DE19930874A1 - HTM-Brennstoffzellenanlage und Verfahren zum Betrieb einer HTM-Brennstoffzellenanlage - Google Patents

Abstract

Es wird vorgeschlagen, während des Betriebs einer HTM-Brennstoffzellenanlage zumindest ein Prozeßgas, das der Reaktionskammer zugeführt wird, vorzuwärmen, damit das einströmende Prozeßgas die Reaktionskammer nicht lokal abkühlt. Außerdem wird vorgeschlagen, während der Startphase einer HTM-Brennstoffzellenanlage vorgeheiztes Prozeßgas durch den Stack zu leiten, weil Prozeßgas schnell erwärmbar ist und die Wärme direkt in die Reaktionskammer transportiert.

Description

Die Erfindung betrifft eine HTM-Brennstoffzellenanlage und ein Verfahren zum Betrieb einer HTM-Brennstoffzellenanlage mit zumindest einem vorgewärmten Prozeßgas.

Bei herkömmlichen PEM (Polymer-Elektrolyt-Membran)- Brennstoffzellenanlagen müssen die Prozeßgase befeuchtet wer­ den und dabei werden, um einen unerwünschten Temperaturgra­ dienten zu vermeiden, diese gleichzeitig vorgewärmt, so daß die Prozeßgase den Brennstoffzellenstack und/oder die Brenn­ stoffzelleneinheiten nicht kalt, also mit der Umgebungstempe­ ratur anströmen, sondern gleich die Betriebstemperatur haben. Bei der neuen Generation an PEM-Brennstoffzellen, den HTM- (Hochtemperatur-Membran)-Brennstoffzellen, entfällt die Be­ feuchtung der Prozeßgase, weil die HTM-Brennstoffzelle unab­ hängig vom Wassergehalt der Zelle funktioniert.

Beim Starten einer Brennstoffzellenanlage wird bislang erst mühsam der Stack auf eine Temperatur über dem Gefrierpunkt des Elektrolyten gebracht, bevor die Prozeßgase, befeuchtet und vorgewärmt in den Stack geleitet werden. Die neue Genera­ tion an PEM-Brennstoffzellen arbeitet mit Elektrolyten, deren Gefrierpunkt oft erheblich über der Umgebungstemperatur lie­ gen, so daß die Aufwärmphase zu lange wäre, um eine mobile Anwendung der Brennstoffzellenanlage ins Auge zu fassen. Die beiden Probleme der HTM-Brennstoffzelle, die lange Auf­ wärmphase einerseits und die fehlende Vorwärmung über die Be­ feuchtung andererseits sind bislang noch ungelöst.

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, eine Anlage zu konzi­ pieren, bei der auch unbefeuchtetes Prozeßgas den Stack mit Betriebstemperatur anströmt und/oder die eine effektivere Möglichkeit zur Vorheizung des Stacks auf Betriebstemperatur nach einer Ruhephase hat.

Gegenstand der Erfindung ist eine HTM-Brennstoffzellenanlage, die zumindest eine HTM-Brennstoffzelleneinheit und zumindest einen Prozeßgaszuführungs- und ableitungskanal umfaßt, wobei zumindest eine Vorrichtung vorgesehen ist, mit der zumindest ein Prozeßgas vor dem Einlaß in eine Reaktionskammer einer HTM-Brennstoffzelleneinheit vorwärmbar ist.

Außerdem ist Gegenstand der Erfindung ein Verfahren zum Be­ trieb einer HTM-Brennstoffzellenanlage, bei dem zumindest ein Prozeßgas vor dem Einlaß in eine Reaktionskammer vorgewärmt wird.

Nach einer Ausgestaltung wird zumindest ein Prozeßgas vor dem Eintritt in den Stack vorgewärmt. Bevorzugt wird das Oxidans vorgewärmt, also das Sauerstoff enthaltende Prozeßgas.

Nach einer Ausgestaltung ist die Vorrichtung zum Vorwärmen des oder der Prozeßgase(s) an den Prozeßgaszuführungskanal angeschlossen und/oder in diesen integriert. Nach einer ande­ ren Ausgestaltung ist die Vorrichtung zum Vorwärmen in der Polplatte integriert, so daß das Prozeßgas unmittelbar vor dem Eintritt in die jeweilige Brennstoffzelleneinheit lokal, beispielsweise über erwärmtes Kühlmedium und/oder Abgas aus einer Zelle, das zum Prozeßgaseinlaß geführt wird, vorgewärmt wird.

