WO2000070693A2 - Hochtemperatur-membran-brennstoffzelle, verfahren zum betreiben einer htm-brennstoffzellenbatterie und htm-brennstoffzellenbatterie - Google Patents

Hochtemperatur-membran-brennstoffzelle, verfahren zum betreiben einer htm-brennstoffzellenbatterie und htm-brennstoffzellenbatterie Download PDF

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Definitions

  • the invention relates to a high-temperature membrane (HTM) fuel cell, a method for operating an HTM fuel cell and an HTM fuel cell battery.
  • HTM high-temperature membrane
  • the polymer electrolyte membrane (PEM) fuel cell is known from the prior art, which has as the electrolyte a base polymer to 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 the proton conductivity.
  • One starting point to remove the limitation of the operating temperature is that instead of the membrane containing the [-SO3H] groups, another membrane is used, which may also be an ion exchange membrane, and / or a matrix with free and / or physically and / or chemically bound phosphoric acid is used as the electrolyte of a fuel cell.
  • This fuel cell is called a high-temperature membrane fuel cell, which is referred to below as an HTM fuel cell.
  • PAFC phosphoric acid fuel cell
  • the object of the invention is therefore to create a fuel cell and to provide an associated operating concept. This is intended to build a fuel cell battery that can function without replenishing the electrolyte.
  • the invention relates to a high-temperature membrane fuel cell, with a membrane and two electrodes, the anode and the cathode with the associated reaction gas spaces, one or both of the electrodes and / or one or both reaction gas spaces being at least locally heatable.
  • the invention further relates to a method for operating an HTM fuel cell battery in the case of a Temperature of the fuel cell stack below 100 ° C at least one electrode and / or a reaction gas space is locally heated, so that the product water formed does not condense but leaves the fuel cell unit in gaseous form.
  • the subject of the invention is an HTM fuel cell battery which comprises at least one fuel cell unit, the cathode, anode and / or one of whose reaction gas spaces can be heated.
  • the cathode and / or the cathode space is preferably heated. Appropriate measures can also be carried out on the anode side of fuel cells.
  • HTM high-temperature membrane
  • a single fuel cell unit comprises a centrally arranged membrane with an electrode coating on both sides.
  • the electrode coating contains a gas diffusion layer, which has, for example, a current collector made of a carbon fabric or the like, and a layer with the electrocatalyst which is directly adjacent to the membrane.
  • the fuel cell unit is surrounded by a pole plate at the top and bottom, the pole plate also being referred to as a cell plate or bipolar plate.
  • a stack of individual fuel cell units referred to in the art as a fuel cell stack, comprises at least one fuel cell with the corresponding end plates and
  • the cooling system stem can also have components that are arranged outside the stack.
  • a fuel cell battery comprises at least one fuel cell stack and associated units, which are also arranged in the battery, such as a reformer.
  • the localized areas m which takes place this simulation, are preferably those areas where m the resulting product without water, the temperature increase was auskon ⁇ condense.
  • the product water is produced in vapor form.
  • the vaporous water is discharged, for example, with a gas stream, in particular the process gas stream of the fuel cell.
  • the heating element is required for local heating to evaporate the process water at starting temperatures below 100 ° C.
  • the heating element can be at least one wire which is embedded, for example, in the catalyst layer of the electrode, in the gas diffusion layer and / or in the pole plate or the cell plate or in the bipolar plate of the fuel cell unit.
  • the wire is wound a resistance wire, for example serpentmenformig m or similar form, being produced by an electrical current in the resistor wire ⁇ 's heat.
  • the catalyst layer serves ⁇ m connection with the electrode directly as a heating element, for example m the form of a catalytic burner, said fuel and oxidant from ⁇ partly, ie, 0 2 and / or air, are directed to the catalyst layer.
  • a catalytic burner leads to a so-called silent combustion, which heats the reaction gas space.
  • the catalyst layer in connection with the electrode, the gas diffusion layer and / or the pole plate itself serves directly as a heating element, for example by passing current through it.
  • the heating element is only present in parts of the electrode, the pole plate and / or gas diffusion layer, so that these have areas that can be heated and areas that are unheatable.
  • the electrical power emitted by the fuel cell battery itself or by an external battery is used for supply, with an additional battery possibly being provided for the fuel cell unit, the heating in the other cases takes place directly through the conversion of the chemical energy that is present in the fuel.
  • the recombination of fuel gas and oxidant is used, which realizes an exothermic process.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Hochtemperatur-Membran-(HTM)Brennstoffzelle, ein Verfahren zum Betreiben einer HTM-Brennstoffzelle und eine HTM-Brennstoffzellenbatterie. Die Ausspülung des Elektrolyten während des Startens der Batterie wird dadurch verhindert, daß das Produktwasser nicht innerhalb der Brennstoffzelleneinheit kondensiert, weil diese zur Verdampfung des Produktwassers lokal begrenzt beheizbar ist.

