch leitend sein soll) im Reformer und/oder in der Heizung erwärmt wird und dann zum Brennstoffzellenstack geleitet wird, wo es die Wärme abgibt.

Diese Leitung kann während des Betriebs des Brennstoffzellen­ stacks unterbrochen werden.

Bei einer Ausgestaltung stellt die Leitung eine gas­ technische Verbindung zwischen der Reformerkammer und den Re­ aktionskammern des Brennstoffzellenstacks her, so daß heißes Wärmetransportmedium durch die Reaktionskammern des Brenn­ stoffzellenstacks geleitet wird und diese dabei aufheizt. Dies ist z. B. über die Einleitung des erwärmten Wärmetrans­ portmediums in den Prozeßgaskanal mit oder ohne "Verdünnung" durch Prozeßgas möglich. Dabei strömt das erwärmte Wärme­ transportmedium auf den Wegen, auf denen im Betrieb das Pro­ zeßgas strömt, durch den Brennstoffzellenstack. Es kann auch einfach das heiße Abgas aus der Reformierungsreaktion in ein oder beide Prozeßgaskanäle und/oder selbständig in den Stack und durch dessen Reaktionskammern geleitet werden. Dabei wer­ den bevorzugt (zur Treibstoffeinsparung) die Reaktionsbedin­ gungen im Reformer so gewählt, daß im Gegensatz zur H₂- Produktion im wesentlichen Wärme produziert wird. Die Sauer­ stoff- oder Luftzufuhr zum Reformer sollte also während des Kaltstartens temporär erhöht werden, so daß anstelle einer partiellen Oxidation eine vollständige Verbrennung tritt.

Bei einer weiteren Ausgestaltung können mehrere Leitungen zwischen der Heizung und dem Stack vorgesehen sein. Dabei kann die Heizung in unmittelbarer Nähe zum Stack angeordnet sein, so daß im Extremfall die Leitungen Wärmeleitungen sind, die aus Kontaktstellen zwischen der Heizung und den/der BZ- Einheit(en) des Stacks bestehen. Möglich ist z. B., daß der Re­ former in unmittelbarer Nachbarschaft zum Stack plaziert ist, wobei im Extremfall die Außenwände der beiden Aggregate di­ rekt aneinander stoßen. Die Leitungen im Sinne dieser Ausge­ staltung sind alle Verbindungen, die wärmeleitend sind, also alle direkten Drähte, Rohre und/oder Kanäle, die mechanisch an die Heizung und an den Stack anschließen und alle sonsti­ gen Verbindungen, die Wärme übertragen können.

Bei einer Ausgestaltung der Erfindung wird der Reformer über einen Katalytbrenner beheizt, der z. B. im Reformer integriert und/oder dort z. B. zentral in der Mitte angeordnet ist.

Bei der Ausführungsform, bei der die Brennstoffzellenbatterie aus PEM-Brennstoffzellen mit sulfonierter Membran besteht, ist es vorteilhaft, wenn die Reaktionskammer nicht über eine Temperatur über 100°C aufgeheizt wird, damit das Wasser in der Membran gebunden bleibt.

Eine Brennstoffzellenbatterie umfaßt zumindest einen Stapel mit einer Brennstoffzelleneinheit, der als Stack bezeichnet wird, die entsprechenden Prozeßgasversorgungs- und Entsor­ gungskanäle (Prozeßgaskanal), ein Kühlsystem und dazugehörige Endplatten. Der Reformer und/oder die Heizung kann in der Brennstoffzellenanlage integriert sein oder extern betrieben werden.

Bevorzugt wird eine PEM-Brennstoffzellenbatterie eingesetzt, jedoch ist die Anwendung der Erfindung auf andere Brennstoff­ zellen, insbesondere die PAFC, naheliegend.

Als Reaktionsgas wird das Gas des Reaktanden, also z. B. MeOH, H₂ und/oder O₂ bezeichnet, wohingegen als Prozeßgas das Gas/Flüssigkeitsgemisch bezeichnet wird, das in die Reakti­ onskammer eingeleitet wird. Das Prozeßgas umfaßt mehrere Kom­ ponenten wie z. B. Wasserdampf, Inertgas etc. zusätzlich zum Reaktionsgas und kann auch Primärbrennstoff umfassen.

Als Primärbrennstoff wird Benzin, Methanol, Methan etc. ver­ standen, also Brennstoffe, aus denen in einem Reformer ein Sekundärbrennstoff, wie ein wasserstoffhaltiges Gasgemisch oder Wasserstoff, hergestellt wird.

Nach einer Ausgestaltung der Erfindung ist im Reformer, in dem der Primärbrennstoff verbrannt wird, ein Katalytbrenner vorgesehen, so daß eine kontrollierte Verbrennung mit gerin­ gem Schadstoffausstoß erreicht wird. Der Katalytbrenner sorgt für eine gleichmäßige Umsetzung. Die Wärme aus dieser Ver­ brennung wird dann z. B. über einen Wärmetauscher oder über die Durchleitung der Abgase durch den Brennstoffzellenstack an diesen weitergeleitet.

Mit Hilfe der Erfindung ist es erstmals möglich, daß eine Brennstoffzellenbatterie ohne drastisch erhöhten Reaktions­ gasverbrauch kalt gestartet werden kann, weil die Verbren­ nungswärme des Primär- und/oder Sekundärbrennstoffs direkt und/oder indirekt zur Beheizung des kalten Stacks benutzt wird.

Claims (7)

1. Brennstoffzellenbatterie mit einem Stack und einer Hei­ zung, bei der zumindest eine Leitung von der Heizung zum Stack vorgesehen ist, so daß die Wärme aus der Heizung in den Stack auskoppelbar ist.

2. Brennstoffzellenbatterie nach Anspruch 1, bei der die Heizung ein Reformer und/oder Teil eines Reformersystems ist.

3. Brennstoffzellenbatterie nach einem der vorstehenden An­ sprüche, bei der die Leitung Teil eines Kreislaufsystems ist, das ein Wärmetransportmedium enthält, wobei das Kreislaufsystem sowohl durch die Heizung als auch durch den Stack gelegt ist, so daß das darin enthaltene Wärme­ transportmedium beim Kaltstarten in der Heizung erwärmt und im Stack gekühlt wird.

4. Brennstoffzellenbatterie nach Anspruch 1 oder 2, bei der ein Teil der Leitung auch Teil zumindest eines Prozeßgas­ kanals ist, so daß durch die Leitung erwärmtes Wärme­ transportmedium in den Prozeßgaskanal einleitbar ist.

5. Brennstoffzellenbatterie nach einem der vorstehenden An­ sprüche, bei der mehrere Leitungen zwischen der Heizung und dem Stack vorgesehen sind.

6. Brennstoffzelle nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die Heizung einen Katalytbrenner umfaßt.

7. Verfahren zum Kaltstarten einer Brennstoffzellenbatterie, bei dem die Abwärme aus der Verbrennung des Primär- und/oder Sekundärbrennstoffs zur Beheizung des Brenn­ stoffzellenstacks genutzt wird.