DE102004013256A1

DE102004013256A1 - Verfahren zum Betrieb einer Brennstoffzelle

Info

Publication number: DE102004013256A1
Application number: DE102004013256A
Authority: DE
Inventors: Michael Dipl.-Ing. Oszcipok; Peter Schossig
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2004-03-18
Filing date: 2004-03-18
Publication date: 2005-10-06

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Brennstoffzelle, bei welchem vor oder während der Inbetriebnahme der Brennstoffzelle Wärmeenergie aus einem Latentwärmespeicher entnommen und der Brennstoffzelle zugeführt wird. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Betrieb einer Brennstoffzelle, welche eine Brennstoffzelle, einen Latentwärmespeicher und Mittel zum Auslösen der Wärmeabgabe des Latentwärmespeichers enthält.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Betrieb einer Brennstoffzelle. Brennstoffzellen dienen zur Versorgung elektrischer Verbraucher oder zur Einspeisung elektrischer Energie in ein Stromversorgungsnetz. Kritisch ist dabei die Inbetriebnahme der Brennstoffzelle bei tiefen Temperaturen.

Eine Brennstoffzelle erzeugt in einem elektrochemischen Prozess aus einen Brennstoff (beispielsweise Wasserstoff) und einem Oxidationsmittel (beispielsweise Sauerstoff) einen elektrischen Gleichstrom. In einer Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzelle (PEMBZ) läuft diese Reaktion an einer Protonen-Austausch-Membran 9 ab, vergl. 1. Dazu ist diese Protonen-Austausch-Membran 9 beidseitig mit einem Katalysatormaterial 10 beschichtet. Die beiden Bauteile bilden somit eine Membran-Elektrodeneinheit 4.

Nach dem Stand der Technik besteht die Katalysatorschicht aus einem Trägermaterial wie beispielsweise Aktivkohle. Auf diesem ist der Katalysator aus Pt oder Pt/Ru in Form von Partikeln aufgebracht. Die Partikel sind in einer wässrigen oder alkoholischen Lösung dispergiert und werden durch Siebdruck oder Sprühtechnik auf die Membran aufgebracht.

An der Kathodenseite der Membran wird molekularer Wasserstoff in Protonen und Elektronen aufgespalten. Die Protonen diffundieren nachfolgend durch die Membran auf die Anodenseite. Dort werden Protonen mit Sauerstoff und Elektronen zu Wasser oxidiert. Die auf der Kathodenseite entstehenden Elektronen fließen in einem äußeren Leiterkreis auf die Anodenseite und verrichten dabei elektrische Arbeit. Neben der elektrischen Nutzenergie entsteht bei dem beschriebenen Prozess auch Wärme, welche aus der Brennstoffzelle abgeführt werden muss.

Um die mechanische Stabilität der Zelle zu gewährleisten ist die Membran-Elektroden-Einheit 4 zwischen Bipolarplatten 1 eingesetzt. Diese enthalten Gaszuführungskanäle 3. Zur elektrischen Isolation sind Gasdiffusionsschichten 11 eingesetzt.

Nachdem die Reaktion im Inneren der PEMBZ in wasserhaltiger Umgebung abläuft, führt ein Absinken der Temperatur innerhalb der Brennstoffzelle während einer Betriebspause zu einer Leistungsminderung und bei weiterem Absinken zum Einfrieren der Brennstoffzelle. Durch die Vereisung der Elektrode und/oder der Membran wird die Kinetik der Brennstoffzelle stark vermindert und die Reaktion kann zum Erliegen kommen, so dass die Brennstoffzelle vor einer erneuten Leistungsabgabe auf getaut werden muss.

Nach dem Stand der Technik sind Mittel vorgesehen, um das Absinken der Betriebstemperatur unterhalb des Toleranzbereiches zu verhindern. Insbesondere zur Beschleunigung des Kaltstarts bei niedrigen Umgebungstemperaturen sind verschiedene Verfahren zur Wärmezufuhr bekannt.

So wird in der DE 19931061 A1 vorgeschlagen, eine Wärmequelle in den Kühlkreislauf zu integrieren und so die Wärme über das Kühlsystem in die Brennstoffzelle einzutragen. Als Wärmequelle eignet sich insbesondere ein katalytischer Brenner oder eine elektrische Heizeinrichtung.

Die US 6,127,056 offenbart eine passive katalytische Heizung durch eine geänderte Mischung von Brennstoff und Oxydationsmittel. Dabei wird für einen bestimmten Zeitraum vermehrt Abwärme gebildet, welche zu einem raschen Aufheizen der Brennstoffzelle führt.

