WO2002001662A1

WO2002001662A1 - Polymer-elektrolyt-membran(pem) - brennstoffzelle mit heizelement, pem-brennstoffzellenanlage und verfahren zum betreiben einer pem-brennstoffzellenanlage

Info

Publication number: WO2002001662A1
Application number: PCT/DE2001/002305
Authority: WO
Inventors: Rolf BRÜCK; Jörg-Roman KONIECZNY; Meike Reizig; Joachim Grosse
Original assignee: Emitec Gesellschaft fuer Emissionstechnologie mbH; Siemens AG; Siemens Corp
Current assignee: Siemens AG; Vitesco Technologies Lohmar Verwaltungs GmbH; Siemens Corp
Priority date: 2000-06-26
Filing date: 2001-06-22
Publication date: 2002-01-03
Anticipated expiration: 2002-12-26
Also published as: US20030129461A1; JP2004502282A; US20060051640A1; EP1295352A1; DE10031062A1; CA2414591A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine PEM-Brennstoffzelle mit Heiz-element, ein Verfahren zum Betreiben einer PEM-Brennstoffzel-lenanlage und eine PEM-Brennstoffzellenanlage. Das Heizelement hat einen integrierten Thermosensor, so dass im Wesentlichen das Absinken der Temperatur der Anlage/der Zelle unter den Gefrierpunkt des Elektrolyten verhindert werden kann.

Description

POLYMER-ELEKTROLYT-MEMBRAN(PEM) - BRENNSTOFFZELLE MIT HEIZELEMENT, PEM-BRENNSTOFFZELLENANLAGE UND VERFAHREN ZUM BETREIBEN EINER PEM-BRENNSTOFFZELLENANLAGE

Die Erfindung bezieht sich auf eine PEM-Brennstoffzelle mit Heizelement, ein Verfahren zum Betreiben einer PEM-Brennstoffzellenanlage und eine zugehörige PEM-Brennstoffzellen- 0 anl ge.

Bekannt ist aus der älteren, nicht vorveröffentlichten WO 00/59058 AI eine PEM-Brennstoffzelle mit integriertem Heizelement. Dabei wird beim Kaltstart zunächst das Heiz- 5 element gestartet. Nachteilig an diesem System ist, dass keine Vorrichtung vorhanden ist, die das Absinken der Temperatur der Brennstoffzellenanlage unter den Gefrierpunkt des Elektrolyten, beispielsweise durch Starten des Heizelements, verhindert. 0

Eine BrennstoffZellenbatterie besitzt pro Brennstoffzellen- einheit einen Elektrolyten, wie bei der Polymer-Elektrolyt- Membran (PEM) -Brennstoffzelle beispielsweise eine Membran oder Matrix, in der die protonenleitende (z.B. Wasser) und/oder 5 die eigendissoziierende (z.B. Phosphorsäure) Verbindung gebunden ist. Bei einer Temperatur unter 0°C bei Verwendung von Wasser als Elektrolyt und bei einer Temperatur von ca. 42°C bei Verwendung von Phosphorsäure als Elektrolyt steigt der Membranwiderstand der PEM-Brennstoffzelle, bedingt durch das 0 Einfrieren des gespeicherten Wassers bzw. der gespeicherten Phosphorsäure, sprunghaft um 2-3 Zehnerpotenzen an. Dadurch wird ein autothermes Aufheizen einer BrennstoffZelleneinheit, insbesondere beim Betreiben der PEM-Brennstoffzelle bei erhöhten Temperaturen, nicht ohne weitere Maßnahmen möglich. 5

Um dieses Problem zu lösen, kann bei niedriger Temperatur der Umgebung, entweder die Batterie, auch ohne Nutzung, bei mini- maier Last betrieben werden, damit die Temperatur nicht unter den Gefrierpunkt fällt, oder es kann ein Thermofühler eingebaut werden, so dass in dem Moment, wo die Temperatur so weit sinkt, dass der Elektrolytwiderstand sprunghaft anzusteigen droht, die Batterie anspringt und durch Betrieb die Brennstoffzelle auf einer Temperatur oberhalb des Gefrierpunkts des Elektrolyten bringt.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Brennstoffzelle mit einem Heizelement zu schaffen, durch das ein Absinken der Temperatur der Zelle/des Stacks unter einen vorgebbaren Wert verhindert wird, und ein zugehöriges Verfahren anzugeben.

