DE69920279T2 - Gespülte anode, brennstoffzelle mit geringen rückständen - Google Patents

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Description

  • Technischer Bereich
  • Diese Erfindung betrifft das Ableiten verbleibenden Brennstoffs, der von dem Anodenströmungsfeld einer Brennstoffzelle stammt, wodurch ermöglicht wird, dass die Strömung ausreichend ist, um inerten Rückstand, der sich an der Anodenseite der Zelle ansammelt, auszuspülen.
  • Hintergrund der Erfindung
  • Bei allen Brennstoffzellen, insbesondere, wenn das Oxidationsmittel durch Luft zugeführt wird, diffundieren inerte gasförmige Moleküle, insbesondere Stickstoff, durch den Elektrolyten und sammeln sich an der Brennstoffseite (Anode) der Zelle an. Das Ansammeln von inertem Rückstand hält schließlich den Wasserstoffbrennstoff davon ab, den Anodenkatalysator und den Elektrolyten zu erreichen, was schließlich zu einem wesentlichen Verlust an Zellenleistung führt. Ein Auslassen oder Entlüften von Ausfluss aus der Anode, welcher immer verbleibenden Brennstoff enthält, ist in den meisten Fällen unerwünscht, weil unreagierter Brennstoff ein Sicherheitsrisiko darstellen kann und im Allgemeinen als ein Verschmutzen der Atmosphäre empfunden wird. Typische Brennstoffzellenkraftwerke sind für einen Betrieb mit Wasserstoff-Kohlenstoff-Brennstoffen (Erdgas, Methanol oder Benzin) ausgelegt und verwenden für gewöhnlich das Anodenabgas als eine Brennstoffquelle für einen in der Vorrichtung benötigten Brenner, der den Brennstoff verarbeitet, um ihn zu einem wasserstoffreichen Strom zu machen; der gesamte Brennstoff in dem Anodenabgas wird verbrannt, so dass kein unverbrannter Brennstoff das Kraftwerk verlässt.
  • Obwohl einige Weltraum- und Militäranwendungen wasserstoffversorgte Brennstoffzellenkraftwerke eingesetzt haben ohne einen Brennstoffprozessor und entweder die Anode sackgassenartig verschlossen haben (ein Ausströmen daraus nicht erlaubend) oder das Anodenabgas einfach in die Umgebung abgegeben haben, gibt es andere Verwendungen für wasserstoffversorgte Kraftwerke, insbesondere in Fahrzeugen wie Automobilen, welche weder die Leistungsdegradation, welche durch den Aufbau von inerten Rückständen an der Anodenseite bewirkt werden kann, tolerieren können, noch ein Brennstoff enthaltendes Abgas tolerieren können. Ein sackgassenartig verschlossener Brennstoffstrom bewirkt, dass sich Spurenverunreinigungen ansammeln, was eine Brennstoffausgangspülung in die Umgebung nötig macht.
  • EP 0 476 610 A2 offenbart ein Leistungserzeugungssystem, welches Brennstoffzellen einsetzt. Das System weist einen Reformer und zwei Brennstoffzellenstapel auf. Aus einer ersten Anode abgegebene Gase werden direkt einer zweiten Anode des Brennstoffzellenstapels eingeführt. Von der zweiten Anode abgegebene Gase und von einer zweiten Kathode des Brennstoffzellenstapels abgegebene Gase werden in die Brennkammer des Reformers eingeführt. Die von einer Brennkammer abgegebenen Gase werden einem Dampfgenerator zugeführt, um Dampf für eine Reformierung zu erzeugen und werden dann zu der ersten Kathode zurückgeführt.
