• 专利附录
  • 专利说明
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  • 引用文献
  • 法律状态
  • 优先权
    • 专利摘要:
    Gegenstand der Erfindung ist eine Vorrichtung zum Rekombinieren von gasförmigem Wasserstoff und Sauerstoff, umfassend DOLLAR A eine elektrochemische Rekombinatoreinheit (13) mit einem Anodenraum (14) und einem Kathodenraum (15), die durch eine gasdichte Elektrolytmembran (16) voneinander getrennt sind. DOLLAR A Die Erfindung betrifft ebenso ein Verfahren zur Rekombination von wasserstoff- und sauerstoffhaltigen Gasen nach dem Prinzip der kalten Verbrennung, wobei die beiden Gasgemische durch eine gasdichte Elektrolytmembran getrennt werden. DOLLAR A Schließlich betrifft die Erfindung auch ein Verfahren zur Elimination von Wasserstoff aus Kühlmittelkreisläufen durch elektrochemische Oxidation mit einem geeigneten Oxidationsmittel, wie Sauerstoff, Luft oder Wasserstoffperoxid, wobei die beiden Reaktanden durch einen Elektrolyten, bevorzugterweise eine gasdichte Elektrolytmembran, voneinander getrennt werden.
    公开号:DE102004020705A1
    申请号:DE102004020705
    申请日:2004-04-28
    公开日:2005-11-24
    发明作者:Markus Maier；Jochen Roser
    申请人:Zentrum fur Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Wuerttemberg Gemeinnuetzige Stiftung；ZSW；
    IPC主号:H01M8-04
    专利说明:
    [0001] DieErfindung betrifft eine Vorrichtung zum Rekombinieren von gasförmigem Wasserstoffund Sauerstoff unter Verwendung einer elektrochemischen Rekombinatoreinheitin Form einer modifizierten Brennstoffzelle, Verfahren zur Rekombinatian vonwasserstoff- und sauerstoffhaltigen Gasen sowie Verfahren zur Eliminationvon Wasserstoff und/oder Sauerstoff aus Kühlmittelkreisläufen.
    [0002] DieErfindung betrifft bevorzugterweise ein H2/O2-Brennstoffzellensystemmit einem am Gasführungssystemangegliederten Spülgas-Rekombinator.
    [0003] H2/O2-Brennstoffzelleneignen sich aufgrund ihres hohen Wirkungsgrades und des geringenReaktionsproduktvolumens bevorzugt zur vollkommen umgebungsautarkenStromerzeugung in Spezialanwendungen, bei denen auch die Reaktionsprodukte imSystem verbleiben müssen.Neben dem Reaktionswasser mit geringem Volumen sammeln sich mit derZeit die Inertgasverunreinigungen der Brenngase im Reaktionsrauman. Um ein Absinken der Systemperformance zu verhindern muß diesesInertgasgemisch von Zeit zu Zeit in ein separates Speicherreservoirabgeführtwerden.
    [0004] DieErfindung betrifft unmittelbar Polymermembranbrennstoffzellen-Systeme,ohne auf diese beschränktzu sein.
    [0005] DieErfindung bezweckt die Realisierung eines Systems zur Rekombinationder Wasserstoff- und Sauerstoffbestandteile in Gasgemischen zu Wassermit dem Ziel der Volumenreduzierung.
    [0006] DerErfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine erhöhte Betriebssicherheit beider Rekombination des Gasgemisches zu gewährleisten, sowie Informationen über dieZusammensetzung des Gasgemisches zu liefern, mit deren Hilfe dieRekombination gesteuert werden kann.
    [0007] Dieerfindungsgemäße Lösung bestehtin einer abgewandelten Polymerelmembranbrennstoffzelle, durch diedie Gasgemische in separate Speichervolumina für die Anoden- und Kathodenseitegeführtwird.
    [0008] DieErfindung nutzt die Tatsache aus, daß die Membran eine Vermischungder Gasgemische verhindert, dabei jedoch weiterhin eine explosionssicherekalte Verbrennung der H2- und O2-Anteilezuläßt.
    [0009] Desweiteren wird zur Steuerung der Rekombination die Tatsache ausgenutzt,daß dieZellspannung als Indikator fürden Wasserstoff- bzw. Sauerstoffanteil im Spülgasgemisch genutzt werdenkann. Alternativ kann die Reaktion z.B. durch das Einprägen eineselektrischen Stroms übereine externe Strom bzw. Spannungsquelle beschleunigt werden.
