DE19922922A1 - Hochtemperatur-Membran-Brennstoffzelle, Verfahren zum Betreiben einer HTM-Brennstoffzellenbatterie und HTM-Brennstoffzellenbatterie - Google Patents

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 lokal begrenzt beheizbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Hochtemperatur-Membran- (HTM)Brennstoffzelle, ein Verfahren zum Betreiben einer HTM- Brennstoffzelle und eine HTM-Brennstoffzellenbatterie.

Bekannt ist die Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzelle, die als Elektrolyten ein Basispolymer hat, an dem [-SO₃H]- Gruppen hängen. Die elektrolytische Leitung findet dabei über hydratisierte Protonen statt. Diese Membran braucht entspre­ chend flüssiges Wasser, d. h. unter Normaldruck Betriebstempe­ raturen unter 100°C, um die Protonenleitfähigkeit zu gewähr­ leisten.

Ein Ansatzpunkt, die Beschränkung der Betriebstemperatur auf­ zuheben, ist, daß anstelle der [-SO₃H]-Gruppen enthaltenden Membran eine andere Membran (dabei kann es sich auch um eine Ionenaustauschermembran handeln) und/oder eine Matrix mit freier und/oder physikalisch und/oder chemisch gebundener Phosphorsäure als Elektrolyt einer Brennstoffzelle eingesetzt wird. Diese Brennstoffzelle wird Hochtemperatur-Membran- Brennstoffzelle (HTM-Brennstoffzelle) genannt.

Bei der Realisierung einer HTM-Brennstoffzelle mit freier Phosphorsäure tritt jedoch zumindest ein Problem auf, die Ausspülung des Elektrolyten bei Temperaturen unter 100°C, al­ so beim Starten und/oder beim Herunterfahren der Brennstoff­ zellenanlage. Dies ist ein Folge der Bildung von Produktwas­ ser an der Kathode, das in der Brennstoffzelleneinheit kon­ densiert und dann als flüssiges Wasser in die Membran ein­ tritt und dort den physikalisch gebundenen Elektrolyten, wie beispielsweise die Phosphorsäure, verdünnt und schließlich ausspült. Dieses Problem tritt hauptsächlich auf, wenn die Brennstoffzelle im Start/Stop Betrieb gefahren wird, also z. B. bei der mobilen Anwendung. Der durch die Ausspülung be­ dingte Elektrolytverlust kann zu Leistungseinbußen bis hin zum Funktionsausfall der Zelle führen. Der auf beiden Seiten der Membran ausgespülte Elektrolyt verläßt beispielsweise in Form feiner Tröpfchen mit dem Prozeßgasstrom die Zelle. Zum Erhalt der Funktionsfähigkeit der Zelle muß Elektrolyt nach dosiert werden.

Das Problem ist von der Phosphorsäurebrennstoffzelle PAFC (Phosphor Acid Fuel Cell) her bekannt, dort jedoch von unter­ geordneter Bedeutung, weil die PAFC vornehmlich stationär im ständigen Betrieb über einen längeren Zeitraum eingesetzt wird und der Großteil des Elektrolytverlustes, wie gesagt, während 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, die bei Betriebstemperaturen oberhalb von 100°C ar­ beitet und die ohne Nachdosierung von Elektrolyt funktionsfä­ hig ist.

Gegenstand der Erfindung ist eine Hochtemperatur-Membran- Brennstoffzelle, mit einer Membran und zwei Elektroden, der Anode und der Kathode mit den dazugehörigen Reaktionsgasräu­ men, wobei eine oder beide der Elektroden und/oder eine oder beide Reaktionsgasräume beheizbar sind.

Weiterhin ist Gegenstand der Erfindung ein Verfahren zum Be­ treiben 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 Brennstoffzelleneinheit verläßt.

Schließlich ist Gegenstand der Erfindung eine HTM- Brennstoffzellenbatterie, die zumindest eine Brennstoffzel­ leneinheit umfaßt, deren Kathode, Anode und/oder einer deren Reaktionsgasräume beheizbar ist.

Bevorzugt ist die Kathode und/oder der Kathodenraum beheiz­ bar.

Nach einer Ausführungsform ist die Elektrode und/oder der Re­ aktionsgasraum über ein Heizelement beheizbar. Das Heizele­ ment kann nach einer Ausgestaltung zumindest ein Draht, der beispielsweise in der Katalysatorschicht der Elektrode, in der Gasdiffusionsschicht und/oder in der Polplatte oder dem Zellblech oder in der Bipolarplatte der Brennstoffzellenein­ heit eingebettet ist, sein. Der Draht ist beispielsweise ser­ pentinenförmig oder gewickelt.

