DE19954547A1 - Brennstoffzellensystem und Verfahren zu seinem Betrieb - Google Patents

Abstract

Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems, bei welchem wenigstens einer Brennstoffzelle anodenseitig ein Brennstoff, und kathodenseitig Luft und/oder Sauerstoff zugeführt wird, wobei ein aufgrund der Brennstoffzufuhr anodenseitig herrschender Druck und/oder ein aufgrund der Luftzufuhr kathodenseitig herrschender Druck mittels Druckreglermitteln geregelt wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem und ein Verfahren zu seinem Betrieb nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 bzw. dem Oberbegriff des Patentanspruchs 4.

Als Brennstoffzellen finden insbesondere sogenannte protonen­ leitende Brennstoffzellen weite Verwendung. Derartige proto­ nenleitende Brennstoffzellen weisen einen festen Elektrolyten aus einer protonenleitenden Kunststoffolie auf. Beschichtet ist diese Folie beidseitig jeweils mit einem Platinkatalysator und einer Elektrode (Anode bzw. Kathode) beispielsweise aus gasdurchlässigem Graphitpapier. In die Bipolarglatten aus Gra­ phit auf beiden Seiten des Katalysators sind feine Gaskanäle eingebracht, in denen auf der einen Seite ein Brennstoff, und auf der anderen Seite des Elektrolyten komprimierte Luft bzw. Sauerstoff zugeführt wird.

Herkömmliche Brennstoffzellen verwenden als Brennstoff Wasser­ stoff (H₂), welcher in der Brennstoffzelle vorgeschalteten Stu­ fen beispielsweise aus Methanol reformiert wird. Hierbei er­ folgt eine Beaufschlagung der Anodenseite mit im wesentlichen reinem Wasserstoff. Es sind ferner sogenannte Direkt- Brennstoff-Brennstoffzellen bekannt, wobei hier insbesondere auf sogenannte DMFC-Brennstoffzellen (engl. Direct Methanol Fuel Cell) hinzuweisen ist. Bei derartigen DMFC- Brennstoffzellen erfolgt eine direkte Beaufschlagung der Anode mit einem flüssigen Methanol/Wasser-Gemisch.

Bei sämtlichen Arten von Brennstoffzellen werden die Wasser­ stoffmoleküle (direkt oder indirekt) durch entsprechende Katalysatoren ionisiert und in positiv geladene Wasserstoffionen und negativ geladene Elektronen zerlegt. Danach wandern die Protonen durch den Elektrolyten zur Kathode bzw. Negativelek­ trode. Da diese positiven Teilchen nun an der Anode fehlen, haben die negativ geladenen Elektronen dort die Überhand: Die Anode lädt sich negativ auf. Sauerstoffmoleküle auf der Katho­ denseite nehmen, durch den Katalysator angeregt, Elektronen auf. Sauerstoffionen entstehen, wobei sich die Kathode positiv auflädt. Zwischen dem Minuspol der Anode und dem Pluspol der Kathode entsteht somit eine Spannung. Durch die Verbindung der beiden Elektronen über einen äußeren Stromkreis fließen nun die negativ geladenen Elektronen über diesen von der Anode zu­ rück zur Kathode, und Wasserstoff (H₂) und Sauerstoff (O₂) ver­ binden sich zu Wasser (H₂O), welches als Wasserdampf austritt.

Alle Reaktionsoberflächen (anodenseitig und kathodenseitig) der Membran-Elektroden-Einheiten werden mit genau definierten Strömungsführungen versorgt, um eine maximale Reaktionsober­ fläche zu erhalten. Derartige Strömungsführungen, auch Flow- Fields genannt, weisen jedoch einen charakteristischen Strö­ mungswiderstand auf, der sich in einer Förderdruckerhöhung vor einer einzelnen Brennstoffzelle bzw. vor einem Brennstoffzel­ lenstack äußert.

Bei DMFC-Brennstoffzellen ist insbesondere zu berücksichtigen, daß diese anodenseitig mit einem (flüssigen) Wasser/Methanol- Gemisch, und kathodenseitig mit (gasförmiger) Luft versorgt werden, so daß nicht nur unterschiedliche Strömungsführungen notwendig sind, sondern sich auch unterschiedliche Anstiege des Förderdrucks ergeben. Somit entsteht beim Betrieb einer Brennstoffzelle bzw. eines Brennstoffzellenstacks eine lastab­ hängige Druckdifferenz über die Membran-Elektroden-Einheit. Dieser Effekt wird noch verstärkt, wenn aufgrund von der Brennstoffzelle nachgeschalteten Komponenten die Druckver­ lustkurven relativ verschoben werden. Die Druckdifferenz zwi­ schen der Anodenseite und der Kathodenseite einer Membran- Elektroden-Einheit darf jedoch materialspezifische Werte nicht überschreiten. Diese Randbedingung führt in der Praxis zu ei­ ner Leistungsgrenze beim Betrieb der Brennstoffzelle.

