DE10054056A1 - Brennstoffzellenanlage - Google Patents

Abstract

Bei einer Brennstoffzellenanlage, die wenigstens ein Brennstoffzellenmodul nach dem HT-PEM-Prinzip beinhaltet, ist vorgesehen, das zumindest an der Wasserstoffseite der einzelnen Brennstoffzelleneinheiten anfallende, überschüssige Wasserstoff-Gas mittels eines Abgaskatalysators (25) unschädlich zu machen. Belastungen der Umgebung werden somit ausgeschlossen.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Brennstoffzellenanlage mit wenigstens einem Brennstoffzellenmodul, das als Polymer- Elektrolyt-Membran(PEM)-Brennstoffzelle aufgebaut ist.

Eine Brennstoffzellenanlage mit einem PEM-Brennstoffzellen­ modul ist beispielsweise aus der EP 07 74 794 B1 bekannt. Es ist weiterhin bekannt, derartige PEM-Brennstoffzellenmodule bei erhöhten Temperaturen, d. h. Temperaturen über 60°C als übliche Betriebstemperatur der PEM-Brennstoffzelle, zu betreiben. In diesem Fall spricht man von einer HT-PEM- Brennstoffzelle. Bei der HT-PEM-Brennstoffzelle bewegt man sich in einem Temperaturfenster zwischen 60 und 300°, insbe­ sondere in einem Bereich von 120 und 200°C.

Vorteilhaft ist bei der HT-PEM-Brennstoffzelle insbesondere, dass der Betrieb der Brennstoffzelle unempfindlich gegen Ver­ unreinigungen des aus dem Brennstoff mittels eines Reformers gewonnenen wasserstoffreichen Brenngases oder Wasserstoff (H₂), ist.

Da der wasserbetriebenen Brennstoffzelle Wasserstoff im Über­ schuss zugeführt wird, enthält das Abgas an der Wasserstoff­ seite der Brennstoffzelle üblicherweise noch einen Rest an Wasserstoff. Dieser Wasserstoff gelangt entweder in die Umge­ bung oder wird an das System zurückgeführt.

Insbesondere beim Betrieb der PEM-Brennstoffzelle mit wasser­ stoffreichem Gas, das mittels eines Reformers aus einem flüs­ sigen Brennstoff wie Benzin, Methanol oder höheren Kohlenwas­ serstoffen erzeugt wurde, ist die Rückführung unvorteilhaft, weil das restliche Brenngas noch einen hohen Anteil nicht brennbarer Gase enthält.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Alternativlösung für die Rückführung des Wasserstoffes anzugeben.

Die Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die Merkmale des Pa­ tentanspruches 1 gelöst. Weiterbildungen sind in den abhängi­ gen Ansprüchen angegeben.

Bei der Erfindung ist speziell einem HT-PEM-Brennstoff­ zellenmodul ein Abgaskatalysator für Wasserstoff und/oder Kohlenmonoxid und/oder Kohlenwasserstoff zugeordnet. Wird das HT-PEM-Brennstoffzellenmodul ausschließlich mit reinem Was­ serstoff betrieben, kann der Abgaskatalysator mit überschüs­ sigem Wasserstoff unschädlich gemacht werden. Vorteilhaft ist dabei, dass die dabei entstehende exotherme Energie dem der PEM-Brennstoffzelle vorgeschalteten Reformer zugeführt werden kann.

Als Abgaskatalysator werden vom Stand der Technik bekannte Katalysatoren verwendet. Insbesondere als Wasserstoffkataly­ sator eignet sich beispielsweise ein Platinnetz. Ein solcher Katalysator kann elektrisch beheizt sein und sich insbesonde­ re auf der Betriebstemperatur der HT-PEM-Brennstoffzelle be­ finden.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung eines Ausführungs­ beispiels anhand der Zeichnung in Verbindung mit den Patent­ ansprüchen.

Die einzige Figur zeigt als Blockschaltbild die Arbeitsweise einer HT-PEM-Brennstoffzelle in Verbindung mit einem Abgaska­ talysator.

In der Figur ist das System einer Brennstoffzellenanlage mit 10 bezeichnet. Ein solches System 10 beinhaltet ein Brenn­ stoffzellenmodul und zugehörige Nebenaggregate. Angedeutet ist beispielhaft ein Brennstoffzellenmodul 20, das nach Art einer PEM-Brennstoffzelle aufgebaut ist. Dabei steht PEM für eine mit Wasserstoff und Sauerstoff betriebene Brennstoffzel­ le mit festen Elektrolyten nach dem sogenannten Protonen- Austausch-Verfahren (Proton Exchange Membrane), bei dem eine Polymer-Elektrolyt-Schicht (Proton Electrolyte Membrane) den wesentlichen Bestandteil der Brennstoffzelle bildet. Es ist jeweils eine Membran-Elektroden-Einheit (MEA = Membran Electrode Assembly) vorhanden, an der die Elementarreaktionen von Wasserstoff (H₂) und Sauerstoff (O₂) unter Generierung elektrischer Ladungen zur Bildung von Wasser erfolgen. Eine Vielzahl von MEA's mit zugehörigen bipolaren Platten sind zu einem sog. Brennstoffzellen-Stack aus elektrisch in Reihe ge­ schalteten Elementar-Brennstoffzelleneinheiten gestapelt, an dem eine entsprechende Spannung abgegriffen werden kann.

