DE102007061061A1 - Fuel cell stack for traction system of motor vehicle, has hydrogen supply line for supplying hydrogen to anodes and dummy cell, and hydrogen discharge line for removing residual hydrogen from anode and dummy cell - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft einen Brennstoffzellenstapel mit einer Mehrzahl gestapelt angeordneter Einzelzellen bestehend aus Membran-Elektroden-Einheiten und Bipolarplatten und einem Wasserstofftransportsystem zur Zuführung von Wasserstoff zu den Bipolarplatten und Abführung von Restwasserstoff aus diesen.The The invention relates to a fuel cell stack having a plurality Stacked arranged single cells consisting of membrane-electrode units and bipolar plates and a hydrogen transport system for delivery from hydrogen to the bipolar plates and dissipation of Residual hydrogen from these.
Brennstoffzellen nutzen die chemische Umsetzung von Wasserstoff und Sauerstoff zu Wasser, um elektrische Energie zu erzeugen. Hierfür enthalten Brennstoffzellen als Kernkomponente die so genannte Membran-Elektroden-Einheit (MEA für membrane electrode assembly), die ein Verbund aus einer protonenleitenden Membran und jeweils einer beidseitig an der Membran angeordneten Elektrode (Anode und Kathode) ist. In der Regel wird ein Brennstoffzellenstapel (stack) durch eine Vielzahl gestapelt angeordneter Einzelzellen gebildet, die jeweils eine MEA und beidseitig an diese anschließende Bipolarplatten aufweisen und deren elektrische Leistungen sich addieren. Im Betrieb der Brennstoffzelle wird Wasserstoff H2 oder ein wasserstoffhaltiges Gasgemisch der Anode zugeführt, wo eine elektrochemische Oxidation von H2 zu H+ unter Abgabe von Elektronen stattfindet. Über die Membran, welche die Reaktionsräume gasdicht voneinander trennt und elektrisch isoliert, erfolgt ein (wassergebundener oder wasserfreier) Transport der Protonen H+ aus dem Anodenraum in den Kathodenraum. Die an der Anode bereitgestellten Elektronen werden über eine elektrische Leitung der Kathode zugeleitet. Der Kathode wird ferner Sauerstoff oder ein sauerstoffhaltiges Gasgemisch zugeführt, so dass eine Reduktion von O2 zu O2– unter Aufnahme der Elektronen stattfindet. Gleichzeitig reagieren im Kathodenraum diese Sauerstoffanionen mit den über die Membran transportierten Protonen unter Bildung von Wasser. Durch die direkte Umsetzung von chemischer in elektrische Energie erzielen Brennstoffzellen gegenüber Wärmekraftmaschinen aufgrund der Umgehung des Carnot-Faktors einen verbesserten Wirkungsgrad.Fuel cells use the chemical transformation of hydrogen and oxygen into water to generate electrical energy. For this purpose, fuel cells contain as core component the so-called membrane electrode assembly (MEA for membrane electrode assembly), which is a composite of a proton-conducting membrane and in each case one on both sides of the membrane arranged electrode (anode and cathode). In general, a fuel cell stack (stack) is formed by a plurality of stacked arranged individual cells, each having an MEA and on both sides of these subsequent bipolar plates and their electrical services add up. During operation of the fuel cell, hydrogen H 2 or a hydrogen-containing gas mixture is fed to the anode, where an electrochemical oxidation of H 2 to H + takes place with release of electrons. Via the membrane, which separates the reaction spaces gas-tight from each other and electrically isolated, takes place (water-bound or anhydrous) transport of protons H + from the anode compartment in the cathode compartment. The electrons provided at the anode are supplied to the cathode via an electrical line. The cathode is further supplied with oxygen or an oxygen-containing gas mixture, so that a reduction of O 2 to O 2 takes place with absorption of the electrons. At the same time, these oxygen anions in the cathode compartment react with the protons transported via the membrane to form water. The direct conversion of chemical into electrical energy fuel cells achieve over heat engines due to the circumvention of the Carnot factor improved efficiency.
Die Elektroden weisen jeweils eine, der Membran zugewandte Katalysatorschicht auf, die häufig auf einem gasdurchlässigen Substrat, der so genannten Gasdiffusionsschicht (GDL für gas diffusion layer), zur homogenen Zufuhr der Reaktionsgase aufgebracht ist. Die Katalysatorschicht enthält reaktive Zentren, die in der Regel aus Platin als katalytisch wirksame Komponente besteht, welches auf einem elektrisch leitenden porösen Trägermaterial, beispielsweise Kohlenstoffpartikeln, geträgert vorliegt.The Each electrode has a catalyst layer facing the membrane often on a gas-permeable substrate, the so-called gas diffusion layer (GDL for gas diffusion layer), for the homogeneous supply of the reaction gases is applied. The catalyst layer contains reactive centers which are in usually consists of platinum as a catalytically active component, which is on an electrically conductive porous carrier material, For example, carbon particles, supported.
Zwischen den MEAs sind so genannte Bipolarplatten angeordnet, die der Zuführung der Reaktionsgase und der Abführung der Restgase sowie des Produktwassers dienen und ferner die elektrische Kontaktierung der MEAs herstellen. Das Gefüge aus MEA und den beidseitig an die MEA anschließenden Bipolarplatten stellt die Einzelzelle dar, welche in gestapelter Anordnung den Brennstoffzellenstapel bildet.Between The MEAs are arranged so-called bipolar plates, the supply the reaction gases and the removal of the residual gases as well serve the product water and also the electrical contact of the MEAs. The structure of MEA and the two sides Bipolar plates adjoining the MEA represents the single cell which, in a stacked arrangement, the fuel cell stack forms.
