EP1929564A1 - Brennstoffzellensystem und verfahren zum betreiben einer brennstoffzelle - Google Patents

Brennstoffzellensystem und verfahren zum betreiben einer brennstoffzelle

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Publication number
EP1929564A1
EP1929564A1 EP06776859A EP06776859A EP1929564A1 EP 1929564 A1 EP1929564 A1 EP 1929564A1 EP 06776859 A EP06776859 A EP 06776859A EP 06776859 A EP06776859 A EP 06776859A EP 1929564 A1 EP1929564 A1 EP 1929564A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
fuel cell
heat
temperature
heat transfer
cell system
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP06776859A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Dieter Melzner
Annette Reiche
Stefan Haufe
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.)
Elcore GmbH
Original Assignee
Sartorius Stedim Biotech GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Sartorius Stedim Biotech GmbH filed Critical Sartorius Stedim Biotech GmbH
Publication of EP1929564A1 publication Critical patent/EP1929564A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04007—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids related to heat exchange
    • H01M8/04029—Heat exchange using liquids
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/0267—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors having heating or cooling means, e.g. heaters or coolant flow channels
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M2008/1095—Fuel cells with polymeric electrolytes
    • 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
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • 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

  • Fuel cell system and method for operating a fuel cell Fuel cell system and method for operating a fuel cell.
  • the invention relates to an improved fuel cell system and a method for operating a fuel cell in an optimum temperature range.
  • HT-PEM-BZ high-temperature polymer electrolyte membrane fuel cells
  • HT-PEM-BZ high-temperature polymer electrolyte membrane fuel cells
  • Such HT-PEM fuel cells which are equipped, for example, with proton-conducting polymer electrolyte membranes based on polybenzimidazole, can be operated at temperatures of up to 250.degree.
  • a high efficiency should be present if the same electrical efficiency from a given amount of fuel, the largest possible amount of electric current is generated.
  • the optimum operating temperature for HT-PEM fuel cells is between about 110 and about 230 ° C. Their value is determined experimentally and depends on various factors, such as design of the fuel cell system (for example
  • the optimum operating temperature should be below the boiling point of the heat carrier.
  • an optimum operating temperature would be below 120 ° C at a pressure of 1.987 bar abs. in the heat transfer circuit of the fuel cell system, of 140 0 C at a pressure of 3.615 bar abs. or from 160 ° C at a pressure of 6.181 bar abs ..
  • an optimum operating temperature below 140 ° C should be strived for.
  • the optimum operating temperature may also be below about atmospheric pressure above 200 ° C. If not pure fuel, but For example, is reacted with carbon monoxide contaminated hydrogen, the fuel cell system is more tolerant of this contamination, the higher the operating temperature is selected, so that in this case the optimum operating temperature is set as high as possible. At the preset optimum operating temperature in the context of the invention, an upper temperature difference of about 20% is taken into account as a temperature buffer, in order to ensure that no material damage occurs when working in the boundary region of these temperatures. Fuel cells are caused by lowering the cell voltage to deliver a higher electrical current, which is associated with a higher supply of fuel and / or oxidant.
  • the temperature of the fuel cell may increase so that the range of its optimum operating temperature is left, and may additionally damage their components occur.
  • Fuel cells are caused by increasing the cell voltage to deliver a lower electrical current, which is associated with a reduced supply of fuel and / or oxidant. Because this results in the release of a smaller amount of heat, the temperature of the fuel cell can fall below the range of its optimum operating temperature, resulting in a power dip of the fuel cell, for example due to increased internal electrical cell resistance - partial amounts include the membrane resistance and overvoltages at the electrodes - leads. Under these circumstances, an economical driving of the fuel cell is no longer possible.
  • WO 2004/036675 A2 describes a method for controlling a fuel cell system in which a desired temperature of the fuel cell is to be maintained.
  • the fuel cell system has a device for regulating the temperature of a coolant circuit circulated through the fuel cell. Excess heat is removed from the coolant by heating water in a water tank provided for moistening the gases supplied to the anode and / or cathode side of the fuel cell and / or by a radiator.
  • the Coolant can be heated by a heating device. In the heating device, a catalytic conversion of the fuel takes place.
  • US Pat. No. 6,649,290 B2 describes a method in which a preferred operating temperature for various components of a fuel cell apparatus, including the fuel cell itself, is maintained by adjusting the flows of a cooling gas to be adjusted via a specifically selected arrangement
  • Temperature is high enough for an efficient process but low enough in terms of materials, maintained by regulating the flow of oxidant.
  • DE 103 60 458 A1 describes a fuel cell system with a burner which can be operated optionally with fuel and / or fuel cell exhaust gas and wherein a heat exchanger arrangement for the transmission of burner generated in the
  • Heat is provided in the fuel cell to be fed air and / or in the fuel cell to be fed hydrogen-containing gas.