Nachteilig ist an allen Verfahren, bei welchem Kühlmittelkreisläufe involviert sind, dass der Betrieb der Brennstoffzelle durch zusätzliche Bauteile wie Pumpen und Wärmetauscher aufwändig und störanfällig wird. Im Falle einer Heizeinrichtung im Kühlkreislauf ist die Wärmeabgabe dieses Gerätes zusätzlich zu überwachen.

Die katalytische Verbrennung eines Brennstoffüberschusses in der Brennstoffzelle selbst ist sicherheitstechnisch bedenklich. Hierbei kann es bei Ausfall der Regelung nicht nur zur Zerstörung der Brennstoffzelle, sondern auch zu weitergehenden Sach- und Personenschäden kommen.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht demnach darin, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Temperaturerhöhung einer Brennstoffzelle anzugeben, welches in oder nach Betriebsphasen mit niedriger Wärmeproduktion in einfacher Weise die Zufuhr von Wärmeenergie in die Brennstoffzelle ermöglicht.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Vorrichtung zum Betrieb einer Brennstoffzelle, welche eine Brennstoffzelle, einen Latentwärmespeicher und Mittel zum Auslösen der Wärmeabgabe des Latentwärmespeichers enthält. Weiterhin besteht die Lösung in einem Verfahren zum Betrieb einer Brennstoffzelle, bei welchem vor oder während der Inbetriebnahme der Brennstoffzelle Wärmeenergie aus einem Latentwärmespeicher entnommen und der Brennstoffzelle zugeführt wird.

Bei dem genannten Latentwärmespeicher handelt es sich um ein Material, welches durch Zufuhr von Wärmeenergie einen Phasenübergang, beispielsweise fest-flüssig, durchläuft. Beim Abkühlen der Schmelze wird jedoch die Kristallisationsenthalpie nicht frei, so dass das Material auch bei Temperaturen unterhalb des Schmelzpunktes flüssig bleibt. Dieser Zustand wird auch als Unterkühlung bezeichnet. Durch Auslösen der Kristallisation wird dann Wärmeenergie zu einem vorbestimmten Zeitpunkt freigegeben.

Ein solches Verhalten zeigen beispielsweise Salze, Salzhydrate oder Salzlösungen. Bekannte Vertreter sind beispielsweise Na₂S₂O₃·5H₂O, Na₂SO₄·10H₂O, Ba(OH)₂·8H₂O und weitere.

Die Notwendigkeit zur Zufuhr von Wärme in die Brennstoffzelle ergibt sich insbesondere vor oder während der Inbetriebnahme bei Temperaturen von weniger als etwa 0° C. Die notwendige Wärmeenergie, um den Latentwärmespeicher zu Regenerieren, wird dann während des Betriebes der Brennstoffzelle von dieser geliefert.

Als Inbetriebnahme wird im Sinne der vorliegenden Erfindung ein Zeitraum bezeichnet, welcher mit der erstmaligen Zufuhr von Brennstoff nach einer Betriebspause beginnt und mit dem Erreichen der Betriebstemperatur endet. Eine Betriebspause ist demnach ein Zeitraum, in welchem der Brennstoffzelle kein Brennstoff zugeführt und keine Leistung entnommen wird.

Vorteilhaft wird das erfindungsgemäße Verfahren insbesondere bei einer Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzelle eingesetzt. Dies liegt zum einen an deren Betriebstemperatur, welche unterhalb von etwa 200°C liegt. Darüber hinaus reagiert die bei diesem Typ von Brennstoffzellen verwendete Protonen-Austausch-Membran auf tiefe Temperaturen besonders empfindlich: Bei Stillstand der Zelle und nachfolgendem Auskühlen auf Temperaturen unterhalb etwa 0°C gefriert das im Betrieb entstandene Produktwasser an der Membran. Die Zelle ist damit blockiert und muss vor der erneuten Inbetriebnahme erwärmt werden. Eine dauerhafte Schädigung erfährt die Protonen-Austausch-Membran jedoch nicht.

Um den Latentwärmespeicher zur gezielten Beheizung der Brennstoffzelle einzusetzen, ist eine Auslösevorrichtung für die Kristallisation des Phasenwechselmaterials vorgesehen.

