DE69938203T2 - Brennstoffzelle mit gespülter Anode und reduziertem Abgas - Google Patents

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Description

  • Technisches Gebiet
  • Diese Erfindung betrifft die Ableitung von Restbrennstoff, der aus dem Anodenströmungsfeld einer PEM-Brennstoffzelle ausströmt, was erlaubt, dass die Strömung zum Spülen inerter Rückstände, die sich an der Anodenseite der Zelle ansammeln, ausreichend ist.
  • Technischer Hintergrund
  • In allen Brennstoffzellen, insbesondere wo das Oxidationsmittel durch Luft bereitgestellt wird, diffundieren inerte gasförmige Moleküle, insbesondere Stickstoff, durch den Elektrolyten und sammeln sich an der Brennstoffseite (Anode) der Zelle an. Die Ansammlung inerter Rückstände verhindert schließlich, dass der Wasserstoffbrennstoff den Anodenkatalysator und den Elektrolyten erreicht, was schließlich zu einem beträchtlichen Verlust an Zellenleistung führt. Ein Entlassen oder Entlüften der Ausströmung aus der Anode, die immer Restbrennstoff enthält, ist in den meisten Fällen unerwünscht, weil nicht abreagierter Brennstoff ein Sicherheitsrisiko darstellen kann und im Allgemeinen als die Atmosphäre belastend empfunden wird. Typische Brennstoffzellen-Stromerzeuger sind für einen Betrieb mit Kohlenwasserstoff-Brennstoffen (Erdgas, Methanol oder Benzin) ausgelegt und nutzen üblicherweise das Anodenabgas als eine Brennstoffquelle für einen Brenner, der in der Vorrichtung, die den Brennstoff behandelt, um daraus eine wasserstoffreiche Strömung zu machen, erforderlich ist; der gesamte Brennstoff in dem Anodenabgas wird verbrannt, so dass kein unverbrannter Brennstoff den Stromerzeuger verlässt.
  • Zwar haben manche Raumfahrt- und Militär-Anwendungen Brennstoffzellen-Stromerzeuger mit Wasserstoff als Brennstoff ohne Brennstoff-Behandlungseinrichtung verwendet, und entweder die Anode mit einem toten Ende (dead end) ausgestattet (was keinerlei Ausströmung daraus erlaubt), oder einfach das Anodenabgas in die Umgebung abgelassen, aber es gibt andere Verwendungen für Stromerzeuger mit Wasserstoff als Brennstoff, insbesondere in Fahrzeugen wie Automobilen, die weder die Leistungsverschlechterung, die durch den Aufbau inerter Rückstände an der Anodenseite verursacht werden kann, zulassen können noch ein Brennstoff enthaltendes Abgas zulassen können. Eine Brennstoffströmung mit totem Ende bewirkt, dass sich Verunreinigungen auf Spurenebene ansammeln, was eine Spülung des Brennstoff-Ausgangs in die Umgebung erfordert.
