EP1332526A1 - Pem-brennstoffzellenanlage mit anodenseitig nachgeschaltetem abgaskatalysator - Google Patents

Pem-brennstoffzellenanlage mit anodenseitig nachgeschaltetem abgaskatalysator

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EP1332526A1
EP1332526A1 EP01993033A EP01993033A EP1332526A1 EP 1332526 A1 EP1332526 A1 EP 1332526A1 EP 01993033 A EP01993033 A EP 01993033A EP 01993033 A EP01993033 A EP 01993033A EP 1332526 A1 EP1332526 A1 EP 1332526A1
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EP
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fuel cell
hydrogen
exhaust gas
cell system
catalytic converter
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Joachim Grosse
Manfred Poppinger
Rolf BRÜCK
Meike Reizig
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Siemens AG
Vitesco Technologies Lohmar Verwaltungs GmbH
Siemens Corp
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Emitec Gesellschaft fuer Emissionstechnologie mbH
Siemens AG
Siemens Corp
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Definitions

  • the invention relates to a fuel cell system with at least one fuel cell module from a stack of polymer electrolyte membrane (PEM) fuel cells.
  • PEM polymer electrolyte membrane
  • a fuel cell system with a PEM (Polymer Electrolyte Membrane) fuel cell module is from, for example
  • EP 07 74 794 Bl known. It is also known to use such PEM fuel cell modules at elevated temperatures, i.e. Operating temperatures above 60 ° C as the normal operating temperature of the PEM fuel cell. In this case, one speaks of an HT-PEM fuel cell. With HT-PEM fuel cells, the working temperature is in a temperature window between 60 ° C and 300 ° C, in particular in the range from 120 ° C to 200 ° C.
  • the operation of the fuel cell is insensitive to contamination of the hydrogen-rich fuel gas obtained from the fuel by means of a reformer or of the hydrogen (H 2 ). Since the hydrogen-operated fuel cell is generally supplied with an excess of hydrogen, the exhaust gas on the hydrogen side of the fuel cell usually still contains a residual amount of hydrogen. This residual hydrogen must be returned to the system or it can be released into the environment.
  • Fuel gas is disadvantageous because it also contains a high proportion of non-flammable gases.
  • the object of the invention is therefore to provide an alternative solution for the recycling of the hydrogen.
  • an HT-PEM fuel cell module is assigned an exhaust gas catalytic converter for hydrogen and / or carbon onoxide and / or hydrocarbon. If the HT-PEM fuel cell module is operated exclusively with pure hydrogen, the exhaust gas catalyst in particular can render the excess hydrogen harmless and does not get into the environment. It is particularly advantageous here that the thermal energy released in the generally exothermic catalyst can be supplied to the reformer upstream of the PEM fuel cell.
  • Catalysts known from the prior art are used as exhaust gas catalysts.
  • a platinum network for example, is particularly suitable as a hydrogen analyzer.
  • Such a catalyst can be electrically heated and in particular be at the operating temperature of the HT-PEM fuel cell.
  • the single figure shows a block diagram of the operation of an HT-PEM fuel cell in connection with an exhaust gas catalytic converter.
  • the system of a fuel cell system is designated by 10 in the figure.
  • Such a system 10 includes a fuel cell module and associated auxiliary units.
  • a fuel cell module 20, which is constructed in the manner of a PEM fuel cell, is indicated by way of example.
  • PEM stands for a hydrogen and oxygen fuel cell with solid electrolytes using the so-called proton exchange method (proton exchange membrane), in which a polymer electrolyte layer (proton electrolyte membrane) forms the essential component of the fuel cell.
  • MEA membrane electrode assembly
  • the hydrogen for the operation of the HT-PEM fuel cell module 20 is generated in a reformer 110 indicated in the figure from a liquid fuel, for example gasoline, methanol or other higher hydrocarbons, or is taken from a hydrogen storage device not shown in the figure.
  • the oxidant is provided from the ambient air. Since there is an excess of hydrogen, hydrogen is released into the environment at the outlet of the hydrogen side of the membrane electrode assemblies of the fuel cell module 20. Such hydrogen exhaust gases are undesirable and should be largely prevented.
  • the PEM fuel cell module 20 is assigned a hydrogen catalyst 25. With such a catalyst, the hydrogen in the exhaust gas of the HT-PEM fuel cell module 20 is rendered harmless.
  • a platinum network serves as the exhaust gas catalytic converter 25 for hydrogen (H 2 ). Since the chemical conversion of hydrogen is an exothermic process, heat energy is released. The heat released is advantageously fed to the reformer 110.
  • the exhaust gas catalytic converter or the exhaust gas itself can also be heated to the operating temperature of the fuel cell, in particular of the HT-PEM fuel cell module 20.
  • Such a hydrogen-rich fuel gas can also be used to operate the HT-PEM fuel cell, which is obtained, for example, from gasoline, methanol or other higher hydrocarbons and also contains impurities of carbon monoxide and / or hydrocarbons as secondary constituents.
  • PEM fuel cell is advantageously tolerated.

