DE10204124A1

DE10204124A1 - Verfahren zum Befeuchten von Wasserstoffgas

Info

Publication number: DE10204124A1
Application number: DE10204124A
Authority: DE
Inventors: Lars Kaufmann; Gerhard Konrad; Arnold Lamm
Original assignee: DaimlerChrysler AG; Ballard Power Systems AG; Siemens VDO Electric Drives Inc
Current assignee: Mercedes Benz Fuel Cell GmbH; Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2002-02-01
Filing date: 2002-02-01
Publication date: 2003-08-07
Also published as: EP1470606A2; WO2003065485A2; AU2003205720A1; US20050147853A1; WO2003065485A3

Abstract

Ein Verfahren dient zum Befeuchten von Wasserstoffgas zur Verwendung in einer Brennstoffzelle, insbesondere in einer PEM-Brennstoffzelle, welche anodenseitig mit Wasserstoffgas betrieben wird. Das Wasserstoffgas wird dem Anodenraum der Brennstoffzelle kontinuierlich in einer Menge zugeführt, welche deutlich größer ist als die im Anodenraum umgesetzte Menge. Das Restgas wird nach dem Anodenraum über eine Fördereinrichtung in den Bereich des in den Anodenraum eintretenden Gases rezirkuliert.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Befeuchten von Wasserstoffgas zur Verwendung in einer Brennstoffzelle, insbesondere in einer PEM-Brennstoffzelle.
Der Betrieb von Brennstoffzellen mit reinem Wasserstoff und die Rezirkulation desselben sind aus dem Stand der Technik bekannt.

So beschreibt beispielsweise die US 6,117,577 einen Aufbau, bei welchem der einem Anodenraum einer Brennstoffzelle zugeführte Wasserstoff rezirkuliert wird. Die Rezirkulation erfolgt dabei über einen Wasserabscheider, welcher dann wieder einen Befeuchtungs- und Kühlkreislauf für die Brennstoffzelle speist, sowie einen Kompressor zum Ausgleich der durch die Brennstoffzelle selbst bzw. deren Anodenraum verursachten Druckverluste.

Des weiteren kennt der Stand der Technik Aufbauten, bei welchen dieser Kompressor durch eine Jetpump oder dergleichen ersetzt wird, was jedoch einen sehr hohen Vordruck des eingesetzten Wasserstoffs erforderlich macht, wie er beispielsweise bei der Verwendung von Wasserstoffdrucktanks jedoch ohnehin zur Verfügung steht.

Des weiteren zeigt die US 5,200,278 einen Aufbau, bei dem Wasserstoff in ähnlicher Weise rezirkuliert und dem Eingang des Anodenraums zugeführt wird. Auch bei diesem Aufbau wird ein Kompressor oder dergleichen eingesetzt und der Wasserstoff erfährt ein Abscheiden seiner flüssigen Bestandteile.

Ein weiterer Aufbau der oben genannten Art ist durch die WO 00/63993 beschrieben, welche eine Auxiliary Power Unit (APU) mit einer PEM-Brennstoffzelle zeigt, bei der der Wasserstoff ebenfalls rezirkuliert wird, um den gesamten vorliegenden Wasserstoff aufbrauchen zu können.

Zur Befeuchtung und Kühlung der Brennstoffzelle bzw. ihrer Membranen wird in den oben genannten Schriften jeweils flüssiges Wasser in den Bereich der Membranen zugeführt, welches dann über die Abgase der Kathode und Anode zusammen mit dem entstehenden Produktwasser wieder ausgetragen wird.

Der Aufbau ist jedoch sehr aufwendig, da spezielle Kreisläufe zur Befeuchtung vonnöten sind.

Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, basierend auf den oben genannten Aufbauten ein Verfahren zu entwickeln, welches auf diese Aufbauten zur Befeuchtung verzichten kann und die oben genannten Nachteile des Standes der Technik vermeidet.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt es, aufgrund der größeren Menge an Wasserstoff, welche dem Anodenraum zugeführt wird, daß eine vergleichsweise große Gasmenge für die Rezirkulation zur Verfügung steht. Diese vergleichsweise große Gasmenge kann Feuchtigkeit aufnehmen, welche aufgrund der Partialdruckdifferenz in den Bereich des Anodenraums gelangt und von dem Wasserstoffgas mitgeführt werden kann. Dieses nach dem Anodenraum vorliegende Restgas wird zusammen mit der in ihm enthaltenen Feuchtigkeit über eine Fördereinrichtung, beispielsweise ein geeignetes, explosionsgeschütztes Gebläse, in den Bereich des Wasserstoffzustroms zur Anode zurückgefördert. Durch die Vermischung des dort ankommenden trockenen Wasserstoffgases mit dem rezirkulierten feuchten Wasserstoffgas stellt sich ein Taupunkt von z. B. 70°C ein, vorzugsweise in einem Bereich von 40°-70°C, welcher eine ausreichende anodenseitige Befeuchtung der Membran der Brennstoffzelle gewährleistet.