Aufgabe der Erfindung ist die Ermöglichung einer Erweiterung der Leistungsbereiche beim Betrieb einer Brennstoffzelle bzw. eines Brennstoffzellenstacks, insbesondere einer DMFC- Brennstoffzelle.

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 4.

Mittels der erfindungsgemäßen Maßnahme, den anodenseitig und/oder kathodenseitig herrschenden Druck mittels Druckreg­ lermitteln zu regeln, ist es möglich, die anoden- bzw. katho­ denseitig auftretenden Drücke in gegenüber herkömmlichen Lö­ sungen wesentlich engeren Bandbreiten zu halten, so daß über einen großen Leistungsbereich des Brennstoffzellensystems eine optimale Leistungsausbeute erzielbar ist. Es ist insbesondere erfindungsgemäß möglich, das Druckniveau, insbesondere auf der Anodenseite, im wesentlichen konstant zu halten. Dies erweist sich als vorteilhaft, da die Leistungsausbeute des Brennstoff­ zellensystems mit dem Betriebsdruck gekoppelt ist. Erfindungs­ gemäß wird angestrebt, das Druckniveau sowohl anodenseitig als auch kathodenseitig möglichst konstant um einen definierten Betriebspunkt zu regeln.

Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Brennstoff­ zellensystems bzw. des erfindungsgemäßen Verfahrens sind Ge­ genstand der Unteransprüche.

Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfin­ dungsgemäßen Brennstoffzellensystems bzw. Verfahrens weisen die Druckreglermittel stromabwärtig bezüglich der wenigstens einen Brennstoffzelle angeordnete Düsen, insbesondere Freistrahldüsen, auf.

Durch Veränderung der Öffnungsquerschnitte derartiger Düsen ist es möglich, den Strömungswiderstand stromabwärtig der Brennstoffzelle zu variieren. Durch Verringerung der Öffnungs­ querschnitte kann beispielsweise, im Falle einer geringen Strömung, der Druck angehoben werden, und bei starker Strömung bzw. hohem Volumenstrom unter Verringerung des Strömungswider­ standes durch entsprechende Erweiterung der Druck angehoben werden. Da der anodenseitig bzw. kathodenseitig in der Brenn­ stoffzelle herrschende Druck sowohl von dem eingangsseitigen Druck (Förderdruck) als auch dem ausgangsseitigen Druck beein­ flußt wird, kann der in der Brennstoffzelle herrschende Druck auf diese Weise in einfacher Weise, insbesondere bei veränder­ lichem Förderdruck, variiert bzw. , falls gewünscht, konstant gehalten werden. Durch die einstellbaren Öffnungsquerschnitte der Regeleinheiten bzw. Düsen kann eine wesentliche Verringe­ rung des Druckbetriebsbereiches erreicht werden. Ebenso kann durch eine derartige Regelung eine Minimierung des Differenz­ drucks von Anoden- zu Kathodenseite erreicht werden.

Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfin­ dungsgemäßen Brennstoffzellensystems ist dieses als Direkt- Brennstoff-Brennstoffzellensystem, insbesondere DMFC- Brennstoffzellensystem, ausgebildet. Bei derartigen Brenn­ stoffzellensystemen ergeben sich dadurch, daß sie anodenseitig mit einem flüssigen Wasser/Brennstoffgemisch, und kathodensei­ tig mit Luft versorgt werden, sehr unterschiedliche Strömungs­ führungen und somit auch in Abhängigkeit von vorliegenden Vo­ lumenströmen stark unterschiedliche Anstiege des Förderdrucks, wodurch der Differenzdruck von Anoden- zu Kathodenseite her­ kömmlicherweise groß ist. Erfindungsgemäß ist es möglich, durch Regelung der anoden- und kathodenseitig herrschenden Drücke diesen Differenzdruck innerhalb einer vorgegebenen ge­ ringeren Bandbreite zu halten.

