EP1194967A1 - Htm-brennstoffzelle oder -batterie mit verminderter elektrolytausspülung und verfahren zum starten - Google Patents

Htm-brennstoffzelle oder -batterie mit verminderter elektrolytausspülung und verfahren zum starten

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EP1194967A1
EP1194967A1 EP00929221A EP00929221A EP1194967A1 EP 1194967 A1 EP1194967 A1 EP 1194967A1 EP 00929221 A EP00929221 A EP 00929221A EP 00929221 A EP00929221 A EP 00929221A EP 1194967 A1 EP1194967 A1 EP 1194967A1
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EP
European Patent Office
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electrolyte
fuel cell
cell
htm fuel
reservoir
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP00929221A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Ulrich Gebhardt
Manfred Waidhas
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
Publication of EP1194967A1 publication Critical patent/EP1194967A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H01M8/04283—Supply means of electrolyte to or in matrix-fuel cells
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    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the invention relates to an HTM fuel cell with reduced electrolyte flushing.
  • a new type of construction is proposed, with the aid of which the spilled electrolyte is collected and the HTM fuel cell is returned.
  • the invention deals with a method for starting an HTM fuel cell, in which, with the aid of the novel construction, the electrolyte which has been flushed out is returned to the cell during normal operation.
  • the polymer electrolyte membrane fuel cell which as the electrolyte has a base polymer on which [-S0 3 H] groups are attached.
  • the electrolytic conduction takes place via hydrated protons.
  • this membrane needs liquid water, ie operating temperatures below 100 ° C under normal pressure, in order to ensure proton conductivity. This leads to the problem that the inflowing process gases have to be humidified at temperatures above approx. 65 ° C.
  • membrane containing the [-SOjH] groups another membrane (this can also be an ion exchange membrane) and / or a matrix with free and / or physical and / or chemically bound
  • Phosphoric acid is used as the electrolyte of a fuel cell.
  • This fuel cell will be high temperature membrane Called fuel cell (HTM fuel cell).
  • HTM fuel cell high temperature membrane Called fuel cell
  • an HTM fuel cell tion with free phosphoric acid occurs, however at least one problem in the washing out of the electrolyte at temperatures below 100 ° C, so when starting the fuel cell system.
  • the electrolyte loss caused by the rinsing can lead to a loss of performance or even a functional failure of the cell.
  • the rinsed electrolyte leaves the cell with the process gas flow, for example. In order to maintain the functionality of the cell, electrolyte must be added.
  • PAFC Phosphoric Acid Fuel Cell
  • the object of the invention is therefore to provide a fuel cell which operates at operating temperatures above 100 ° C. and which functions without additional electrolyte.
  • the subject matter of the invention is an HTM fuel cell and an HTM fuel cell battery which comprises an electrolyte with an electrode coating on both sides, adjoining in each case a gas diffusion layer and a pole plate, a reservoir being provided, with which the electrolyte which is flushed out of the cell is temporary is storable and available for the cell again.
  • the invention also relates to a method for starting an HTM fuel cell, in which the spooled-out electrical trolyte is collected and the cell is returned.
  • a high-temperature membrane (HTM) fuel cell refers to a fuel cell that contains a conventional electrolyte membrane and / or that contains a membrane as a matrix for physical and / or chemical absorption of the electrolyte as a core piece and whose operating temperature is higher than that of conventional PEM -Fuel cell is, that is higher than 80 ° C, preferably higher than 100 ° C. The maximum operating temperature is around 220 ° C.
  • the HTM fuel cell has an electrolyte that has good conductivity in a non-water environment at the above-mentioned temperatures.
  • Each container is referred to as a reservoir, stored in the electrolyte and from which, under certain circumstances, product water and / or process exhaust gas can also evaporate.
  • the container is so closely coupled to the HTM fuel cell stack that it can reach its temperature.
  • the material of the reservoir is to be selected accordingly so that it is resistant to the electrolyte and yet easy to heat.
  • a device for pressure compensation is contained in the reservoir.
  • the reservoir is made of stretchable and / or elastic material with variable absorption, so that the inflowing electrolyte significantly influences the volume of the reservoir (according to the principle of a balloon and / or an accordion bellows).
  • the electrolyte is phosphoric acid, sulfuric acid, sulfuric acid, etc., ie all compounds that physically and / or chemically attach to a membrane or an inert matrix within the HTM fuel cell (hereinafter referred to as electrical lyttrager or carrier) are bound and which cause the electrolytic conduction of the protons within the HTM fuel cell.
  • the electrolyte preferably phosphoric acid and / or a more complete on ⁇ eigendissoziierende Broensted acid used.