  • EP 1 507 302 A2 describes a fuel cell cascade (solid oxide fuel cell) in which a small fuel cell unit maintains its operation while a large fuel cell unit is out of operation. Will be a higher
  • the disadvantage is that the fuel cells are not consistently operated in the described fuel cell systems in a narrow range in which the optimal
  • the object of the invention is therefore to propose an improved fuel cell system and a method for operating a fuel cell, which ensure that the fuel cell can be operated with high efficiency without irreversible damage.
  • a fuel cell system which has at least one fuel cell with a fuel cell stack and separator plates, which are equipped with feeds and discharges for a heat transfer medium, a thermostat, a heat transfer medium having a conveying device for the heat transfer medium, in which at least the fuel cell and the thermostat includes at least one temperature sensor for the fuel cell and a control and control unit for the temperature comprises.
  • the temperature of the fuel cell can be controlled by the combination of the named parts of the fuel cell system by means of the control and control unit and the temperature sensor of the fuel cell so that a preset optimum operating temperature of the fuel cell in the fuel cell system after the startup phase by no more than 5% falls below and is not exceeded by more than 20%.
  • the fuel cell system is designed so that the preset optimum operating temperature falls short of at most 3% and at most exceeded by 10% and very particularly preferably not more than 2% below and exceeded by at most 5%.
  • This is achievable via the type of heat carrier, the design of the separator plates, the thermostat and / or the conveyor device and / or the procedure for operating the fuel cell.
  • Pumps or radiators are used as conveying devices.
  • the at least one temperature sensor of the fuel cell is arranged on or in the fuel cell.
  • the at least one temperature sensor is arranged in the fuel cell stack of the fuel cell.
  • the at least one temperature sensor can be installed directly in the membrane electrode assembly.
  • a heat storage is connected in the heat transfer circuit, which serves for supplying or removing heat energy to or from the heat carrier.
  • a heat storage media are preferably used with a high specific heat or latent heat storage.
  • the heat carriers are preferably liquid medium, such as water, silicone or mineral oils.
  • a further improved embodiment of the invention is that the fuel cell system is a in the heat transfer circuit of the fuel cell system, a buffer vessel with an additional heat transfer amount for supplying or discharging heat energy in or out of the fuel cell is switched on.
  • the object of the invention is achieved by a method for operating a fuel cell in a fuel cell system with the following steps:
  • A) circulating a heat carrier in a heat transfer circuit which comprises at least one fuel cell equipped for a supply and discharge of the heat carrier separator plates, a thermostat and a conveying device for the heat carrier,
  • step D) comparing the temperature measured according to step C) with a preset optimum operating temperature of the fuel cell of
  • step E) if the comparison made in step D) shows that the measured temperature is higher than the preset optimum operating temperature of the Fuel cell deviates, changing the operating temperature of the heat carrier and / or changing the heat transfer flow through the fuel cell by means of the conveyor to an extent that the temperature of the fuel cell after the start phase of the preset optimum operating temperature of the fuel cell system at most by 5% and at most in order
  • the step E is carried out so that the preset optimum operating temperature falls below at most 3% and at most exceeded by 10%, and most preferably at most 2% below and exceeded by at most 5%.
  • a heat accumulator is additionally connected in the heat carrier circuit according to step A) for the supply or removal of heat energy to or from the heat carrier.
  • the thermostat is connected to a heat exchanger for supplying or removing heat energy in or out of the thermostat.
  • the heat transfer medium preferably liquid medium is circulated through the heat transfer medium circulation in the process, in particular water or silicone or mineral oils.
  • a buffer vessel with an additional heat transfer amount for supplying or discharging heat energy into or out of the fuel cell is switched into the heat transfer circuit.
  • the temperature in the fuel cell according to step C) is measured at at least one point in the fuel cell stack itself.
  • the at least one temperature sensor is installed, for example, directly in the separator plates or directly in the membrane electrode unit.
  • the method according to the invention is preferably carried out automatically by means of a control and control unit. The invention will be explained in more detail with reference to the figure and the exemplary embodiments.
  • the figure shows schematically a fuel cell system according to the invention.
  • the figure shows a fuel cell system 1, which comprises a fuel cell 2 with a fuel cell stack (not shown) and separator plates (not shown), which are equipped via feeders 3 and 4 discharges for a heat transfer medium.
  • feeds for fuel 5 and oxidizing agent 6 as well as discharges for oxidation products 7 and unreacted fuels 8 are present at the fuel cell 2.
  • the fuel cell system 1 further includes a thermostat 9, a heat circuit with a conveyor 10 for the heat carrier and at least one temperature sensor 11 for the fuel cell 2.
  • a control and control unit 12 is at least with the at least one temperature sensor 11, the pump 10 and valves Vl to V7 connected. (The connections are not shown.)
  • a heat accumulator 13 via the valves Vl and V2 is switchable.
  • the thermostat 9 is connected to a heat exchanger 14 for supplying or removing 16 heat energy in or out of the thermostat.
  • the figure also shows a buffer vessel 17, which is equipped with an additional heat transfer amount for supplying or removing heat energy in or out of the fuel cell 2 and can be connected via the valves V4 and V5 in the heat transfer circuit.
