EP1514324A1 - Verfahren und eine anordnung zur erzeugung elektrischer energie mit wenigstens einer brennstoffzelle - Google Patents

Verfahren und eine anordnung zur erzeugung elektrischer energie mit wenigstens einer brennstoffzelle

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EP1514324A1
EP1514324A1 EP03725060A EP03725060A EP1514324A1 EP 1514324 A1 EP1514324 A1 EP 1514324A1 EP 03725060 A EP03725060 A EP 03725060A EP 03725060 A EP03725060 A EP 03725060A EP 1514324 A1 EP1514324 A1 EP 1514324A1
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EP
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fuel cell
membrane
membrane unit
arrangement
unit
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EP03725060A
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Dirk Schröter
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DaimlerChrysler AG
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    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
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    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/1007—Fuel cells with solid electrolytes with both reactants being gaseous or vaporised
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the invention relates to a method and an arrangement for generating electrical energy with at least one fuel cell, which has a membrane unit for indirect or direct separation and / or for the transport of charge carriers and / or reaction gases, an anode on one side of a polymer belonging to the membrane unit. Gaseous fuel membrane and a cathode on the other side of the polymer membrane, an oxidizing gas can be supplied and gaseous reaction products can be removed.
  • a drive unit in a vehicle which has an electric drive motor, a fuel cell and a fuel tank, a water reservoir, an evaporator and a reformer.
  • the fuel tank contains methanol, which is converted into the gaseous state with water from the water storage in the evaporator and then sent to the reformer, in which essentially hydrogen, carbon dioxide and carbon monoxide are formed by supplying heat by means of a catalytic burner.
  • the carbon monoxide can be oxidized with an oxidizer.
  • the hydrogen-containing fuel gas from the reformer is fed to the fuel cell by means of a compressor, which consists of a fuel cell stack in which a large number of individual fuel cell modules are integrated. Humidified air is supplied to the fuel cell with another compressor. In the fuel cell, the hydrogen and oxygen become the Air generates electrical energy for the electric drive motor. (DE 44 12 450 AI)
  • a fuel cell with convection-driven mass transfer is also known (DE 196 42 754 (2)).
  • the fuel cell consists of a stack of fuel cell modules.
  • the stack has an elongated shape with a ratio of width to height of approximately 1: 5 and is arranged in a circuit for the circulation of fuel.
  • the circuit has a lower and an upper reversal point.
  • the fuel flows in the circuit outside the fuel cell to the lower turning point and from there into the fuel cell, in which it is heated and therefore rises. Unused fuel rises to the upper turning point and then reaches a circuit section provided with cooling fins, where it cools down and therefore flows back to the lower turning point under the influence of gravity.
  • This fuel cell increases the efficiency due to the way it works without pumps and compressors.
  • the invention is based on the problem of specifying a method and an arrangement for generating electrical energy with a fuel cell, with which, during operation of the fuel cell in its membrane unit, more uniform conditions can be achieved for the separation of the reaction gases, the charge carrier transport and the removal of the reaction products.
  • the problem is solved according to the invention in a method of the type described in the introduction in that the membrane unit is held during operation of the fuel cell in a position which has an angle of inclination of 45 ° or a smaller angle of inclination with respect to the horizontal.
  • a horizontal plane is to be understood here as being perpendicular to the direction of gravity.
  • the membrane unit is to be understood as the component of a fuel cell that is used directly or indirectly to separate and / or transport charge carriers and / or reaction gasses.
  • the polymer membrane here means the polymer membrane of a fuel cell module as well as the entirety of the polymer membranes of the fuel cell modules, which, for. B. are connected in series in a stack.
  • the membrane unit is arranged in a plane which is at right angles to the direction of gravity. With such an alignment, particularly good conditions in the polymer membrane with respect to the moisture or electrolyte distribution are achieved.