Description

Beschreibung
Hochtemperatur-Membran-Brennstoffzelle, Verfahren zum Betrei¬ ben einer HTM-BrennstoffZellenbatterie und HTM- BrennstoffZellenbatterie
Die Erfindung betrifft eine Hochtemperatur-Membran (HTM) - Brennstoffzelle, ein Verfahren zum Betreiben einer HTM- Brennstoffzelle und eine HTM-BrennstoffZellenbatterie .
Vom Stand der Technik ist die Polymer-Elektrolyt- Membran (PEM) -Brennstoffzelle bekannt, die als Elektrolyten ein Basispolymer hat, an dem [-S03H] -Gruppen hängen. Die elektrolytische Leitung findet dabei über hydratisierte Pro- tonen statt. Diese Membran braucht entsprechend flüssiges Wasser, d.h. unter Normaldruck Betriebstemperaturen unter 100°C, um die Protonenleitfähigkeit zu gewährleisten.
Ein Ansatzpunkt, die Beschränkung der Betriebstemperatur auf- zuheben, ist, daß anstelle der [-SO3H] -Gruppen enthaltenden Membran eine andere Membran verwendet wird, wobei es sich auch um eine Ionenaustauschermembran handeln kann, und/oder eine Matrix mit freier und/oder physikalisch und/oder chemisch gebundener Phosphorsäure als Elektrolyt einer Brenn- stoffzelle eingesetzt wird. Diese Brennstoffzelle wird Hochtemperatur-Membran-Brennstoffzelle genannt, die nachfolgend als HTM-Brennstoffzelle bezeichnet wird.
Bei der Realisierung einer HTM-Brennstoffzelle mit freier Phosphorsäure tritt jedoch zumindest ein Problem auf, die
Ausspülung des Elektrolyten bei Temperaturen unter 100°C, also beim Starten und/oder beim Herunterfahren der Brennstoffzellenanlage. Dies ist eine Folge der Bildung von Produktwasser an der Kathode, das in der Brennstoffzelleneinheit kon- densiert und dann als flüssiges Wasser in die Membran eintritt und dort den physikalisch gebundenen Elektrolyten, wie beispielsweise die Phosphorsäure, verdünnt und schließlich ausspult. Dieses Problem tritt hauptsächlich auf, wenn die Brennstoffzelle im Start-/Stop- Betrieb betrieben wird, also z.B. bei der mobilen Anwendung. Der durch die Ausspülung be¬ dingte Elektrolytverlust kann zu Leistungseinbußen bis hin zum Funktionsausfall der Zelle fuhren. Der auf beiden Seiten der Membran ausgespulte Elektrolyt verlaßt beispielsweise m Form feiner Tropfchen mit dem Prozeßgasstrom die Zelle. Zum Erhalt der Funktionsfahigkeit der Zelle muß Elektrolyt nachdosiert werden.
Letzteres Problem ist von der Phosphorsaure-Brennstoffzelle PAFC (Phosphor Acid Fuel Cell) her bekannt, dort jedoch von untergeordneter Bedeutung, weil die PAFC vornehmlich stationär im standigen Betrieb über einen längeren Zeitraum emge- setzt wird und der Großteil des Elektrolytverlustes, wie gesagt, wahrend des Startens entsteht. Die Anwendung der Erfindung auf stationäre Systeme ist aber naheliegend, weil auch dort wirtschaftliche Vorteile durch die Erfindung zu erwarten sind.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Brennstoffzelle zu schaffen und ein zugehöriges Betriebskonzept anzugeben. Damit soll eine Brennstoffzellenbatterie aufgebaut werden, die ohne Nachdosierung von Elektrolyt funktionsfähig ist.
Die Aufgabe ist erfmdungsgemaß durch die Merkmale bzw. Maßnahmen der Patentansprüche 1, 8 und 10 gelost. Weiterbildungen sind Gegenstand der jeweils abhangigen Ansprüche.
Gegenstand der Erfindung ist eine Hochtemperatur-Membran- Brennstoffzelle, mit einer Membran und zwei Elektroden, der Anode und der Kathode mit den dazugehörigen Reaktionsgasrau- men, wobei eine oder beide der Elektroden und/oder eine oder beide Reaktionsgasraume zumindest lokal beheizbar sind.
Weiterhin ist Gegenstand der Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer HTM-Brennstoffzellenbatterie bei dem bei einer Temperatur des Brennstoffzellenstacks unter 100°C zumindest eine Elektrode und/oder ein Reaktionsgasraum lokal aufgeheizt wird, so daß das entstehende Produktwasser nicht kondensiert sondern gasförmig die BrennstoffZeileneinheit verläßt.
Schließlich ist auch Gegenstand der Erfindung eine HTM- Brennstoffzellenbatterie, die zumindest eine Brennstoffzel- leneinheit umfaßt, deren Kathode, Anode und/oder einer deren Reaktionsgasräume beheizbar ist.
Bei der Erfindung wird bevorzugt die Kathode und/oder der Kathodenraum beheizt. Entsprechende Maßnahmen können aber auch an der Anodenseite von Brennstoffzellen durchgeführt werden.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den einzelnen Patentansprüchen. Dabei wird von einer bekannten Hochtemperatur-Menbran (HTM) -Bennstoffzelle in der Ausbildung als sog. HT-PEM-Brennstoffzelle ausge- gangen, so daß auf eine figürliche Darstellung verzichtet werden kann.