  • the electrolyte which has been rinsed out is collected and automatically returned to the cell after the equilibrium has been established.
  • a water-permeable barrier layer is located within the HTM fuel cell.
  • This barrier layer can be arranged between the electrode and the gas diffusion layer or the gas conducting layer and the gas space which is delimited by the pole plate.
  • the reservoir is connected directly to the HTM fuel cell (FIGS. 1 and 2), so that when the electrolyte is started with the product water, the reservoir is printed and when the cell is in operation, in particular with one Operating temperature of over 100 ° C, the product water evaporates and the resulting capillary negative pressure sucks the electrolyte back into the cell.
  • the electrolyte is simply removed from the stack with the process gas stream.
  • a collecting reservoir is provided only in the cell stack derivation of the process gas line. The electrolyte is stored in this collecting reservoir and / or cleaned of the process exhaust gas and / or the product water before it is sucked back through the additional line into the HTM fuel cell stack to the individual cells of the stack (e.g. via capillary effect).
  • the electrolyte is also washed out of the cell with the process exhaust gas and m to which Stack adjacent, Sam elreservoir headed where he gegebe ⁇ appropriate, nigt from the process gas and / or the product water gerei ⁇ is.
  • the process gas line is preferably used instead of an additional line to recirculate the electrolyte. The process gas line is switched over so that the process gas flows in the opposite direction and thus transports the electrolyte m the cell again (FIG. 4). In this case it is
  • the process gas pressure on one side of the electrolyte may exclusively cathode-side application of the electrolyte at the start and / or be favored when switching off, so that, for example bet ⁇ ebenen air in the HTM fuel cell, an additional to ⁇ Air supply line, for example from the compressor and / or from the air filter to the reservoir, is sufficient so that the cathode air flow can be switched in opposite directions for a short time (cf. FIG. 4).
  • the liquid barrier layer is known from DE 19844983.6 and can e.g. comprise a fine-pored carbon airgel and / or a xerogel.
  • FIG. 1 shows the configuration with a liquid barrier layer, one (FIG. 1 a) with the liquid barrier layer adjacent to the pole plate and the second (FIG. 1 b) with the liquid barrier layer between the electrode and the gas diffusion layer.
  • Figure 2 also shows embodiments with Flusstechniks ⁇ barrier layer, however, there are capillaries in Elek ⁇ trolyttrager integrated, which again zurucksaugen the electrolyte fast ⁇ ler the cell.
  • FIG. 3 shows an embodiment in which a collecting reservoir for the HTM fuel lines of a stack is provided
  • FIG. 4 finally shows a diagram of an HTM fuel cell, is present at a collection reservoir / reservoir in which a construction by which, after he ⁇ patentedtem start, the process gas stream may be switched in opposite directions, so that the electrolyte on the process gas flow again the HTM Fuel cell is transported back.
  • the electrolyte carrier 1 with electrolyte, e.g. a NafionQ membrane with free phosphoric acid.
  • the cell is delimited by the two pole plates 5 which open the reservoir 2 upwards.
  • the electrolyte carrier 1 also extends to the reservoir 2, so that when the cell overflows the electrolyte together with product water m the reservoir 2 is rinsed.
  • the figure shows the reservoir 2 half full.
  • the HTM fuel cell also contains two gas diffusion layers 3 with catalyst coating, such as Carbon mesh or other current collectors.
  • the two HTM fuel cells from FIG. 1 differ with regard to the arrangement of the liquid barrier layer 4 within the cell.
  • Adjacent m Figure la is at the pole plates 5 a Flusstechnikssperr GmbH 4, such as a microporous carbons ⁇ fabric structure that ensures that the cell is not the gas discharge channels 7 of the pole plates 5, via runs, but the reservoir. 2
  • this liquid barrier layer 4 is located directly adjacent to the electrolyte carrier, so that the electrolyte cannot even overflow into the gas diffusion layer 3.
  • FIG. 2 again shows two HTM fuel cells, which are identical except for the arrangement of the liquid barrier layer 4.
  • the electrolyte carrier e.g. the porous matrix or membrane, here capillaries and / or channels integrated, which are directed and facilitate and / or accelerate the return of the electrolyte from the reservoir 2.
  • the product water is released from the cell in gaseous form and a negative pressure is created in the cell, which supports the electrolyte, if necessary by, preferably directed , Capillaries and / or channels in the electrolyte carrier, the cell is sucked back out of the reservoir.
  • FIG. 3 shows an embodiment in which the liquid barrier layer of the cell can be omitted and the overflow of the electrolyte is collected by all cells of a stack 31 and the collection reservoir 32 is led through the line 33 m.