  • the fuel cell 2 is provided with a bypass line 18 and can be switched off by means of the valves V6 and V7 from the heat transfer circuit. This makes it possible, before the start of the cold fuel cell 2 initially the heat transfer medium circuit with the optionally switched components 9, 13, 14, 17 tempered so that then after connection, the fuel cell 2 can be heated quickly to the preset optimum operating temperature.
  • a heat transfer medium is circulated through the heat transfer circuit after the start phase with the valve V3 open and corresponding position of the valves V6 and V7, which comprises at least the fuel cell 2, the thermostat 9 and the conveyor 10 for the Heat transfer medium (step A).
  • the measured temperature (steps B and C) and the Comparison of the measured according to step C temperature with a preset optimum operating temperature of the fuel cell (step D) found that to maintain the permissible temperature deviation more heat must be dissipated from the fuel cell 2 or supplied to the fuel cell 2, first, the delivery rate of the conveyor 10 is reduced or be increased and / or it can be switched on the valves V4 and V5 with closed valves Vl to V3, the buffer vessel 17 in the heat carrier circuit. At special peaks, the heat accumulator 13 is switched on the valves Vl and V2 with the valve closed V3, so that he can absorb heat peaks or can give additional heat energy in the heat transfer circuit, if it is charged with heat. In addition, can be supplied via the heat exchanger 14 in addition external heat energy into the fuel cell system 15 or excess heat energy discharged from the fuel cell system 16 when all components 9, 17, 13 of the heat carrier circuit are charged with heat energy.
  • the HT-PEM fuel cell has a phosphoric acid-doped polybenzimidazole membrane.
  • the heat transfer medium circuit can be filled with water up to a pressure of 3.615 bar abs. be taken care of. If the amount of electricity obtained at this temperature from a normalized amount of hydrogen consumed at the same electrical efficiency equal to 100%, then the amount of electricity produced at 145 0 C from the normalized amount of hydrogen was 106%, and the amount of electricity generated at 103 0 C from the normalized Amount of hydrogen 89%. Material damage was not observed.
  • 160 ° C. was determined as the optimum operating temperature of a fuel cell system according to the invention for stationary applications which was operated with a hydrogen mixture (carbon monoxide fraction 0.33% by volume) produced by a reformer.
  • a fuel cell as in Example 1 is used.
  • the fuel cell system was but with mineral oil instead of water as a heat transfer just over 1 bar abs. operated.
  • the mineral oil is stable in continuous use up to over 250 ° C.

Abstract

Die Erfindung stellt ein verbessertes Brennstoffzellensystem und ein Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzelle zur Verfügung, die sicher stellen, dass die Brennstoffzelle ohne irreversible Schädigungen mit einer hohen Effizienz betrieben werden kann. Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem umfasst mindestens eine Brennstoffzelle mit einem Brennstoffzellenstapel und mit Separatorplatten, welche über Zuführungen und Abführungen für einen Wärmeträger ausgerüstet sind, einen Thermostaten, einen eine Fördervorrichtung für den Wärmeträger aufweisenden Wärmeträgerkreislauf, in dem mindestens die Brennstoffzelle und der Thermostat eingeschlossen sind, wenigstens einen Temperatursensor für die Brennstoffzelle und eine Kontroll- und Steuereinheit für die Temperatur der Brennstoffzelle. Mit der Erfindung ist es möglich, die Brennstoffzelle in einem Bereich nahe der voreingestellten optimalen Betriebtemperatur zu betreiben.

Description

Brennstoffzellensystem und Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzelle.
Die Erfindung betrifft ein verbessertes Brennstoffzellensystem und ein Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzelle in einem optimalen Temperaturbereich.
