WO2002086995A2 - Fuel cell and method for operating the same - Google Patents

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Abstract

The low-temperature fuel cell has a line (6) between the cathode chamber (3) and the anode chamber (1) for recirculating water located in the cathode chamber into the anode chamber. Eduction is caused by a light overpressure in the cathode side. Said overpressure can be applied permanently or just temporarily. By evacuating the gas formed in the anode chamber, for instance CO2, the required pressure difference can be advantageously produced in a direct methanol fuel cell. In an advantageous embodiment of the low-temperature fuel cell, a non-return valve (7) is provided in the recirculation line. This simple configuration has very positive results in a fuel cell stack.

Description

B e s c h r e i b u n g Description
Brennstoffzelle sowie Verfahren zum Betreiben derselbenFuel cell and method for operating the same
Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle, insbesondere eine Niedertemperatur-Brennstoffzelle sowie ein Verfahren zum Betreiben derselben.The invention relates to a fuel cell, in particular a low-temperature fuel cell and a method for operating the same.
Stand der TechnikState of the art
Eine Brennstoffzelle weist eine Kathode, einen Elektrolyten sowie eine Anode auf. Der Kathode wird ein Oxida- tionsmittel, z. B. Luft und der Anode wird ein Brennstoff, z. B. Wasserstoff zugeführt. Verschiedene Brennstoffzellensysteme sind bekannt, so beispielsweise die Hochtemperatur-Brennstoffzellen (SOFC - Solid Oxide Fuel cells) aus der Druckschrift DE 44 30 958 Cl sowie die Niedertemperatur-Brennstoffzellen (PEMFC - Proton Exchange Membrane Fuel Cells) aus der Druckschrift DE 195 31 852 Cl .A fuel cell has a cathode, an electrolyte and an anode. The cathode becomes an oxidizing agent, e.g. B. air and the anode becomes a fuel, e.g. B. supplied hydrogen. Various fuel cell systems are known, for example the high-temperature fuel cells (SOFC - solid oxide fuel cells) from DE 44 30 958 Cl and the low-temperature fuel cells (PEMFC - Proton Exchange Membrane Fuel Cells) from DE 195 31 852 Cl.
Die Betriebstemperatur einer PEM-Brennstoffzelle liegt bei ca. 80°C. An der Anode einer PEM-Brennstoffzelle bilden sich in Anwesenheit des Brennstoffs mittels eines Katalysators Protonen. Die Protonen passieren den Elektrolyten und verbinden sich auf der Kathodenseite mit dem vom Oxidationsmittel stammenden Sauerstoff zu Wasser. Elektronen werden dabei freigesetzt und elektrische Energie erzeugt. Typische Vertreter von PEM-Brennstoffzellen arbeiten mit Methanol, bzw. einem Methanol -Wassergemisch als Betriebsstoff (Direkt-Methanol -Brennstoffzellen) .The operating temperature of a PEM fuel cell is around 80 ° C. Protons are formed on the anode of a PEM fuel cell in the presence of the fuel using a catalyst. The protons pass through the electrolyte and combine on the cathode side with the oxygen from the oxidizing agent to form water. Electrons are released and electrical energy is generated. Typical representatives of PEM fuel cells work with methanol, or a methanol-water mixture as a fuel (direct methanol fuel cells).
Es ist bekannt, daß neben den Protonen auch nachteilig Wasser von der Anodenseite durch die Membran zur Kathodenseite diffundiert. Dies geschieht durch Elektroosmo- se . Bei Direkt-Methanol -Brennstoffzellen beträgt beispielsweise das Verhältnis von an der Anode umgesetztem Methanol zu durch die Membran zur Kathode diffundierendem Wasser 1 zu 20 bis 1 zu 30.It is known that, in addition to the protons, water also diffuses disadvantageously from the anode side through the membrane to the cathode side. This is done by electroosmosis. In the case of direct methanol fuel cells, for example, the ratio of methanol converted at the anode to water diffusing through the membrane to the cathode is 1: 20 to 1: 30.