Die derzeit am weitesten entwickelte Brennstoffzellentechnologie basiert auf Polymerelektrolytmembranen (PEM), bei denen die Membran selbst aus einem ionisch leitfähigen Polymer besteht. Die verbreitetste PEM basiert auf einem sulfonierten Polytetrafluorethylen-Copolymer (Handelsname: Nafion; Copolymer aus Tetrafluorethylen und einem Sulfonylsäurefluorid-Derivat eines Perfluoralkylvinylethers) oder auf Nafion-analogen Kunststoffen. Die elektrolytische Leitung findet dabei über hydratisierte Protonen statt, weshalb für die Protonenleitfähigkeit das Vorhandensein von flüssigem Wasser Bedingung ist, woraus sich eine Reihe von Nachteilen, insbesondere bei Anwendung der Brennstoffzelle in Traktionssystemen von Kraftfahrzeugen ergibt. So ist im Betrieb der PEM-Brennstoffzelle ein Anfeuchten der Betriebsgase erforderlich, was einen hohen Systemaufwand bedeutet. Kommt es zu einem Ausfall des Befeuchtungssystems, sind Leistungsverluste und irreversible Schädigungen der Membran-Elektroden-Einheit die Folge. Ferner ist die maximale Betriebstemperatur dieser Brennstoffzellen – auch aufgrund der mangelnden thermischen Dauerstabilität der Membranen – bei Normdruck auf unter 100°C beschränkt (weswegen dieser Brennstoffzellentyp vorliegend auch als Niedertemperatur-PEM-Brennstoffzelle (NT-PEM-Brennstoffzelle) bezeichnet wird). Für den mobilen wie auch den stationären Einsatz sind jedoch Betriebstemperaturen oberhalb von 100°C erstrebenswert.The currently the most advanced fuel cell technology based on polymer electrolyte membranes (PEM) in which the membrane itself consists of an ionic conductive polymer. The most common PEM based on a sulfonated polytetrafluoroethylene copolymer (trade name: Nafion; Copolymer of tetrafluoroethylene and a sulfonyl fluoride derivative a perfluoroalkyl vinyl ether) or on Nafion-analogous plastics. The electrolytic line takes place via hydrated Protons take place, which is why for the proton conductivity the presence of liquid water is a condition from which a number of disadvantages, especially when using the fuel cell in traction systems of motor vehicles. That's how it works the PEM fuel cell requires moistening of the operating gases, which means a high system overhead. Does it come to a failure of the humidification system, are power losses and irreversible Damage to the membrane-electrode assembly the result. Furthermore, the maximum operating temperature of these fuel cells - too due to the lack of thermal stability of the Membranes - limited to below 100 ° C at standard pressure (Which is why this type of fuel cell in the present case as a low-temperature PEM fuel cell (NT-PEM fuel cell) is called). For the mobile as well as the stationary use are operating temperatures desirable above 100 ° C.
Zur Überwindung
dieser Probleme sind Hochtemperatur-Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellen (HT-PEM-
oder HTM-Brennstoffzellen) entwickelt worden, die bei Betriebstemperaturen
von 120 bis 180°C arbeiten und die keine oder nur geringe
Befeuchtung erfordern. Die elektrolytische Leitfähigkeit
der in diesen Brennstoffzellen der zweiten Generation eingesetzten
Membranen basiert auf flüssigen, durch elektrostatische Komplexbindung
an das Polymergerüst gebundenen Elektrolyten, insbesondere
Säuren oder Basen, die auch bei vollständiger
Trockenheit der Membran oberhalb des Siedepunktes von Wasser die
Protonenleitfähigkeit gewährleisten. Beispielsweise
sind Hochtemperaturmembranen aus Poly benzimidazol (PBI), die mit
Säuren, wie etwa Phosphorsäure, Schwefelsäure
oder anderen komplexiert sind, in
Für einen Einsatz als Fahrzeugantrieb ist die Kaltstartfähigkeit von Brennstoffzellen bei tiefen Temperaturen wünschenswert, die idealerweise bei Temperaturen um –40°C beginnt. Bei Temperaturen unterhalb des Gefrierpunktes von Wasser kommen neben der reduzierten Leitfähigkeit der Membranen Probleme aufgrund Vereisungserscheinungen hinzu. Während bei Nafion-basierten Brennstoffzellen ein Kaltstart bei Temperaturen um –20°C möglich ist, konnte dies bei HTM-Brennstoffzellen bislang noch nicht realisiert werden. Daneben ist eine schnelle Aufheizung auf die jeweilige optimale Betriebstemperatur der Brennstoffzelle wünschenswert, bei denen ein optimaler Wirkungsgrad vorliegt und die bei allen Brennstoffzelltypen deutlich oberhalb der Raumtemperatur liegt. So liegt die notwendige Betriebstemperatur von (nafionbasierten) NT-PEM-Brennstoffzellen bei 80 bis 90°C und bei so genannten Solide-Oxide-Brennstoffzellen (SOFC) sogar bei 800 bis 1000°C. Da bei tiefen Temperaturen die Leistungsdichte der Brennstoffzellen sehr gering ist, findet auch keine nennenswerte Selbstaufheizung infolge der exothermen Brennstoffzellenreaktionen statt. Daher ist eine zusätzliche Energiezufuhr zur Aufheizung erforderlich.For a use as a vehicle drive is the cold start capability desirable for fuel cells at low temperatures, which ideally starts at temperatures around -40 ° C. At temperatures below freezing come from water in addition to the reduced conductivity of the membranes problems due to icing. While at Nafion-based Fuel cells cold start at temperatures around -20 ° C this has been possible with HTM fuel cells so far not yet realized. There is also a quick heating up to the respective optimum operating temperature of the fuel cell desirable in which there is optimum efficiency and at all fuel cell types well above room temperature lies. This is the necessary operating temperature of (nafion-based) NT-PEM fuel cells at 80 to 90 ° C and in so-called solid oxide fuel cells (SOFC) even at 800 to 1000 ° C. Because at low temperatures The power density of the fuel cell is very low, also finds no appreciable self-heating due to the exothermic fuel cell reactions instead of. Therefore, an additional energy supply for heating required.