Die Aufgabe ist bei einer Brennstoffzelle der eingangs ge- nannten Art erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruches 1, bei einer kompletten BrennstoffZeilenanlage durch die Merkmale des Patentanspruches 9 und bei einem Verfahren zum Betreiben einer BrennstoffZellenanlage durch- die Maßnahmen eines der Patentansprüche 5 bzw. 14 gelöst. Weiter- bildungen sind in den jeweils abhängigen Ansprüchen angegeben.

Gegenstand der Erfindung ist eine PEM-Brennstoffzelle mit zumindest einem Heizelement mit integriertem Thermosensor. Au- ßerdem ist Gegenstand der Erfindung ein Verfahren zum Betrieb einer Brennstoffzelle/einer BrennstoffZellenanlage, bei dem über ein, in jeder Zelle und/oder in zumindest jedem Stack, angeordnetes Heizelement mit integriertem Thermosensor die Temperatur in der Zelle und/oder in dem Stack während der Ru- hephase des Systems im Wesentlichen oberhalb des Gefrierpunkts des Elektrolyten gehalten wird.

Das Heizelement ist bevorzugt aus einem Material, das je nach Temperatur einen unterschiedlichen Widerstand hat. Charakte- ristisch ist bei diesen Werkstoffen, dass oberhalb einer bestimmten, stoffspezifischen Temperatur (Referenztemperatur) der Widerstand des Materials drastisch ansteigt. cυ ) N3 t cπ o c_n o Cπ o Cπ

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vorhersehbaren längeren Ruhephasen des Systems nicht unnötig Energie verbraucht wird.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den Patentansprüchen. Die einzige Figur zeigt in sc ematischer Darstellung eine Brennstoffzel- lenanlage mit einem beispielhaft dargestellten Brennstoffzel- lenstack aus einer Mehrzahl von Brennstoffzellen, die Ele en- te zum Heizen und zum Erfassen der Temperatur und zugehörige Steuer- und Versorgungseinheiten aufweisen.

In der Figur ist ein Brennstoffzellenstapel mit 1 bezeichnet, der aus einer Vielzahl einzelner Brennstoffzellen 10, 10 ^Λ, ... besteht, die mechanisch aufeinandergestapelt, elektrisch aber hintereinandergeschaltet sind. Mit 2 ist eine Zugangsleitung und mit 3 eine Abgangsleitung für Betriebsmedien bezeichnet. Solche Betriebsmedien sind Wasserstoff (H₂) oder wasserstoffreiches Gas einerseits sowie Sauerstoff (0₂) oder Umgebungsluft andererseits als Reaktanden für die Brennstoffzellenreaktion und weiterhin ein insbesondere flüssiges Kühlmittel .

In der Figur sind den einzelnen Brennstoffzellen 10, 10 , ... jeweils Heizelemente 100, 100 ^Λ, ... mit nicht im einzelnen dargestellten, integrierten Ther osensoren 100a, 100a ^Λ, ... zugeordnet. Die Heizelemente 100, 100 ^Λ, ... sind mit einer Versorgungseinrichtung in Wirkverbindung, die einerseits Signale der in den Heizelementen 100, 100^λ, ... integrierten Thermosensoren 100a, 100a^Λ, ... erfasst und andererseits nach Verarbeitung der Signale die für die Temperierung der einzelnen Brennstoffzellen 10, 10 ^λ, ... jeweils erforderliche Energie liefert. Dafür hat ein Auswertegerät 20 einen Mikroprozessor zur software-gesteuerten Auswertung der von den Ther- mosensoren 100a, 100a^λ, ... gelieferten Signale. Weiterhin ist eine Einheit 30 zur Spannungs- bzw. Stromversorgung zur Bereitstellung von elektrischer Energie mit einzelnen, den

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integriertem Thermosensor oder eine, z.B. wärmeleitende, Um- antelung mit einem Heizelement mit integriertem Thermosensor vorgesehen.

Als bevorzugte Materialien seien genannt: Metall und/oder wärme- und/oder elektronenleitfähiger Kunststoff, Kohlepapier, Gewebe oder ähnliches, wobei ein mit Kunststoff ummantelter Draht beispielsweise eingesetzt werden kann.