Zur Erzielung eines hohen Wirkungsgrades von Brennstoffzellen müssen diese bei einer optimalen Betriebstemperatur betrieben werden. Das gilt insbesondere für Hochtemperatur-Brennstoffzellen beziehungsweise für Hochtemperatur- Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellen (HT-PEM-BZ). Derartige HT-PEM- Brennstoffzellen, die beispielsweise mit protonenleitenden Polymerelektrolytmembranen basierend auf Polybenzimidazol ausgestattet sind, können bei Temperaturen bis zu 250°C betrieben werden. Eine hohe Effizienz soll vorliegen, wenn bei gleichem elektrischen Wirkungsgrad aus einer gegebenen Menge Brennstoff eine möglichst große Menge an elektrischem Strom erzeugt wird. Die optimale Betriebstemperatur für HT-PEM-Brennstoffzellen liegt zwischen etwa 1 10 und etwa 230°C. Ihr Wert wird experimentell ermittelt und hängt von verschiedenen Faktoren ab, wie Ausgestaltung des Brennstoffzellensystems (beispielsweise
Polymermembranwerkstoff, Temperaturverhalten des Dotierungsmittels, Druckzulässigkeit), Art des Wärmeträgers, oder Reinheit des Brennstoffes. Bei Verwendung eines flüssigen Wärmeträgers sollte die optimale Betriebstemperatur unterhalb der Siedepunktes des Wärmeträgers liegen. Im Fall von Wasser als Wärmeträger ergäbe sich eine optimale Betriebstemperatur unterhalb von 120°C bei einem Druck von 1,987 bar abs. im Wärmeträgerkreislauf des Brennstoffzellensystems, von 1400C bei einem Druck von 3,615 bar abs. oder von 160°C bei einem Druck von 6,181 bar abs.. Um den Dichtungsaufwand an der Brennstoffzelle und im Brennstoffzellensystem bei Wasser als Wärmeträger zu begrenzen, ist eine optimale Betriebstemperature unterhalb 140°C anzustreben. Bei der Verwendung von Silikonoder Mineralölen als Wärmeträger kann die optimale Betriebstemperatur auch unter etwa Atmosphärendruck über 200°C betragen. Falls kein reiner Brennstoff, sondern beispielsweise mit Kohlenmonoxid verunreinigter Wasserstoff umgesetzt wird, ist das Brennstoffzellensystem gegenüber dieser Verunreinigung um so toleranter, je höher die Betriebstemperatur gewählt wird, so dass in diesem Fall die optimale Betriebstemperatur möglichst hoch angesetzt wird. Bei der voreingestellten optimalen Betriebstemperatur im Sinne der Erfindung ist eine obere Temperaturdifferenz von etwa 20% als Temperaturpuffer berücksichtigt, um sicher zu stellen, dass keine Materialschädigungen beim Arbeiten im Grenzbereich dieser Temperaturen auftreten. Brennstoffzellen werden durch Erniedrigung der Zellspannung zur Abgabe eines höheren elektrischen Stroms veranlasst, was mit einer höheren Zuführung von Brennstoff und/oder Oxidationsmittel verbunden ist. Weil dadurch die Freisetzung einer größeren Wärmemenge erfolgt, kann sich die Temperatur der Brennstoffzelle derart erhöhen, dass der Bereich ihrer optimalen Betriebstemperatur verlassen wird, und zusätzlich Schädigungen ihrer Bauelemente eintreten können. Brennstoffzellen werden durch Erhöhung der Zellspannung zur Abgabe eines geringeren elektrischen Stroms veranlasst, was mit einer verminderten Zuführung von Brennstoff und/oder Oxidationsmittel verbunden ist. Weil dadurch die Freisetzung einer geringeren Wärmemenge erfolgt, kann die Temperatur der Brennstoffzelle unter den Bereich ihrer optimalen Betriebstemperatur sinken, was zu einem Leistungseinbruch der Brennstoffzelle beispielsweise infolge eines erhöhten elektrischen Zelleninnenwiderstandes - Teilbeträge sind u.a. der Membranwiderstand und die Überspannungen an den Elektroden - führt. Unter diesen Umständen ist eine wirtschaftlichen Fahrweise der Brennstoffzelle nicht mehr möglich.
Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Brennstoffzellensysteme und Verfahren zum Betreiben von Brennstoffzellen in bestimmten Temperaturbereichen bekannt. In der WO 2004/036675 A2 wird ein Verfahren zur Kontrolle eines Brennstoffzellensystems beschrieben, bei welchem eine erwünschte Temperatur der Brennstoffzelle aufrechterhalten werden soll. Dazu verfügt das Brennstoffzellensystem über eine Vorrichtung zur Regulierung der Temperatur eines im Kreislauf durch die Brennstoffzelle geführten Kühlmittelkreislaufes. Dem Kühlmittel wird überschüssige Wärme durch Aufheizen von Wasser in einem zur Befeuchtung der anöden- und/oder kathodenseitig der Brennstoffzelle zugeführten Gase vorhandenen Wassertank und/oder durch einen Radiator entzogen. In der Startphase der Brennstoffzelle kann das Kühlmittel durch eine Aufheizvorrichtung erwärmt werden. In der Aufheizvorrichtung erfolgt eine katalytische Umsetzung des Brennstoffs.
In dem US-Patent 6,649,290 B2 wird ein Verfahren beschrieben, bei dem eine bevorzugte Arbeitstemperatur für verschiedene Komponenten einer Brennstoffzellenapparatur, darunter die Brennstoffzelle selbst, aufrechterhalten wird, indem einzustellende Ströme eines Kühlgases über eine gezielt gewählte Anordnung der
Komponenten geleitet wird.
Nach US 6,682,836 B2 wird ein Temperaturintervall in der Brennstoffzelle, in dem die
Temperatur hoch genug ist für einen effizienten Prozess aber niedrig genug hinsichtlich der Materialien, durch Regulierung des Stroms des Oxidationsmittels aufrecht erhalten.
Gemäß US 6,635,375 Bl werden für ein optimales Betreiben einer
Festoxidbrennstoffzelle Luft und Brenngas vortemperiert, und in einem Kontrollkreis werden die Temperaturen und eingespeisten Gasmengen abgestimmt.