  • Eine Brennstoffzelle mit geschmolzenem Carbonat, bei der Anodenabgas in den Kathodenraum eingespeist wird, ist bereits aus EP 0 442 352 bekannt.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Aufgaben der Erfindung umfassen die Bereitstellung einer mit Wasserstoff als Brennstoff betriebenen PEM-Brennstoffzelle, die eine ausreichende Strömung in dem Anodenströmungsfeld hat, um die Anode von inerten Rückständen zu spülen, während sie ein Brennstoff-freies Abgas in die Umgebung liefert.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Brennstoffzellen-Anodenabgas durch katalytische Reaktion mit dem Oxidationsmittel, typischerweise Luft, verbrannt, bevor es in die umgebende Atmosphäre entlassen wird. Gemäß einer ersten Form der Erfindung wird das Anodenabgas in die Kathoden-Einlassverteilerleitung eingespeist, so dass der nicht abreagierte Wasserstoff sich mit der Einlass-Luft vermischen und sicher mit dem Platinkatalysator an der Kathodenseite der Brennstoffzelle reagieren kann, um im Wesentlichen den gesamten Wasserstoff aus den Emissionen der Kathodenseite der Zelle zu beseitigen. Die Reaktion des Wasserstoffs an der Kathodenseite bildet Wasser, was in Protonenaustauschermembran (PEM)-Brennstoffzellen den zusätzlichen Nutzen der Verbesserung des Wasserhaushalts der Brennstoffzelle hat, weil es zu dem Prozesswasser, das bei der normalen elektrochemischen Reaktion der Zelle erzeugt wird, hinzukommt. Bei dieser Form der Erfindung kann das Anodenabgas entweder vor oder nach dem Luftgebläse zugeführt werden, und die Strömungsgeschwindigkeit des Anodenabgases, das mit der Einlass-Luft gemischt wird, kann als Reaktion auf den Wasserstoffgehalt in der Einlass-Luft, die Gasanalyse der Anodenausströmung, den Strom, der von der Brennstoffzelle einem Verbraucher zugeführt wird, oder andere Parameter kontrolliert werden. Die Abgasströmung aus der Anode kann entweder kontinuierlich, mit einer konstanten oder variierenden Geschwindigkeit, zugeteilt werden, oder sie kann an- und abgeschaltet werden, um dadurch für ein periodisches Spülen nach einem vorbestimmten Zeitplan zu sorgen. Gemäß der Erfindung in einer anderen Form kann die Anodenausströmung durch einen katalytischen Konverter (mechanisch denjenigen ähnlich, die konventionell in Motorfahrzeugen verwendet werden, um Stickstoffoxide, Kohlenmonoxid und ungebundene Kohlenwasserstoffe umzuwandeln) geführt werden, um dadurch vor dem Entlüften in die Atmosphäre den Wasserstoff aufzubrauchen, wie in dem Abgas eines elektrischen Automobils, das mit Brennstoffzellen betrieben wird.
  • Ein Brennstoffzellensystem zur Bereitstellung von elektrischer Energie kann aufweisen: einen PEM-Elektrolyten; einen Kathodenkatalysator, der zwischen einem Kathodensubstrat und dem Elektrolyten an einer Seite des Elektrolyten angeordnet ist; einen Anodenkatalysator, der zwischen einem Anodensubstrat und dem Elektrolyten an der entgegengesetzten Seite des Elektrolyten angeordnet ist; ein Kathoden-Strömungsfeld mit einem Einlass zum Strömen-Lassen eines Oxidationsmittels in Kontakt mit der Kathode, wobei das Kathoden-Strömungsfeld eine Entlüftung hat, um eine Abgabe von Abgas daraus zu erlauben; eine Oxidationsmittel-Pumpe, die Oxidationsmittel zu dem Kathoden-Strömungsfeldeinlass liefert; ein Anoden-Strömungsfeld, um es einer Wasserstoff-Strömung zu erlauben, mit der Anode in Kontakt zu kommen, wobei das Anoden-Strömungsfeld einen Auslass hat; eine Quelle zum Liefern von Wasserstoff zu dem Anoden-Strömungsfeld; und eine Anoden-Strömungsfeld-Abgasleitung, die das Abgas des Anoden-Strömungsfelds mit einer katalytischen Wasserstoff/Oxidationsmittel-Oberfläche verbindet, wodurch Wasserstoff in dem Abgas des Anoden-Strömungsfelds verbrannt wird.
  • Das Brennstoffzellensystem kann auch verwirklicht werden, in dem die Anoden-Strömungsfeld-Abgasleitung das Anodenabgas mit dem Kathoden-Strömungsfeldeinlass verbindet, wodurch die katalytische Wasserstoff/Oxidations mittel-Oberfläche eine Oberfläche des Kathodensubstrats der Brennstoffzelle umfasst.
  • Das Brennstoffzellensystem kann auch verwirklicht werden, in dem Abgas aus dem Kathoden-Strömungsfeld in die Umgebung entlüftet wird.