Auf der anderen Seite muss der Brennstoffzellenstapel bei Überschreiten der optimalen Betriebstemperatur gekühlt werden, um eine Schädigung zu verhindern. Hierfür ist in Brennstoffzellensystemen ein Kühlkreislauf mit Kühler vorgesehen.On On the other hand, the fuel cell stack must be exceeded the optimum operating temperature to be cooled To prevent damage. For this purpose is in fuel cell systems a cooling circuit with cooler provided.
Aus
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Brennstoffzellenstapel bereitzustellen, der gegenüber bekannten Systemen eine verbesserte Kaltstartfähigkeit sowie ein schnelles Aufheizverhalten auf die Betriebstemperatur aufweist, und zugleich einfach herzustellen ist.Of the Invention is therefore based on the object, a fuel cell stack to provide that over known systems a improved cold start capability and a fast heating behavior to the operating temperature, and at the same time easy to manufacture is.
Diese Aufgabe wird durch einen Brennstoffzellenstapel mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Der erfindungsgemäße Brennstoffzellenstapel umfasst
- (a) eine Mehrzahl
gestapelt angeordneter Einzelzellen, die jeweils eine Membran-Elektroden-Einheit
(
12 ) mit einer protonenleitfähigen Membran (14 ) und zwei beidseitig an die Membran (14 ) anschließenden Elektroden (16 ,18 ), von denen eine als Kathode (16 ) und die andere als Anode (18 ) geschaltet ist, aufweisen sowie seitlich an die Membran-Elektroden-Einheit (12 ) anschließende Bipolarplatten (20 ), - (b) zumindest eine (membran- und elektrodenfreie) Blindzelle, die zwischen den (aus MEA und Bipolarplatten bestehenden) Einzelzellen und/oder endständig an dem Stapel der Einzelzellen angeordnet ist und die zumindest ein hydrierbares Material aufweist, das geeignet ist, temperatur- und/oder druckabhängig in einer reversiblen exothermen Hydrierungsreaktion Wasserstoff unter Bildung eines Hydrides zu binden, und
- (c) ein Wasserstofftransportsystem zur Zuführung von Wasserstoff zu den Anoden der Membran-Elektroden-Einheiten und zu der zumindest einen Blindzelle und zur Abführung von Restwasserstoff aus diesen, das als gemeinsames Versorgungssystem ausgestaltet ist oder als ein unabhängig für die Membran-Elektroden-Einheiten und die zumindest eine Blindzelle betreibbares Versorgungssystem.
- (a) a plurality of stacked single cells each comprising a membrane-electrode assembly (
12 ) with a proton-conductive membrane (14 ) and two on both sides of the membrane (14 ) subsequent electrodes (16 .18 ), one of which as a cathode (16 ) and the other as anode (18 ), and laterally to the membrane-electrode unit (12 ) subsequent bipolar plates (20 ) - (B) at least one (membrane and electrode-free) dummy cell, which is arranged between the (consisting of MEA and bipolar plates) single cells and / or terminal to the stack of single cells and which has at least one hydrogenatable material which is suitable, temperature and to bind hydrogen to form a hydride in a reversible exothermic hydrogenation reaction; and / or pressure dependent
- (c) a hydrogen transport system for supplying hydrogen to the anodes of the membrane-electrode assemblies and to the at least one dummy cell and discharging residual hydrogen therefrom, configured as a common supply system or as independent for the membrane-electrode assemblies and the at least one dummy cell operable supply system.
Das hydrierbare Material, das durch das Wasserstofftransportsystem mit Wasserstoff in Kontakt gebracht wird, reagiert mit diesem zu einem Hydrid, wobei aufgrund der Exothermie der Reaktion Wärme freigesetzt wird, die zu einer schnellen Erwärmung des Systems führt. Oberhalb einer stoffabhängigen Desorptionstemperatur des Materials kommt es wiederum zu einer endothermen Freisetzung des Wasserstoffs und einer Abkühlung, die im Betrieb der Brennstoffzelle zur Kühlung des Systems genutzt werden kann.The Hydrogenatable material produced by the hydrogen transport system Hydrogen is contacted with this reacts to a Hydride, due to the exothermic nature of the reaction heat is released, causing a rapid warming of the Systems leads. Above a substance-dependent Desorption temperature of the material is again an endothermic Release of hydrogen and cooling in the Operation of the fuel cell used for cooling the system can be.