Nach einer Ausgestaltung umfaßt die Vorrichtung zum Vorwärmen einen Wärmetauscher, einen Heizdraht und/oder einen Katalyt­ brenner. Die Vorrichtung umfaßt bevorzugt auch eine Steue­ rungs- und Regeleinheit, mit der die Temperatur des zumindest einen Prozeßgases geregelt werden kann, indem beispielsweise die Menge der Zuluft und/oder der Anteil der aus dem HTM- Stack rückgeführten Abluft(erwärmte Kühlluft und/oder ver­ brauchtes Prozeßgas) so eingestellt werden, daß eine mög­ lichst hohe Temperatur des zugeführten Prozeßgases oder ein Einregeln auf einen Sollwert möglich ist. Als Randbedingung für die Regelung gilt der Reaktionsgasüberschuß und/oder ein bekannter Sollwert, der von der Steuer- und Regeleinheit auf­ grund eines bestimmten Parameters wie der Betriebstemperatur vorgegeben ist.

Nach einer Ausgestaltung des Verfahrens wird zum Kaltstarten der Brennstoffzellenanlage das Prozeßgas vorgewärmt, so daß die noch kalten Brennstoffzelleneinheiten der Anlage vor In­ betriebnahme mit der Wärme aus dem Prozeßgas aufgeheizt wer­ den. Dies ist günstig, weil das Prozeßgas, im Vergleich etwa zu einem flüssigen Kühlmedium, eine geringe Wärmekapazität hat und schnell erwärmbar ist und diese Wärme gezielt in den Reaktionsraum einbringt, der während der Kaltstartphase auf­ geheizt werden soll.

Nach einer Ausgestaltung des Verfahrens wird zumindest ein Prozeßgas auf eine Temperatur zwischen 40°C und 250°C, be­ vorzugt zwischen 70°C und 150°C, insbesondere bevorzugt zwi­ schen 80°C und 130°C vorgewärmt. Eine Ausgestaltung sieht vor, daß das Prozeßgas ungefähr auf die jeweilige Betrieb­ stemperatur vorgewärmt wird.

Als Brennstoffzellenanlage wird das gesamte Brennstoffzellen­ system bezeichnet, das zumindest einen Stack mit zumindest einer Brennstoffzelleneinheit umfaßt, sowie die entsprechen­ den Prozeßgaszuführungs- und -ableitungskanäle, die Endplat­ ten, das Kühlsystem mit Kühlmedium und die gesamte Brenn­ stoffzellenstack-Peripherie (Reformer, Verdichter, Gebläse, Heizung zur Prozeßgasvorwärmung, etc.). Die Brennstoffzellen­ anlage kann sowohl Teil eines mobilen als auch Teil eines stationären Energiewandlungssytems sein.

Als Stack wird der Stapel aus zumindest einer Brennstoffzel­ leneinheit mit den dazugehörigen Leitungen und zumindest ei­ nem Teil des Kühlsystems bezeichnet.

Eine Brennstoffzelleneinheit umfaßt zumindest eine Membran und/oder Matrix mit einem chemisch und/oder physikalisch ge­ bundenen Elektrolyten, zwei Elektroden, die sich auf gegen­ überliegenden Seiten der Membran und/oder Matrix befinden, angrenzend an zumindest eine Elektrode eine Reaktionskammer, die durch jeweils eine Polplatte und/oder eine entsprechende Randkonstruktion gegen die Umgebung abgeschlossen ist, wobei Vorrichtungen vorgesehen sind, durch die Prozeßgas in die Re­ aktionskammer ein- und ausgebracht werden kann.

Als "Prozeßgas" wird das Gas/Flüssigkeitsgemisch bezeichnet, das durch die Brennstoffzelleneinheit geführt wird und in dem zumindest Reaktionsgas (Brennstoff/Oxidans)und/oder Inertgas und/oder Produktwasser vorliegen.

Im folgenden wird die Erfindung nun anhand einiger Ausfüh­ rungsformen weiter verdeutlicht.

In Fig. 1 ist eine Brennstoffzellenanlage zu sehen, bei der ein Prozeßgaszuführungskanal durch einen Wärmetauscher gelei­ tet wird.

In Fig. 2 ist auch eine Brennstoffzellenanlage zu sehen, bei der ein Prozeßgaszuführungskanal durch einen Wärmetauscher führt.

In Fig. 3 schließlich ist eine Brennstoffzellenanlage zu se­ hen, bei der ein Prozeßgaszuführungskanal aus der erwärmten Kühlluft gespeist wird.