Die DE 103 60 458 Al beschreibt ein Brennstoffzellensystem mit einem Brenner, welcher wahlweise mit Brennstoff oder/und Brennstoffzellenabgas betreibbar ist und wobei eine Wärmeaustauscheranordnung zur Übertragung von im Brenner erzeugter
Wärme auf in die Brennstoffzelle einzuspeisende Luft oder/und in die Brennstoffzelle einzuspeisendes wasserstoffhaltiges Gas vorgesehen ist.
In der EP 1 507 302 A2 wird eine Brennstoffzellenkaskade (Festoxidbrennstoffzelle) beschrieben, bei der eine kleine Brennstoffzelleneinheit ihren Betrieb aufrechterhält, während eine große Brennstoffzelleneinheit außer Betrieb ist. Wird eine höhere
Stromleistung abverlangt, wird der in der kleinen Einheit erzeugte Dampf zum
Aufheizen der großen Einheit verwendet.
Nach der DE 102 32 870 Al wird zum Starten einer Brennstoffzelle zunächst nur ein Teilbereich der Zelle versorgt, bis dieser die benachbarten Bereiche auf Starttemperatur erwärmt hat. Dazu sind die Bipolarplatten in entsprechender Weise ausgebildet.
In der DE 103 37 898 Al wird vorgeschlagen, während des Normalbetriebs einer
Brennstoffzelle überschüssige Wärme einem Latentwärmespeicher zuzuführen und diese Wärme während der Startphase abzurufen. Nachteilig ist, dass die Brennstoffzellen in den beschriebenen Brennstoffzellensystemen nicht konsequent in einem engen Bereich betrieben werden, in dem die optimale
Betriebstemperatur der Brennstoffzelle liegt und ihr Wirkungsgrad somit nur unzureichend ausgeschöpft wird. Die Aufgabe der Erfindung besteht deshalb darin, ein verbessertes Brennstoffzellensystem und ein Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzelle vorzuschlagen, die sicher stellen, dass die Brennstoffzelle ohne irreversible Schädigungen mit einem hohen Wirkungsgrad betrieben werden kann.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Brennstoffzellensystem, welches mindestens eine Brennstoffzelle mit einem Brennstoffzellenstapel und mit Separatorplatten, welche über Zuführungen und Abführungen für einen Wärmeträger ausgerüstet sind, einen Thermostaten, einen eine Fördervorrichtung für den Wärmeträger aufweisenden Wärmeträgerkreislauf, in dem mindestens die Brennstoffzelle und der Thermostat eingeschlossen sind, wenigstens einen Temperatursensor für die Brennstoffzelle und eine Kontroll- und Steuereinheit für die Temperatur umfasst. Überraschenderweise hat sich gezeigt, dass durch die Kombination der genannten Teile des Brennstoffzellensystems mittels der Kontroll- und Steuereinheit und des Temperatursensors der Brennstoffzelle die Temperatur der Brennstoffzelle so regelbar ist, dass eine voreingestellte optimale Betriebstemperatur der Brennstoffzelle in dem Brennstoffzellensystem nach der Startphase höchstens um 5% unterschritten und höchstens um 20% überschritten wird. Vorzugsweise ist das Brennstoffzellensystem so ausgelegt, dass die voreingestellte optimale Betriebstemperatur höchstens um 3% unterschritten und höchstens um 10% überschritten wird und ganz besonders bevorzugt höchstens um 2% unterschritten und höchstens um 5% überschritten wird. Das ist über die Art des Wärmeträgers, die Auslegung der Separatorplatten, des Thermostaten und/oder die Fördervorrichtung und/oder über die Verfahrensweise zum Betreiben der Brennstoffzelle erreichbar. Als Fördervorrichtungen kommen Pumpen oder Radiatoren zum Einsatz. Der wenigstens eine Temperatursensor der Brennstoffzelle ist an oder in der Brennstoffzelle angeordnet.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der wenigstens eine Temperatursensor im Brennstoffzellenstapel der Brennstoffzelle angeordnet. Beispielweise kann der mindestens eine Temperatursensor unmittelbar in der Membranelektrodeneinheit installiert werden. Durch diese Anordnungen wird gewährleistet, dass die Brennstoffzellentemperatur ohne Zeitverzögerung unmittelbar an der Stelle gemessen wird, wo die Wärmeentwicklung in der Brennstoffzelle in erster Linie vor sich geht. Durch Wärmeleitungen verursachte Trägheiten in der Temperaturmessung werden dadurch ausgeschlossen.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist in den Wärmeträgerkreislauf ein Wärmespeicher zugeschaltet, der zum Zu- oder Abführen von Wärmeenergie an den oder von dem Wärmeträger dient. Durch den Wärmespeicher wird eine höhere Variabilität des Brennstoffzellensystems erreicht und Wärmespitzen oder Wärmedefizite können darüber ausgeglichen werden. Als Wärmespeicher werden vorzugsweise Medien mit einer hohen spezifischen Wärme oder Latentwärmespeicher eingesetzt. Eine Verstärkung der Wirkungen zum Ausgleich von Wärmeüberschuss oder Wärmedefϊzit wird auch erreicht, in dem in das Brennstoffzellensystem ein mit dem Thermostaten verbundener Wärmetauscher zum Zu- oder Abführen von Wärmeenergie in den oder aus dem Thermostaten installiert ist.