Erfindungsgemäß wird somit durch eine weitere exotherme chemische Reaktion, die nicht der eigentlichen, elektrizitätserzeugenden Brennstoffzellenreaktion entspricht, eine zusätzliche Wärmequelle in den Stapel eingebracht, die für eine zusätzliche Aufheizung sorgt. Die erfindungsgemäßen Blindzellen weisen einen einfachen Aufbau auf und verzichten insbesondere auf den Einbau der teuren Membran und der Elektroden, das heißt sie umfassen keine MEA. Sie müssen lediglich eine Wasserstoffversorgung aufweisen, die über das allgemeine Versorgungssystem der Anoden realisiert sein kann oder separat von dieser vor gesehen sein kann. Zudem weisen sie den Vorteil auf, dass sie sich mit herkömmlichen Komponenten von Brennstoffzellen verbauen lassen und keinerlei Modifikationen an den Standardkomponenten vorgenommen werden müssen. Durch ihre zu den Bipolarplatten benachbarte Anordnung wird zudem eine schnelle Erwärmung der Bipolarplatten und damit die Vorerwärmung der durch diese strömenden Reaktionsgase erzielt. Auf diese Weise wird sehr schnell die Anoden- und/oder Kathodenreaktion einzelner MEAs in Gang gesetzt, wodurch wiederum Wärme abgegeben und somit eine weitere Aufheizung des gesamten Brennstoffzellenstacks auf seine Betriebstemperatur bewirkt wird. Im Ergebnis wird ein schneller Start der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle bei tiefen Temperaturen erzielt, wobei die untere Starttemperatur von dem Wasserstoffabsorptionsbereich des eingesetzten hydrierbaren Materials oder der Kombination mehrerer hydrierbarer Materialien abhängt. Dabei ist weiterhin von Vorteil, dass die Erwärmung "brenn-stoffneutral" stattfindet, da der absorbierte Wasserstoff bei Erreichen einer stoffspezifischen Desorptionstemperatur wieder freigesetzt und als Betriebsgas der Brennstoffzelle eingesetzt werden kann.According to the invention, an additional heat source is thus introduced into the stack by a further exothermic chemical reaction, which does not correspond to the actual, electricity-generating fuel cell reaction, which provides for additional heating. The dummy cells according to the invention have a simple structure and in particular dispense with the installation of the expensive membrane and the electrodes, that is to say they do not comprise MEA. You only need to have a hydrogen supply that can be realized on the general supply system of the anodes or separately seen from this before. In addition, they have the advantage that they can be installed with conventional components of fuel cells and no modifications to the standard components must be made. By their arrangement adjacent to the bipolar plates, a rapid heating of the bipolar plates and thus the preheating of the reaction gases flowing through them are also achieved. This way will very quickly, the anode and / or cathode reaction of individual MEAs set in motion, which in turn gives off heat and thus causes further heating of the entire fuel cell stack to its operating temperature. As a result, a rapid start of the fuel cell according to the invention at low temperatures is achieved, wherein the lower starting temperature of the hydrogen absorption region of the hydrogenation material used or the combination of several hydrogenatable materials depends. It is also advantageous that the heating takes place "fuel-neutral", since the absorbed hydrogen can be released again when it reaches a substance-specific desorption and used as the operating gas of the fuel cell.
Hinsichtlich ihrer Anordnung können die Blindzellen regelmäßig oder unregelmäßig über den gesamten Stapel verteilt vorliegen. Bevorzugt ist eine regelmäßige Verteilung innerhalb des Stapels, beispielweise nach jeder fünften eine MEA enthaltenden Einzelzelle oder dergleichen. Alternativ oder zusätzlich können die Blindzellen auch endständig am Stapel benachbart zu dort vorhandenen Endplatten angeordnet sein.Regarding their arrangement allows the dummy cells regularly or irregular over the entire stack distributed. Preference is given to a regular Distribution within the stack, for example after every fifth an MEA-containing single cell or the like. Alternatively or In addition, the dummy cells can also be terminal be arranged on the stack adjacent to there existing end plates.
Die Bipolarplatten, die zwischen den Membran-Elektroden-Einheiten und/oder der zumindest einen Blindzelle angeordnet sind, dienen der gleichmäßigen Verteilung des Wasserstoffs über die Fläche der Anoden bzw. von zwischengeschalteten Gasdiffusionsschichten der MEAs und der Blindzellen sowie der Abführung von Restwasserstoff. (Gleichzeitig übernimmt üblicherweise die Kathodenseite der Bipolarplatten die Versorgung der Kathoden mit Sauerstoff (Luft) und der Abführung von Restsauerstoff und Produktwasser.) Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung umfasst das Wasserstofftransportsystem Wasserstoffzuleitungen zur Zuleitung von Wasserstoff zu den Bipolarplatten und Wasserstoffableitungen zur Ableitung von Restwasserstoff aus diesen. In vorteilhafter Ergänzung der Erfindung kann auch das Wasserstofftransportsystem, d. h. die Wasserstoffzuleitungen und/oder die Wasserstoffableitungen, und/oder die Bipolarplatten zumindest ein hydrierbares Material aufweisen.The Bipolar plates placed between the membrane-electrode units and / or the at least one dummy cell are arranged, serve the uniform Distribution of hydrogen over the area of the Anodes or of interposed gas diffusion layers of the MEAs and the dummy cells and the removal of residual hydrogen. (At the same time usually takes over the cathode side the bipolar plates supply the cathodes with oxygen (air) and the removal of residual oxygen and product water.) According to a preferred embodiment comprises the hydrogen transport system hydrogen supply lines to the supply line from hydrogen to the bipolar plates and hydrogen discharges for the discharge of residual hydrogen from these. In an advantageous addition The invention may also include the hydrogen transport system, i. H. the Hydrogen supply lines and / or the hydrogen derivatives, and / or the bipolar plates have at least one hydrogenatable material.