Die Auslösevorrichtung kann durch den Benutzer oder automatisiert durch eine elektronische Schaltung betätigt werden. Die Auslösung der eigentlichen Kristallisation erfolgt dann in an sich bekannter Weise durch Einkopplung einer Druck- oder Schallwelle, mechanische Stöße oder piezoelektrisch. Eine Druckwelle kann insbesondere durch kurzzeitiges Öffnen eines ohnehin vorhandenen Gaszufuhrventils erzeugt werden.

In einer bevorzugten Ausführungsform wird die thermische Ankoppelung des Latentwärmespeichers an die Brennstoffzelle dadurch erreicht, dass der Latentwärmespeicher in ein Bauteil der Brennstoffzelle einbringbar und/oder mit ihm verbindbar und/oder in ihm enthalten ist.

Das Einbringen des Latentwärmespeichers kann dabei in einer Ausführungsform derart geschehen, dass das Bauteil einen Hohlraum aufweist, in den der Latentwärmespeicher eingebracht wird. Denkbar wäre aber auch, den Latentwärmespeicher in einem separaten Gehäuse auszuführen und dieses thermisch mit einem Brennstoffzellenbauteil zu verbinden. Auf diese Weise kann die Wärmeabgabe des Latentwärmespeischers in besonders einfacher Weise ausgelöst werden.

In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung wird der Werkstoff, aus welchem das Brennstoffzellenbauteil gefertigt wird, mit einem Latentwärmespeicher in mikroverkapselter Form versehen. Dabei wird das Material des Latentwärmespeichers mit einem Polymermaterial, beispielsweise Polytetrafluorethylen oder Polymethylmethacrylat umschlossen. Das so gebildete Pulver weist typischerweise Korngrößen von 1–3 μm auf.

Als Material des Brennstoffzellenbauteils seien beispielhaft Kohlenstoffsintermaterialien oder Kunstharze genannt, denen der umkapselte Latentwärmespeicher bei Fertigung des Bauteils zugefügt wird. Dadurch wird eine homogene Verteilung innerhalb des Bauteils erreicht. Alternativ kann der umkapselte Latentwärmespeicher auch in Form von Lacken oder Siebdruckpasten als Beschichtung aufgebracht werden. Die Erwärmung der Brennstoffzelle kann damit auf die besonders sensiblen Bereiche der Brennstoffzelle lokalisiert werden.

Als Brennstoffzellenbauteil zur Aufnahme des Latentwärmespeichers eignen sich insbesondere Bipolarplatten 1, Endplatten 5 oder Gehäuse bzw. Gehäuseteile 6 der Brennstoffzelle.

Mikroverkapseltes Material kann besonders vorteilhaft auch in der Katalysatorschicht 10 und/oder der Gasdiffusionsschicht 11 der Brennstoffzelle eingesetzt werden. Dazu wird der umkapselte Latentwärmespeicher dem dispergierten Katalysatormaterial zugesetzt und zusammen mit diesem durch Sprühtechniken oder Siebdruck in nur einem Arbeitsgang aufgebracht. In diesem Fall wirkt die vom Latentwärmespeicher abgegebene Wärme unmittelbar auf die Polymer-Elektrolyt-Membran ein.

Besonders vorteilhaft ist die Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung bei Brennstoffzellen, welche in Fahrzeugen eingesetzt werden. Da Fahrzeuge oftmals bei kalter Witterung im Freien abgestellt sind, ist der Kaltstart nach längerer Standzeit, beispielsweise über Nacht, nicht mehr problemlos möglich. Durch die erfindungsgemäße Vorrichtung kann in einfacher Weise, d.h. ohne Sicherheitsrisiko und ohne zusätzlichen Energieverbrauch Wärme in die Brennstoffzelle zugeführt werden.

Eine weitere vorteilhafte Anwendungsmöglichkeit des Erfindungsgemäßen Verfahrens bietet sich in Netzunabhängigen Stromversorgungseinrichtungen, beispielsweise für Baustellen oder Wochenendhäuser. Auch in diesem Fall treten längere Betriebspausen auf, beispielsweise über Nacht, in welchen die Brennstoffzellen so weit auskühlen können, dass die Inbetriebnahme ohne vorherige Wärmezufuhr unmöglich wird.