In bevorzugter Weise sind die Wärmeträger flüssige Medium, wie Wasser, Silikon- oder Mineralöle. Eine weitere verbesserte Ausführungsform der Erfindung besteht darin, dass Brennstoffzellensystem ein in den Wärmeträgerkreislauf des Brennstoffzellensystems ein Puffergefäß mit einer zusätzlichen Wärmeträgermenge zum Zu- oder Abführen von Wärmeenergie in die oder aus der Brennstoffzelle zugeschaltet ist. Darüber hinaus wird die Aufgabe der Erfindung gelöst durch ein Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzelle in einem Brennstoffzellensystem mit folgenden Schritten:
A) Zirkulieren eines Wärmeträgers in einem Wärmeträgerkreislauf, welcher umfasst mindestens eine Brennstoffzelle mit für eine Zuführung und Abführung des Wärmeträgers ausgerüsteten Separatorplatten, einen Thermostaten und eine Fördervorrichtung für den Wärmeträger,
B) Verändern der Zuführung von Brennstoff und/oder von Oxidationsmittel in die Brennstoffzelle in Abhängigkeit von der zu erzeugenden Strommenge,
C) Messen der Temperatur der Brennstoffzelle,
D) Vergleichen der gemäß Schritt C) gemessenen Temperatur mit einer voreingestellten optimalen Betriebstemperatur der Brennstoffzelle des
Brennstoffzellensystems,
E) wenn der gemäß Schritt D) durchgeführte Vergleich ergibt, dass die gemessene Temperatur von der voreingestellten optimalen Betriebstemperatur der Brennstoffzelle abweicht, Ändern der Arbeitstemperatur des Wärmeträgers und/oder Ändern des Wärmeträgerdurchflusses durch die Brennstoffzelle mittels der Fördervorrichtung in Ausmaßen, welche die Temperatur der Brennstoffzelle nach der Startphase von der voreingestellten optimalen Betriebtemperatur des Brennstoffzellensystems höchstens um 5% unterschreiten und höchstens um
20% überschreiten lassen.
Vorzugsweise wird der Schritt E so durchgeführt, dass die voreingestellte optimale Betriebstemperatur höchstens um 3% unterschritten und höchstens um 10% überschritten wird und ganz besonders bevorzugt höchstens um 2% unterschritten und höchstens um 5% überschritten wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird zusätzlich ein Wärmespeicher in den Wärmeträgerkreislauf gemäß Schritt A) zum Zu- oder Abführen von Wärmeenergie an den oder von dem Wärmeträger geschaltet.
In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Thermostat mit einem Wärmetauscher zum Zu- oder Abführen von Wärmeenergie in den oder aus den Thermostaten verbunden.
Als Wärmeträger werden in dem Verfahren vorzugsweise flüssige Medium durch den Wärmeträgerkreislauf zirkuliert, insbesondere Wasser oder Silikon- oder Mineralöle. In einer anderen Ausführungsform der Erfindung wird in den Wärmeträgerkreislauf ein Puffergefäß mit einer zusätzlichen Wärmeträgermenge zum Zu- oder Abführen von Wärmeenergie in die oder aus der Brennstoffzelle zugeschaltet. Dadurch wird zum Beispiel erreicht, das bei geringem Strombedarf die Brennstoffzelle mit einer ausreichenden Wärmemenge versorgt werden kann, um die Schwellwerte unter und oberhalb der voreingestellten optimalen Betriebstemperatur gemäß Verfahrensschritt E) nicht zu überschreiten.
Bei einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Temperatur in der Brennstoffzelle gemäß Schritt C) an mindestens einer Stelle in dem Brennstoffzellenstapel selbst gemessen. Dazu wird der mindestens eine Temperatursensor beispielsweise unmittelbar in den Separatorplatten oder unmittelbar in der Membranelektrodeneinheit installiert. Das erfindungsgemäße Verfahren wird vorzugsweise automatisch mittels einer Kontroll- und Steuereinheit durchgeführt. Die Erfindung soll anhand der Figur und der Ausfuhrungsbeispiele näher erläutert werden.
Dabei zeigt die Figur schematisch ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem.