    [0010] Durchdas neuartige Verfahren eignet sich die Erfindung z.B. auch zurzündquellenfreienElimination von Wasserstoff aus Kühlmittelkreisläufen durchReaktion mit einem Oxidationsmittel, z.B. Luft, Sauerstoff, Wasserstoffperoxidetc. Auch die Entfernung von Sauerstoff aus Medienkreisläufen mittels Reaktionmit einem Reduktionsmittel z.B. Wasserstoff, Methanol etc. ist möglich.
    [0011] ZahlreicheVerfahren zur Rekombination von Gasgemischen mit Wasserstoff undSauerstoff sind bereits in der Patentliteratur enthalten. Üblicherweise wirddabei das u.U. explosionsfähigeGasgemisch mittels einer katalytisch aktiven Einheit kontrolliert zurRekombination gebracht. Diese katalytisch aktive Einheit kann dabeiauf verschiedene Wege aufgebaut sein.
    [0012] In DE 31 22 659 C2 wirddas Gasgemisch auf einen hydrophobierten Katalysatormatten-Verbundaus einer gewalzten Polytetrafluoren- und Aktivkohlemischung geleitetund dort mittels katalytisch aktivem Palladium rekombiniert.
    [0013] In DE 195 48 235 C2 wirddas Gasgemisch in einen Reaktionsraum eingeleitet in dem sich ein katalytischbeschichteter Trägerkörper befindet. Über diesenwird die entstehende Reaktionswärmeabgeleitet, der entstehende Wasserdampf wird in einem darunterliegendenFlüssigkeitsbadkondensiert.
    [0014] In DE 31 38 039 C2 erfolgtdie Rekombinationsreaktion in einer porösen Matrix von Polytetrafluorethylenund freiliegenden, teilweise platinierten Kohlenstoffteilchen mitgroßeraktiver Oberfläche.
    [0015] AllenVerfahren liegt das Prinzip zugrunde, ein Gasgemisch kontrolliertzur Reaktion zu bringen. Die enthaltene Reaktionsenergie führt zu teilsstarker Erwärmungdes Katalysatorbetts bei der die Zündtemperatur des u.U. explosionsfähigen Gemischs überschrittenwerden kann.
    [0016] Inder erfindungsgemäßen Vorrichtungbesteht die Möglichkeit,das Sauerstoffhaltige Gasgemisch sowie das Wasserstoffhaltige Gasgemisch durcheine Membran räumlichgetrennt zu halten, so daß sichkeine explosionsfähigenKnallgasgemische bilden können.Die übereinen Lastwiderstand kurzgeschlossene, bzw mittels Spannungsquellevorgespannte Brennstoffzelle ermöglichtweiterhin die Gasrekombination nach dem Prinzip der kalten Verbennung.Damit werden zwei wesentliche Verbesserungen erreicht: Zum Erstenkann die Brisanz des Rekombinationsvorgangs erheblich reduziertwerden, da zu keinem Zeitpunkt ein zündfähiges Gasgemisch vorliegt.
    [0017] ZumZweiten kann mit Hilfe der Rekombinator-Zellspannung eine Aussage über dieGaszusammensetzung getroffen werden. Solange auf beiden Seiten nochReaktionsgase vorhanden sind ist noch eine Zellspannung erkennbar.Erst wenn auf mindestens einer Seite kein Brenngas mehr vorhandenist bricht die Rekombinationsreaktion ab und die Zellspannung bzw.der Zellstrom sinken komplett auf 0 ab. Existiert z.b. kein O2 mehr, so kann der restliche Wasserstoffüberschussrekombiniert werden, indem man solange Kathodenspülgas inkleinen Mengen zudosiert, bis trotz des Dosiervorgangs keine Zellspannungmehr gemessen werden kann.
    [0018] 1 gibtdas erfindungsgemäße Schaltbildeiner Rekombinatoreinheit wieder.