Das Verfahren läßt sich dabei so betreiben, daß kein zusätzliches Wasser zur Befeuchtung der Membran benötigt wird, so daß die entsprechenden Aufbauten, wie z. B. Befeuchter und dergleichen, komplett entfallen können.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und aus dem Ausführungsbeispiel, welches anhand der Zeichnungen nachfolgend dargestellt und eingehend erläutert ist.
Es zeigt:
Fig. 1 einen schematischen Aufbau zur Durchführung des Verfahrens; und
Fig. 2 ein Diagramm, welches die benötigte zusätzliche Wassermenge zur Befeuchtung des Wasserstoffgases in Abhängigkeit des Verhältnisses des von dem Anodenraum zugeführten Wasserstoffs zu dem im Anodenraum verbrauchten Wasserstoff bei konstantem Druck und verschiedenen Gastemperaturen am Anodenraumausgang zeigt.
Fig. 1 zeigt eine Brennstoffzelle 1 mit einem Kathodenraum 2 und einem Anodenraum 3, welche hier durch eine protonenleitende Membran (PEM) 4 voneinander getrennt sind. Die Funktionsweise einer solchen PEM- Brennstoffzelle 1 ist dabei aus dem allgemeinen Stand der Technik an sich bekannt und soll hier nicht näher erläutert werden. In den Kathodenraum 2 gelangt dabei über eine hier prinzipmäßig angedeuteten Leitung Umgebungsluft, welche im Bereich des Anodenraums 3 mit dem Wasserstoff zu elektrischer Energie und Wasser umgesetzt wird.
Der Wasserstoff stammt aus dem hier punktiert dargestellten Bauteil 5. Das Bauteil 5 kann beispielsweise als Wasserstofftank ausgebildet sein. Dabei wären sowohl Drucktanks als auch Metallhydridspeicher für den Wasserstoff denkbar.
Es ist jedoch auch möglich, daß der Wasserstoff aus einem Gaserzeugungssystem stammt, welches beispielsweise aus flüssigen Ausgangsstoffen über Reformierungsprozesse und dergleichen wasserstoffreiches Gas erzeugt. Der Wasserstoff für die hier dargestellte Brennstoffzelle 1 müßte dann über entsprechende Reinigungseinrichtungen von den Resten befreit werden, welche nicht umsetzbar sind, also CO₂, Reste des Ausgangsstoffs und inerten Gasanteilen.
Für das Funktionsprinzip der hier dargestellten Erfindung spielt es jedoch keine Rolle, woher der Wasserstoff in dem Bauteil 5 kommt. Es ist lediglich von Interesse, daß dieser Wasserstoff der Brennstoffzelle 1 zur Verfügung gestellt wird, um dort zusammen mit Sauerstoff in Wasser und elektrische Energie umgewandelt zu werden.
Der Wasserstoff gelangt über ein entsprechendes Leitungselement mit dem Druck p₁ und der Temperatur T₁ in den Bereich des Anodenraums 3 und wird dort zum Teil mit dem von dem Kathodenraum 2 kommenden Sauerstoff in Strom und Wasser umgesetzt. Danach verläßt der restliche Wasserstoff mit einer Temperatur T₂ und einem aufgrund der Druckverluste in dem Anodenraum 3 etwas kleineren Druck p₂ den Anodenraum 3 der Brennstoffzelle 1.
Von entscheidendem Interesse für das Verfahren ist es dabei, daß der in den Bereich des Anodenraums 3 gelangende Wasserstoff-Volumenstrom deutlich größer ist als der im Bereich des Anodenraums 3 umgesetzte Wasserstoff. Dieses Verhältnis von in den Anodenraum eingebrachtem Wasserstoff zu dem im Anodenraum umgesetzten Wasserstoff wird mit λ bezeichnet. Dieses Verhältnis nimmt gemäß der Erfindung immer Werte an, welche deutlich größer als 1 sind. Dadurch ergibt sich die Möglichkeit, das Wasserstoffgas zu rezirkulieren. Dafür gelangt das Gas über einen Flüssigkeitsabscheider 6 und eine Fördereinrichtung 7, beispielsweise ein Gebläse, wieder zurück in den Bereich, in dem das Wasserstoffgas in den Anodenraum 3 einströmt. Durch die Fördereinrichtung 7 wird der Druckverlust überwunden, welcher beim Durchströmen des Anodenraums 3 sowie in den nachfolgenden Leitungslängen und dem Flüssigkeitsabscheider 6 auftritt.
Die typischen Druckniveaus für das hier dargestellte Ausführungsbeispiel sind dabei sehr niedrig. Beispielsweise könnte der Druck p₁ in der Größenordnung bis maximal etwa 5 bar absolut betragen, vorzugsweise von 1,5 bis 5 bar absolut, wobei dann durch das Gebläse 7 Druckverluste in der Größenordnung von einigen hundert mbar ausgeglichen werden müßten. Bei Hochdruckanwendungen, also mit einem Druck von p₁ deutlich über den angesprochenen 5 bar, beispielsweise 10 oder 15 bar, ist eine derartige Anwendung prinzipiell auch möglich, energetisch jedoch nicht so günstig wie bei den oben genannten Niederdrucksystemen oder bei Systemen, welche mit einem Druckniveau arbeiten, welches nur wenige hundert mbar über dem Umgebungsdruck liegt.
Bei derartigen Anlagen ist es nun gemäß dem Stand der Technik üblich, daß der dem Anodenraum 3 zugeführte Wasserstoff befeuchtet werden muß. Der dargestellte Aufbau, welcher das erfindungsgemäße Verfahren zum Befeuchten des Wasserstoffs ermöglicht, benötigt hierzu kein eigenes Bauteil, wie einen Befeuchter, bei welchem Wasser und Wasserstoff in direktem oder indirektem Kontakt zueinander gebracht werden. Vielmehr wird beim Betrieb der Brennstoffzelle 1 durch die Partialdruckdifferenz auch im Anodenraum 3 eine gewisse Wassermenge anfallen, welche von dem Wasserstoffgas aufgenommen wird. Das Wasserstoffgas kann diese Feuchte dann über die Rezirkulationsleitung zurückfördern und dem in den Anodenraum 3 einströmenden Wasserstoffgas wieder zur Verfügung stellen. Nach dem Durchlaufen einer Startphase wird sich dabei eine Sättigung einstellen, so daß das Wasserstoffgas sich in den jeweiligen Punkten bei den dort vorliegenden Temperaturen im Taupunkt befindet. So wird das Wasserstoffgas beim Austreten aus dem Anodenraum 3 eine vergleichsweise große Menge an dampfförmigem und gegebenenfalls auch flüssigem Wasser mit sich führen, da die Temperatur T₂ größer als die Temperatur T₁ ist.
Während des Durchströmens des Flüssigkeitsabscheiders 6 wird das flüssig in dem Wasserstoffgas enthaltene Wasser abgeschieden. Der restliche Wasserstoff wird mit seinem Wasserdampfgehalt dann mit dem von dem Bauteil 5 kommenden Wasserstoff vermischt werden. Je nach Menge des rezirkulierten Wasserstoffs, also je nach eingestelltem Verhältnis λ, ergibt sich im Bereich des Eintritts in den Anodenraum 3 bei der dort vorhandenen Temperatur T₁ eine entsprechende Sättigung des Wasserstoffgases mit Wasserdampf. Liegt die Temperatur T₁ beispielsweise bei ca. 60° bis 80°C und die Temperatur T₂ jeweils 5 bis 15 K höher, so kann das Verhältnis λ so eingestellt werden, daß sich bei dem Druck p₁ und der Temperatur T₁ ein entsprechender Taupunkt einstellt, so daß kein Wasser zur Befeuchtung eingebracht werden muß.
In Fig. 2 ist nun ein Diagramm dargestellt, welches dies verdeutlichen soll. Das Ziel liegt bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel darin, das dem Anodenraum 3 zugeführte Gas im Taupunkt bei der Temperatur T₁ zu halten. Auf der x-Achse ist das oben bereits erläuterte Verhältnis λ aufgetragen, während auf der y-Achse die hierfür erforderliche Menge an Wasser, welche aus externen Quellen zugeführt werden muß, dargestellt ist.
Die drei dargestellten Kurven beziehen sich jeweils auf Temperaturdifferenzen ΔT = T₂ - T₁ von 5 bis 15 K.
Anhand der Kurven ist zu erkennen, daß zum Erreichen einer Wasserzugabe von 0 mit steigender Temperaturdifferenz ein immer geringeres Verhältnis λ realisiert werden muß. Die Verhältnisse λ liegen dabei für die hier dargestellten Fälle in einem Bereich von ca. 1,5 bis 5. Für den praktischen Nutzen sind dabei sicherlich die beiden Fälle mit ΔT = 5 K und ΔT = 10 K anzusehen, da die hierfür erforderlichen Lamdas, welche in der Größenordnung von 1,5 bis 3,5 liegen werden, bei einer Anlage, wie sie oben prinzipmäßig dargestellt ist, problemlos zu realisieren sind.
Über das Verfahren, wenn dies beispielsweise gemäß der durchgezogenen Linie für ΔT = 15 K betrieben wird, kann also bei ausreichend hohem Verhältnis λ sichergestellt werden, daß eine anodenseitige Befeuchtung der Membran 4 der Brennstoffzelle 1 erreicht werden kann, ohne daß eine Befeuchtung des wasserstoffhaltigen Gases über extern zugeführtes Wasser und ein entsprechendes Befeuchterbauteil notwendig wäre.
Des weiteren läßt sich selbstverständlich auch ein entsprechender Aufbau einsparen, welcher zur Rückgewinnung einer möglichst großen Wassermenge aus dem Anodenabgas dient, um das System wasserautark zu halten, beispielsweise ein Kondensor, einen Kühler oder dergleichen. Das bei den entsprechenden Taupunkten ausfallende Wasser wird in dem Rezirkulationskreislauf jeweils flüssig mitgeführt und kann über den Flüssigkeitsabscheider 6 sehr leicht entnommen werden, dieser stellt dabei einen minimalen Aufwand hinsichtlich des Bauteils, der Kosten und des Bauraums dar.