Die Figur zeigt ein Brennstoffzellensystem 1, welches umfasst eine Brennstoffzelle 2 mit einem Brennstoffzellenstapel (nicht dargestellt) und Separatorplatten (nicht dargestellt), welche über Zuführungen 3 und Abführungen 4 für einen Wärmeträger ausgerüstet sind. An der Brennstoffzelle 2 sind darüber hinaus Zuführungen für Brennstoff 5 und Oxidationsmittel 6 sowie Abführungen für Oxidationsprodukte 7 und nicht umgesetzte Brennstoffe 8 vorhanden. Das Brennstoffzellensystem 1 umfasst ferner einen Thermostaten 9, einen Wärmekreislauf mit einer Fördervorrichtung 10 für den Wärmeträger und wenigstens einen Temperatursensor 11 für die Brennstoffzelle 2. Eine Kontroll- und Steuereinheit 12 ist mindestens mit dem wenigstens einen Temperatursensor 11, der Pumpe 10 und Ventilen Vl bis V7 verbunden. (Die Verbindungen sind nicht dargestellt.) In den Wärmeträgerkreislauf ist ein Wärmespeicher 13 über die Ventile Vl und V2 zuschaltbar. Außerdem ist der Thermostat 9 mit einem Wärmetauscher 14 zum Zu- 15 oder Abführen 16 von Wärmeenergie in den oder aus dem Thermostaten verbunden. Die Figur zeigt ferner ein Puffergefäß 17, das mit einer zusätzlichen Wärmeträgermenge zum Zu- oder Abführen von Wärmeenergie in die oder aus der Brennstoffzelle 2 ausgerüstet ist und über die Ventile V4 und V5 in den Wärmeträgerkreislauf zuschaltbar ist. Die Brennstoffzelle 2 ist mit einer Bypassleitung 18 versehen und mittels der Ventile V6 und V7 aus dem Wärmeträgerkreislauf ausschaltbar. Dadurch ist es möglich, vor dem Start der kalten Brennstoffzelle 2 zunächst den Wärmeträgerkreislauf mit den wahlweise zugeschalteten Komponenten 9, 13, 14, 17 so zutemperieren, dass anschließend nach Zuschaltung die Brennstoffzelle 2 schnell auf die voreingestellte optimale Betriebtemperatur geheizt werden kann.
Zum Betreiben der Brennstoffzelle 2 des Brennstoffzellensystems 1 wird nach der Startphase bei geöffnetem Ventil V3 und entsprechender Stellung der Ventile V6 und V7 (Dreiwegeventile) ein Wärmeträger durch den Wärmeträgerkreislauf zirkuliert, welcher umfasst mindestens die Brennstoffzelle 2 , den Thermostaten 9 und die Fördervorrichtung 10 für den Wärmeträger (Schritt A). Wird in Abhängigkeit von der zu erzeugenden Strommenge, der gemessenen Temperatur (Schritte B und C) und des Vergleichs der gemäß Schritt C gemessenen Temperatur mit einer voreingestellten optimalen Betriebstemperatur der Brennstoffzelle (Schritt D) festgestellt, dass zur Aufrechterhaltung der zulässigen Temperaturabweichung mehr Wärme aus der Brennstoffzelle 2 abgeführt oder in die Brennstoffzelle 2 zugeführt werden muss, kann zunächst die Förderleistung der Fördervorrichtung 10 verringert oder erhöht werden und/oder es können über die Ventile V4 und V5 bei geschlossenen Ventilen Vl bis V3 das Puffergefäß 17 in den Wärmeträgerkreislauf zugeschaltet werden. Bei besonderen Spitzen wird über die Ventile Vl und V2 bei geschlossenem Ventil V3 der Wärmespeicher 13 zugeschaltet, damit er Wärmespitzen aufnehmen oder zusätzliche Wärmeenergie in den Wärmeträgerkreislauf abgeben kann, falls er mit Wärme aufgeladen ist. Darüber hinaus kann über den Wärmetauscher 14 zusätzlich externe Wärmeenergie in das Brennstoffzellensystem zugeführt 15 oder überschüssige Wärmeenergie aus dem Brennstoffzellensystem abgeführt 16 werden, wenn alle Komponenten 9, 17, 13 des Wärmeträgerkreislaufes mit Wärmeenergie aufgeladen sind.
Beispiel 1
Als optimale Betriebstemperatur eines mit reinem Wasserstoff betriebenen erfϊndungsgemäßen Brennstoffzellensystems für mobile Anwendungen wurde 120°C ermittelt. Die HT-PEM-Brennstoffzelle verfugt über eine mit Phosphorsäure dotierte Polybenzimidazolmembran. Der Wärmeträgerkreislauf kann mit Wasser bis zu einem Druck von 3,615 bar abs. betreben werden. Setzt man die bei dieser Temperatur erhaltene Strommenge aus einer normierten Menge an verbrauchten Wasserstoff bei gleichem elektrischen Wirkungsgrad gleich 100%, so betrug die bei 1450C erzeugte Strommenge aus der normierten Wasserstoffmenge 106%, und die bei 1030C erzeugte Strommenge aus der normierten Wasserstoffmenge 89%. Materialschädigungen wurden nicht beobachtet.
Bespiel 2
Als optimale Betriebstemperatur eines mit einem durch einen Reformer erzeugtes Wasserstoffgemisch (Kohlenmonoxidanteil 0,33 Vol.%) betriebenen erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems für stationäre Anwendungen wurde 1600C ermittelt. Es kommt eine Brennstoffzelle wie in Beispiel 1 zur Anwendung. Das Brennstoffzellensystem wurde aber mit Mineralöl statt Wasser als Wärmeträger bei etwas über 1 bar abs. betrieben. Das Mineralöl ist im Dauergebrauch bis über 250°C stabil.