Aus DE 197 01 560 AI ist ein Brennstoffzellensystem bekannt, bei dem in der Kathodenabgasleitung ein Wasser- abscheider angeordnet ist. Durch diesen wird zumindest teilweise Wasser aus der Kathodenabluft abgeschieden und über eine Rückführungsleitung mit einer Pumpe einem Sammelbehälter zugeführt. Aus dem Sammelbehälter wird das Wasser anschließend erneut dem Anodenraum zuge- führt .DE 197 01 560 AI discloses a fuel cell system in which a water separator is arranged in the cathode exhaust line. This separates at least partially water from the cathode exhaust air and supplies it to a collecting container via a return line with a pump. The water is then returned to the anode compartment from the collection container.
Aufgabe und LösungTask and solution
Aufgabe der Erfindung ist es eine Niedertemperatur- Brennstoffzelle, bzw. einen daraus gebildeten Brenn- stoffzellenstapel, zur Verfügung zu stellen, bei der bzw. dem das vom Anodenraum durch die Membran in den Kathodenraum diffundierende Wasser auf einfache Weise dem Anodenraum wieder zugeführt wird. Weiterhin ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Brennstoffzelle zu schaffen. Die Aufgabe wird gelöst durch eine Niedertemperatur- Brennstoffzelle mit der Gesamtheit der Merkmale des Hauptanspruchs, sowie durch einen Brennstoffzellensta- pel gemäß Nebenanspruch. Weiterhin wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzelle gemäß weiterem Nebenanspruch.The object of the invention is to provide a low-temperature fuel cell, or a fuel cell stack formed therefrom, in which the water diffusing from the anode space through the membrane into the cathode space is fed back to the anode space in a simple manner. Furthermore, it is an object of the invention to provide a method for operating such a fuel cell. The object is achieved by a low-temperature fuel cell with the entirety of the features of the main claim, and by a fuel cell stack according to the secondary claim. Furthermore, the object is achieved by a method for operating a fuel cell according to a further subclaim.
Vorteilhafte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle und des Verfahrens ergeben sich aus den jeweils darauf zurückbezogenen Unteransprüchen.Advantageous embodiments of the fuel cell according to the invention and of the method result from the subclaims which refer back in each case.
Gegenstand der ErfindungSubject of the invention
Die Niedertemperatur-Brennstoffzelle weist einen Anodenraum mit einer Anode, einen Kathodenraum mit einer Kathode, sowie eine zwischen Anode und Kathode angeord- nete Membran auf. Weiterhin weist die Niedertemperatur- Brennstoffzelle zwischen dem Anodenraum und dem Kathodenraum eine Leitung auf. Diese Leitung dient der Rückführung von Wasser aus dem Kathodenraum in den Anodenraum. Das Wasser aus dem Kathodenraum setzt sich typi- scherweise aus dem Produktwasser und dem aus dem Anodenraum durch die Membran in den Kathodenraum diffundierten Wasser zusammen. Bei einer Direkt-Methanol - Brennstoffzelle diffundieren pro Mol umgeytztem Methanol an der Anode ca. 20 bis 30 Mole Wasser durch die Membran in den Kathodenraum. Dieses Wasser führt zu einem hohen Wasserüberschuß auf der Kathodenseite und sollte vorteilhaft wieder der Anode zugeführt werden.The low-temperature fuel cell has an anode compartment with an anode, a cathode compartment with a cathode, and a membrane arranged between the anode and the cathode. Furthermore, the low-temperature fuel cell has a line between the anode space and the cathode space. This line is used to return water from the cathode compartment to the anode compartment. The water from the cathode compartment is typically composed of the product water and the water diffused from the anode compartment through the membrane into the cathode compartment. In a direct methanol fuel cell, about 20 to 30 moles of water diffuse through the membrane into the cathode space per mole of methanol converted at the anode. This water leads to a large excess of water on the cathode side and should advantageously be returned to the anode.