  • Das Brennstoffzellensystem kann auch verwirklicht werden, in dem die katalytische Wasserstoff/Oxidationsmittel-Oberfläche einen katalytischen Konverter mit einem Oxidationsmittel-Einlass, getrennt von der Brennstoffzelle, aufweist, wobei die Anoden-Strömungsfeld-Abgasleitung das qAnoden-Strömungsfeld mit dem katalytischen Konverter verbindet, wobei das Abgas des katalytischen Konverters in die Umgebung entlüftet wird.
  • Das Brennstoffzellensystem kann auch verwirklicht werden, in dem das Abgas aus dem Kathoden-Strömungsfeld mit dem Oxidationsmitteleinlass des katalytischen Konverters verbunden wird.
  • Das Brennstoffzellensystem kann auch verwirklicht werden, in dem die katalytische Wasserstoff/Oxidationsmittel-Oberfläche einen katalytischen Konverter mit einem Oxidationsmitteleinlass, der in einer Anodenausgang-Strömungsfeld-Sammelleitung an der Brennstoffzelle ausgebildet ist, aufweist, wobei die Anoden-Strömungsfeld-Abgasleitung die Sammelleitung aufweist, wobei das Abgas des katalytischen Konverters in die Umgebung entlüftet wird.
  • Das Brennstoffzellensystem kann auch verwirklicht werden, in dem das Abgas des Kathoden-Strömungsfelds mit dem Oxidationsmitteleinlass des katalytischen Konverters verbunden ist.
  • Das Brennstoffzellensystem kann auch verwirklicht werden, in dem das Oxidationsmittel Luft ist.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • 1 bis 5 sind stilisierte, schematische Abbildungen eines Bereichs eines Brennstoffzellensystems, in dem die vorliegende Erfindung durch Führen des Anodenabgases durch das Kathoden-Strömungsfeld verwirklicht wird.
  • 6 ist eine stilisierte, schematische Abbildung eines Bereichs eines Brennstoffzellensystems, in dem die vorliegende Erfindung durch Führen des Anodenabgases durch einen katalytischen Konverter verwirklicht wird.
  • 7 ist eine grafische Darstellung verschiedener Brennstoffzellen-Parameter als eine Funktion der Zeit, mit und ohne in die Kathodenströmung rückzirkulierten Brennstoff.
  • Beste Art zur Ausführung der Erfindung
  • Eine beispielhafte PEM-Brennstoffzelle, an der die vorliegende Erfindung praktiziert werden kann, ist in dem US-Patent 5 503 944 gezeigt. Wie bekannt ist, besteht ein Brennstoffzellensystem oder ein Brennstoffzellen-Stromerzeuger aus vielen Brennstoffzellen, die so einander benachbart angeordnet sind, dass sie eine Zellenstapelanordnung bilden. Unter Bezugnahme auf 1 enthält jede Komponentenzelle eine Membran 8; ein Anodensubstrat 10 und eine Anodenkatalysatorschicht 12; ein Kathodensubstrat 18 und eine Kathoden-Katalysatorschicht 20; eine Anoden-Strömungsfeldplatte 2'; und eine Kathoden-Strömungsfeldplatte 2. Die Strömungsfeldplatten 2 und 2' sind Rücken-an-Rücken angebracht, wobei die Vorsprünge 4 und 4' in Fläche-an-Fläche-Kontakt angeordnet sind. Die Rillen 6 und 6' bilden in Kombination miteinander Kühlwasser-Strömungsfelder an der Anodenseite und der Kathodenseite der Elektrolytmembran 8. Die Vorsprünge 14' grenzen an das Anodensubstrat 10 an; und die Vorsprünge 14 grenzen an das Kathodensubstrat 18 an. Die Rillen 16' bilden daher das Anoden-Reaktionsmittel-Strömungsfeld; und die Rillen 16 bilden das Kathoden-Reaktionsmittel-Strömungsfeld.