Nach einer Ausführungsform dient die Katalysatorschicht in Verbindung mit der Elektrode direkt als Heizelement, bei­ spielsweise in Form eines Katalytbrenners, wobei abwechselnd Brennstoff und Oxidans (O₂ und/oder Luft) auf die Katalysa­ torschicht geleitet werden. Dadurch kommt es zu einer stillen Verbrennung (Katalytbrenner), durch die der Reaktionsgasraum beheizt wird.

Nach einer Ausführungsform dient die Katalysatorschicht in Verbindung mit der Elektrode, die.Gasdiffusionsschicht und/oder die Polplatte selbst unmittelbar als Heizelement, indem beispielsweise Strom durchgeleitet wird.

Nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist das Heizelement nur in Teilen der Elektrode, der Polplatte und/oder Gasdiffusionsschicht vorhanden, so daß diese Berei­ che aufweisen, die beheizbar sind und solche, die unbeheizbar sind.

Eine Brennstoffzelleneinheit umfaßt eine zentral angeordnete Membran mit beidseitiger Elektrodenbeschichtung. Die Elektro­ denbeschichtung umfaßt eine Gasdiffusionsschicht, die bei­ spielsweise einen Stromkollektor aus einem Kohlegewebe oder ähnlichem hat und die Schicht mit dem Elektrokatalysator, die unmittelbar an die Membran angrenzt. Die Brennstoffzellenein­ heit wird eingefaßt von jeweils einer Polplatte oben und un­ ten, wobei die Polplatte auch als Zellblech oder Bipolarplat­ te bezeichnet wird.

Ein Brennstoffzellenstack umfaßt zumindest eine Brennstoff­ zelleneinheit mit den entsprechenden Endplatten und Versor­ gungsleitungen, sowie ein Kühlsystem, wobei das Kühlsystem auch Bestandteile haben kann, die außerhalb des Stacks ange­ ordnet sind.

Eine Brennstoffzellenbatterie umfaßt zumindest einen Stack und dazugehörige Aggregate, die noch in der Batterie angeord­ net sind, wie beispielsweise einen Reformer.

Gemäß der Erfindung wird das Problem der Elektrolytausspülung beim Starten einer HTM-Brennstoffzellenanlage dadurch ange­ gangen, daß im Brennstoffzellenstack lokal begrenzt auf Tem­ peraturen über 100°C geheizt wird, so daß das flüssige Pro­ duktwasser, das die unerwünschte Ausspülung in der Membran verursacht, vor seinem Eindringen in die Membran verdampft wird. Dadurch werden praktisch bei Temperaturen unterhalb der Betriebstemperatur der HTM-Brennstoffzelle lokal Bedingungen simuliert, die denen bei erreichter Betriebstemperatur gleich sind. Die lokal begrenzten Bereiche, in denen diese Simula­ tion stattfindet sind bevorzugt die, in denen das entstehende Produktwasser ohne die Temperaturerhöhung auskondensieren würde.

Das dampfförmige Wasser wird beispielsweise mit einem Prozeß­ gasstrom ausgetragen.

Claims (4)

1. Hochtemperatur-Membran-Brennstoffzelle, mit einer Membran und zwei Elektroden, die Anode und die Kathode mit den dazu­ gehörigen Reaktionsgasräumen, wobei eine oder beide der Elek­ troden und/oder ein oder beide Reaktionsgasräume zumindest lokal beheizbar sind.

2. HTM-Brennstoffzelle nach Anspruch 1, bei der die Elektrode die Kathode und/oder der Reaktionsgasraum der Kathodengasraum ist.

3. Verfahren zum Betreiben einer HTM-Brennstoffzellenbatterie bei dem bei einer Temperatur des Brennstoffzellenstacks klei­ ner 100°C zumindest eine Elektrode und/oder ein Reaktionsgas­ raum lokal aufgeheizt wird, so daß das entstehende Produkt­ wasser in der Gasphase vorliegt und gasförmig die Brennstoff­ zelleneinheit verläßt.

4. HTM-Brennstoffzellenbatterie, die zumindest eine Brenn­ stoffzelleneinheit umfaßt, deren Elektrode und/oder einer de­ ren Reaktionsgasräume zumindest lokal beheizbar ist.