Eine geeignete Leitung zur Rückführung des Wassers mündet vorteilhaft an einer tief gelegenen Stelle des Ka- thodenraumes in diesen ein. Dadurch kann das an der tiefsten Stelle des Kathodenraumes gesammelte Wasser durch eine geringe Druckdifferenz durch die Leitung in den Anodenraum zurückgeführt werden. Weiterhin vorteilhaft ist eine Leitung, die auf möglichst kurzem Weg in den Anodenraum führt .A suitable pipe for returning the water advantageously opens into the cathode compartment at a low point in the latter. This can cause the water collected at the lowest point in the cathode compartment can be returned to the anode compartment through the line by means of a low pressure difference. Another advantage is a line that leads as short as possible into the anode compartment.
Eine Ausführungsform der Niedertemperatur-Brennstoffzelle sieht eine einfache Rückschlagklappe in der Leitung zwischen Anoden- und Kathodenraum vor. Diese ist derart angeordnet, daß ein Flüssigkeitsstrom in Richtung Anodenraum möglich ist, ein Zurückfließen in den Kathodenraum jedoch unterbunden wird. Dadurch kann die Rückführung des Wassers auch diskontinuierlich betrieben werden. In den Zwischenzeiten verhindert die Rück- schlagklappe, bzw. ein Rückschlagventil, das unerwünschte Zurückfließen des Wassers von Anoden in den Kathodenraum.One embodiment of the low-temperature fuel cell provides for a simple non-return valve in the line between the anode and cathode compartments. This is arranged in such a way that a liquid flow in the direction of the anode compartment is possible, but a backflow into the cathode compartment is prevented. As a result, the return of the water can also be operated batchwise. In the meantime, the non-return valve or a non-return valve prevents the unwanted backflow of water from the anodes into the cathode compartment.
Eine weitere Ausgestaltung der Niedertemperatur-Brenn- stoffzelle sieht einen zusätzlichen Wassersammler im Kathodenraum vor, von dem aus die Leitung zum Anodenraum führt. Dadurch kann zunächst das Wasser im Kathodenraum im Wassersammler angesammelt werden, und erst dann in regelmäßigen oder unregelmäßigen Abständen (diskontinuierlich) dem Anodenraum zugeführt werden.Another embodiment of the low-temperature fuel cell provides for an additional water collector in the cathode compartment, from which the line leads to the anode compartment. As a result, the water in the cathode compartment can first be collected in the water collector and only then can it be fed to the anode compartment at regular or irregular intervals (discontinuously).
Beim Verbinden mehrerer anspruchsgemäßer Brennstoffzellen zu einem Brennstoffzellenstapel wirkt sich die einfache Realisierung der Wasserrückführung besonders po- sitiv aus. Das Verfahren zum Betreiben der Niedertemperatur- Brennstoffzelle sieht vor, daß der Kathodenraum zumindest kurzfristig gegenüber dem Anodenraum einen Überdruck aufweist. Dadurch gelangt das Wasser, welches sich im Kathodenraum sammelt, aus dem Kathodenraum durch die Leitung in den Anodenraum. Dieser Überdruck bewegt sich in der Größenordnung von 0,05 bis 1 bar. Der Überdruck kann konstant zwischen Kathoden- und Anodenraum aufrechterhalten werden. Er kann aber auch vor- teilhaft nur kurzzeitig eingestellt werden. Dazu wird entweder der Druck im Kathodenraum erhöht und/oder der Druck im Anodenraum erniedrigt .When several fuel cells according to the requirements are connected to form a fuel cell stack, the simple implementation of the water return has a particularly positive effect. The method for operating the low-temperature fuel cell provides that the cathode compartment has an overpressure, at least briefly, with respect to the anode compartment. As a result, the water that collects in the cathode compartment passes from the cathode compartment through the line into the anode compartment. This overpressure is of the order of 0.05 to 1 bar. The overpressure can be maintained constant between the cathode and anode compartments. However, it can also advantageously be set only for a short time. For this purpose, either the pressure in the cathode compartment is increased and / or the pressure in the anode compartment is lowered.