Die Erfindung wird nun anhand der beigefügten Zeichnung weiter beschrieben. In dieser zeigt

Fig. 1 eine stark vereinfachte Darstellung einer DMFC- Stackanordnung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems mit Be­ triebsperipherie,

Fig. 2 ein Schaubild zur Darstellung der Förderdruckerhöhung eines DMFC-Brennstoffzellenstacks als Funktion des För­ dervolumenstromes, und

Fig. 3 ein Schaubild zur Darstellung einer bei Verwendung ei­ ner Freistrahldüse erzielbaren Systemdruckregelung.

In Fig. 1 ist in stark vereinfachter Form eine DMFC- Brennstoffzellen-Stackanordnung mit Betriebsperipherie darge­ stellt. Die Anordnung ist insgesamt mit 1 bezeichnet. Die An­ ordnung 1 weist eine Anodenseite 1a und eine Kathodenseite 1b auf. Ein Brennstoffkreislauf 2, über den flüssiges Metha­ nol/Wasser-Gemisch in die Anodenseite 1a einführbar ist, ist mittels einer Umwälzpumpe 3 beaufschlagbar. Dosierungssysteme, mit denen Methanol in gewünschter Menge mit dem Wasser ver­ mischbar ist, sowie entstehende Abgase verarbeitende Komponen­ ten sind nicht im einzelnen dargestellt.

Kathodenseitig wird Luft über eine Luftleitung 4, welche mit einem Kompressor 5 beaufschlagbar ist, in die Brennstoffzel­ len-Stackanordnung 1 eingeführt.

Zwischen der Anodenseite 1a und der Kathodenseite 1b ist eine mit 7 bezeichnete Membran-Elektroden-Einheit ausgebildet.

Die Strömungsrichtung des Methanol/Wasser-Gemisches ist mit­ tels eines Pfeiles 2a, diejenige der Luft mittels eines Pfei­ les 4a veranschaulicht.

Stromabwärtig sind der Anordnung 1 eine erste Druckregelein­ heit 8a (anodenseitig) und eine zweite Druckregeleinheit 8b (kathodenseitig) nachgeschaltet. Diese Druckregeleinheiten 8a, 8b können insbesondere als Freistrahldüsen, wie sie bei der Wasserturbinentechnik zum Einsatz kommen, ausgebildet sein. Durch Verringerung bzw. Vergrößerung der Öffnungsquerschnitte der als Freistrahldüsen ausgebildeten Druckregeleinheiten ist eine Variation bzw. Regelung des in der Brennstoffzellen- Stackanordnung 1 herrschenden Druckes erreichbar, wie im fol­ genden anhand der Fig. 2 und 3 erläutert wird.

In Fig. 2 ist mittels der durchgezogenen Kurve 10 der stromauf­ wärtig der Anodenseite 1a (beispielsweise in der Förderlei­ tung) herrschende Druck, der sogenannte Förderdruck P1, in Ab­ hängigkeit von dem Fördervolumenstrom des Metha­ nol/Wassergemisches dargestellt. Entsprechend ist mit der ge­ strichelten Kurve 11 der kathodenseitig herrschende Förder­ druck P1' in Abhängigkeit vom Fördervolumenstrom der geförder­ ten Luft dargestellt. Man erkennt, daß für einen bestimmten Fördervolumenstrom X ein Differenzdruck ΔP zwischen Anodensei­ te und Kathodenseite herrscht. Erfindungsgemäß wird ange­ strebt, diesen Differenzdruck ΔP möglichst gering zu halten, so daß die dargestellte DMFC-Brennstoffzellen-Stackanordnung 1 über einen möglichst großen Fördervolumenstrombereich betreib­ bar ist.

Es sei angemerkt, daß für den Fall, daß stromabwärtig der An­ odenseite bzw. Kathodenseite Umgebungsdruck herrscht, der an­ odenseitig bzw. kathodenseitig in der Brennstoffzellen- Stackanordnung herrschende Druck im wesentlichen gleich dem jeweiligen Förderdruck P1 ist.

In Fig. 3 sind die erfindungsgemäß erzielbaren Druckregelungs­ effekte beispielhaft für die Anodenseite 1a dargestellt. Der Förderdruck P1 in Abhängigkeit von dem geförderten Volumen­ strom ist, für den ungeregelten Fall entsprechend Fig. 2 wie­ derum mit 10 bezeichnet. Man erkennt, daß der (ungeregelte) Förderdruck P1 über ein Fördervolumenstrominterval (X₁, X₃) von einem Wert P1(X₁) bis zu einem Wert P(x₃) ansteigt.