  • At least one process exhaust gas line 34 also leads through the collecting reservoir 32, so that the amount of electrolyte which has been removed from the cells with the process gas also ends up in the collecting reservoir 32.
  • FIG. 4 shows an embodiment in which the
  • Electrolyte no longer automatically flows back into the cell, but instead the cells are blown back by switching the process gas line after the start procedure.
  • a single cell is again shown (as in Figures 1 and 2), although the application is also obvious in a stack.
  • the HTM fuel cell has the electrolyte carrier 43 arranged in the center, which, as in all exemplary embodiments, can have directed capillaries.
  • the cell is delimited by the pole plates 5.
  • Arranged at a distance from the cell is the collecting reservoir 46, which is shown in the figure immediately below the cell for reasons of clarity.
  • the process gas 1 flows, e.g.
  • the process exhaust gas 1 enriched with electrolyte vapor and / or droplets then flows via line 41 m to the collecting reservoir 46, where conditions (pressure, temperature, etc.) prevail that cause at least the electrolyte to be separated from the process exhaust gas 1 there.
  • the collecting reservoir 46 is preferably constructed so that the
  • the process exhaust gas (1) line which leads out of the collecting reservoir 46, has a valve 49 which is closed after the starting process has ended, that is to say when the operating temperature of the cell is preferably greater than 100 ° C. Simultaneously with the closing of the valve 49, the valve 50 is opened.
  • the process gas 2 flows through the valve 50 is the same type as the process gas 1, for example air again, m the collecting reservoir 46, preferably through the liquid electrolyte, where the conditions are now set so that the process gas 2 is enriched with electrolyte.
  • the process gas 2 leaves the collecting reservoir 46 via the line 41 and flows the HTM fuel cell through the gas distribution channels 48, to which it releases the electrolyte to the cell.
  • the process gas 2 leaves the cell again through the process exhaust gas (2) line 42 and the valve 51. When starting, the valve 51 remains closed.
  • the present invention solves the problem of electrolyte loss from a liquid electrolyte of an HTM fuel cell.
  • the invention is primarily designed for starting an HTM fuel cell that has an operating temperature of greater than 100 ° C., however, the application is to similar problems (leakage and / or overflow) of these or other HTM fuel cells and outside the starting process obvious.

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Abstract

Eine HTM-Brennstoffzelle mit verminderter Elektrolytausspülung. Es wird eine neuartige Konstruktion vorgeschlagen mit deren Hilfe der ausgespülte Elektrolyt aufgefangen (32) und in die HTM-Brennstoffzelle (31) zurückgeführt wird. Ausserdem behandelt die Erfindung ein Verfahren zum Starten einer HTM-Brennstoffzelle, bei dem, mit Hilfe der neuartigen Konstruktion, der ausgespülte Elektrolyt bei normalem Betrieb wieder in die Zelle zurückgeführt wird.

Description

Beschreibung
HTM-BRENNSTOFFZELLE ODER -BATTERIE MIT VERMINDERTER ELEKTROLYTAUSSPULUNG UND VERFAHREN ZUM STARTEN
Die Erfindung betrifft eine HTM-Brennstoffzelle mit verminderter Elektrolytausspulung. Es wird eine neuartige Konstruk- tion vorgeschlagen mit deren Hilfe der ausgespulte Elektrolyt aufgefangen und m die HTM-Brennstoffzelle zurückgeführt wird. Außerdem behandelt die Erfindung ein Verfahren zum Starten einer HTM-Brennstoffzelle, bei dem, mit Hilfe der neuartigen Konstruktion, der ausgespulte Elektrolyt bei nor- malern Betrieb wieder m die Zelle zurückgeführt wird.
Bekannt ist aus der DE 19844983.6 (noch unveröffentlicht) eine Flussigkeitssperrschicht für eine Brennstoffzelle, insbe¬ sondere für eine PEM-Brennstoffzelle.
Bekannt ist zudem die Polymer-Elektrolyt-Membran- Brennstoffzelle, die als Elektrolyten ein Basispolymer hat, an dem [-S03H] -Gruppen hangen. Die elektrolytische Leitung findet dabei über hydratisierte Protonen statt. Diese Membran braucht entsprechend flussiges Wasser, d.h. unter Normaldruck Betriebstemperaturen unter 100°C, um die Protonenleitfahig- keit zu gewährleisten. Daraus ergibt sich das Problem, daß die einströmenden Prozeßgase bei Temperaturen oberhalb von ca. 65°C befeuchtet werden müssen.