  • EP 0 442 352 A2 offenbart ein Betriebsverfahren für Leistungserzeugungssysteme, welche eine Brennstoffzelle verwenden. CO2 wird von aus einer Kathodenkammer der Brennstoffzelle abgegebenen Gasen z.B. durch einen CO2-Separator getrennt. Um den Wirkungsgrad der Brennstoffzelle zu steigern, wird das abgetrennte CO2 insgesamt oder teilweise der Kathodenkammer zusammen mit aus der Anodenkammer abgegebenen Gasen zugeführt, so dass eine CO2-Konzentration in der Kathodenkammer angehoben wird und die Leistungserzeugung bei einem geringen CO2-Verwendungsfaktor-Modus durchgeführt wird.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Aufgaben der Erfindung umfassen das Bereitstellen einer wasserstoffversorgten Brennstoffzelle, welche eine ausreichende Strömung in dem Anodenströmungsfeld hat, um die Anode von inertem Rückstand zu spülen, wobei für brennstofffreies Abgas in die Umgebung gesorgt ist.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Brennstoffzellen-Anodenabgas durch eine katalytische Reaktion mit dem Oxidationsmittel, typischerweise Luft, verbrannt, bevor es in die Umgebungsatmosphäre ausgelassen wird. In Übereinstimmung mit einer ersten Form der Erfindung wird das Anodenabgas dem Kathodeneinlassverzweigungssystem zugeführt, so dass der unreagierte Wasserstoff sich mit der Einlassluft mischen kann und sicher an dem Platinkatalysator an der Kathodenseite der Brennstoffzelle reagieren kann, um im wesentlichen allen Wasserstoff aus den Emissionen der Kathodenseite der Zelle zu eliminieren. Eine Reaktion des Wasserstoffs an der Kathodenseite bildet Wasser, welches in manchen Brennstoffzellen, wie Protonaustauschmembran-Brennstoffzellen (protone exchange membrane (PEM) fuel cells) einen zusätzlichen Vorteil hat dahingehend, dass die Wasserbalance der Brennstoffzelle verbessert wird, weil es zu dem in der normalen elektrochemischen Reaktion der Zelle produzierten Prozesswasser hinzukommt. In dieser Form der Erfindung kann der Anodenauslass entweder vor oder hinter dem Luftgebläse vorgesehen werden, und die Strömungsrate von Anodenabgas gemischt mit Einlassluft kann in Reaktion auf den Wasserstoffgehalt in der Einlassluft, der Gasanalyse des Anodenabflusses, des durch die Brennstoffzelle zu einer Last zugeführten Stroms oder anderer Parameter gesteuert werden. Die Abgasströmung aus der Anode kann entweder kontinuierlich, bei einer konstanten oder variierenden Rate dosiert werden oder kann an- und ausgeschaltet werden, um dadurch für ein periodisches Spülen gemäß eines vorbestimmten Zeitplans zu sorgen. Gemäß der Erfindung in einer anderen Form kann der Anodenabfluss durch einen Katalysator geführt werden (mechanisch ähnlich denjenigen, welche herkömmlich in Motorfahrzeugen verwendet werden, um Stickoxide, Kohlenstoffmonoxid und ungebundene Kohlenwasserstoffe umzuwandeln), um dadurch Wasserstoff vor einem Entlüften in die Atmosphäre zu konsumieren, wie in dem Auspuff eines brennstoffzellenangetriebenen elektrischen Automobils.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • 1 bis 5 sind stilisierte, schematische Diagramme eines Bereichs eines Brennstoffzellensystems, in dem die vorliegende Erfindung durch Durchführen des Anodenabgases durch das Kathodenströmungsfeld bewirkt wird.
  • 6 ist ein stilisiertes, schematisches Diagramm eines Bereichs eines Brennstoffzellensystems, in dem die vorliegende Erfindung durch Durchführen des Anodenabgases durch einen Katalysator bewirkt wird.
  • 7 ist eine grafische Darstellung mehrerer Brennstoffzellenparameter als eine Funktion der Zeit, mit und ohne dass Brennstoff in den Kathodenstrom rezirkuliert wird.
  • Bester Modus zum Ausführen der Erfindung
  • Eine beispielhafte PEM-Brennstoffzelle, in der die vorliegende Erfindung ausgeführt werden kann, ist in US-Patent 5,503,944 gezeigt. Wie bekannt, weist ein Brennstoffzellensystem oder -kraftwerk viele Brennstoffzellen auf, die benachbart zueinander angeordnet sind, so dass sie eine Zellenstapelanordnung bilden. Bezugnehmend auf 1 weist jede Komponentenzelle eine Membran 8; ein Anodensubstrat 10 und eine Anodenkatalysatorschicht 12; ein Kathodensubstrat 18 und eine Kathodenkatalysatorschicht 20; eine Anodenströmungsfeldplatte 2'; und eine Kathodenströmungsfeldplatte 2 auf. Die Strömungsfeldplatten 2 und 2' sind Rücken-an-Rücken positioniert, wobei Vorsprünge 4 und 4' in Kontakt Vorderseite-an-Vorderseite angeordnet sind. Die Ausnehmungen 6 und 6' fügen sich zusammen, so dass sie Kühlwasserströmungsfelder an der Anoden- und der Kathodenseite der Elektrolytmembran 8 bilden. Die Vorsprünge 14' liegen an dem Anodensubstrat 10 an; und die Vor sprünge 14 liegen an dem Kathodensubstrat 18 an. Die Ausnehmungen 16' bilden dabei das Anodenreaktantenströmungsfeld; und die Ausnehmungen 16 bilden das Kathodenreaktantenströmungsfeld.