  • a membrane unit of the fuel cell is connected to a support in such a way that it has an inclination angle of 45 ° or a smaller inclination angle with respect to the horizontal.
  • the membrane unit of the fuel cell in a road vehicle for the transportation of people and / or goods is arranged along at least one plane which is oriented in the horizontal vehicle position at a right angle of almost a right angle to the direction of gravity.
  • Road vehicles are usually not approved for driving on roads with gradients of up to 45 °, which means that the fuel cell usually has a substantially smaller angle of inclination than 45 ° compared to the horizontal. A uniform moisture and electrolyte distribution is therefore almost always present in the membrane unit.
  • FIG. 1 shows a diaphragm unit of a fuel cell schematically, partly in perspective and in section
  • Fig. 2 shows schematically a vehicle with an electric drive and a fuel cell for generating the drive energy.
  • a membrane unit 1 of a fuel cell module is shown schematically, partly in perspective and in section.
  • An electrolyte membrane 2 is connected on one side to a cathode 3 which is gas permeable.
  • the membrane 2 is connected to a gas-permeable anode 4.
  • the cathode 3 and the anode 4 can each consist of a carbon fabric.
  • a gas-impermeable plate 5 adjoins the cathode 3 and has a series of ribs on its side facing the cathode 3
  • a gas-impermeable plate 8 Adjacent to the anode 4 is a gas-impermeable plate 8 which has ribs 9 which are arranged at the same distance from one another. are arranged. The ribs 8 touch the anode 4 and form with this channels 10, in which gaseous fuel, for. B. a hydrogen-containing gas, the anode 4 is supplied.
  • the plates 5, 8 can have ribs on both sides and can thus be designed for the supply of fuel gases and oxidizing gases to the adjacent cells.
  • the electrolyte membrane 2 is a proton-conducting ion exchange membrane made of a polymer material, for. B. fluororesin, with very good electrical conductivity when wet.
  • the surface of the membrane 2 is covered with a catalyst.
  • the electrolyte membrane 2, the operation of the fuel cell is moistened by the water of reaction and the moisture of the reaction gases.
  • the membrane unit 1 is held in a position which is perpendicular to the direction of gravity or is at least inclined at an angle of less than 45 ° to the direction of gravity.
  • the horizontal arrangement of the membrane unit 1 described above with respect to gravity, whereby horizontal also means the inclination of less than 45 °, has the further advantage that the removal of the water vapor generated during the reaction and thus the dehumidification of the polymer membrane 2 is favored.
  • FIG. 2 shows schematically a side view of an electric vehicle 12 for the person requirement.
  • An electric motor 13 is provided on the front axle for driving the electric vehicle 12.
  • a fuel cell system 14 is provided which, in a manner known per se, has a fuel tank, a water reservoir, an evaporator, a reformer and a fuel cell 15 which contains fuel cell modules with membrane units 1.
  • the fuel cell modules 15 are arranged in the electric vehicle 12 on a support such that the membrane units 1 extend along planes which, when the electric vehicle 12 is in a horizontal position, form a right angle with the direction of gravity, which is shown in FIG. 2 by a symbolic arrow 16 is shown.
  • Vehicles for the transport of people and / or goods are usually intended for operation with a limited incline of e.g. B. less than 20 °.
  • the arrangement of the membrane units 1 shown in FIG. 2 parallel to the floor part of the vehicle or to a horizontal roadway has the advantage that there is essentially no high-level moisture distribution. Both the moistening of the polymer membranes 2 and the dehumidification due to the reaction gases generated during operation of the fuel cell are therefore almost uniform over the polymer membrane area.

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Abstract

Gegenstand der Erfindung sind ein Verfahren und eine Anordnung zur Erzeugung elektrischer Energie mit wenigstens einer Brennstoffzelle. Die Brennstoffzelle hat eine Membraneinheit (1) zur mittelbaren oder unmittelbaren Trennung und/oder zum Transport von Ladungsträgern und/oder Reaktionsprodukten. Die Membraneinheit (1) hat gegenüber der Waagrechten einen Neigungswinkel von 45° oder einen kleineren Neigungswinkel.