Claims

1. Verfahren zum Befeuchten von Wasserstoffgas zur Verwendung in einer Brennstoffzelle, insbesondere in einer PEM-Brennstoffzelle, welche anodenseitig mit Wasserstoffgas betrieben wird, wobei das Wasserstoffgas dem Anodenraum (3) der Brennstoffzelle (1) kontinuierlich in einer Menge zugeführt wird, welche deutlich größer ist als die im Anodenraum (3) umgesetzte Menge, und wobei die Restmenge nach dem Anodenraum (3) über eine Fördereinrichtung (7) in den Bereich des in den Anodenraum (3) eintretenden Gases zurückgefördert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Restmenge bei der Rezirkulation einen Flüssigkeitsabscheider (6) durchströmt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Vordruck des Wasserstoffgases vor dem Anodenraum (3) der Brennstoffzelle (1) bis maximal etwa 5 bar absolut beträgt.

4. Verfahren nach Anspruch 1, 2, oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Menge an zugeführtem Wasserstoffgas so eingestellt wird, daß eine ausreichende Befeuchtung der Brennstoffzelle (1) durch die in der rezirkulierten Wasserstoffgasmenge geförderte Feuchtigkeit sichergestellt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis (%) von dem dem Anodenraum (3) zugeführten Wasserstoff zu dem in dem Anodenraum (3) verbrauchten Wasserstoff größer als 1,5 eingestellt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein 60°C bis 80°C Taupunkt bei einem Vordruck (p₁) von 2 bis 4 bar absolut eingestellt wird.