  • 1 zeigt auch, schematisch, die Systemkomponenten der Zellenstapelanordnung. Alle Anodenreaktantenströmungsfelder 16' in dem Kraftwerk werden mit einem wasserstoffreichen Brennstoffgasreaktanten aus einem Versorgungsquellentank 22 davon versorgt. Der Wasserstoffreaktant strömt von der Versorgungsquelle 22 zu den Anodenströmungsfeldern 16' durch eine Versorgungsleitung 24. Die Menge und der Druck von wasserstoffreichem, durch die Versorgungsleitung 24 strömendem Brennstoff wird durch ein Versorgungsventil 26 und einen Versorgungsregulator 28, der manuell oder automatisch betrieben werden kann, gesteuert. Alle Kathodenströmungsfelder 16 werden mit einem Oxidationsmittel wie Luft über ein Luftgebläse 30 und eine Luftleitung 32 versorgt. Der in der elektrochemischen Reaktion verwendete Sauerstoff stammt somit in dieser Ausführungsform aus Umgebungsluft.
  • Kühlwasser wird über Leitungen 34 durch die Kraftwerkzelleneinheiten zirkuliert. Das Kühlwasser verläuft durch Kühlmittelpassagen 36 zwischen den Platten 2 und 2'. Kühlwasser wird durch eine Pumpe 38 zirkuliert, die eine Pumpe bei einer festen oder einer variablen Drehzahl sein kann. Der Kühlwasserzirkulationskreis weist einen Wärmetauscher 40 auf, der die Temperatur des aus den Kühlmittelpassagen 36 austretenden Wassers senkt. Eine Abzweigleitung 42 führt von der Leitung 34 zu einem Reservoir 44, das offen zu einer umliegenden Umgebung sein kann. Überschüssiges, durch die elektrochemische Reaktion gebildetes Wasser, d.h. Produktwasser, wird über die Leitung 42 in das Reservoir 44 abgeleitet. Somit stellt das Reservoir 44 eine Aufnahme für Systemproduktwasser bereit. Ein Auslass 46 ermöglicht ein Auslassen von überschüssigem Wasser in die Umgebung. Der Wärmetauscher ist vorzugsweise durch einen Thermostaten 48 gesteuert, der die Temperatur des den Wärmetauscher 40 verlassenden Wasserstroms erfasst.
  • In Übereinstimmung mit der Erfindung sind die Anodenströmungsfelder 16' über eine Leitung 50 durch ein Ventil 52 zu der Lufteinlassleitung 32 verbunden, wobei das Ventil 52 in Reaktion auf einen Entzündbarkeitssensor 54 betrieben werden kann, der sicherstellt, dass die Wasserstoffmenge, die in die Lufteinlassleitung 32 eingeführt wird, ausreichend unterhalb von 4% bleibt, wodurch ein gefährlicher Zustand vermieden wird. Der mit Wasserdampf durch das Ventil 52 zu dem Lufteinlass 32 zugeführte Wasserstoff wird in das Kathodenströmungsfeld 16 geführt, wo er an der Kathodenkatalysatorschicht 20 (mit dem Sauerstoff in der Luft) reagiert, um so Wärme und Wasser bereitzustellen. Das Abgas des Kathodenströmungsfelds 16, durch den Pfeil 55 veranschaulicht, hat im wesentlichen keinen Sauerstoff in sich, wodurch es vollkommen sicher und nicht-verschmutzend ist. Bei einer typischen PEM-Brennstoffzelle kann der Wasserstoffgehalt in dem Anodenabgas 50% bis 90% sein. Die Brennstoffspülströmung ist derart eingestellt, dass die volumetrische Konzentration von Wasserstoff an dem Mischpunkt in der Leitung 32 stets weniger als 4% ist und typischerweise weniger als 1% ist und daher ziemlich sicher für eine Einführung in das Kathodenströmungsfeld ohne Gefahr ist. Wie durch Bezugnahme auf 7 gesehen werden kann, sind der Brennstoffzellenbetrieb und die Brennstoffzellentemperatur kaum irgendwie beeinflusst durch das Einführen von Anodenabgas in den Kathodenluftstrom.