  • 1 zeigt auch schematisch die Systemkomponenten der Zellenstapelanordnung. Alle Anoden-Reaktionsmittel-Strömungsfelder 16 in dem Stromerzeuger werden mit einem wasserstoffreichen Brennstoffgas-Reaktionsmittel aus einem Vorratsquellentank 22 davon gespeist. Das Wasserstoff-Reaktionsmittel strömt von der Vorratsquelle 22 durch eine Versorgungsleitung 24 zu den Anoden-Strömungsfeldern 16'. Die Menge und der Druck des wasserstoffreichen Brennstoffs, der durch die Versorgungsleitung 24 strömt, wird durch ein Einspeiseventil 26 und einen Einspeiseregler 28, die manuell oder automatisch betätigt werden können, kontrolliert. Alle Kathoden-Strömungsfelder 16 werden über ein Luftgebläse 30 und eine Luftleitung 32 mit einem Oxidationsmittel, wie Luft, versorgt. Der Sauerstoff, der in der elektrochemischen Reaktion verwendet wird, stammt daher in dieser Ausführungsform aus Umgebungsluft.
  • Kühlwasser wird mittels Leitungen 34 durch die Stromerzeuger-Zelleneinheiten zirkuliert. Das Kühlwasser geht durch Kühlmitteldurchlässe 26 zwischen den Platten 2 und 2' hindurch. Kühlwasser wird durch eine Pumpe 38, die eine Pumpe mit festgelegter oder variabler Geschwindigkeit sein kann, zirkuliert. Der Kühlwasser-Kreislauf enthält einen Wärmeaustauscher 40, der die Temperatur des Wassers, das aus den Kühlmitteldurchlässen 36 austritt, erniedrigt. Eine Zweigleitung 42 führt von der Leitung 34 zu einem Reservoir 44, das zur umgebenden Umwelt hin offen sein kann. Überschüssiges Wasser, das durch die elektrochemische Reaktion gebildet wird, d. h. Produktwasser, wird mittels der Leitung 42 in das Reservoir 44 abgelassen. Daher stellt das Reservoir 44 einen Aufnehmer von System-Produktwasser bereit. Ein Ablauf-Ausflussrohr 46 erlaubt die Abgabe von überschüssigem Wasser an die Umgebung. Der Wärmeaustauscher wird bevorzugt durch einen Thermostaten 48 kontrolliert, der die Temperatur des Wasserstroms, der aus dem Wärmeaustauscher 40 austritt, fühlt.
  • Erfindungsgemäß sind die Anoden-Strömungsfelder 16' mittels einer Leitung 50 durch ein Ventil 52 mit der Luft-Einlassleitung 32 verbunden, das Ventil 52 kann als Reaktion auf einen Entflammbarkeits-Sensor 54 betätigt werden, was sicherstellt, dass die Menge an Wasserstoff, die in die Luft-Einlassleitung 32 eingeführt wird, gut unterhalb von 4% bleibt, wodurch ein gefährlicher Zustand vermieden wird. Der Wasserstoff, der mit Wasserdampf durch das Ventil 52 dem Lufteinlass 32 zugeführt wird, wird in das Kathoden-Strömungsfeld 16 geführt, wo er an der Kathoden-Katalysatorschicht 20 (mit dem Sauerstoff in der Luft) reagiert, um Wärme und Wasser zu liefern. Das Abgas des Kathoden-Strö mungsfelds 16, durch den Pfeil 55 veranschaulicht, hat im Wesentlichen keinen Wasserstoff in sich, wodurch es perfekt sicher und nicht-belastend ist. In einer typischen PEM-Brennstoffzelle kann der Wasserstoffgehalt in dem Anodenabgas 50% bis 90% betragen. Die Brennstoff-Spülströmung wird so eingestellt, dass die Volumenkonzentration an Wasserstoff an dem Mischpunkt in der Leitung 32 immer weniger als 4% und typischerweise weniger als 1% ist und daher ziemlich sicher für eine Einführung in das Kathoden-Strömungsfeld ohne irgendeine Gefahr ist. Wie durch Bezugnahme auf 7 zu sehen ist, werden Betrieb und Temperatur der Brennstoffzelle durch das Einführen des Anodenabgases in den Kathoden-Luftstrom praktisch gar nicht beeinflusst.