Ein Ansatzpunkt, die Beschrankung der Betriebstemperatur aufzuheben, ist, daß anstelle der [-SOjH] -Gruppen enthaltenden Membran eine andere Membran (dabei kann es sich auch um eine Ionenaustauschermembran handeln) und/oder eine Matrix mit freier und/oder physikalisch und/oder chemisch gebundener
Phosphorsaure als Elektrolyt einer Brennstoffzelle eingesetzt wird. Diese Brennstoffzelle wird Hochtemperatur-Membran- Brennstoffzelle (HTM-Brennstoffzelle) genannt. Bei der Reali¬ sierung einer HTM-Brennstoffzelle mit freier Phosphorsaure tritt jedoch zumindest ein Problem auf die Ausspülung des Elektrolyten bei Temperaturen unter 100°C, also beim Starten der BrennstoffZellenanlage . Dies ist hauptsächlich ein Pro¬ blem, wenn die Brennstoffzelle im Start/Stop Betrieb gefahren wird, also z.B. bei der mobilen Anwendung. Der durch die Aus- spulung bedingte Elektrolytverlust kann zu Leistungseinbußen bis hin zum Funktionsausfall der Zelle fuhren. Der ausgespul- te Elektrolyt verlaßt beispielsweise mit dem Prozeßgasstrom die Zelle. Zum Erhalt der Funktionsfahigkeit der Zelle muß Elektrolyt nach dosiert werden.
Das Problem ist von der Phosphorsaurebrennstoffzelle PAFC (Phosphor Acid Fuel Cell) her bekannt, dort jedoch von untergeordneter Bedeutung, weil die PAFC vornehmlich stationär im standigen Betrieb über einen längeren Zeitraum eingesetzt wird und der Großteil des Elektrolytverlustes, wie gesagt, wahrend des Startens entsteht. Die Anwendung der Erfindung auf stationäres Systeme ist naheliegend.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Brennstoffzelle zu schaffen, die bei Betriebstemperaturen oberhalb von 100°C arbeitet und die ohne Nachdosierung von Elektrolyt funktionsfa-
Gegenstand der Erfindung ist eine HTM-Brennstoffzelle sowie eine HTM-Brennstoffzellenbatterie, die einen Elektrolyten mit beidseitiger Elektrodenbeschichtung, daran angrenzend jeweils eine Gasdiffusionsschicht und eine Polplatte umfaßt, wobei ein Reservoir vorgesehen ist, m dem der Elektrolyt, der aus der Zelle ausgespult wird, vorübergehend speicherbar und für die Zelle wieder verfugbar ist.
Außerαem ist Gegenstand der Erfindung ein Verfahren zum Starten einer HTM-Brennstoffzelle, bei dem der ausgespulte Elek- trolyt aufgefangen und wieder m die Zelle zuruckgeleitet wird.
Als Hochtemperatur-Membran- (HTM) -Brennstoffzelle wird ede Brennstoffzelle bezeichnet, die eine herkömmliche Elektrolyt- Membran und/oder die eine Membran als Matrix zur physikalischen und/oder chemischen Aufnahme des Elektrolyten als Kernstuck enthalt und deren Betriebstemperatur hoher als die der herkömmlichen PEM-Brennstoffzelle ist, also hoher als 80°C, bevorzugt hoher als 100°C. Die maximale Betriebstemperatur liegt m etwa bei 220°C. Die HTM-Brennstoffzelle hat einen Elektrolyten, der gute Leitfähigkeit im nicht-wassπgen Milieu bei den oben genannten Temperaturen besitzt.
Als Reservoir wird jedes Behältnis bezeichnet, m dem Elektrolyt gespeichert und aus dem unter Umstanden auch Produktwasser und/oder Prozeßabgas abdampfen kann.
Das Behältnis ist, nach einer Ausfuhrungsform, so eng an den HTM-Brennstoffzellenstack gekoppelt, daß es dessen Temperatur annehmen kann. Entsprechend ist dabei das Material des Reservoirs auszuwählen, so daß es resistent gegenüber dem Elektrolyten und trotzdem leicht erwarmbar ist.
Nach einer anderen Ausfuhrungsform ist eine Vorrichtung zum Druckausgleich im Reservoir enthalten.
Nach einer weiteren Ausfuhrungsform ist das Reservoir aus dehnbarem und/oder elastischem Material mit variablem Aufnah- mevermogen, so daß der einfließende Elektrolyt das Volumen des Reservoirs maßgeblich beeinflußt (nach dem Prinzip eines Luftballons und/oder eines Zieharmonikabalgs) .