Die bevorzugte Form des Heizelements ist naturgemäß so, dass sie in dem Bauteil der Brennstoffzelleneinheit, in dem sie integriert ist, möglichst wenig stört und während des normalen Betriebs möglichst wenig Schaden nimmt. So ist das Heizelement als blanker Metall-Draht sowohl in der Gasdiffu- sionsschicht als auch in der Polplatte der jeweiligen Brennstoffzelle gut zu integrieren. Der Draht, der z.B. mit einem wärmeleitfähigen Kunststoff überzogen ist, ist auch günstig im Elektrolyten, wie z.B. in der Polymer-Membran, untergebracht oder einlaminiert. Dabei ist es vorteilhaft, wenn das Heizelement die Membran oder Matrix auch mechanisch festigt und/oder stärkt.

Das Heizelement wird unabhängig vom Betrieb der Brennstoffzellenbatterie gestartet, sobald die Temperatur bewirkt, dass der Widerstand des Materials unter den Wert der angelegten Spannung fällt.

Die externe Energiequelle ist nach einer Ausgestaltung ein Akku und/oder eine Batterie, die z.B. während des Betriebs über die BrennstoffZeilenanlage wieder aufladbar ist. Die externe Energiequelle kann aber genauso gut ein elektrischer Anschluss an ein Energieversogungsnetz, z.B. an ein vorhandenes Festnetz, sein.

Nach einer spezifischen Ausführungsform der Erfindung ist das Heizelement in einem oder in beiden Gasdiffusionschichten einer Brennstoffzelleneinheit integriert. c o tv> f H-¹ H-¹

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erfindungsgemäßen Sinne kann beim Starten der Brennstoffzel- lenanlage die Arbeitstemperatur schnell erreicht werden.

Claims

Patentansprüche

1. PEM-Brennstoffzelle mit zumindest einem Heizelement (100, 100 ...) mit integriertem Thermosensor (100a, 100a ^λ,...).

2. PEM-Brennstoffzelle nach Anspruch 1, bei der das Heizelement (100, 100 ^v, ...) derart kompakt ausgebildet ist, dass es in einer einzelnen Membran-Elektroden-Einheit (MEA) anor- denbar ist.

3. PEM-Brennstoffzelle nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei der das Heizelement (100, 100 , ...) an ein Steuergerät

(20) angeschlossen ist.

4. PEM-Brennstoffzelle nach Anspruch 3, bei dem das Heizelement durch ein selbststeuerndes PTC-Element gebildet ist.

5. Verfahren zum Betrieb einer Brennstoffzellenanlage, mit wenigstens einem als Stapel (Stack) aus einzelnen Brennstoff- zellen gebildeten Brennstoffzellenmodul, wobei dem über ein, in jeder Zelle und/oder in zumindest jedem Stack, angeordnetes Heizelement mit integriertem Thermosensor die Temperatur in der Zelle und/oder in dem Stack während oder nach einer Ruhephase des Systems im Wesentlichen oberhalb des Gefrier- punkts des Elektrolyten gehalten wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei beim Kaltstart selektiv hochgeheizt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 5 oder Anspruch 6, bei dem das wenigstens eine Heizelement von einem Steuergerät derart angesteuert wird, dass es automatisch bei einer vorgegebenen Temperatur, ein- und/oder abgeschaltet wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem eine Mehrzahl von Heizelementen gruppenweise angesteuert werden.

9. PEM-Brennstoffzellenanlage mit zumindest einem Heizelement mit integriertem Thermosensor, das angeeigneter Stelle in der Membran-Elektroden-Einheit (MEA) der Brennstoffzelle angeordnet ist.

10. PEM-Brennstoffzellenanlage nach Anspruch 9, wobei das zumindest eine Heizelement an ein Steuergerät angeschlossen ist.

11. PEM-Brennstoffzellenanlage nach einem der Ansprüche 9 oder 10, wobei das Heizelement zur Stromversorgung zumindest an den Stack und/oder an eine zusätzliche Spannungsquelle angeschlossen ist.

12. PEM-Brennstoffzellenanlage nach einem der vorstehenden Ansprüche 9 bis 11, bei dem das Heizelement durch Teillast zumindest eines Teils der Anlage gespeist wird.

13. PEM-Brennstoffzellenanlage nach einem der vorstehenden Ansprüche 8 bis 12, mit einem dem BrennstoffZellenmodul zugeordneten Wasserbehälter, bei der der Wasservorratsbehälter und/oder Leitungen der Anlage mit einem Heizelement mit integriertem Thermosensor ausgerüstet sind.

14. Verwendung der PEM-Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 4 bzw. der PEM-Brennstoffzellenanlage nach einem der Ansprüche 9 bis 13 bei gegenüber üblichen Betriebstemperaturen erhöhten Arbeitstemperaturen, vorzugsweise zwischen 80 und 250°C.