  • Eine in 2 gezeigte Ausführungsform der Erfindung ist identisch mit der von 1 mit der Ausnahme, dass ein Gaszusammensetzungs-Analysegerät 57 den Gehalt des Anodenabgases in der Leitung 50 überwacht und das Ventil 52 dementsprechend kontrolliert. Eine in 3 gezeigte Ausführungsform der Erfindung ist identisch mit derjenigen von 1 mit der Ausnahme, dass das Ventil 52 durch Strom in dem Brennstoffzellen-Verbraucher, wie er durch einen konventionellen Stromdetektor 62 angegeben wird, kontrolliert wird. Eine in 4 veranschaulichte Ausführungsform der Erfindung ist identisch mit derjenigen von 1 mit der Ausnahme, dass das Ventil 52 durch einen Magneten 65 in Reaktion auf eine Uhr 66 kontrolliert wird, so dass es sich periodisch öffnet und das Anoden-Strömungsfeld für eine vorbestimmte Zeit spült. Andere Vorgehensweisen können verwendet werden, um das Ventil 52 zu kontrollieren. Eine in 5 veranschaulichte Ausführungsform der Erfindung ist ähnlich derjenigen von 1 mit der Ausnahme, dass das Ventil 52 mit dem Einlass des Gebläses 30 anstatt mit seinem Auslass verbunden ist. Die Art der Kontrolle des Ventils 52 kann in Übereinstimmung mit irgendeiner der hierin vorstehenden Verfahrensweisen sein oder anders sein. Der Punkt der Einspeisung des Anodenabgases in den Kathoden-Einlassluftstrom, und ob oder wie die Anoden-Abgasströmung kontrolliert wird, sind beide irrelevant für die vorliegende Erfindung, die in dieser Form einfach die Anoden-Ausströmung, zumindest für eine gewisse Zeit, zu dem Kathoden-Strömungsfeld führt, um den gesamten verbleibenden Brennstoff zu verbrennen, was ein Ausspülen inerter Stoffe von der Anodenseite der Zelle erlaubt, ohne die Atmosphäre zu verunreinigen oder eine Gefahr für die Sicherheit aufgrund von Brennstoff in dem Abgas zu riskieren.
  • Verschiedene Brennstoffzellen-Betriebsparameter wurden gemessen, mit und ohne in die Kathoden-Reaktionsluft-Einlassströmung zurückzirkuliertes Anoden-Brennstoffabgas. 7 veranschaulicht die Entwicklung dieser Parameter während des Tests. In 7 beginnt der Test ohne Brennstoff, der der Kathode zugeführt wird; etwa 38 min später wird der Anoden-Brennstoffauslass in die Kathoden-Reaktionsluft-Einlassströmung mit einer Geschwindigkeit von 2500 ccm zurückzirkuliert; bei etwa 48 min wird die Geschwindigkeit der Zugabe von Brennstoff in die Reaktionsluft-Einlassströmung auf etwa 650 ccm verringert; und bei etwa 57 min wird der Fluss von Brennstoff in die Reaktionsluft beendet. Die Datenentwicklung zeigt, dass die Parameter der Zellenspannung und der Zellentemperatur als ein Ergebnis des Einspritzens von Brennstoff in die Reaktionsluft minimale Veränderungen aufwiesen.