Die Art der Einbringung des hydrierbaren Materials kann auf vielfältige Weise geschehen. Insbesondere kann das zumindest eine hydrierbare Material in Form einer Beschichtung auf den entsprechenden Wasserstoff führenden Elementen der Blindzelle(n) und/oder des Wasserstofftransportsystems, beispielsweise als innere Beschichtung des Leitungssystems oder von Gaskanälen oder Stegen in den Bipolarplatte ausgebildet sein. Alternativ kann das Material auch in Form von Materialeinschlüssen der zumindest einen Blindzelle und/oder des Wasserstofftransportsystems vorliegen. Ebenso können diese Teile zumindest abschnittsweise oder vollständig aus dem zumindest einen hydrierbaren Material hergestellt sein. Auch sind Kombinationen der vorgenannten Ausführungen denkbar. Innerhalb der Blindzelle(n) kann das hydrierbare Material auch pulverförmig oder in Form von Beschichtungen poröser Materialien, etwa von Sintermaterialien, Geweben oder dergleichen vorliegen, wobei eine möglichst große Oberfläche angestrebt wird.The Type of incorporation of the hydrogenatable material can be varied Way done. In particular, this can be at least one hydrogenatable Material in the form of a coating on the corresponding hydrogen leading elements of the dummy cell (s) and / or the hydrogen transport system, For example, as an inner coating of the conduit system or be formed by gas channels or webs in the bipolar plate. Alternatively, the material may also be in the form of material inclusions the at least one dummy cell and / or the hydrogen transport system available. Likewise, these parts can at least partially or completely from the at least one hydrogenatable material be prepared. Also, combinations of the aforementioned embodiments conceivable. Within the dummy cell (s), the hydrogenatable material also in powder form or in the form of coatings more porous Materials, such as sintered materials, fabrics or the like present, with the largest possible surface is sought.
Der erfindungsgemäße Brennstoffzellenstapel ist mit Vorteil vom einleitend beschriebenen HT-PEM-Typ, der auf einer Membran basiert, die aus einem Elektrolyt-imprägnierten Polymermaterial besteht. Daneben kann es sich jedoch ebenso um eine NT-PEM-Brennstoffzelle handeln, deren Membran auf einem ionisch leitfähigen (Nafion- oder Nafion-analogen) Polymermaterial beruht, oder um eine Festoxidbrennstoffzelle (Solide-Oxide-Brennstoffzellen, SOFC) oder andere Brennstoffzelltypen. In jedem Fall kommt die vorteilhafte Fähigkeit des erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapels zum Einsatz, um die Brennstoffzelle starten und/oder auf ihre Betriebstemperatur aufzuheizen, die ebenfalls deutlich oberhalb der Raumtemperatur (80–90°C bei NT-PEM-Brennstoffzellen und 800–1000°C bei SOFC) liegt.Of the Fuel cell stack according to the invention is with Advantage of the initially described HT-PEM type, on a membrane based on an electrolyte-impregnated polymer material consists. However, it can also be an NT PEM fuel cell whose membrane is deposited on an ionically conductive (Nafion or Nafion-analogous) polymeric material, or a solid oxide fuel cell (Solid oxide fuel cells, SOFC) or other fuel cell types. In any case, the advantageous ability of the invention comes Fuel cell stack used to start the fuel cell and / or to heat up to their operating temperature, which also clearly above room temperature (80-90 ° C for NT-PEM fuel cells and 800-1000 ° C at SOFC).
Die Hydridbildung ist – bei gegebenem Druck und Temperatur – ein spontan ablaufender exothermer Prozess. Die Hydridbildung ist temperaturabhängig, wobei mit steigender Temperatur die Reaktionsgeschwindigkeit zunimmt. Ist die Reaktion einmal in Gang gesetzt, beschleunigt sie sich somit durch die freiwerdende Energie autokatalytisch bis zum Erreichen der Umkehrtemperatur. Die stoffspezifische Umkehrtemperatur ist die Temperatur, bei der die Hydridbildung zum Erliegen kommt und die (endotherme) Desorption von Wasserstoff beginnt. Der auf diese Weise freigesetzte Wasserstoff steht somit entweder der Energiegewinnung durch die Brennstoffzellenreaktion oder der erneuten Absorption durch ein weiteres hydrierbares Material zur Verfügung. In der Gesamtbilanz über die Betriebszeit läuft der Kaltstart brennstoffneutral ab. Die endotherme Desorption der eingesetzten Materialien bewirkt zwar eine gewisse Kühlung, jedoch wird diese durch die einsetzende Brennstoffzellenreaktion, die ebenfalls zu einer Erwärmung des Systems führt, kompensiert.The Hydride formation is - at a given pressure and temperature - a Spontaneous exothermic process. The hydride formation is temperature dependent, with increasing temperature, the reaction rate increases. Once the reaction has started, it accelerates by the energy released autocatalytically until it reaches the reverse temperature. The substance-specific inversion temperature is the Temperature at which the hydride formation stops and the (endothermic) desorption of hydrogen begins. The way this way released hydrogen is thus either the energy by the fuel cell reaction or re-absorption through another hydrogenatable material available. In the total balance over the operating time runs the cold start is fuel neutral. The endothermic desorption of Although used materials causes a certain amount of cooling, however, this is due to the onset of the fuel cell reaction, which also leads to a warming of the system, compensated.