Description

Verfahren und eine Anordnung zur Erzeugung elektrischer Energie mit wenigstens einer Brennstoffzelle
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur Erzeugung elektrischer Energie mit wenigstens einer Brennstoffzelle, die eine Membraneinheit zur mittelbaren oder unmittelbaren Trennung und/oder zum Transport von Ladungsträgern und/oder Reaktionsgasen aufweist, wobei einer Anode auf einer Seite einer zur Membraneinheit gehörenden Polymer-Membran gasformiger Brennstoff und einer Kathode auf der anderen Seite der Polymer-Membran ein oxidierendes Gas zufuhrbar und gasformige Reaktionsprodukte abfuhrbar sind.
Es ist eine Antriebsaggregat in einem Fahrzeug bekannt, das einen Elektrofahrmotor, eine Brennstoffzelle und einen Brennstofftank, einen Wasserspeicher, einen Verdampfer und einen Reformer aufweist. Der Brennstofftank enthalt Methanol, das mit Wasser aus dem Wasserspeicher im Verdampfer in den gasformigen Zustand überfuhrt und danach zum Reformer geleitet wird, in dem unter Zufuhr von Warme mittels eines katalyti- schen Brenners im wesentlichen Wasserstoff, Kohlendioxid und Kohlenmonoxid gebildet wird. Das Kohlenmonoxid kann mit einem Oxidator oxidiert werden. Das Wasserstoffhaltige Brenngas aus dem Reformer wird mittels eines Kompressors der Brennstoffzelle zugeführt, die aus einem Brennstoffzellen-Stack besteht, in dem eine Vielzahl einzelner Brennstoffzellen-Module integriert sind. Mit einem weiteren Kompressor wird der Brennstoffzelle befeuchtete Luft zugeführt. In der Brennstoffzelle wird aus dem Wasserstoff und dem Sauerstoff der Luft elektrische Energie für den Elektrofahrmotor erzeugt. (DE 44 12 450 AI)
Bekannt ist auch eine Brennstoffzelle mit konvektionsgetrie- benem Stofftransport (DE 196 42 754 (2)). Die Brennstoffzelle besteht aus einem Stapel von Brennstoffzellen-Modulen. Der Stapel hat eine längliche Form mit einem Verhältnis von Breite zu Hohe von ca. 1:5 und ist in einem Kreislauf für die Umwälzung von Brennstoff angeordnet. Der Kreislauf hat einen unteren und einen oberen Umkehrpunkt. Der Brennstoff strömt im Kreislauf außerhalb der Brennstoffzelle zum unteren Umkehrpunkt und von dort in die Brennstoffzelle, in der er erwärmt wird und daher nach oben steigt. Unverbrauchter Brennstoff steigt bis zum oberen Umkehrpunkt und gelangt anschließend in einen mit Kuhlrippen versehenen Kreislaufabschnitt , wo er sich abkühlt und deshalb unter dem Einfluß der Schwerkraft wieder zum unteren Umkehrpunkt strömt. Mit dieser Brennstoffzelle wird aufgrund der Arbeitsweise ohne Pumpen und Kompressoren der Wirkungsgrad erhöht.
Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, ein Verfahren und eine Anordnung zur Erzeugung elektrischer Energie mit einer Brennstoffzelle anzugeben, mit denen im Betrieb der Brennstoffzelle in deren Membraneinheit gleichförmigere Verhaltnisse für die Trennung der Reaktionsgase, den Ladungstrager- transport und die Abfuhr der Reaktionsprodukte erzielbar sind.