Der Wasserstoff für den Betrieb des HT-PEM-Brennstoffzellen­ moduls 20 wird in einem nur angedeuteten Reformer 110 aus ei­ nem flüssigen Brennstoff, beispielsweise Benzin, Methanol oder anderen höheren Kohlenwasserstoffen, erzeugt oder einem in der Figur nicht dargestellten Wasserstoffspeicher entnom­ men. Aus der Umgebungsluft wird das Oxidans bereitgestellt. Da Wasserstoff im Überschuss vorhanden ist, wird am Ausgang der Wasserstoffseite der Membran-Elektroden-Einheiten des Brennstoffzellenmoduls 20 Wasserstoff in die Umgebung abgege­ ben. Derartige Wasserstoffabgase sind unerwünscht und sollen weitestgehend unterbunden werden.

In der Figur ist dem PEM-Brennstoffzellenmodul 20 ein Wasser­ stoffkatalysator 25 zugeordnet. Mit einem solchen Katalysator wird der Wasserstoff im Abgas des HT-PEM-Brennstoffzellen­ moduls 20 unschädlich gemacht.

Als Abgaskatalysator 25 für Wasserstoff (H₂) dient beispiels­ weise ein Platinnetz. Da die chemische Umwandlung des Wasser­ stoffes einen exothermen Prozess darstellt, wird Energie frei. Vorteilhafterweise wird die freiwerdende Energie dem Reformer 110 zugeführt. Es kann auch der Abgaskatalysator oder das Abgas selbst auf die Betriebstemperatur der Brenn­ stoffzelle, insbesondere des HT-PEM-Brennstoffzellenmoduls 20, geheizt werden.

Es hat sich gezeigt, dass speziell bei der bei höheren Tempe­ raturen betriebenen PEM-Brennstoffzelle, d. h. bei der soge­ nannten HT-PEM-Brennstoffzelle, das unerwünschte Wasserstoff­ abgas am Ausgang des Brennstoffzellenmoduls weitestgehend un­ schädlich gemacht werden kann.

Sofern zum Betrieb der HT-PEM-Brennstoffzelle ein wasser­ stoffreiches Brenngas verwendet wird, das beispielsweise aus Benzin, Methanol oder anderen höheren Kohlenwasserstoffen ge­ wonnen wird, kann es vorteilhaft sein, in gleicher Weise auch Katalysatoren für Kohlenmonoxid oder auch für Kohlenwasser­ stoffe vorzusehen, da solche Restbestandteile im Brenngas und somit auch im Abgas vorhanden sein können. Belastungen der Umwelt werden somit ausgeschlossen.

Claims (5)

1. Brennstoffzellenanlage aus wenigstens einem HT-PEM-Brenn­ stoffzellenmodul mit einer Membran-Elektroden-Einheit (MEA), die mit Wasserstoff oder einem wasserstoffreichen Gas betrie­ ben wird, dadurch gekennzeichnet, dass für die mit einem aus einem flüssigen Brennstoff gewon­ nenen wasserstoffreichen Brenngas betriebenen Brennstoffzel­ len im HT-PEM-Brennstoffzellenmodul (20) an der Abgasseite der Membran-Elektroden-Einheiten (21, 21, . . .) ein Abgaskata­ lysator (25) für Wasserstoff und/oder Kohlenmonoxid und/oder Kohlenwasserstoffe vorhanden ist.

2. Brennstoffzellenanlage nach Anspruch 1, bei dem das Brenn­ stoffzellenmodul mit reinem Wasserstoff betrieben wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Ab­ gaskatalysator ein H₂-Katalysator ist und dass bei der mit wasserstoffreichem Gas betriebenen HT-PEM-Brennstoff­ zellenmodul (10) unerwünschte Wasserstoff H₂-Emissionen mit dem H₂-Katalysator (25) ausgeschlossen werden.

3. Brennstoffzellenanlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der H₂-Ktalysator (25) ein Platinnetz ist.

4. Brennstoffzellenanlage nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Ab­ gaskatalysator (25) elektrisch beheizbar ist.

5. Brennstoffzellenanlage nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die exo­ therme Energie des Katalysators (25) einem Reformer (30) zu­ geführt wird.