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Abstract

Bei einer Brennstoffzellenanlage, die wenigstens ein Brennstoffzellenmodul nach dem HT-PEM-Prinzip beinhaltet, ist vorgesehen, zumindest das an der Wasserstoffseite der einzelnen Brennstoffzelleneinheiten anfallende, überschüssige Wasserstoff-Gas mittels eines Abgaskatalysators (25) unschädlich zu machen. Belastungen der Umgebung durch Wasserstoff werden somit ausgeschlossen. Es können auch Abgaskatalysatoren für im Abgas vorhandene Kohlenmonoxid und/oder Kohlenwasserstoffe vorhanden sein.

Description

Beschreibung
PEM-BRENNSTOFFZELLΞNANLAGE MIT ANODENSEITIG NACHGESCHALTETΞM ABGAS KATALYSATOR
Die Erfindung bezieht sich auf eine BrennstoffZeilenanlage mit Wenigstens einem Brennstoffzellenmodul aus einem Stapel von Polymer-Elektrolyt-Membran (PEM) -Brennstoffzellen.
Eine Brennstoffzellenanlage mit einem PEM (Polymer Electrolyte Membrane) -Brennstoffzellenmodul ist beispielsweise aus der
EP 07 74 794 Bl bekannt. Es ist weiterhin bekannt, derartige PEM-Brennstoffzellenmodule bei erhöhten Temperaturen, d.h. Temperaturen über 60°C als übliche Betriebstemperatur der PEM-Brennstoffzelle, zu betreiben. In diesem Fall spricht man von einer HT-PEM-Brennstoffzelle. Bei HT-PEM-Brennstoffzellen bewegt sich die Arbeitstemperatur in einem Temperaturfenster zwischen 60°C und 300°C, insbesondere im Bereich von 120°C bis 200°C.
Vorteilhaft ist bei der HT-PEM-Brennstoffzelle insbesondere, dass der Betrieb der Brennstoffzelle unempfindlich gegen Verunreinigungen des aus dem Brennstoff mittels eines Reformers gewonnenen Wasserstoffreichen Brenngases oder des Wasserstoffes (H2) ist. Da der wasserstoffbetriebenen Brennstoffzelle im Allgemeinen der Wasserstoff im Überschuss zugeführt wird, enthält das Abgas an der Wasserstoffseite der Brennstoffzelle üblicherweise noch einen Rest an Wasserstoff. Dieser Restwasserstoff muss an das System zurückgeführt werden oder er gelangt in die Umgebung.
Insbesondere beim Betrieb einer HT-PEM-Brennstoffzelle mit wasserstoffreichem Gas, das mittels eines Reformers beispielsweise aus einem flüssigen Brennstoff wie Benzin, Methanol oder höheren Kohlenwasserstoffen erzeugt wurde und beim Hochtemperaturbetrieb der PEM-Brennstoffzelle tolerierbare
Verunreinigungen enthält, ist die Rückführung des restlichen Brenngases unvorteilhaft, weil es auch einen hohen Anteil nicht brennbarer Gase enthält.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Alternativlösung für die Rückführung des Wasserstoffes anzugeben.
Die Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Bei der Erfindung ist einem HT-PEM-Brennstoffzellenmodul ein Abgaskatalysator für Wasserstoff und/oder Kohlen onoxid und/ oder Kohlenwasserstoff zugeordnet. Wird das HT-PEM-Brennstoffzellenmodul ausschließlich mit reinem Wasserstoff be- trieben, kann mit dem Abgaskatalysator speziell der überschüssige Wasserstoff unschädlich gemacht werden und gelangt nicht an die Umgebung. Vorteilhaft ist dabei insbesondere, dass die beim im allgemeinen exotherm arbeitenden Katalysator frei werdende Wärmeenergie dem der PEM-Brennstoffzelle vorge- schalteten Reformer zugeführt werden kann.
Als Abgaskatalysator werden vom Stand der Technik bekannte Katalysatoren verwendet. Insbesondere als Wasserstoff ataly- sator eignet sich beispielsweise ein Platinnetz. Ein solcher Katalysator kann elektrisch beheizt sein und sich insbesondere auf der Betriebstemperatur der HT-PEM-Brennstoffzelle befinden. I
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnung in Verbindung mit den Patentansprüchen.