Das Problem wird bei einem Verfahren der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemaß dadurch gelöst, daß die Membraneinheit wahrend des Betriebs der Brennstoffzelle in einer Lage gehalten wird, die gegenüber der Waagrechten einen Neigungswinkel von 45° oder einen kleineren Neigungswinkel hat. Unter Waagrechten ist hierbei eine Ebene zu verstehen, die rechtwinklig gegenüber der Richtung der Erdanziehung verlauft. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird zumindest zu einem wesentlichen Teil ein aufgrund der Erdanziehung hohenabhangig unterschiedlicher Gasdruck und damit auch ein unterschiedlicher Gehalt an Wasserdampf in den Reaktionsgasen und in der Polymer-Membran vermieden. Hieraus ergibt sich ein relativ gleichmaßiger Feuchtigkeitsgehalt bzw. Elektrolytgehalt im gesamten Membranbereich. Der Einfluß der Schwerkraft auf den Elektrolyt wird ebenfalls gleichförmiger. Der Membranbereich tragt daher gleichmäßiger zur Energieerzeugung bei. Ungleich- maßige Belastungen in der Membranzone und damit eine Verminderung der Membranlebensdauer können somit ebenfalls vermieden werden. Unter Membraneinheit ist hierbei dasjenige Bauteil einer Brennstoffzelle zu verstehen, das mittelbar oder unmittelbar der Trennung und/oder dem Transport von Ladungsträgern und/oder Reaktionsgassen dient. Unter Polymer-Membran ist hierbei die Polymer-Membran eines Brennstoffzellen-Moduls ebenso wie die Gesamtheit der Polymer-Membranen der Brennstoffzellen-Module zu verstehen, die z. B. in einem Stapel in Serie geschaltet sind.
Insbesondere ist die Membraneinheit in einer Ebene angeordnet, die gegenüber der Richtung der Schwerkraft rechtwinklig verlauft. Mit einer solchen Ausrichtung werden besonders gute Verhaltnisse in der Polymer-Membran in Bezug auf die Feuch- tigkeits- bzw. Elektrolytverteilung erzielt.
Bei einer Anordnung der eingangs beschriebenen Art wird das Problem erfindungsgemaß dadurch gelost, daß eine Membraneinheit der Brennstoffzelle mit einem Trager derart verbunden ist, daß sie gegenüber der Waagrechten einen Neigungswinkel von 45° oder einem kleineren Neigungswinkel hat.
Bei einer bevorzugten Ausfuhrungsform ist die Membraneinheit der Brennstoffzelle in einem Straßenfahrzeug für den Personen- und/oder Gütertransport längs wenigstens einer Ebene angeordnet, die in waagrechter Fahrzeugstellung unter einem rechten Winkel der nahezu einem rechten Winkel zur Richtung der Schwerkraft ausgerichtet ist. Straßenfahrzeuge sind üblicherweise nicht für die Fahrt auf Straßen mit Steigungen bis 45° zugelassen, d. h. daß die Brennstoffzelle meistens im Betrieb gegenüber der Horizontalen eine wesentlich geringeren Neigungswinkel als 45° hat. Eine gleichmäßige Feuchtigkeits- und Elektrolytverteilung ist demnach in der Membraneinheit nahezu immer vorhanden.
Die Erfindung wird im folgenden an Hand eins in einer Zeichnung dargestellten Ausfuhrungsbeispiels naher beschrieben, aus dem sich weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile ergeben.
Dabei zeigen:
Fig. 1 eine Membraneinheit einer Brennstoffzelle schematisch, teilweise perspektivisch und im Schnitt,
Fig. 2 schematisch ein Fahrzeug mit einem Elektroantrieb und einer Brennstoffzelle für die Erzeugung der Antriebsenergie .