Die Reversibilität der Hydrierung des Materials ist eine wichtige Voraussetzung, da nur die wiederholbare Hydrierung (Beladung) und Dehydrierung (Entladung) die wiederholte Anwendung des Materials zum Kaltstart der Brennstoffzelle ermöglicht. Um für den nächsten Kaltstart eine ausreichende hydrierbare Materialmenge zur Verfügung zu haben, ist daher die möglichst vollständige Dehydrierung des Materials vor Abstellen des Systems erforderlich. Die Absorption und Desorption verläuft nicht ohne Hysterese, das heißt bei gleicher Temperatur ist der Absorptionsdruck in der Regel höher als der Desorptionsdruck. Daher wird die Desportion bevorzugt bei einem niedrigeren Druck durchgeführt als die Absorption. Ein weiterer Parameter für die Verschiebung des Gleichgewichts zu Gunsten der Desorptionsreaktion beim Herunterfahren des Systems ist durch eine erhöhte Temperatur gegeben, welche durch die erhöhte Betriebstemperatur der MEA gewährleistet wird.The reversibility of the hydrogenation of the material is an important prerequisite, since only repeatable hydrogenation (loading) and dehydration (discharge) allows the repeated application of the fuel cell cold start material. In order to have a sufficient amount of hydrogenatable material available for the next cold start, the most complete possible dehydration of the material is therefore prior to stopping required for the system. The absorption and desorption does not proceed without hysteresis, that is, at the same temperature, the absorption pressure is usually higher than the desorption pressure. Therefore, the desorption is preferably carried out at a lower pressure than the absorption. Another parameter for shifting the equilibrium in favor of the desorption reaction when shutting down the system is given by an increased temperature, which is ensured by the increased operating temperature of the MEA.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung handelt es sich bei dem zumindest einen hydrierbaren Material um ein Metall oder eine Metalllegierung, welche zur Tieftemperaturhydridbildung befähigt sind. Insbesondere kommen hierfür Metalle aus der Gruppe Ti, Fe, Cr und/oder Zr in Frage, die optional als weitere Bestandteile Ca, Mg, Cu, Ni und/oder Mn enthalten können. Konkrete Beispiele sind in den Ausführungsbeispielen genannt.According to one preferred embodiment of the invention is in the at least one hydrogenatable material around a metal or a metal alloy, which are capable of cryogenic hydride formation. Especially For this metals come from the group Ti, Fe, Cr and / or Zr in question, optionally as further constituents Ca, Mg, Cu, Ni and / or Mn. Concrete examples are in called the embodiments.
Die meisten Materialien weisen keinen Absorptionstemperaturbereich auf, der von sehr tiefen Temperaturen bis hin zu der Betriebstemperatur der Brennstoffzelle reicht. Nach einer weiteren vorteilhaften Ausbildung der Erfindung umfasst das hydrierbare Material daher zwei oder mehr hydrierbare Materialien, deren Absorptionstemperaturbereiche sich kaskadenartig überschneiden, so dass sie zusammen einen vorzugsweise lückenlosen Gesamtabsorptionstemperaturbereich bilden. Auf diese Weise kann ein Kaltstart der Brennstoffzelle aus nahezu beliebigen Temperaturen erfolgen. Gleichzeitig kann durch geeignete Auswahl und Kombination der Materialien aufgrund der über den Gesamttemperaturbereich kontinuierlichen Hydrierbarkeit ein Aufheizen des Systems bis zu einer bestimmten minimalen Betriebstemperatur erfolgen. Somit kann auf eine Kombination mit weiteren Heizverfahren, beispielsweise in Form elektrischer Beheizung, verzichtet werden, obwohl derartige Kombinationen im Rahmen der Erfindung nicht ausgeschlossen sind.The most materials have no absorption temperature range, from very low temperatures to the operating temperature the fuel cell is enough. According to a further advantageous embodiment Therefore, according to the invention, the hydrogenatable material comprises two or more Hydrogenatable materials whose absorption temperature ranges themselves cascade overlapping, so they together one preferably complete total absorption temperature range form. In this way, a cold start of the fuel cell can be made done almost any temperature. At the same time can through appropriate selection and combination of materials due to the over the overall temperature range continuous hydrogenation a heating up of the system up to a certain minimum operating temperature respectively. Thus, a combination with other heating methods, For example, in the form of electrical heating, be waived, although Such combinations are not excluded within the scope of the invention are.
Es ist bevorzugt vorgesehen, dass das zumindest eine hydrierbare Material oder im Falle mehrerer hydrierbarer Materialien zumindest eines der Materialien so gewählt ist, dass sein Absorptionstemperaturbereich bei höchstens –10°C, insbesondere bei höchstens –20°C, vorzugsweise bei höchstens –30°C beginnt. Insbesondere für Anwendungen bei Kraftfahrzeugen bietet sich der Einsatz eines Materials an, das bereits Temperaturen bei –40°C oder sogar darunter Wasserstoff unter Wärmeabgabe absorbiert, so dass ein Kaltstart bereits ab dieser Temperatur möglich ist. Des Weiteren sollte der Wasserstoff spätestens bei Erreichen der Betriebstemperatur, welche abhängig vom Brennstoffzellentyp zwischen 60 und 1000°C liegen kann, wieder freigesetzt werden und dann der Brennstoffzelle wieder zur Verfügung stehen – entweder für die eigentliche Brennstoffzellenreaktion oder für einen erneuten Hydrierungszyklus des Materials zu Heizzwecken.It is preferably provided that the at least one hydrogenatable material or in case of several hydrogenatable materials at least one the materials chosen so that its absorption temperature range at -10 ° C, especially at at most -20 ° C, preferably at -30 ° C at most starts. In particular for applications in motor vehicles lends itself to the use of a material that already has temperatures at -40 ° C or even below hydrogen below Heat dissipation absorbs, leaving a cold start already off this temperature is possible. Furthermore, the should Hydrogen at the latest when the operating temperature is reached, which depends on the fuel cell type between 60 and 1000 ° C can be released again and then the fuel cell are available again - either for the actual fuel cell reaction or for a renewed hydrogenation cycle of the material for heating purposes.