Nachfolgend soll die Erfindung anhand von Figuren näher erläutert werden.
1 zeigt den Aufbau einer Brennstoffzelle nach dem Stand der Technik.
2 zeigt eine Brennstoffzelle mit dem sie umgebenden Gehäuse.
3 zeigt zweiteilige Bipolarplatten, in welche ein Latentwärmespeicher eingebracht ist.
In 2 ist eine Brennstoffzelle mit dem sie umgebenden Gehäuse 6 dargestellt. Die Brennstoffzelle selbst besteht aus der Membran-Elektroden-Einheit 4, welche mit einer Bipolarplatte 1 verbunden ist. Die Bipolarplatte enthält mehrere Gaszuführungskanäle 3. Zur Stromerzeugung werden mehrere parallel angeordnete Bipolarplatten verwendet. An den beiden Endflächen des Stapels sind Endplatten 5 angebracht, welche sich von den Bipolarplatten 1 insofern unterscheiden, als Gaszuführungskanäle und Membran-Elektroden-Einheiten nur einseitig angeordnet sind.
Phasenwechselmaterialien in Form von Mikrokapseln können sowohl im Gehäuse als auch in den Bipolar- und/oder Endplatten enthalten sein. Hierzu wird der Latentwärmespeicher bei der Fertigung des Bauteils aus Kohlenstoffsintermaterialien oder Kunstharzen dem Ausgangsmaterial zugefügt. Der Latentwärmespeicher ist somit gleichmäßig innerhalb des entsprechenden Bauteils verteilt. Die Auslösung der Wärmeabgabe erfolgt über die Einkopplung von Körperschall mittels der Auslösevorrichtung 8 in die Brennstoffzellenanordnung.
3 zeigt eine mehrteilig ausgeführte Bipolarplatte. Die Einzelteile 2 mit den Gaszuführungskanälen 3 können dabei beispielsweise aus einem Metall oder einer Legierung gefertigt werden. Im so entstandenen Hohlraum 7 wird ein Salzhydrat eingebracht. Vorteilhaft an dieser Ausführungsform ist der geringe Wärmewiderstand zwischen der Membran-Elektroden-Einheit 4 und dem Latentwärmespeicher 7. Nach dem Abschalten der Brennstoffzellen kühlt das Salzhydrat ohne zu kristallisieren aus. Vor oder während der Inbetriebnahme wird die Kristallisation des Phasenwechselmaterials durch die Auslösevorrichtung 8, beispielsweise ein Piezokristall, ausgelöst. Durch die freiwerdende Kristallisationsenthalpie wird die Bipolarplatte und nachfolgend die Membran-Elektroden-Einheit aufgewärmt.

1.: Bipolarplatte
2.: Teil einer mehrteiligen Bipolarplatte
3.: Gaszuführungskanal für Brennstoff und/oder Oxidations
: mittel
4.: Membran-Elektroden-Einheit
5.: Endplatte
6.: Gehäuse
7.: Latentwärmespeicher
8.: Auslöseeinrichtung
9.: Protonen-Austausch-Membran
10.: Katalysatorschicht
11.: Gasdiffusionsschicht
12.: Dichtung

Claims

Verfahren zum Betrieb einer Brennstoffzelle, dadurch gekennzeichnet, dass vor oder während der Inbetriebnahme der Brennstoffzelle Wärmeenergie aus einem Latentwärmespeicher entnommen und der Brennstoffzelle zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Latentwärmespeicher vor der Entnahme von Wärmeenergie eine Unterkühlung zeigt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur der Brennstoffzelle bei der Inbetriebnahme unter 273 K liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeabgabe des Latentwärmespeichers automatisiert ausgelöst wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass während des Betriebs der Brennstoffzelle dieser Wärmeenergie entnommen und dem Latentwärmespeicher zugeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Transport der Wärmeenergie über das Kühlmittel erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeabgabe des Latentwärmespeichers durch das Einkoppeln einer Druck- oder Schallwelle ausgelöst wird.
Vorrichtung zum Betrieb einer Brennstoffzelle, welche a) eine Brennstoffzelle b) einen Latentwärmespeicher c) Mittel zum Auslösen der Wärmeabgabe des Latentwärmespeichers enthält.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Latentwärmespeicher ein unterkühlbares Material enthält.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das unterkühlbare Material ein Salz und/oder ein Salzhydrat und/oder eine Salzlösung enthält.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzelle eine Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzelle umfasst.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Latentwärmespeicher in ein Bauteil der Brennstoffzelle einbringbar und/oder mit ihm verbindbar und/oder in ihm enthalten ist.
Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil eine Bipolarplatte und/oder eine Endplatte und/oder eine Gasdiffusionsschicht und/oder eine Katalysatorschicht umfasst.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum Auslösen der Wärmeabgabe des Latentwärmespeichers eine Einrichtung zum erkennen der Inbetriebnahme umfassen.
Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 14 in einem Fahrzeug.
Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 14 in einer netz-unabhängigen Stromversorgungseinrichtung.