Bei einer Direkt-Methanol-Brennstoffzelle wird eine Druckerniedrigung im Anodenraum beispielsweise dadurch erzielt, daß das dort gebildete C02 abgelassen wird.In the case of a direct methanol fuel cell, a pressure reduction in the anode compartment is achieved, for example, by draining off the CO 2 formed there.
Durch Variation der Parameter des Kompressors auf der Oxidationsmittelseite ist ein höherer Druck auf der Kathodenseite einstellbar. Ein Druckausgleich oder auch ein kurzfristiger Überdruck auf der Anodenseite ist bei dem Verfahren unschädlich, da beispielsweise durch eine Rückschlagklappe ein Zurückströmen des Wassers vom Anodenraum zum Kathodenraum zuverlässig verhindert werden kann.By varying the parameters of the compressor on the oxidant side, a higher pressure can be set on the cathode side. A pressure equalization or a short-term overpressure on the anode side is harmless in the method, since, for example, a backflow valve can reliably prevent the water from flowing back from the anode compartment to the cathode compartment.
Im Betrieb eines Brennstoffzellenstapels aus anspruchsgemäßen Brennstoffzellen, kann die Druckdifferenz zwischen Kathoden- und Anodenraum innerhalb einer Brennstoffzelle jeweils konstant aufrecht erhalten werden, oder ebenfalls diskontinuierlich erfolgen. In diesem Fall ist das Einstellen der Druckdifferenz sowohl in allen Brennstoffzellen gleichzeitig, als auch nacheinander möglich.In the operation of a fuel cell stack made of sophisticated fuel cells, the pressure difference between the cathode and anode space within a fuel cell can be maintained constantly, or can also be carried out discontinuously. In this In this case, it is possible to set the pressure difference both in all fuel cells at the same time and in succession.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand einer Figur verdeutlicht. In der Figur bedeuten:The invention is illustrated below with the aid of a figure. In the figure:
(1) Anodenraum(1) anode compartment
(2) Anode(2) anode
(3) Kathodenraum(3) cathode compartment
(4) Kathode(4) cathode
(5) Membran(5) membrane
(6) Leitung(6) management
(7) Rückschlagklappe(7) check valve
(8) Wassersammler(8) water collector
Die Figur zeigt eine Brennstoffzelle mit einer Anode (2) , einer Kathode (4) sowie einer dazwischen befindlichen Membran (5) . An die Anode (2) grenzt der Anoden- räum (1) , der eine BetriebsmittelZuführung undThe figure shows a fuel cell with an anode (2), a cathode (4) and a membrane (5) located between them. The anode space (1) adjoins the anode (2), which supplies and
-abführung aufweist. Ebenso grenzt an die Kathode (4) ein Kathodenraum (3) , der eine OxidationsZuführung und -abführung aufweist. Die Stoffströme des Betriebsmittels und des Oxidationsmittels sind durch Pfeile ange- deutet .- has drainage. Also adjacent to the cathode (4) is a cathode space (3) which has an oxidation supply and discharge. The material flows of the equipment and the oxidizing agent are indicated by arrows.
Zusätzlich weist die Brennstoffzelle eine Leitung (6) zwischen Anoden- und Kathodenraum auf, durch die das Wasser aus dem Kathodenraum in den Anodenraum gelangt . Vorteilhaft wird das Wasser im Kathodenraum zunächst in einem Sammler (8) gesammelt und diskontinuierlich zur Anode geleitet. Ein Rückschlagventil, bzw. eine Rückschlagklappe, verhindern das unerwünschte Zurückfließen des Wassers in den Kathodenraum.In addition, the fuel cell has a line (6) between the anode and cathode compartments through which the water from the cathode compartment reaches the anode compartment. Advantageously, the water in the cathode compartment is first collected in a collector (8) and fed discontinuously to the anode. A non-return valve or a non-return valve prevent the water from flowing back into the cathode compartment.