  • Eine Ausführungsform der in 2 gezeigten Erfindung ist identisch mit derjenigen aus 1, außer dass ein Gaszusammensetzungsanalysator 57 den Gehalt an Anodenabgas in der Leitung 50 überwacht und das Ventil 52 dementsprechend steuert. Eine in 3 gezeigte Ausführungsform der Erfindung ist identisch mit derjenigen aus 1, außer dass das Ventil 52 durch einen Strom in der Brennstoffzellenlast, wie durch einen herkömmlichen Stromdetektor 62 angedeutet, gesteuert wird. Eine in 4 veranschaulichte Ausführungsform der Erfindung ist identisch mit derjenigen aus 1, außer dass das Ventil 52 durch ein Solenoid 65 in Reaktion auf eine Uhr 66 gesteuert wird, so dass das Anodenströmungsfeld periodisch für eine vorbestimmte Zeit geöffnet und gespült wird. Ein anderes Verfahren kann für die Steuerung des Ventils 52 verwendet werden. Eine in 5 veranschaulichte Ausführungsform der Erfindung ist ähnlich derjenigen in 1, außer dass das Ventil 52 mit dem Einlass des Gebläses 30 anstatt mit dessen Auslass verbunden ist. Die Art der Steuerung des Ventils 52 kann in Übereinstimmung mit den hierin zuvor genannten Ver fahren oder anders sein. Die Stelle des Zuführens des Anodenabgases zu dem Kathodeneinlassluftstrom und ob oder wie die Anodenabgasströmung gesteuert wird, sind beide irrelevant für die vorliegende Erfindung, welche in dieser Form lediglich den Anodenabfluss, zumindest zeitweise, dem Kathodenströmungsfeld zuführt, so dass der gesamte verbleibende Brennstoff verbrannt wird, wodurch ein Spülen von Inertstoffen von der Anodenseite der Zelle ermöglicht wird ohne ein Verschmutzen der Atmosphäre oder ein Riskieren von Sicherheitsrisiken aufgrund von Brennstoff in dem Abgas.
  • Verschiedene Brennstoffzellenbetriebsparameter wurden mit und ohne in den Kathodenprozesslufteinlassstrom rezirkuliertes Anodenbrennstoffabgas gemessen. 7 veranschaulicht den Verlauf dieser Parameter während des Tests. In 7 beginnt der Test, ohne dass Brennstoff zu der Kathode zugegeben wird; etwa 38 Minuten später wird der Anodenbrennstoffausgang in den Kathodenprozesslufteinlassstrom bei einer Rate von 2500 cm3 rezirkuliert; bei etwa 48 Minuten wird die Zugaberate von Brennstoff in den Prozesslufteinlassstrom auf etwa 650 cm3 reduziert; und bei etwa 57 Minuten wird die Brennstoffströmung in die Prozessluft beendet. Die Datenverläufe zeigen, dass die Parameter der Zellenspannung und der Zellentemperatur minimale Änderungen als Ergebnis des Injizierens von Brennstoff in die Prozessluft aufweisen.
  • Eine andere, in 6 gezeigte Form der Erfindung führt den Anodenausfluss nicht dem Kathodenströmungsfeld zu, sondern führt den Anodenausfluss vielmehr einem Katalysator 69 über eine Leitung 70 zu, dessen Abgas 72 in die Umgebung ausgelassen wird. Ein Teil des Kathodenabgases aus der Brennstoffzelle in einer Leitung 74 wird zu dem Katalysator in einer Leitung 75 umgeleitet, um Oxidationsmittel für die katalytische Verbrennung von Brennstoff bereitzustellen. Die Brennstoffmenge, die verbraucht werden muss, ist so gering, dass der Katalysator 69 nicht mit einer speziellen Kühlung vorgesehen zu sein braucht. Diese Form der Erfindung kann durch einen separaten Katalysator, der in einem Fahrzeug entfernt von der Brennstoffzelle angeordnet ist, vorgesehen sein, oder sie kann durch einen in einem Anodenabgasverzweigungssystem angebrachten Katalysator vorgesehen sein in einer Weise, welche dem Verzweigungssystem ähnlich ist, das in der anhängigen, der Inhaberin eigenen US-Patentanmeldung mit der Seriennummer 169,405, eingereicht am 9. Oktober 1998, in einem anderen Zusammenhang beschrieben ist. Auf jeden Fall kann eine andere Luftquelle für den Katalysator vorgesehen sein, um mit dem Brennstoff, der verbrannt werden muss, zu reagieren.