    [0019] Dererfindungsgemäße Aufbaubesteht in einer abgewandelten Brennstoffzelle (13), diedas Kernstückder Rekombinatoreinheit bildet. Die Anoden- und Kathodenseite derZelle (14/15) ist jeweils über ein Spülventil (5/6)mit den Gaskreisläufendes Hauptsystems verbunden. Im Spülzyklus werden die Spülgase durchdas Gasführungssystemder Brennstoffzelle in das anschließende Gasreservoir (17/18) geleitet.Die in den Spülgasenenthaltenen Brenngasanteile werden dann in der mit einem Widerstand (10)kurzgeschlossenen Brennstoffzelle in Wasser umgewandelt. Überaschenderweisehat sich gezeigt, daß dieZellspannung (9) gut als Indikator für die Gaszusammensetzung herangezogenwerden kann. Nach dem Spüleneines Gassystems z.B. Kathodenseite mit entsprechendem Sauerstoffüberschussim Rekombinatorsystem kann solange vom anderen Gasgemisch (Wasserstoff)zudosiert werden, bis die Zellspannung trotz Zudosierung keine Veränderungenmehr zeigt. Damit kann zuverlässiggewährleistetwerden, daß sämtlicheBrenngasanteile in den Gasreservoirs rekombiniert wurden.
    [0020] Werdensystembedingt größere Gasreservoirsbenötigt,so kann es nützlichsein den diffusionsgesteuerten Gasaustausch zu unterstützen und dasGasgemisch sporadisch mittels kleiner Umwälzpumpen (11/12)umzuwälzen.Damit wird sichergestellt, daß auchdie Brenngasanteile in den Reservoirs vollständig rekombiniert werden.
    [0021] Desweiterenkönnenzwei weitere Meßbrennstoffzellen(4/7) eingesetzt werden, bei denen bevorzugterweisedie Leerlaufspannung (3/8) erfasst wird. Damitkönnengenaue Aussagen überden noch vorhandenen Brenngasanteil im Spülgasgemisch der Anoden- undKathodenseite gemacht werden.
    [0022] DerGasraum des Rekombinators ist bevorzugterweise stark hydrophobisiert,um schädliche Einflüsse desProduktwassers auf den Gasaustausch zu reduzieren. Desweiteren bietetsich an, das Spülgasdurch die Rekombinatorbrennstoffzelle in das Gasreservoir zu leiten.Die dabei auftretenden hohen Strömungsgeschwindigkeitenkönnengenutzt werden, um Wasseransammlungen aus dem Gasführungssystemzu beseitigen.
    [0023] Einweiteres Ausführungsbeispielder Erfindung zur Elimination von Wasserstoff aus Kühlwasserkreisläufen wirdanhand 2 nähererläutert: Dererfindungsgemäße Aufbaubesteht aus einer oben bereits beschriebenen abgewandelten Brennstoffzelle(13), die das Kernstückder Rekombinatoreinheit bildet. Die Kathodenseite (15)wird z.B. mittels einer geeigneten Pumpe (12) ausreichendmit Frischluft versorgt um die H2 Rekombinationzu ermöglichen.Im Kühlwasser(20) anfallendes Wasserstoffgas wird im Gasabscheider (22)abgeschieden und z.B. mittels einer Pumpe (11) in die Anodenseite(14) der Rekombinatorzelle gefördert. Durch ein Ventil (21)könnennicht umgesetzte Gasanteile abgeführt und weiter verwertet werden.
    [0024] Anstelledes Lastwiderstandes (2 (10)) kann auch eineSpannungsquelle (19) verwendet werden, die mit den elektrischenAnschlüssender Brennstoffzelle verbunden ist. Durch die Verwendung der Spannungsquelle(9) kann die Zellspannung der Brennstoffzelle auch invertiertwerden, um die Brennstoffzelle elektrisch Vorzuspannen. Mit derso vorgespannten Brennstoffzelle lassen sich höhere Reaktionsraten erreichenals mit einer widerstandsbelasteten bzw. kurzgeschlossenen Zelle
    权利要求:
    Claims (14)
    [1] Vorrichtung zum Rekombinieren von gasförmigem Wasserstoffund Sauerstoff, umfassend eine elektrochemische Rekombinatoreinheit(13) mit einem Anodenraum (14) und einem Kathodenraum (15),die durch eine gasdichte Elektrolytmembran (16) voneinandergetrennt sind.