Die einzige Figur zeigt als Blockschaltbild die Arbeitsweise einer HT-PEM-Brennstoffzelle in Verbindung mit einem Abgaskatalysator. In der Figur ist das System einer Brennstoffzellenanlage mit 10 bezeichnet. Ein solches System 10 beinhaltet ein Brennstoffzellenmodul und zugehörige Nebenaggregate. Angedeutet ist beispielhaft ein Brennstoffzellenmodul 20, das nach Art einer PEM-Brennstoffzelle aufgebaut ist. Dabei steht PEM für eine mit Wasserstoff und Sauerstoff betriebene Brennstoffzelle mit festen Elektrolyten nach dem sogenannten Protonen- Austausch-Verfahren (Proton Exchange Membrane) , bei dem eine Polymer-Elektrolyt-Schicht (Proton Electrolyte Membrane) den wesentlichen Bestandteil der Brennstoffzelle bildet. Es ist jeweils eine Membran-Elektroden-Einheit (MEA = Membran Elec- trode Assembly) vorhanden, an der die Elementarreaktionen von Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (02) unter Generierung elektrischer Ladungen zur Bildung von Wasser erfolgen. Eine Viel- zahl von MEA's mit zugehörigen bipolaren Platten sind zu einem sog. Brennstoffzellen-Stack aus elektrisch in Reihe geschalteten Ele entar-BrennstoffZeileneinheiten gestapelt, an dem eine entsprechende Spannung abgegriffen werden kann.
Der Wasserstoff für den Betrieb des HT-PEM-Brennstoffzellen- moduls 20 wird in einem in der Figur angedeuteten Reformer 110 aus einem flüssigen Brennstoff, beispielsweise Benzin, Methanol oder anderen höheren Kohlenwasserstoffen, erzeugt oder einem in der Figur nicht dargestellten Wasserstoffspei- eher entnommen. Aus der Umgebungsluft wird das Oxidans bereitgestellt. Da Wasserstoff im Überschuss vorhanden ist, wird am Ausgang der Wasserstoffseite der Membran-Elektroden- Einheiten des BrennstoffZeilenmoduls 20 Wasserstoff in die Umgebung abgegeben. Derartige Wasserstoffabgase sind uner- wünscht und sollen weitestgehend unterbunden werden.
In der Figur ist dem PEM-Brennstoffzellenmodul 20 ein Wasserstoffkatalysator 25 zugeordnet. Mit einem solchen Katalysator wird der Wasserstoff im Abgas des HT-PEM-Brennstoffzellen- moduls 20 unschädlich gemacht. Als Abgaskatalysator 25 für Wasserstoff (H2) dient beispielsweise ein Platinnetz. Da die chemische Umwandlung des Wasserstoffes einen exothermen Prozess darstellt, wird Wärmeenergie frei. Vorteilhafterweise wird die freiwerdende Wärme dem Re- former 110 zugeführt. Es kann auch der Abgaskatalysator oder das Abgas selbst auf die Betriebstemperatur der Brennstoffzelle, insbesondere des HT-PEM-Brennstoffzellenmoduls 20, geheizt werden.
Es hat sich gezeigt, dass speziell bei einer PEM-Brennstoff- zelle, die bei Normaldruck bei Temperaturen über 100°C betrieben wird, d.h. bei der sogenannten HT-PEM-Brennstoff- zelle, das unerwünschte Wasserstoffabgas am Ausgang des ■ Brennstoffzellenmoduls weitestgehend unschädlich gemacht wer- den kann.
Zum Betrieb der HT-PEM-Brennstoffzelle kann auch ein solches wasserstoffreiches Brenngas verwendet werden, das beispielsweise aus Benzin, Methanol oder anderen höheren Kohlenwasser- Stoffen gewonnen wird und als Nebenbestandteile noch Verunreinigungen von Kohlenmonoxid und/oder Kohlenwasserstoffen enthält, was beim Betrieb der HT-PEM-Brennstoffzelle vorteilhafterweise toleriert wird. In diesem Fall kann es vorteilhaft sein, in gleicher Weise wie anhand der Figur speziell für einen Katalysator für Wasserstoff (H2) beschrieben, auch Katalysatoren für Kohlenmonoxid und/oder für Kohlenwasserstoffe vorzusehen. Somit können solche störenden Nebenbestandteile im Brenngas und im Abgas unschädlich gemacht werden. Belastungen der Umwelt werden somit ausgeschlossen.