Als Elektrolyt wird Phosphorsaure, Schwefelsaure, schwefelige Saure etc. bezeichnet, d.h. alle Verbindungen, die innerhalb der HTM-Brennstoffzelle physikalisch und/oder chemisch an eine Membran oder eine inerte Matrix (im folgenden als Elektro- lyttrager oder Trager bezeichnet) gebunden sind und die die elektrolytische Leitung der Protonen innerhalb der HTM- Brennstoffzelle bewirken.
Als Elektrolyt wird bevorzugt Phosphorsaure und/oder eine an¬ dere eigendissoziierende Broenstedt-Saure eingesetzt.
Nach einer Ausgestaltung des Verfahrens wird der ausgespulte Elektrolyt aufgefangen und automatisch nach Einstellung des Gleichgewichts wieder m die Zelle zuruckgeleitet .
Nach einer Ausgestaltung der Erfindung befindet sich innerhalb der HTM-Brennstoffzelle eine Sperrschicht für Wasser, die gaspermeabel ist. Diese Sperrschicht kann zwischen der Elektrode und der Gasdiffusionsschicht oder der Gasleit- schicht und dem Gasraum, der durch die Polplatte begrenzt wird, angeordnet sein. Bei diesen Konstruktionen ist es von Vorteil, wenn das Reservoir direkt an die HTM-Brennstoffzelle anschließt (Figuren 1 und 2), so daß beim Starten der Elek- trolyt mit dem Produktwasser m das Reservoir gedruckt wird und beim Betrieb der Zelle, insbesondere bei einer Betriebstemperatur von über 100°C, das Produktwasser verdunstet und der so entstehende Kapillar-Unterdruck den Elektrolyten wieder m die Zelle saugt.
Bei einer Ausgestaltung wird der Elektrolyt einfach mit dem Prozeßgasstrom aus dem Stack ausgebracht. Bei dieser Ausfuhrungsform ist erst m der Zellstack-Ableitung der Prozeßgas- leitung ein Sammelreservoir vorgesehen. In diesem Sammelre- servoir wird der Elektrolyt gespeichert und/oder vom Prozeßabgas und/oder vom Produktwasser gereinigt, bevor er durch die zusätzliche Leitung wieder m den HTM- Brennstoffzellenstack, zu den einzelnen Zellen des Stacks (z.B. über Kapillareffekt) zurück gesaugt wird.
Bei einer weiteren Ausgestaltung wird der Elektrolyt auch mit dem Prozeßabgas aus der Zelle ausgewaschen und m ein, an den Stack angrenzendes, Sam elreservoir geleitet, wo er, gegebe¬ nenfalls vom Prozeßabgas und/oder vom Produktwasser gerei¬ nigt, wird. Nach erfolgtem Starten der HTM- Brennstoffzellenbatterie, wenn die Betriebstemperatur, bevor- zugt großer 100°C, erreicht ist, wird dann anstelle einer zusatzlichen Leitung, bevorzugt die Prozeßgasleitung zur Ruck- fuhrung des Elektrolyten eingesetzt. Dabei wird die Prozeßgasleitung umgeschaltet, so daß das Prozeßgas m die entgegengesetzte Richtung strömt und so den Elektrolyten wieder m die Zelle transportiert (Figur 4) . In diesem Fall ist die
Leitung, die von der HTM-Brennstoffzelle zum Reservoir vorgesehen ist, identisch mit dem Prozeßgaskanal.
Durch eine Erhöhung des Prozeßgasdrucks auf der einen Seite des Elektrolyten, also z.B. anodenseitig, kann die ausschließlich kathodenseitige Ausbringung des Elektrolyten beim Starten und/oder beim Abschalten begünstigt werden, so daß, z.B. bei der Luft-betπebenen HTM-Brennstoffzelle, eine zu¬ sätzliche Luftzufuhrungsleitung z.B. vom Kompressor und/oder vom Luftfilter zum Reservoir ausreicht, damit der Kathoden- luftstrom kurzfristig gegenläufig geschaltet werden kann (vgl . Figur 4) .
Die Flussigkeitssperrschicht ist aus der DE 19844983.6 be- kannt und kann z.B. ein feinporiges Kohlenstoffaerogel und/oder ein Xerogel umfassen.
Im folgenden werden Ausfuhrungsbeispiele durch die Figuren 1 bis 4 noch naher erläutert.
Figur 1 zeigt die Ausgestaltung mit Flussigkeitssperrschicht, einmal (Fig. la) mit der Flussigkeitssperrschicht angrenzend an die Polplatte und zum zweiten (Figur lb) mit der Flussigkeitssperrschicht zwischen der Elek- trode und der Gasdiffusionsschicht . Figur 2 zeigt ebenfalls Ausfuhrungsformen mit Flussigkeits¬ sperrschicht, jedoch sind dabei Kapillaren im Elek¬ trolyttrager integriert, die den Elektrolyten schnel¬ ler wieder die Zelle zurucksaugen.