  • Eine andere Form der Erfindung, die in 6 gezeigt ist, führt die Anoden-Ausströmung nicht dem Kathoden-Strömungsfeld zu, sondern führt vielmehr die Anoden-Ausströmung über eine Leitung 70 einem katalytischen Konverter 69 zu, dessen Abgas 72 in die Umgebung entlassen wird. Ein Teil des Kathodenabgases aus der Brennstoffzelle in einer Leitung 74 wird in einer Leitung 75 zu dem katalytischen Konverter umgelenkt, um Oxidationsmittel für die katalytische Verbrennung von Brennstoff bereitzustellen. Die Menge an Brennstoff, die verbraucht werden muss, ist so klein, dass der katalytische Konverter 69 nicht mit irgendeiner speziellen Kühlung ausgestattet werden muss. Diese Form der Erfindung kann durch einen getrennten katalytischen Konverter bereitgestellt werden, der in einem Fahrzeug von der Brennstoffzelle entfernt angeordnet ist, oder sie kann von einem Katalysator bereitgestellt werden, der innerhalb einer Anodenabgas-Sammelleitung in einer ähnlichen Weise wie bei der Sammelleitung, die in der ebenfalls anhängigen US-Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen Nr. 169405, eingereicht am 9. Oktober 1998, in einem anderen Zusammenhang beschrieben ist, befestigt ist. Jedenfalls kann für den katalytischen Konverter eine andere Luftquelle bereitgestellt werden, um mit dem Brennstoff, der verbrannt werden muss, zu reagieren.
  • Daher sollte es für Fachleute klar sein, dass, obwohl die Erfindung hinsichtlich beispielhafter Ausführungsformen davon gezeigt und beschrieben wurde, die vorstehende und verschiedene andere Veränderungen, Weglassungen und Hinzufügungen darin und daran durchgeführt werden können, ohne von dem Umfang der Erfindung abzuweichen.

Claims (11)

  1. Ein PEM-Brennstoffzellensystem zum Bereitstellen elektrischer Energie, aufweisend: einen PEM-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 Kathoden-Strömungsfeld (16) zum Strömen-Lassen eines Oxidationsmittels in Kontakt mit der Kathode, wobei das Kathoden-Strömungsfeld (16) eine Entlüftung hat, um eine Abgabe von Abgas (55) daraus zu erlauben; eine Oxidationsmittel-Pumpe (30), die Oxidationsmittel zu dem Kathoden-Strömungsfeld (16) liefert; ein Anoden-Strömungsfeld (16'), um es einer Wasserstoff-Strömung zu erlauben, mit der Anode in Kontakt zu kommen, wobei das Anoden-Strömungsfeld (16) einen Auslass hat; eine Quelle (22) zum Liefern von Wasserstoff zu dem Anoden-Strömungsfeld (16'); und eine Anoden-Strömungsfeld-Auslassleitung (50), die den Auslass des Anoden-Strömungsfelds (16') mit dem Oxidationsmittelströmungs-Einlass (32) zu dem Kathoden-Strömungsfeld (16) verbindet.
  2. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, außerdem aufweisend: ein Strömungskontrollventil (52) in der Anoden-Strömungsfeld-Auslassieitung (50).
  3. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 2, bei dem das Ventil (52) geregelt wird, um für eine Strömung mit Unterbrechungen zu sorgen.
  4. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 3, bei dem das Ventil (52) geregelt wird, um als Reaktion auf einen vorbestimmten Zeitplan für eine Strömung mit Unterbrechungen zu sorgen.
  5. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 2 bis 4, bei dem das Ventil (52) die Strömung als Reaktion auf die Menge an Wasserstoff in dem Gemisch des Anodenabgases und des Einlass-Oxidationsmittels an dem Einlass (32) in das Kathoden-Strömungsfeld (16) bemisst.
  6. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 2 bis 4, bei dem das Ventil (52) die Strömung als Reaktion auf die Gaszusammensetzung in dem Anoden-Strömungsfeld-Abgas bemisst.
  7. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 2 bis 4, bei dem das Ventil (52) die Strömung als Reaktion auf die Stromerzeugungsmenge der Brennstoffzelle bemisst.
  8. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem das Anoden-Strömungsfeld (16') durch die Auslassleitung (50) stromab von der Oxidationsmittel-Pumpe (30) verbunden wird.
  9. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem das Anoden-Strömungsfeld (16') durch die Auslassleitung (50) stromauf von der Oxidationsmittel-Pumpe (30) verbunden wird.
  10. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem das Oxidationsmittel Luft ist.
  11. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei dem das Abgas des Kathoden-Strömungsfelds (16) in die Umgebung entlüftet wird.
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