Setzt man die bei der vorgegebenen optimalen Betriebstemperatur von 1600C erhaltene Strommenge aus einer normierten Menge an verbrauchten Wasserstoff bei gleichem elektrischen Wirkungsgrad gleich 100%, so betrug die bei 1850C erzeugte Strommenge aus der normierten Wasserstoffmenge 1 10%, und die bei 1550C erzeugte Strommenge aus der normierten Wasserstoffmenge 94%. Materialschädigungen wurden nicht beobachtet.

Claims

Patentansprüche
1. Brennstoffzellensystem mindestens umfassend: eine Brennstoffzelle mit einem Brennstoffzellenstapel und mit Separatorplatten, welche über Zuführungen und Abführungen für einen Wärmeträger ausgerüstet sind, einen Thermostaten, einen eine Fördervorrichtung für den Wärmeträger aufweisenden Wärmeträgerkreislauf , in dem mindestens die Brennstoffzelle und der Thermostat eingeschlossen sind, wenigstens einen Temperatursensor für die Brennstoffzelle und eine Kontroll- und Steuereinheit für die Temperatur, damit die Temperatur der Brennstoffzelle nach der Startphase eine voreingestellte optimale Betriebstemperatur der Brennstoffzelle in dem Brennstoffzellensystem höchstens um 5% unterschreitet und höchstens um 20% überschreitet.
2. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Temperatursensor die Temperatur des Brennstoffzellenstapels misst, wobei dieser im oder am Brennstoffzellenenstapel angeordnet ist.
3. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1 oder 2, umfassend: einen in den Wärmeträgerkreislauf zuschaltbaren Wärmespeicher zum Zu- oder Abführen von Wärmeenergie an den oder von dem Wärmeträger.
4. Brennstoffzellensystem nach einen der Ansprüche 1 bis 3, umfassend: einen mit dem Thermostaten verbundenen Wärmetauscher zum Zu- oder Abführen von Wärmeenergie in den oder aus dem Thermostaten.
5. Brennstoffzellensystem nach einen der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeträger ein flüssiges Medium ist.
6. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 5, umfassend ein in den Wärmeträgerkreislauf zuschaltbares Puffergefäß mit einer zusätzlichen Wärmeträgermenge zum Zu- oder Abführen von Wärmeenergie in die oder aus der Brennstoffzelle.
7. Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzelle in einem Brennstoffzellensystem mit den Schritten:
F) Zirkulieren eines Wärmeträgers in einem Wärmeträgerkreislauf, welcher umfasst mindestens eine Brennstoffzelle mit für eine Zuführung und Abführung des Wärmeträgers ausgerüsteten Separatorplatten, einen Thermostaten und eine
Fördervorrichtung für den Wärmeträger,
G) Verändern der Zuführung von Brennstoff und/oder von Oxidationsmittel in die Brennstoffzelle in Abhängigkeit von der zu erzeugenden Strommenge,
H) Messen der Temperatur der Brennstoffzelle, D) Vergleichen der gemäß Schritt C) gemessenen Temperatur mit einer voreingestellten optimalen Betriebstemperatur der Brennstoffzelle des Brennstoffzellensystems,
E) wenn der gemäß Schritt D) durchgeführte Vergleich ergibt, dass die gemessene Temperatur von der voreingestellten optimalen Betriebstemperatur der Brennstoffzelle abweicht, Ändern der Arbeitstemperatur des Wärmeträgers und/oder Ändern des Wärmeträgerdurchflusses durch die Brennstoffzelle mittels der Fördervorrichtung in Ausmaßen, welche die Temperatur der Brennstoffzelle nach der Startphase von der voreingestellten optimalen Betriebtemperatur des Brennstoffzellensystems höchstens um 5% unterschreiten und höchstens um 20% überschreiten lassen.
8. Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzelle nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich ein Wärmespeicher in den Wärmeträgerkreislauf gemäß Schritt A) zum Zu- oder Abführen von Wärmeenergie an den oder von dem Wärmeträger geschaltet wird.
9. Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzelle nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Thermostat mit einem Wärmetauscher zum Zu- oder Abführen von Wärmeenergie in den oder aus den Thermostaten verbunden wird.
10. Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass als Wärmeträger ein flüssiges Medium durch den Wärmeträgerkreislauf zirkuliert.
1 1. Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzelle nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass in den Wärmeträgerkreislauf ein Puffergefäß mit einer zusätzlichen Wärmeträgermenge zum Zu- oder Abführen von Wärmeenergie in die oder aus der Brennstoffzelle zugeschaltet wird.
12. Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzelle nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Messen der Temperatur in der Brennstoffzelle gemäß Schritt C) an mindestens einer Stelle in dem Brennstoffzellenstapel erfolgt.
13. Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzelle nach den vorstehenden Ansprüchen 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren automatisch mittels einer Kontroll- und Steuereinheit durchgeführt wird.
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