Figur 3 zeigt eine Ausgestaltung bei der ein Sammelreservoir für die HTM-BrennstoffZeilen eines Stacks vorgesehen
Figur 4 zeigt schließlich ein Schaltbild einer HTM- Brennstoffzelle, mit einem Sammelreservoir/Reservoir, bei der eine Konstruktion vorliegt, mit der, nach er¬ folgtem Start, der Prozeßgasstrom gegenläufig geschaltet werden kann, so daß der Elektrolyt über den Prozeßgasstrom wieder die HTM-Brennstoffzelle zu- rucktransportiert wird.
In Figur 1 sind zwei HTM-Brennstoffzellen zu sehen. Folgende Beschreibung gilt für beide Abbildungen:
In der Mitte befindet sich jeweils der Elektrolyttrager 1 mit Elektrolyt, also z.B. eine NafionQ Membran mit freier Phosphorsaure. Die Zelle wird begrenzt durch die beiden Polplatten 5, die nach oben hm m das Reservoir 2 munden. Ebenfalls bis das Reservoir 2 erstreckt sich der Elektrolyttrager 1, so daß beim Überlaufen der Zelle der Elektrolyt samt Produktwasser m das Reservoir 2 gespult wird. Die Figur zeigt das Reservoir 2 zur Hälfte gef llt. Ebenfalls der HTM- Brennstoffzelle enthalten sind zwei Gasdiffusionsschichten 3 mit Katalysatorbelegung, wie z.B. Kohlegewebe oder andere Stromkollektoren.
Die beiden HTM-Brennstoffzellen aus Figur 1 unterscheiden sich hinsichtlich der Anordnung der Flussigkeitssperrschicht 4 innerhalb der Zelle. Angrenzend an die Polplatten 5 befindet sich m Figur la eine Flussigkeitssperrschicht 4, wie z.B. eine mikroporöse Kohlen¬ stoffStruktur, die sicherstellt, daß die Zelle nicht die Gasableitungskanale 7 der Polplatten 5, überlauft, sondern das Reservoir 2.
In Figur lb befindet sich diese Flussigkeitssperrschicht 4 direkt angrenzend an den Elektrolyttrager, so daß der Elektrolyt noch nicht einmal m die Gasdiffusionsschicht 3 uber- laufen kann.
Figur 2 zeigt wiederum zwei HTM-Brennstoffzellen, die bis auf die Anordnung der Flussigkeitssperrschicht 4 identisch sind. Im Unterschied zu den Figur 1 gezeigten HTM- Brennstoffzellen hat der Elektrolyttrager, wie z.B. die poröse Matrix oder die Membran, hier Kapillaren und/oder Kanäle integriert, die gerichtet sind und das Zurücklaufen des Elektrolyten aus dem Reservoir 2 erleichtern und/oder beschleunigen.
Im Betrieb der HTM-Brennstoffzelle, insbesondere, wenn die Zelle eine Temperatur von über 100°C erreicht, wird das Produktwasser gasformig aus der Zelle ausgebracht und es entsteht m der Zelle ein Unterdruck, der den Elektrolyten, ge- gebenenfalls unterstutzt durch, vorzugsweise gerichtete, Kapillaren und/oder Kanäle im Elektrolyttrager, aus dem Reservoir wieder m die Zelle zurucksaugt.
In Figur 3 wird eine Ausfuhrungsform gezeigt, bei der die Flussigkeitssperrschicht der Zelle entfallen kann und der Überlauf des Elektrolyten von allen Zellen eines Stacks 31 gesammelt wird und durch die Leitung 33 m das Sammelreservoir 32 gefuhrt wird. Zumindest eine Prozeßabgasleitung 34 fuhrt ebenfalls durch das Sammelreservoir 32, so daß die Men- ge an Elektrolyt, die mit dem Prozeßgas aus den Zellen ausgebracht wurde, auch im Sammelreservoir 32 landet. Durch Kapillarwirkung des Elektrolyttragers, also der Membran oder der porösen Matrix oder einfach durch den wahrend des Betriebs entstehenden Unterdruck kann auch bei dieser Ausfuhrungsforr der Elektrolyt automatisch m die Zelle zurück gesaugt wer¬ den.
Durch einen leicht erhöhten Reaktandendruck auf der Anoden¬ seite kann die ausschließliche kathodenseitige Ausbringung des Elektrolyten erreicht werden.
