WO2002037594A2 - Verfahren zum betreiben einer ht-pem-brennstoffzellenanlage und zugehörige brennstoffzellenanlage - Google Patents

Verfahren zum betreiben einer ht-pem-brennstoffzellenanlage und zugehörige brennstoffzellenanlage Download PDF

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Definitions

  • the invention relates to a method for operating an HT-PEM fuel cell system, which consists of at least one fuel cell module designed as a stack of fuel cells for hydrogen operation.
  • the invention also relates to an associated HT-PEM fuel cell system with at least one fuel cell module for hydrogen operation.
  • the HT-PEM fuel cell system is understood to mean a system in which the fuel cells are polymer electrolyte membrane fuel cells, which operate at elevated operating temperatures.
  • elevated operating temperatures are higher temperatures than the working temperature of the PEM fuel cell of 60 ° C, specifically temperatures between 60 ° C and 300 ° C, in particular in the range between 120 ° C and 200 ° C.
  • EP 0 596 366 B1 specifies a method and an associated device in which the fuel gas is concentrated by a suitable fluid system after parallel flow through a first group of fuel cells and successively supplied to further fuel cell groups
  • the object of the invention is therefore to propose an HT-PEM fuel cell system in an improved operating mode.
  • the invention proposes measures and associated means for the construction of a fuel cell module with which an HT-PEM fuel cell system can work in cascade mode.
  • the HT-PEM fuel cell system is operated in the temperature range between 60 ° C and 300 ° C, preferably between 120 ° C and 180 ° C.
  • the so-called ⁇ value can be set in a targeted manner during fuel cell operation. This results in special advantages especially for the HT-PEM fuel cell.
  • the single figure shows a fuel module of an HT-PEM fuel cell system with means for cascade operation.
  • 10 denotes a fuel cell module made up of a plurality of fuel cell units, which is part of an HT-PEM fuel cell system.
  • the stacking results in the
  • Fuel cell units each with a membrane electrode unit, a stack, which is also referred to in the technical terminology as a stack.
  • a stack which is also referred to in the technical terminology as a stack.
  • Such a HT-PEM fuel cell stack is operated at an elevated temperature, for example at temperatures between 60 and 300 ° C.
  • Favorable working temperatures for the HT-PEM fuel cell are between 120 ° C and 200 ° C.
  • the fuel cell module 10 is divided into individual units 1, 2, 3, 4, ..., a cascade with four units 1 to 4 being shown by way of example in the figure. All four units 1 to 4 with consecutive, decreasing number of fuel cell units and MEAs are operated cascaded with hydrogen as fuel gas from a common fuel gas system, with which a suitable adaptation of the fuel gas is achieved.
  • the cascaded operation results in an improvement of the process control in such a way that the appropriate amount and concentration of hydrogen is present on the sensitive MEAs of the HT-PEM fuel cells.
  • the fuel cell module 10 is supplied with the fuel gas via the input E.
  • the fluid lines are designated with 21 to 24. Residual gas is output at output A.
  • the cascading described for HT-PEM fuel cells also enables the so-called ⁇ value, which is characteristic of the use of the fuel gas, to be optimized. This makes significant improvements, especially for the HT-PEM fuel cell reached. Specifically, this can influence exhaust emissions and thus, in particular, harmful emissions to the environment can be reduced.

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Abstract

Vom Stand der Technik ist bereits der Betrieb einer Brennstoffzellenanlage in Kaskadenschaltung bekannt. Gemäß der Erfindung wird speziell für eine HT-PEM-Brennstoffzellenanlage eine Kaskadenbauweise vorgeschlagen, für das ein Kaskadenbetrieb möglich ist. Damit können die Auslassemissionen vorteilhaft beeinflusst werden.