Schon eine geringe Druckdifferenz zwischen Anoden- und Kathodenraum bewirkt, daß das Wasser aus dem Kathodenraum in den Anodenraum gelangt. Vorteilhaft liegt die Leitung (6) derart, daß sie in einen Bereich des Katho- denraums einmündet, der tief liegt, und in dem sich das Produkt und Diffusionswasser automatisch ansammeln. Even a small pressure difference between the anode and cathode compartments causes the water from the cathode compartment to enter the anode compartment. The line (6) advantageously lies in such a way that it opens into a region of the cathode chamber which is deep and in which the product and diffusion water automatically collect.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e Patent claims
1. Niedertemperatur-Brennstoffzelle umfassend einen Anodenraum (1) mit einer Anode (2), einen Kathodenraum (3) mit einer Kathode (4) und einer zwischen Anode (2) und Kathode (4) angeordnete Membran (5) , dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Kathodenraum (3) und Anodenraum (1) eine Leitung (6) zur Rückführung des Wassers aus dem Kathodenraum in den Anodenraum vorgesehen ist.1. Low-temperature fuel cell comprising an anode compartment (1) with an anode (2), a cathode compartment (3) with a cathode (4) and a membrane (5) arranged between anode (2) and cathode (4), characterized in that that a line (6) is provided between the cathode compartment (3) and the anode compartment (1) for returning the water from the cathode compartment into the anode compartment.
2. Niedertemperatur-Brennstoffzelle nach vorhergehendem Anspruch, gekennzeichnet durch eine Rückschlagklappe (7) in der Leitung (6) .2. Low-temperature fuel cell according to the preceding claim, characterized by a check valve (7) in the line (6).
3. Niedertemperatur-Brennstoffzelle nach einem der An- sprüche 1 bis 2, bei der die Leitung (6) an einer tiefen Stelle des Kathodenraums in diesen einmündet.3. Low-temperature fuel cell according to one of claims 1 to 2, in which the line (6) opens into the cathode compartment at a deep point.
4. Niedertemperatur-Brennstoffzelle nach einem der An- sprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch einen Wassersammler (8) im Kathodenraum (3) , in den die Leitung (6) mündet.4. Low-temperature fuel cell according to one of claims 1 to 3, characterized by a water collector (8) in the cathode compartment (3), into which the line (6) opens.
5. Brennstoffzellenstapel umfassend wenigstens eine Brennstoffzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4. 5. Fuel cell stack comprising at least one fuel cell according to one of the preceding claims 1 to 4.
6. Verfahren zum Betreiben einer Niedertemperatur- Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 4, mit den Schritten6. A method for operating a low-temperature fuel cell according to one of claims 1 to 4, with the steps
- der Kathodenraum (2) weist zumindest kurzfristig gegenüber dem Anodenraum (1) einen Überdruck auf,- The cathode compartment (2) has an overpressure compared to the anode compartment (1), at least briefly,
- Wasser aus dem Kathodenraum (2) wird durch den Überdruck durch die Leitung (6) in den Anodenraum- Water from the cathode compartment (2) is through the pressure through the line (6) in the anode compartment
(1) gedrückt.(1) pressed.
7. Verfahren nach vorhergehendem Anspruch, wobei ein Überdruck von 0,05 bis 1 bar, insbesondere von 0,1 bis 0,3 bar eingestellt wird.7. The method according to the preceding claim, wherein an excess pressure of 0.05 to 1 bar, in particular from 0.1 to 0.3 bar, is set.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 6, wobei der Überdruck im Kathodenraum (3) gegenüber dem A- nodenraum (1) durch Ablassen eines Gases aus dem A- nodenraum (1) , insbesondere von C02, entsteht.8. The method according to any one of claims 5 to 6, wherein the excess pressure in the cathode compartment (3) compared to the anode compartment (1) by releasing a gas from the anode compartment (1), in particular of C0 2 , arises.
9. Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensta- pels gemäß Anspruch 5, wobei die Druckdifferenz zwischen dem Kathodenraum (2) und dem Anodenraum (1) jeweils einer Brennstoffzelle diskontinuierlich und nacheinander in den Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels eingestellt wird. 9. The method for operating a fuel cell stack according to claim 5, wherein the pressure difference between the cathode compartment (2) and the anode compartment (1) of a fuel cell is set discontinuously and one after the other in the fuel cells of the fuel cell stack.
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