In der Zeichnung ist eine Membraneinheit 1 eines Brennstoffzellen-Moduls schematisch, teilweise perspektivisch und im Schnitt dargestellt. Eine Elektrolyt-Membran 2 ist auf einer Seite mit eine Kathode 3 verbunden, die gasdurchlässig ist. Auf der anderen Seite ist die Membran 2 mit einer gasdurchlässigen Anode 4 verbunden. Die Kathode 3 und die Anode 4 können jeweils aus einem Kohlenstoffgewebe bestehen. An die Kathode 3 grenzt eine gasundurchlässige Platte 5 an, die auf ihrer, der Kathode 3 zugewandten Seite eine Reihe von Rippen
6 mit gleichen Abstanden voneinander aufweist. Die Hohlräume
7 zwischen den Rippen 6 bilden mit der Kathode 3 Kanäle, in denen oxidierende Gas, z. B. Luft mit Sauerstoffgehalt , der Kathode 3 zugeleitet wird.
An die Anode 4 grenzt eine gasundurchlässige Platte 8 an, die Rippen 9 aufweist, die im gleichen Abstand voneinander ange- ordnet sind. Die Rippen 8 berühren die Anode 4 und bilden mit dieser Kanäle 10, in denen gasformigen Brennstoff, z. B. ein wasserstoffhaltiges Gas, der Anode 4 zugeführt wird. Die Platten 5, 8 können bei anemandergrenzenden Brennstoffzellen-Modulen jeweils beidseitig Rippen aufweisen und so für die Zufuhr von Brenngasen und oxidierenden Gasen zu den benachbarten Zellen ausgebildet sein.
Die Elektrolyt-Membran 2 ist eine protonenleitende Ionen- Austauschmembran aus einem Polymer-Material, z. B. Fluorharz, mit sehr guter elektrischer Leitfähigkeit in feuchten Zustand. Die Oberflache der Membran 2 ist mit einem Katalysator bedeckt. Die Elektrolyt-Membran 2 wird der Betrieb der Brennstoffzelle vom Reaktionswasser und der Feuchte der Reaktionsgase befeuchtet.
Im Betrieb der Brennstoffzelle wird die Membraneinheit 1 in einer Lage gehalten, die rechtwinklig zu der Richtung der Schwerkraft verlauft oder wenigstens unter einem Winkel kleiner als 45° gegen die Richtung der Schwerkraft geneigt ist. Die Richtung der Schwerkraft ist in der Fig. 1 durch die gestrichelten Pfeile 11 symbolisch dargestellt. Unter Betrieb der Brennstoffzelle ist zu verstehen, daß die Brennstoffzelle zur Erzeugung einer elektrischen Spannung und gegebenenfalls Abgabe eines elektrischen Stroms zwischen Kathode 3 und Anode 4 angeregt ist.
Durch die erfmdungsgemaße Ausrichtung der Membraneinheit 1 in der vorstehend beschriebenen Weise in Bezug auf die Richtung der Schwerkraft wird im wesentlichen eine ungleichmäßige Befeuchtung der Polymer-Membran 2 vermieden. Dies gilt allgemein für die Feuchtigkeit von für den Ladungstransport verwendeten Elektrolyten. Die gleichmaßigere Befeuchtung der Polymer-Membran 2 mit Wasser bzw. einem anderen Elektrolyten bewirkt auch eine gleichmaßigere Belastung des gesamten Membranbereichs. Wenn die Polymer-Membran 2 nicht Bereiche mit unterschiedlicher Belastung aufweist, wird sie geschont, was die Membranlebensdauer erhöht.
Die oben beschriebene waagrecht Anordnung der Membraneinheit 1 in Bezug auf die Schwerkraft, wobei unter waagrecht auch die Neigung kleiner 45° verstanden sein soll, hat weiterhin den Vorteil, daß der Abtransport des bei der Reaktion entstehenden Wasserdampfs und damit die Entfeuchtung der Polymer- Membran 2 begünstigt wird.