    [2] Vorrichtung nach Anspruch 1, umfassend weiterhineine oder mehrere der folgenden Einheiten: – ein Gasreservoir (17)für dieAnodengase, – einGasreservoir (18) fürdie Kathodengase, – eineVerbindungsleitung zum Kathodengasreservoir (18), – eine Verbindungsleitungzum Anodengasreservoir (17), – eine Zuführleitung für O2-haltigesSpülgaszum Kathodenraum, – eineZuführleitungfür H2-haltiges Spülgas zum Anodenraum, – ein Gasventil(5) im Andodengassystem, – ein Gasventil (6)im Kathodengassystem.
    [3] Vorrichtung nach Anspruch 1 und/oder 2, wobei dieelektrochemische Rekombinatoreinheit (13) aus mehrerenZellen besteht, wobei die elektrische Verschaltung wahlweise serielloder parallel ausgeführtwerden kann.
    [4] Vorrichtung nach mindestens einem der vorangehendenAnsprüche,umfassend weiterhin – einenLastwiderstand (10) – einen Spannungsaufnehmer(9) fürdie am Lastwiderstand (10) abfallende Spannung, einen Stromsensorfür denfliessenden Zellstrom oder beides.
    [5] Vorrichtung nach mindestens einem der vorangehendenAnsprüche,umfassend weiterhin – eine Umwälzpumpe(11) fürdie Anodenseite mit je einer Gasführung vom Gasreservoir (17)und zur Rekombinatoreinheit (13).
    [6] Vorrichtung nach mindestens einem der vorangehendenAnsprüche,umfassend weiterhin – eine Umwälzpumpe(12) fürdie Kathodenseite mit je einer Gasführung vom Gasreservoir (18)und zur Rekombinatoreinheit (13).
    [7] Vorrichtung nach mindestens einem der vorangehendenAnsprüche,wobei die Umwälzungder Medien auf der Anodenseite, auf der Kathodenseite oder auf beidenSeiten gleichzeitig erfolgen kann.
    [8] Vorrichtung nach mindestens einem der vorangehendenAnsprüche,umfassend weiterhin – eineMeßbrennstoffzelle(4) mit zugehörigemSpannungsaufnehmer (3) auf der Anodenseite, – eine Meßbrennstoffzelle(7) mit zugehörigemSpannungsaufnehmer (8) auf der Kathodenseite.
    [9] Vorrichtung nach mindestens einem der vorangehendenAnsprüche,wobei der Lastwiderstand (10) durch eine Spannungsquelle(19) ersetzt ist, wobei die Zelle wahlweise auch mit negativenPotentialen betrieben werden kann.
    [10] Vorrichtung nach mindestens einem der vorhergehendenAnsprüche,wobei ein oder mehrere der Gasreservoirs durch Gasabscheider (22)ersetzt sind, die mit der Rekombinatorzelle (13) verbunden sind,um diese mit dem zu rekombinierenden Gasgemisch zu versorgen.
    [11] Verfahren zur Rekombination von wasserstoff- undsauerstoffhaltigen Gasen nach dem Prinzip der kalten Verbrennung,wobei die beiden Gasgemische durch eine gasdichte Elektrolytmembrangetrennt werden.
    [12] Verfahren nach Anspruch 11, wobei als Elektrolytmembraneine Polymerelektrolytmembran eingesetzt wird.
    [13] Verfahren zur Elimination von Wasserstoff aus Kühlmittelkreisläufen durchelektrochemische Oxidation mit einem geeigneten Oxidationsmittel,wie Sauerstoff, Luft oder Wasserstoffperoxid, wobei die beiden Reaktandendurch einen Elektrolyten, bevorzugterweise eine gasdichte Elektrolytmembran,voneinander getrennt werden.
    [14] Verfahren zur Elimination von Sauerstoff aus Kühlmittelkreisläufen durchelektrochemische Reduktion mit einem geeigneten Reduktionsmittel,wie Wasserstoff oder Methanol wobei die beiden Reaktanden durcheinen Elektrolyten, bevorzugterweise eine gasdichte Elektrolytmembran,voneinander getrennt werden.
    类似技术:
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    同族专利:
    公开号 | 公开日
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    引用文献:
    公开号 | 申请日 | 公开日 | 申请人 | 专利标题
    法律状态:
    2005-12-29| 8110| Request for examination paragraph 44|
    2011-07-20| R018| Grant decision by examination section/examining division|
    2012-05-31| R020| Patent grant now final|Effective date: 20120225 |
    2014-02-06| R119| Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee|Effective date: 20131101 |
    优先权:
    申请号 | 申请日 | 专利标题
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