Durch Variation der Öffnungsquerschnitte der (anodenseitigen) Druckregeleinheit 8a ist, wie bereits erläutert, ein stromab­ wärts der Anodenseite herrschender Druck regelbar. Dieser Druck P2 ist, wiederum in Abhängigkeit von dem Fördervolumen­ strom, für verschiedene Öffnungszustände der anodenseitigen Regeleinheit 8a mittels der gestrichelt dargestellten Kurve 12 dargestellt. Bei dem Fördervolumenstrom X₁ weist die Düse einen relativ kleinen Öffnungsquerschnitt, bei dem Wert X₂ einen mittleren, und bei dem Wert X₃ einen großen Öffnungsquerschnitt auf. Man erkennt, daß der Druck P2 mit zunehmendem Öffnungs­ querschnitt abnimmt.

Da der auf der Anodenseite 1a herrschende Systemdruck Ps sich aus einer Überlagerung der Drücke P1 und P2 ergibt, folgt, daß ein durch Regelung des Druckes P2 ausgeregelter Systemdruck P_S über das Fördervolumenstromintervall (X₁, X₃) eine wesentlich kleinere Druckänderung erfährt, als dies bei herkömmlichen Sy­ stemen möglich war. Für den Fördervolumenstromwert X₁ ergibt sich beispielsweise insgesamt ein anodenseitiger Druck P_S(X₁), welcher, wie erläutert, sich aus einer Überlagerung der Drücke P₁(X₁) und P₂(X₁) ergibt. Insgesamt erhält man durch Überlage­ rung der Druckkurven 10 und 12 die Kurve 14, welche einen er­ findungsgemäß ausgeregelten Systemdruck P_S der Anodenseite be­ schreibt. Man erkennt, daß der ausgeregelte Systemdruck P_S, wie er durch die Kurve 14 beschrieben ist, für ein gegebenes För­ dervolumenintervall innerhalb eines wesentlich kleineren In­ tervalls, nämlich dem Intervall P_S(X₁), P_S(X₃) bzw. ΔP_s vari­ iert. Es sei angemerkt, daß für relativ große Fördervolumen­ ströme der Einfluß des Druckes P₂ relativ gering ist, so daß gilt P_S(X₃) ≈ P1(X₃).

Erfindungsgemäß ist also der Systemdruck innerhalb eines we­ sentlich kleineren Intervals regelbar. Eine entsprechende Re­ gelung ist auf der Kathodenseite 1b möglich, so daß auch in einfacher Weise eine Minimierung des Differenzdruckes ΔP von Anoden- zu Kathodenseite erreicht werden kann.

Claims (5)

1. Brennstoffzellensystem mit wenigstens einer Brennstoffzelle (1), welcher anodenseitig ein Brennstoff, und kathodenseitig Luft und/oder Sauerstoff zuführbar ist, gekennzeichnet durch Druckreglermittel (8a, 8b) zur Regelung eines aufgrund der Brennstoffzufuhr anodenseitig herrschenden Druckes und/oder eines aufgrund der Luftzufuhr kathodenseitig herrschenden Druckes.

2. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Druckreglermittel als stromabwärtig der we­ nigstens einen Brennstoffzelle (1) angeordnete Düsen (8a, 8b), insbesondere Freistrahldüsen, ausgebildet sind.

3. Brennstoffzellensystem nach einem der vorstehenden Ansprü­ che 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei der we­ nigstens einen Brennstoffzelle (1) um eine Direkt-Brennstoff- Brennstoffzelle, insbesondere eine DMFC-Brennstoffzelle, han­ delt, welcher anodenseitig ein flüssiges Brennstoff/Wasser- Gemisch, insbesondere Methanol/Wasser-Gemisch, zuführbar ist.

4. Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems, bei welchem wenigstens einer Brennstoffzelle anodenseitig ein Brennstoff, und kathodenseitig Luft und/oder Sauerstoff zuge­ führt wird, dadurch gekennzeichnet, daß ein aufgrund der Brennstoffzufuhr anodenseitig herrschen­ der Druck und/oder ein aufgrund der Luftzufuhr kathodenseitig herrschender Druck mittels Druckreglermitteln (8a, 8b) gere­ gelt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckreglermittel (8a, 8b) als stromabwärtig bezüglich der we­ nigstens einen Brennstoffzelle angeordnete Düsen, insbesondere Freistrahldüsen, ausgebildet sind.