Claims

Patentansprüche
1. Brennstoffzellenanlage mit wenigstens einem Brennstoffzellenmodul aus einem Stapel mit HT-PEM-Brennstoffzellen und zugehörigen Membran-Elektroden-Einheiten (MEA) , wobei das
Brennstoffzellenmodul mit Wasserstoff oder einem wasserstoffreichen Gas betrieben wird, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass für die mit Wasserstoff (H2) oder einem Wasserstoffreichen Brenngas betriebenen HT-PEM- Brennstoffzellen an der Abgasseite der Membran-Elektroden- Einheiten (21, 21 λ, ...) ein Abgaskatalysator (25) für Wasserstoff und/oder Kohlenmonoxid und/oder Kohlenwasserstoffe vorhanden ist.
2. Brennstoffzellenanlage nach Anspruch 1, bei der das Brennstoffzellenmodul mit reinem Wasserstoff betrieben wird, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Abgaskatalysator ein H2-Katalysator (25) ist, mit dem unerwünschte Wasserstoff (H2) -Emissionen ausgeschlossen werden.
3. Brennstoffzellenanlage nach Anspruch 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der H2-Katalysator (25) ein Platinnetz ist.
4. Brennstoffzellenanlage nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Abgaskatalysator (25) elektrisch beheizbar ist.
5. Brennstoffzellenanlage nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Abgaskatalysator (25) ein exotherm arbeitender Katalysator ist.
6. Brennstoffzellenanlage nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass dem Brennstoffzellenmodul (20) ein Reformer (110) vorgeschaltet ist, der zur Gewinnung von Wasserstoff (H2) oder einem was- serstoffreichen Brenngas aus einem flüssigen Brennstoff dient.
7. Brennstoffzellenanlage nach Anspruch 5 und Anspruch 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die exotherme Wärmeenergie des Abgaskatalysators (25) dem Reformer (110) zugeführt wird.
EP01993033A 2000-10-31 2001-10-31 Pem-brennstoffzellenanlage mit anodenseitig nachgeschaltetem abgaskatalysator Withdrawn EP1332526A1 (de)

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