Eine einzelne Brennstoffzelleneinheit umfaßt eine zentral an¬ geordnete Membran mit beidseitiger Elektrodenbeschichtung. Die Elektrodenbeschichtung enthält eine Gasdiffusionsschicht, die beispielsweise einen Stromkollektor aus einem Kohlegewebe oder ähnlichem hat und eine Schicht mit dem Elektrokatalysa- tor, die unmittelbar an die Membran angrenzt. Die Brennstoffzelleneinheit wird eingefaßt von jeweils einer Polplatte oben und unten, wobei die Polplatte auch als Zellblech oder Bipolarplatte bezeichnet wird.
Ein in der Fachwelt als Brennstoffzellenstack bezeichneter Stapel einzelner BrennstoffZelleneinheiten umfaßt zumindest eine Brennstoffzelle mit den entsprechenden Endplatten und
Versorgungsleitungen, sowie ein Kühlsystem, wobei das Kühlsy- stem auch Bestandteile haben kann, die außerhalb des Stacks angeordnet sind.
Eine Brennstoffzellenbatterie umfaßt zumindest ein Brenn- stoffzellenstack und dazugehörige Aggregate, die noch m der Batterie angeordnet sind, wie beispielsweise einen Reformer.
Bei einer so beschriebenen Brennstoffzelle wird das Problem der Elektrolytausspulung beim Starten einer HTM-Brennstoff- Zeilenanlage dadurch umgangen, daß im Brennstoffzellenstack lokal begrenzt auf Temperaturen über 100°C geheizt wird, so daß das flussige Produktwasser, das die unerwünschte Aussp lung m der Membran verursachen wurde, vor seinem Eindringen m die Membran verdampft wird. Dadurch werden bereits bei Temperaturen unterhalb der Betriebstemperatur der HTM-Brenn- stoffzelle lokal Bedingungen simuliert, die denen bei erreichter Betriebstemperatur entsprechen. Somit kann also auch beim Start der Brennstoffzelle von diesbezüglich gleichen Bedingungen ausgegangen werden.
Die lokal begrenzten Bereiche, m denen diese Simulation stattfindet, sind bevorzugt diejenigen Bereiche, m denen das entstehende Produktwasser ohne die Temperaturerhöhung auskon¬ densieren wurde.
Durch die lokale Beheizung fallt das Produktwasser dampfförmig an. Das dampfförmige Wasser wird beispielsweise mit einem Gasstrom, insbesondere dem Prozeßgasstrom der Brennstoffzelle, ausgetragen.
Zur lokalen Beheizung zwecks Verdampfung des Prozeßwassers bei Starttemperaturen unter 100°C ist ein Heizelement notwendig. Das Heizelement kann nach einer ersten Ausgestaltung zumindest ein Draht, der beispielsweise m der Katalysator- schicht der Elektrode, m der Gasdiffusionsschicht und/oder m der Polplatte oder dem Zellblech oder m der Bipolarplatte der Brennstoffzellenemheit eingebettet ist, sein. Der Draht ist als Widerstandsdraht beispielsweise serpentmenformig oder m ähnlicher Form gewickelt, wobei durch einen elektri¬ schen Strom im Widerstandsdraht Warme erzeugt wird.
Nach einer zweiten Ausfuhrungsform dient die Katalysator¬ schicht m Verbindung mit der Elektrode direkt als Heizelement, beispielsweise m Form eines Katalytbrenners, wobei ab¬ wechselnd Brennstoff und Oxidans, d.h. 02 und/oder Luft, auf die Katalysatorschicht geleitet werden. Mit einem solchen Katalytbrenner kommt es zu einer sog. stillen Verbrennung, durch die der Reaktionsgasraum beheizt wird.
Nach einer dritten Ausfuhrungsform dient die Katalysatorschicht m Verbindung mit der Elektrode, die Gasdiffusions- Schicht und/oder die Polplatte selbst unmittelbar als Heizelement, indem beispielsweise Strom durchgeleitet wird.
Nach einer Abwandlung letzterer Ausfuhrungsform ist das Heizelement nur m Teilen der Elektrode, der Polplatte und/oder Gasdiffusionsschicht vorhanden, so daß diese Bereiche aufweisen, die beheizbar sind und solche, die unbeheizbar sind.
Wahrend bei den Ausfuhrungsformen mit stromdurchflossenen Heizelementen die von der Brennstoffzellenbatterie selbst oder einer externen Batterie abgegebene elektrische Leistung zur Versorgung dient, wobei gegebenenfalls zur Brennstoffzel- lenemheit ein zusätzlicher Akku vorhanden sein kann, erfolgt die Heizung m den anderen Fallen direkt durch die Umsetzung der chemischen Energie, die im Brennstoff vorhanden ist. Dazu wird die Rekombination von Brenngas und Oxidans ausgenutzt, die einen exothermen Prozess realisiert.