Description

Beschreibung
Verfahren zum Betreiben einer HT-PEM-Brennstoffzellenanlage und zugehörige Brennstoffzellenanlage
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betreiben einer HT-PEM-Brennstoffzellenanlage, die aus wenigstens einem als Stapel von Brennstoffzellen ausgebildeten BrennstoffZellenmodu1 für den Wasserstoff-Betrieb besteht. Daneben bezieht sich die Erfindung auch auf eine zugehörige HT-PEM-Brennstoffzellenanlage mit wenigstens einem Brennstoffzellenmodul für den Wasserstoffbetrieb.
PEM-BrennstoffZeilen sind vom Stand der Technik bekannt. Un- ter HT-PEM-Brennstoffzellenanlage ist eine Anlage verstanden, bei der die Brennstoffzellen Polymer-Elektrolyt-Membranbrennstoffzellen sind, die bei erhöhten Betriebstemperaturen arbeitet. Erhöhte Betriebstemperaturen sind im vorliegenden Zusammenhang höhere Temperaturen im Vergleich zur Arbeitstempe- ratur der PEM-Brennstoffzelle von 60°C, und zwar Temperaturen zwischen 60°C und 300°C, insbesondere im Bereich zwischen 120°C und 200°C.
Vom Stand der Technik ist es weiterhin bekannt, bei speziell für den U-Boot-Betrieb konzipierten Brennstoffzellenanlagen die zu einem Stapel zusammengefassten Brennstoffzellen kaska- diert zu betreiben. Dadurch soll eine optimale Ausnutzung des Brennstoffes erreicht werden. Im Einzelnen wird mit der EP 0 596 366 Bl ein Verfahren und eine zugehörige Vorrichtung angegeben, bei dem das Brenngas durch ein geeignetes Fluid- system nach parallelen Durchströmen einer ersten Gruppe von Brennstoffzellen aufkonzentriert und sukzessive weiteren Brennstoffzellengruppen zugeführt wird
Nicht übertragbar ist dieses System auf eine HT-PEM-Brennstoffzellenanlage. Trotzdem werden in der Praxis die gleichen Anforderungen gestellt. Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine HT-PEM-Brennstoffzellenanlage in verbesserter Betriebsweise vorzuschlagen.
Die Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die Maßnahmen des Patentanspruches 1 gelöst. Eine zugehörige Brennstoffzellenan- lage ist im Patentanspruch 3 angegeben.
Mit der Erfindung werden Maßnahmen und zugehörige Mittel für den Aufbau eines Brennstoffzellenmoduls vorgeschlagen, mit denen eine HT-PEM-Brennstoffzellenanlage im Kaskadenbetrieb arbeiten kann. Dabei wird die HT-PEM-Brennstoffzellenanlage im Temperaturbereich zwischen 60°C und 300°C, vorzugsweise zwischen 120°C und 180°C, betrieben.
Mit der Erfindung lässt sich in vorteilhafter Weise erreichen, dass der sog. λ-Wert beim Brennstoffzellenbetrieb gezielt eingestellt werden kann. Damit ergeben sich speziell für die HT-PEM-Brennstoffzelle besondere Vorteile.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung eines Ausführungsbeispiels. Die einzige Figur zeigt ein Brennstoffmodul einer HT-PEM-Brennstoffzellenanlage mit Mitteln für einen Kaskaden- betrieb.
In der Figur ist mit 10 ein Brennstoffzellenmodul aus einer Vielzahl von Brennstoffzelleneinheiten bezeichnet, das Teil einer HT-PEM-Brennstoffzellenanlage ist. Wie bei der üblichen PEM-Brennstoffzelle ergibt sich durch die Stapelung der
Brennstoffzelleneinheiten mit jeweils einer Membran-Elektrodeneinheit ein Stapel, der in der Fachterminologie auch als Stack bezeichnet wird. Eine solches HT-PEM-Brennstoffzellen- stack wird im Vergleich zur üblichen PEM-Brennstoffzelle, die bei beispielsweise 60°C arbeitet, mit erhöhter Temperatur betrieben, beispielsweise bei Temperaturen zwischen 60 und 300°C. Vorteilhafte Arbeitstemperaturen für die HT-PEM- Brennstoffzelle liegen zwischen 120°C und 200°C.
Der Brennstoffzellenmodul 10 ist in einzelne Einheiten 1, 2, 3, 4, ... aufgeteilt, wobei in der Figur beispielhaft eine Kaskade mit vier Einheiten 1 bis 4 dargestellt sind. Alle vier Einheiten 1 bis 4 mit in der Reihe aufeinanderfolgenden, jeweils geringer werdenden Anzahl von Brennstoffzelleneinheiten und MEA' s werden kaskadiert mit Wasserstoff als Brenngas aus einem gemeinsamen Brenngassystem betrieben, womit eine geeignete Anpassung des Brenngases erreicht wird. Mit dem kaskadierten Betrieb ergibt sich eine Verbesserung der Prozessführung dahingehend, dass an den sensibel arbeitenden MEA' s der HT-PEM-Brennstoffzellen jeweils die geeignete Menge und Konzentration an Wasserstoff vorliegt.
Das Brennstoffzellenmodul 10 wird über den Eingang E mit dem Brenngas versorgt. In den einzelnen Kaskadierungsstufen sind die Fluidleitungen mit 21 bis 24 bezeichnet. Am Ausgang A wird Restgas ausgegeben.
Durch die beschriebene Kaskadierung auch bei HT-PEM-Brenn- stoffzellen ergibt sich die Möglichkeit, den sog. λ-Wert, der die Nutzung des Brenngases charakteristisch ist, zu optimie- ren. Damit werden speziell für die HT-PEM-Brennstoffzelle erhebliche Verbesserungen erreicht. Im Einzelnen können damit die Auslassemissionen beeinflusst und somit insbesondere schädliche Emissionen an die Umwelt vermindert werden.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Betreiben einer HT-PEM-Brennstoffzellenanlage, die aus wenigstens einem Brennstoffzellenmodul mit einem Stapel von HT-PEM-Brennstoffzellen (Stack) für einen Wasserstoff (H2) -Betrieb besteht, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das Brennstoffzellenmodul mit den HT-PEM-Brennstoffzellen kaskadiert betrieben wird.
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 das Brennstoffzellenmodul der HT- PEM- Brennstoffzellenanlage im Temperaturbereich zwischen 60°C und 300°C, vorzugsweise zwischen 120°C und 200°C, betrieben wird.
3. Verfahren 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 durch die Kaskadierung die Auslassemissionen des Brennstoffzellenmoduls beeinflusst, insbesondere vermindert, werden.
4. HT-PEM-Brennstoffzellenanlage zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder Anspruch 2 bzw. 3 mit wenigstens einem Brennstoffzellenmodul mit HT-PEM-Brennstoffzellen für einen Wasserstoff (H2) -Betrieb, d a d u r c h g e - k e n n z e i c h n e t , dass Mittel (21, 22, 23) zur Kaskadenbauweise des Brennstoffzellenmoduls (1) vorhanden sind.
5. HT-PEM-Brennstoffzellenanlage nach Anspruch 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Kaska- denbauweise in einer Aufteilung des Brennstoffzellenmoduls (10) in einzelne Einheiten besteht.
6. HT-PEM-Brennstoffzellenanlage nach Anspruch 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die einzel- nen Einheiten des Brennstoffzellenmoduls (10) von einem ge¬ meinsamen Brenngassystems versorgt werden.
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