In Fig. 1 ist rechts ein HTM-Brennstoffzellenstack 1 zu se­ hen. Von links kommt die Prozeßgaszuführungsleitung 2, die die Kathoden mit Prozeßgas, das Oxidans enthält, wie bei­ spielsweise Luft, versorgt. Das Prozeßgas wird durch den Wär­ metauscher 4 geleitet, in den auch zumindest ein Teil der Ab­ luft aus dem Brennstoffzellenstack über die Abgasleitung 3 mündet. Im Wärmetauscher 4 wird aus der Abluft der Abgas- und/oder Abluftleitung 3 das enthaltene Produktwasser auskon­ densiert, während mit der dabei freiwerdenden Wärme das Pro­ zeßgas der Leitung 2 vorgewärmt wird, so daß es vorgewärmt in den Brennstoffzellenstack 1 eingeleitet wird.

In Fig. 2 ist wieder ein HTM-Brennstoffzellenstack 1 zu se­ hen. Ebenfalls von links kommt wieder die Prozeßgaszufüh­ rungsleitung 2, die Oxidans wie beispielsweise Luft führt. Die Prozeßgaszuführungsleitung 2 führt durch einen Wärmetau­ scher 4, durch den auch der Kühlkreislauf 5 des HTM- Brennstoffzellenstacks führt. Während des Betriebs nimmt das Prozeßgas in der Prozeßgaszuführungsleitung 2 Wärme aus dem Wärmetauscher 4 auf, wo das verbrauchte und erwärmte Kühlmit­ tel aus dem Kühlkreislauf 5 seine Wärme abgibt und dadurch regeneriert wird. Die Prozeßgasabluft verläßt den HTM- Brennstoffzellenstack über die Abluftleitung 3. Die Abluft­ leitung 3 kann aber, zumindest teilweise auch noch in den Wärmetauscher 4 münden, so daß sowohl die Abwärme des Kühl­ kreislaufs 5 als auch die der Abluft 3 im Wärmetauscher 4 an das Prozeßgas in der Zuführungsleitung 2 abgegeben werden. In den Wärmetauscher 4 kann auch noch ein anderes zu erwärmendes oder zu kühlendes Medium einfließen.

In Fig. 3 ist eine Ausführungsform der Brennstoffzellenanla­ ge und des Verfahrens zu sehen, bei der das Prozeßgas direkt im Stack vorgewärmt wird. Es handelt sich um einen luftge­ kühlte Brennstoffzellenstack 1, durch den Kühlluft 6 strömt. Beim Durchströmen des Stacks erwärmt sich die Luft auf Be­ triebstemperatur. Aus der erwärmten Abluft 6 wird ein Teil über die Prozeßgaszuführungsleitung 2 abgeführt, durch ein Filter und Verdichter-Aggregat 7 durchgeleitet und dann als Prozeßgas in den Stack eingeleitet. Aus dem Stack wird die Abluft über die Abgasleitung 3 abgeleitet.

Es wird vorgeschlagen, während des Betriebs einer Brennstoff­ zellenanlage zumindest ein Prozeßgas, das der Reaktionskammer zugeführt wird, vorzuwärmen, damit das einströmende Prozeßgas die Reaktionskammer nicht lokal abkühlt. Außerdem wird vorge­ schlagen, während der Startphase einer Brennstoffzellenanlage vorgeheiztes Prozeßgas durch den Stack zu leiten, weil Pro­ zeßgas schnell erwärmbar ist und die Wärme direkt in die Re­ aktionkammer transportiert.

Claims (7)

1. HTM-Brennstoffzellenanlage, die zumindest eine HTM- Brennstoffzelleneinheit und zumindest einen Prozeßgaszufüh­ rungs- und ableitungskanal umfaßt, wobei zumindest eine Vor­ richtung vorgesehen ist, mit der zumindest ein Prozeßgas vor dem Einlaß in eine Reaktionskammer einer HTM- Brennstoffzelleneinheit vorwärmbar ist.

2. HTM-Brennstoffzellenanlage nach Anspruch 1, bei der die Vorrichtung das Oxidans vorwärmt.

3. HTM-Brennstoffzellenanlage nach einem der Ansprüche 1 oder 2, bei der die Vorrichtung zur Vorwärmung des zumindest einen Prozeßgases unabhängig vom Betrieb der HTM- Brennstoffzellenanlage betreibbar ist, also zum Vorheizen des Stacks auf Betriebstemperatur nutzbar ist.

4. Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenanlage, bei dem zumindest ein Prozeßgas vor dem Einlaß in eine Reaktions­ kammer vorgewärmt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem zumindest ein Prozeßgas auf eine Temperatur zwischen 40°C und 250°C vorgewärmt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 oder 5, bei dem das vorgewärmte Prozeßgas vor dem Start der Brennstoffzellenanla­ ge zum Vorheizen des Stacks benutzt wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, bei dem die Abwärme aus dem Stack zur Vorwärmung des oder der Prozeßgase genutzt wird.