  • Das zuvor genannte Patent und die zuvor genannte Patentanmeldung sind durch Inbezugnahme hierin aufgenommen.
  • Obwohl die Erfindung mit Bezug auf beispielhafte Ausführungsformen davon gezeigt und beschrieben wurde, sollten mit dem Stand der Technik vertraute Fachleute verstehen, dass die vorangegangenen und verschiedene andere Änderungen, Auslassungen und Hinzufügungen hierin und hieran gemacht werden können, ohne vom Geist und vom Umfang der Erfindung abzuweichen.

Claims (7)

  1. Brennstoffzellensystem zum Liefern elektrischer Leistung, aufweisend: einen Elektrolyten (8); einen Kathodenkatalysator (20), der zwischen einem Kathodensubstrat (18) und dem Elektrolyten (8) an einer Seite des Elektrolyten (8) angeordnet ist; einen Anodenkatalysator (12), der zwischen einem Anodensubstrat (10) und dem Elektrolyten (8) an der entgegengesetzten Seite des Elektrolyten (8) angeordnet ist; ein Kathodenströmungsfeld (16) mit einem Einlass (32) zum Strömen eines Oxidationsmittels in Kontakt mit der Kathode, wobei das Kathodenströmungsfeld (16) entlüftet wird, um ein Abgeben von Abgas (55) daraus zu ermöglichen; eine Oxidationsmittelpumpe (30), welche Oxidationsmittel zu dem Kathodenströmungsfeld-Einlass (32) zuführt; ein Anodenströmungsfeld (16'), um zu ermöglichen, dass ein Wasserstoffstrom die Anode kontaktiert, wobei das Anodenströmungsfeld (16') einen Auslass hat; eine Quelle (22) zum Zuführen von Wasserstoff zu dem Anodenströmungsfeld (16'); und eine Anodenströmungsfeld-Auslassleitung (70), die den Auslass des Anodenströmungsfelds (16') mit einer Wasserstoff/Oxidationsmittel-katalytischen Oberfläche (69) verbindet, wobei Wasserstoff in dem Auslass aus dem Anodenströmungsfeld (16') verbrannt wird, wobei die Wasserstoff/Oxidationsmittel-katalytische Oberfläche (69) verbranntes Abgas hat, welches zur Umgebung (72) hin entlüftet wird.
  2. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei Abgas (55) des Kathodenströmungsfelds (16) zur Umgebung hin entlüftet wird.
  3. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Wasserstoff/Oxidationsmittel-katalytische Oberfläche einen Katalysator (69) mit einem Oxidationsmitteleinlass aufweist, wobei der Katalysator (69) separat von der Brennstoffzelle ist, wobei die Anodenströmungsfeld-Auslassleitung (70) den Anodenströmungsfeld-Auslass mit dem Katalysator (69) verbindet.
  4. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 3, wobei das Abgas (55) des Kathodenströmungsfelds (16) zum Oxidationsmitteleinlass des Katalysators (69) geleitet wird.
  5. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei die Wasserstoff/Oxidationsmittel-katalytische Oberfläche einen Katalysator (69) aufweist mit einem Oxidationsmitteleinlass, der in einem Anodenausgangsströmungsfeld-Verzweigungssystem an der Brennstoffzelle ausgebildet ist, wobei die Anodenströmungsfeld-Auslassleitung das Verzweigungssystem aufweist.
  6. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 3 bis 5, wobei das Abgas des Kathodenströmungsfelds (16) zu dem Oxidationsmitteleinlass des Katalysators (69) geleitet wird.
  7. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Oxidationsmittel Luft ist.
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