Um eine lückenlose Aufheizung des Brennstoffzellenstapels von der Ausgangstemperatur bis zu der Temperatur, bei der eine ausreichende Leistungsverfügbarkeit der MEA gewährleistet ist, zu erzielen, werden die hydrierbaren Materialien vorzugsweise so gewählt, dass ihre Absorptionstemperaturbereiche zusammen einen Gesamtabsorptionstemperaturbereich abdecken, der zumindest annähernd bis zu einer unteren Betriebstemperatur der MEA reicht. Insbesondere ist bevorzugt, dass die oberste Grenztemperatur des Gesamtabsorptionstemperaturbereichs bis 10 K unterhalb der unteren Betriebstemperatur der MEA, vorzugsweise bis 5 K unterhalb der unteren Betriebstemperatur reicht. Dabei ist vorliegend die untere Betriebstemperatur als diejenige Temperatur der MEA definiert, bei der zumindest 50% ihrer maximalen elektrischen Leistung vorliegen. Auf diese Weise liegt bei Erreichen der obersten Grenztemperatur des Gesamtabsorptionstemperaturbereichs bereits eine gewisse Leistung der MEA vor, die ihrerseits zu einer weiteren Erwärmung führt. Insbesondere werden die Materialien so gewählt, dass der Gesamtabsorptionstemperaturbereich im Falle einer HT-PEM-Brennstoffzelle von –40 bis 180°C reicht, bei einer NT-PEM-Brennstoffzelle von –40°C bis 90°C und bei einer SOFC von –40°C bis 1000°C.Around a complete heating of the fuel cell stack from the initial temperature to the temperature at which sufficient Performance of the MEA is guaranteed, to achieve the hydrogenatable materials are preferably so chosen that their absorption temperature ranges together one Cover total absorption temperature range, at least approximately to a lower operating temperature of the MEA is sufficient. Especially It is preferable that the upper limit temperature of the total absorption temperature range up to 10 K below the lower operating temperature of the MEA, preferably to 5 K below the lower operating temperature. It is in this case, the lower operating temperature than that temperature the MEA defines at least 50% of its maximum electrical Performance available. In this way, when reaching the top Limit temperature of the total absorption temperature range already some performance of the MEA, which in turn is another Warming leads. In particular, the materials chosen so that the total absorption temperature range in the case of an HT-PEM fuel cell from -40 to 180 ° C is enough for an NT-PEM fuel cell of -40 ° C up to 90 ° C and at a SOFC of -40 ° C up to 1000 ° C.
Es ist ferner bevorzugt vorgesehen, das hydrierbare Material so auszuwählen, dass sein Absorptions- bzw. Desorptionsdruck im Wesentlichen innerhalb des Betriebsdruckbereichs des Brennstoffzellenstapels liegt, da ein Betrieb der Brennstoffzelle unter einem zu hohen Druck diese dauerhaft schädigen kann. In diesem Zusammenhang kann vorteilhaft ein druckgeregeltes Wasserstofftransportsystem vorgesehen sein. Auf diese Weise kann auf den bei der Desorption von Wasserstoff durch das hydrierte Material entstehende Druck reagiert werden, etwa indem den MEAs so lange kein Wasserstoff zugeführt wird, bis der freigesetzte Wasserstoff verbraucht ist.It it is further preferred to select the hydrogenatable material so that its absorption or desorption pressure substantially within the operating pressure range of the fuel cell stack is because operation of the fuel cell under too high pressure this can permanently damage. In this context can be beneficial be provided a pressure-controlled hydrogen transport system. In this way it can be applied to the desorption of hydrogen be reacted by the hydrogenated material resulting pressure, for example, by not supplying hydrogen to the MEAs for so long until the released hydrogen is consumed.
Damit bei einem nachfolgenden Kaltstart des Brennstoffzellenstapels wieder genug wasserstofffreies Material für eine erneute Hydrierung zur Verfügung steht, muss beim Betreiben der Brennstoffzelle sichergestellt werden, dass das Material möglichst vollständig dehydriert ist. Ist dies nicht automatisch der Fall, etwa weil das System noch nicht die Desorptionstemperatur des Materials erreicht hat, ist bevorzugt vorgesehen, das System beim Abfahren solange nachlaufen zu lassen, bis die erforderliche Temperatur erreicht ist. Erst dann wird das System abgestellt. Alternativ kann über den Einsatz einer ausreichend großen Menge des hydrierbaren Materials ein entsprechender Puffer eingerichtet sein, der eine mehrmalige Beladung mit Wasserstoff sicherstellt, auch wenn eine vorausgehende Entladung nicht erfolgt.So that in a subsequent cold start of the fuel cell stack enough hydrogen-free material for a new hydrogenation is available, it must be ensured during operation of the fuel cell, that the material is as completely as possible dehydrated. If this is not automatically the case, for example because the system has not yet reached the desorption temperature of the material, it is preferably provided that Allow the system to run on until the required temperature is reached. Only then will the system be shut down. Alternatively, through the use of a sufficiently large amount of the hydrogenatable material, a corresponding buffer can be set up, which ensures repeated charging with hydrogen, even if a preliminary discharge does not take place.
Durch Ermöglichung des Starts des Brennstoffzellenstapels bei sehr tiefen Temperaturen, das heißt bei fahrzeugrelevanten Temperaturen, kann dieser besonders vorteilhaft in mobilen Anwendungen, wie in Traktionssystemen von Kraftfahrzeugen oder zur Zusatzenergieversorgung als so genannte APU (für auxiliary power unit) in Kraftfahrzeugen eingesetzt werden. Selbstverständlich ist er gleichfalls für stationäre Anwendungen einsetzbar, insbesondere für Kleinkraftwerke oder Hausenergieversorgungseinrichtungen oder als Akku-Ersatz für Elektronikgeräte.By Enabling the start of the fuel cell stack very low temperatures, that is for vehicle-relevant Temperatures, this can be particularly beneficial in mobile applications, as in traction systems of motor vehicles or for additional energy supply as so-called APU (for auxiliary power unit) in motor vehicles be used. Of course he is the same can be used for stationary applications, in particular for small power plants or domestic energy supply facilities or as a battery replacement for electronic devices.
Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.Further preferred embodiments of the invention will become apparent from the others, in the subclaims mentioned features.
Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnung erläutert. Die einzige Figur zeigt eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellenstapels gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung mit in dem Stapel eingebauten Blindzellen.The Invention will be described below in embodiments explained the accompanying drawing. The only FIG. 1 shows a schematic representation of a fuel cell stack according to an advantageous embodiment of the invention with dummy cells installed in the stack.
In
der Figur ist ein Brennstoffzellenstapel
Die
Einzelzellen umfassen weiter zwischen den MEAs
Erfindungsgemäß ist
in dem Brennstoffzellenstapel
Der
Brennstoffzellenstapel
Der
Stapel aus MEAs
Im
dargestellten Ausführungsbeispiel erfolgt die Wasserstoffversorgung
der Blindzellen
In
alternativer Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass die die Blindzellen
In
weiterer Abwandlung der Erfindung können die Blindzellen
Nach
einer weiteren Ausgestaltung können auch wasserstoffführende
Elemente der Bipolarplatten
Bei dem/den eingesetzten hydrierbaren Materialien handelt es sich vorzugsweise um Metalle oder Metalllegierungen, die bei Temperaturen unterhalb des Gefrierpunktes in Kontakt mit Wasserstoff Tieftemperaturhydride in einer exothermen Reaktion ausbilden. Es kommen insbesondere solche Materialien zum Einsatz, die als Hauptlegierungsbestandteile Titan (Ti), Eisen (Fe), Zirkonium (Zr), Chrom (Cr) oder eine Mischung von diesen enthalten. Geeignete Materialien sind in Tabelle 1 zusammen mit einigen ihrer physikalischen Parametern zusammengestellt.at the hydrogenation material (s) used is preferably to metals or metal alloys that are at temperatures below of freezing in contact with hydrogen cryogenic hydrides form in an exothermic reaction. There are in particular such Materials used as the main alloying components titanium (Ti), iron (Fe), zirconium (Zr), chromium (Cr) or a mixture of these included. Suitable materials are summarized in Table 1 compiled with some of their physical parameters.
Die
Menge des hydrierbaren Materials – beziehungsweise im Falle
mehrerer hydrierbarer Materialien ihre Gesamtmenge – wird
anhand der Wärmemenge bestimmt, die zur Erwärmung
der MEAs
In bevorzugter Ausführung wird ein Gemisch mehrerer hydrierbarer Materialien verwendet, so dass möglichst der gesamte Temperaturbereich beginnend von tiefstmöglichen Starttemperaturen bis zum Erreichen einer Zieltemperatur bei oder knapp unterhalb der minimalen Betriebstemperatur der MEA durch die Absorptionsbereiche der Materialien abgedeckt wird.In preferred embodiment is a mixture of several hydrogenatable Materials used, allowing as possible the entire temperature range starting from the lowest possible starting temperatures up to Reaching a target temperature at or just below the minimum Operating temperature of the MEA through the absorption areas of the materials is covered.
Hierdurch
kann ein Kaltstart aus verschiedenen Starttemperaturen erfolgen
und das System auf die Zieltemperatur erwärmt werden, ohne
dass eine Kombination mit anderen Heizmethoden erforderlich ist.
Die Auswahl der Materialien erfolgt unter dem Gesichtspunkt eines
gestaffelten, kaskadenartigen Temperaturverhaltens in Bezug auf
Absorption und Desorption, wobei eine Überlappung der Absorptionstemperaturbereiche von
mindestens 10 K wünschenswert ist (Tabelle 1). Beispielsweise
kann ein Gemisch aus Ti-Zr-Cr-Fe (Absorptionsbereich –60
... -20°C), Mn-Ca-Ni-Al (–40 ... +40°C),
Ti-Cr-V-Fe (–10 ... +80°C) und Ti-Zr-Mn-V-Fe (+40 ...
+160°C) eingesetzt werden. Bei einem Start bei –40°C
findet zunächst eine Hydrierung von Ti-Zr-Cr-Fe statt, die
bei Erreichen einer Temperatur von –20°C zum Erliegen
kommt. Es kommt zu einer Desorption von Wasserstoff aus Ti-Zr-Cr-Fe,
welcher jedoch durch Mn-Ca-Ni-Al re-absorbiert wird. Diese Kaskade
wird so lange fortgesetzt, bis in der Reaktionszone ein ΔT
von vorzugsweise ≥ 5 K unterhalb der minimalen Betriebstemperatur
erreicht ist und die elektrische Last eingeschaltet wird. Da der
Betrieb der Brennstoffzelle
- 1010
- Brennstoffzellenstapelfuel cell stack
- 1212
- Membran-Elektroden-Einheit (MEA)Membrane-electrode assembly (MEA)
- 1414
- Membranmembrane
- 1616
- Elektrode(Kathode)Electrode (cathode)
- 1818
- Elektrode (Anode)electrode (Anode)
- 2020
- Bipolarplattebipolar
- 2222
- Blindzelledummy cell
- 2424
- WasserstoffzuleitungenHydrogen supply lines
- 2626
- WasserstoffableitungenHydrogen derivatives
- 2828
- Luftzuleitungenair lines
- 3030
- Luftableitungenair derivatives
- 3232
- Endplatteendplate
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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- - EP 1351330 A2 [0009] - EP 1351330 A2 [0009]
Claims (9)
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