In Figur 4 ist eine Ausfuhrungsform gezeigt, bei der der
Elektrolyt nicht mehr automatisch die Zelle zurückfließt, sondern durch Umschalten der Prozeßgasleitung nach erfolgter Startprozedur die Zellen zurück geblasen wird. Gezeigt ist der Einfachheit halber wieder eine Einzelzelle (wie m den Fi- guren 1 und 2), obwohl die Anwendung m einem Stack ebenfalls naheliegt. Die HTM-Brennstoffzelle hat mittig angeordnet den Elektrolyttrager 43, der, wie bei allen Ausfuhrungsbeispie- len, gerichtete Kapillaren haben kann. Die Zelle wird durch die Polplatten 5 begrenzt. Im Abstand zu der Zelle angeordnet ist das Sammelreservoir 46, das m der Figur wegen der Übersichtlichkeit unmittelbar unterhalb der Zelle gezeigt ist. Beim Starten strömt das Prozeßgas 1, z.B. Luft, durch das Ventil 47 über die Leitung 42 die Gasverteilungskanale 48 der Zelle, wo es unter anderem den überlaufenden Elektrolyten aufnimmt. Das mit Elektrolytdampf und/oder -tropfchen angereicherte Prozeßabgas 1 aus der Zelle fließt dann über die Leitung 41 m das Sammelreservoir 46, wo Bedingungen herrschen (Druck, Temperatur etc.) die bewirken, daß zumindest der Elektrolyt dort vom Prozeßabgas 1 abgeschieden wird. Das Sammelreservoir 46 ist bevorzugt so konstruiert, daß der
Elektrolyt dort, vor seiner Rückführung die Zelle gereinigt wird. Die Prozeßabgas ( 1 ) -Leitung, die aus dem Sammelreservoir 46 heraus fuhrt, hat ein Ventil 49, das nach beendigtem Startvorgang, also wenn die Betriebstemperatur der Zelle bevorzugt großer 100°C betragt, geschlossen wird. Gleichzeitig mit dem Schließen des Ventils 49 wird das Ventil 50 geöffnet. Durch das Ventil 50 strömt das Prozeßgas 2, das von derselben Art wie das Prozeßgas 1 ist, also z.B. wieder Luft, m das Sammelreservoir 46, bevorzugt durch den flussigen Elektrolyten, wo die Bedingungen nun so eingestellt sind, daß sich das Prozeßgas 2 mit Elektrolyt anreichert. Über die Lei- tung 41 verlaßt das Prozeßgas 2 das Sammelreservoir 46 und strömt die HTM-Brennstoffzelle, durch die Gasverteilungs- kanale 48, denen es den Elektrolyten wieder an die Zelle abgibt. Durch die Prozeßabgas (2 ) -Leitung 42 und das Ventil 51 verlaßt das Prozeßgas 2 wieder die Zelle. Beim Starten bleibt das Ventil 51 geschlossen.
Mit der vorliegenden Erfindung wird das Problem des Elektrolytverlustes eines flussigen Elektrolyts einer HTM- Brennstoffzelle gelost. Die Erfindung ist primär f r den Start einer HTM-Brennstoffzelle konzipiert, die eine Betriebstemperatur von großer 100°C hat, jedoch ist die Anwendung auf ähnlich gelagerte (Auslauf und/oder Überlauf-) Probleme von diesen oder anderen HTM-Brennstoffzellen und außerhalb des Startvorgangs naheliegend.

Claims

Patentansprüche
1. HTM-Brennstoffzelle, die einen Elektrolyten mit beidsei- tiger Elektrodenbeschichtung, daran angrenzend jeweils eine Gasdiffusionsschicht und eine Polplatte umfaßt, wobei ein Reservoir vorgesehen ist, m dem der Elektrolyt, der aus der Zelle ausgespult wird, vorübergehend speicherbar und für die Zelle wieder verfugbar ist.
2. HTM-Brennstoffzelle nach Anspruch 1, bei der das Reservoir einer Zelle zugeordnet ist.
3. HTM-Brennstoffzelle nach Anspruch 2, bei der m der Zelle eine Flussigkeitssperrschicht enthalten ist.
4. HTM-Brennstoffzelle nach Anspruch 1, bei der eine zusätz¬ liche Leitung vorgesehen ist und das Reservoir ein Sammelreservoir für mehrere HTM-Brennstoffzellen ist.
5. HTM-Brennstoffzellenbatterie, die einen Stack mit zumin¬ dest einer HTM-Brennstoffzelle nach einem der vorstehenden Ansprüche umfaßt, wobei das Reservoir anschließend an den Stack, m einer Prozeßgasleitung angeordnet ist.