Claims

Patentansprüche
1. Hochtemperatur-Membran (HTM) -Brennstoffzelle, mit einer Membran und zwei Elektroden, die Anode und die Kathode mit den dazugehörigen Reaktionsgasraumen, wobei eine oder beide der Elektroden und/oder ein oder beide Reaktionsgasraume zu¬ mindest lokal beheizbar sind.
2. HTM-Brennstoffzelle 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 Elektrode die Kathode und/oder der Reaktionsgasraum der Kathodengasraum ist.
3. HTM-Brennstoffzelle 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 ein Heizelement vorhanden
4. HTM-Brennstoffzelle 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 das Heizelement ein Draht, beispielsweise ein serpentmenformig ausgebildeter oder gewik- kelter Draht, ist.
5. HTM-Brennstoffzelle 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 das Heizelement ein Kata- lytbrenner ist.
6. HTM-Brennstoffzelle 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 Katalysatorschicht m Verbindung mit der Elektrode, die Gasdiffusionsschicht und/oder die Polplatte selbst unmittelbar als Heizelement dient, indem beispielsweise Strom durchgeleitet wird ist.
7. HTM-Brennstoffzelle nach Anspruch 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass das Heizelement nur m Teilen der Elektrode, der Polplatte und/oder Gasdiffusionsschicht vorhanden, so daß diese Bereiche aufweisen, die beheizbar sind und solche, die unbeheizbar sind.
8. Verfahren zum Betreiben einer Hochtemperatur-Membran (HTM) - Brennstoffzellenbatterie, die einen Stapel einzelner BrennstoffZeileneinheiten umfaßt, wobei eine Temperatur des BrennstoffZeilenstacks kleiner 100°C vorliegt und zumindest eine Elektrode und/oder ein Reaktionsgasraum lokal auf eine solche Temperatur aufgeheizt wird, bei der das entstehende Produktwasser in der Gasphase vorliegt und gasförmig die Brennstoffzelleneinheit verläßt.
9. Verfahren nach Anspruch 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Aufheiztemperatur größer 100°C ist.
10. Hochtemperaur-Menbran (HTM) -Brennstoffzellenbatterie, die zumindest eine BrennstoffZelleneinheit mit Elektroden und zu- gehörigen Reaktionsgasraumen umfaßt, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass Mittel wenigstens zur lokalen Beheizung einzelner Elektroden und/oder einer deren Reaktionsgasräume einzelner BrennstoffZeileneinheiten vorhanden sind.
11. HTM-Brennstoffzellenbatterie nach Anspruch 10, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass zur Versorgung der Heizmittel eine BrennstoffZelleneinheit und/oder eine separate Batterie herangezogen wird.
12. HTM-Brennstoffzellenbatterie nach Anspruch 10, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Heizmittel durch Rekombination von Brenngas und Oxidans realisiert sind.
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