Die Fig. 2 zeigt schematisch in Seitenansicht ein Elektro- fahrzeug 12 für die Personenforderung. Zum Antrieb des Elek- trofahrzeug 12 ist an der Vorderachse ein Elektromotor 13 vorgesehen. Zur Energieversorgung des Fahrzeugs 12, insbesondere des Elektromotors 13, ist ein Brennstoffzellensystem 14 vorgesehen, das in an sich bekannter Weise einen Brennstofftank, einen Wasserspeicher, einen Verdampfer, einen Reformer und eine Brennstoffzelle 15 aufweist, die Brennstoffzellen- Module mit Membraneinheiten 1 enthalt.
Die Brennstoffzellen-Module 15 sind im Elektrofahrzeug 12 auf einem Trager so angeordnet, daß die Membraneneinheiten 1 sich längs Ebenen erstrecken, die bei waagrechter Stellung des Elektrofahrzeugs 12 einen rechten Winkel mit der Richtung der Schwerkraft bilden, die in Fig. 2 durch einen symbolischen Pfeil 16 dargestellt ist.
Fahrzeuge für den Personen und/oder Gütertransport sind üblicherweise für den Betrieb mit begrenzter Fahrbahnsteigung von z. B. weniger 20° zugelassen. Die in Fig. 2 dargestellte Anordnung der Membraneinheiten 1 parallel zur Bodenpartie des Fahrzeugs bzw. zu einer waagrechten Fahrbahn hat den Vorteil, daß im wesentlichen keine hohenabhangige Befeuchtungsverteilung stattfindet. Sowohl die Befeuchtung der Polymer-Membranen 2 als auch die Entfeuchtung aufgrund der im Betrieb der Brennstoffzelle entstehenden Reaktionsgase ist daher über den Polymer-Membran-Bereich nahezu gleichmaßig.

Claims

DaimlerChrysler AGPatentansprüche
1. Verfahren zur Erzeugung elektrischer Energie mit wenigstens einer Brennstoffzelle, die eine Membraneinheit zur mittelbaren oder unmittelbaren Trennung und/oder zum Transport von Ladungsträgern und/oder Reaktionsgasen aufweist, wobei einer Anode auf einer Seite einer zur Membraneinheit gehörenden Polymer-Membran gasformiger Brennstoff einer Kathode auf der anderen Seite der Polymer- Membran ein oxidierendes Gas zufuhrbar und Reaktionsprodukte abfuhrbar sind, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Membraneinheit (1) wahrend des Betriebs der Brennstoffzelle in einer Lage gehalten wird, die gegenüber der Waagrechten einen Neigungswinkel von 45° oder einem kleineren Neigungswinkel hat.
2. Verfahren nach Anspruch 1 d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Membraneinheit (1) in einer Ebene gehalten wird, die gegenüber der Richtung (11) der Schwerkraft rechtwinklig verlauft.
3. Anordnung zur Erzeugung elektrischer Energie mit wenigstens einer Brennstoffzelle, die eine Membraneinheit zur mittelbaren oder unmittelbaren Trennung und/oder zum Transport von Ladungsträgern und/oder Reaktionsgasen aufweist, wobei einer Anode auf einer Seite einer zur Memb- raneinheit gehörenden Polymer-Membran gasförmiger Brennstoff und einer Kathode auf der anderen Seite der Polymer-Membran ein oxidierendes Gas zufuhrbar und Reaktionsprodukte abfuhrbar sind, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass eine Membraneinheit (1) der Brennstoffzelle mit einem Trager derart verbunden ist, daß sie gegenüber der Waagrechten einen Neigungswinkel von 45° oder einen kleineren Neigungswinkel hat.
Anordnung nach Anspruch 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Membraneinheit (1) in einer Brennstoffzelle in einem Straßenfahrzeug (12) für den Guter- und/oder Personentransport längs einer Ebene angeordnet ist, die in waagrechter Stellung des Fahrzeugs (12) unter einem rechten oder nahezu rechten Winkel zur Richtung (16) der Schwerkraft verlauft.
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