6. Verfahren zum Starten einer HTM-Brennstoffzelle, bei dem der ausgespulte und/oder übergelaufene Elektrolyt aufgefangen und wieder die HTM-Brennstoffzelle zuruckgelei- tet wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem der aufgefangene Elektrolyt vor seiner Zuruckfuhrung m die Zelle gereinigt wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 oder 7, bei dem die Rückführung des Elektrolyten automatisch geschieht. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 oder 7, bei dem nach erfolgtem Starten der HTM-Brennstoffzelle eine Prozeßgas- versorgungsleitung kurzzeitig umgeschaltet wird, so daß das Prozeßgas die umgekehrte Richtung strömt.
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Families Citing this family (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2001003218A1 (de) * 1999-07-05 2001-01-11 Siemens Aktiengesellschaft Htm-brennstoffzellenanlage und verfahren zum betrieb einer htm-brennstoffzellenanlage
DE19962684A1 (de) * 1999-12-23 2001-07-26 Siemens Ag Brennstoffzellenanlage als Antriebseinheit für ein Fahrzeug
DE10214565A1 (de) * 2002-03-31 2003-10-23 Siemens Ag Verfahren zur Verringerung der Degradation von HT-PEM-Brennstoffzellen und zugehörige Brennstoffzellenanlage
US20040202921A1 (en) * 2003-04-14 2004-10-14 Gencell Corporation Apparatus and method for addition of electrolyte to fuel cells
US7749637B2 (en) * 2005-09-19 2010-07-06 Gm Global Technology Operations, Inc. Water blocking layer and wicking reservoir for PEMFC
DE102006026080A1 (de) * 2006-06-03 2007-12-06 Sartorius Ag Brennstoffzellensystem und Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems mit flüssigem Energieträger
JP5310730B2 (ja) * 2008-10-10 2013-10-09 トヨタ自動車株式会社 燃料電池
US20120225360A1 (en) * 2009-07-16 2012-09-06 Basf Se Method for operating a fuel cell
WO2011006624A2 (de) * 2009-07-16 2011-01-20 Basf Se Verfahren zum betrieb einer brennstoffzelle und zugehörige brennstoffzelle
DE102009028308A1 (de) 2009-08-06 2011-02-10 Volkswagen Ag Membran-Elektroden-Einheit sowie eine solche umfassende Brennstoffzelle
DE102014104310A1 (de) * 2014-03-27 2015-10-01 Siqens Gmbh Vorrichtung und Verfahren zur Lebensdauerverlängerung von HT-PEM Brennstoffzellen

Family Cites Families (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4276356A (en) * 1979-03-27 1981-06-30 Energy Research Corporation Matrix member for containing fuel cell acid electrolyte
JPS60121680A (ja) * 1983-12-06 1985-06-29 Fuji Electric Corp Res & Dev Ltd りん酸形燃料電池のりん酸補給方法
US4596748A (en) * 1984-04-11 1986-06-24 United Technologies Corporation Method for replacing lost electrolyte in fuel cells
DE3577623D1 (de) * 1984-10-29 1990-06-13 Engelhard Corp Brennstoffzellenanlage mit mitteln zum rueckgewinnen von elektrolyt.
JPS62237671A (ja) * 1986-04-09 1987-10-17 Hitachi Ltd 燃料電池の電解質保持構造
US4855194A (en) * 1988-02-05 1989-08-08 The United States Of America As Represented By The United States Department Of Energy Fuel cell having electrolyte inventory control volume
JPH0821398B2 (ja) * 1987-12-02 1996-03-04 三菱電機株式会社 積層形燃料電池
JPH01187774A (ja) * 1988-01-21 1989-07-27 Toshiba Corp 燃料電池
JPH02158060A (ja) * 1988-12-12 1990-06-18 Fuji Electric Co Ltd りん酸型燃料電池
JPH07105962A (ja) * 1993-10-07 1995-04-21 Sanyo Electric Co Ltd リン酸型燃料電池
US5558955A (en) * 1994-10-07 1996-09-24 International Fuel Cells Corporation Cathode reactant flow field component for a fuel cell stack
DE19502080A1 (de) * 1995-01-24 1996-08-14 Hoeller Stefan Dipl Ing Fh Demonstrationsmodell
JPH09180738A (ja) * 1995-02-20 1997-07-11 Fuji Electric Co Ltd りん酸型燃料電池
JPH0935727A (ja) * 1995-07-14 1997-02-07 Fuji Electric Co Ltd 燃料電池の電解質補給装置
JPH10168844A (ja) * 1996-12-11 1998-06-23 Toyo Tire & Rubber Co Ltd 異方剛性を有する標識柱

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
See references of WO0059060A1 *

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CA2369001A1 (en) 2000-10-05
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US20020076584A1 (en) 2002-06-20

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