AT413007B - Protonenleitende polymermembran brennstoffzelle - Google Patents

Description

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  Einleitung: Die vorliegende Erfindung betrifft im allgemeinen Brennstoffzellen, und insbesondere die geometrische Form der einzelnen Bauteile sowie von den daraus zusammengebauten Brennstoffzellenstapeln. 



  Stand der Technik bei Polymermembranbrennstoffzellen wie auch bei einigen Hochtemperaturbrennstoffzellen ist das planare Design der einzelnen Komponenten. Diese planaren Komponenten werden zu quaderförmigen (im Falle rechtwinkeliger planarer Geometrien der Bauteile) oder zu zylinderförmigen (runde planare Bauteile) Brennstoffzellenstapeln zusammengebaut. 



  Die zugeführten Gase oder Flüssigkeiten müssen über Kanäle in sog. "Flow Fields", die meist in die Bipolarplatten eingearbeitet sind, an die Elektrodenoberfläche herangeführt werden. Auf Grund des planaren Designs winden sich diese Kanäle meist serpentinenartig über die Plattenfläche. Dieses hydrodynamisch ungünstige Design führt dazu, dass die Reaktanden und Produkte nur unter hohem Druck durch die Kanäle der bipolaren Platte gepresst werden können. Dies bedingt aufwändige Zusatzaggregate wie starke Pumpen oder hochtourige Luft- bzw. Sauerstoff Kompressoren. Diese Aggregate vermindern auf Grund ihres meist hohen elektrischen Energiebedarfs den Gesamtwirkungsgrad eines Brennstoffzellensystems und entwickeln überdies unnötig viel Lärm. 



  Des Weiteren besitzen herkömmliche PEM Brennstoffzellenstacks aufwändige, planare Kühlplatten die von Kühlmedien durchströmt werden müssen, um die erheblichen Wärmemengen die bei der elektrochemischen Reaktion anfallen, abführen zu können. Auf Grund der planaren Geometrie dieser Kühlplatten, sowie der meist sehr kleinen Querschnitte der Kühlkanäle, treten auch hier grosse Druckverluste beim Durchspülen mit Kühlmedium auf. Dies macht den Einbau leistungsstarker Pumpen und Zusatzgeräte, auch für den Kühlkreislauf notwendig. 



  Stand der Technik sind weiters Bipolarplatten die derart verpresst sind, dass auf ihrer Vorderseite die Reaktanden strömen und auf ihrer Hinterseite das Kühlmedium. Auch hier ergeben sich auf Grund der planaren Geometrie hohe Druckverluste beim Durchspülen mit Kühlmedium die durch dementsprechend leistungsstarke Pumpaggregate kompensiert werden müssen. 



  Die vorliegende Erfindung beschreibt die Form einer Brennstoffzelle die mit geringem Druckverlust von Reaktanden und Produkten durchströmt werden kann, und die auf Grund ihrer besonderen Geometrie einfach zu kühlen, bzw. einfach zu beheizen ist. Die einfache Beheizung verbessert das Kaltstartverhalten solcher Zellen, besonders wenn sie als Direkt Methanol Brennstoffzellen betrieben werden. 



  Die hier beschriebene Form der Zelle wird grundsätzlich in der Ausführungsform Polymermembranbrennstoffzelle beschrieben, die mit Wasserstoff oder Methanol als Brennstoff und Luft bzw. 



  Sauerstoff als Oxidationsmittel betrieben wird. Die erfindungsgemässe Bauform beschränkt sich jedoch nicht nur auf diesen Typ Brennstoffzelle, sondern ist prinzipiell auch für andere Typen wie SOFCs, MCFCs oder alkalische Zellen anwendbar. Genauso ist die Zelle nicht nur mit gasförmigen (H2, NH3, O2) sondern auch mit flüssigen Reaktanden wie z. B. niederen Alkoholen oder Hydrazin zu betreiben. 



  Beschreibung: Die erfindungsgemässe Brennstoffzellenbauform wird vorzugsweise als PEM (Polymer Elektrolyt Membran) Brennstoffzelle ausgeführt. Eine PEM Brennstoffzelle besteht üblicherweise aus Anode, Kathode, Polymermembran, Bipolarplatte und Gasdiffusionsmedium Die Anode ist dabei mit geträgerten oder ungeträgerten Katalysatoren beschichtet die die Elektrooxidation des Brennstoffes z. B. von organischen oder anorganischen Verbindungen (Alkohole, Zuckerlösungen Ammoniak, Hydrazin) aber insbesondere von Wasserstoff gewährleisten. Die Kathode ist mit Katalysatoren beschichtet, die die Reduktion des Oxidationsmittels (Sauerstoff, Ozon, Halogene) gewährleistet.

   Der saure oder alkalische Elektrolyt kann aus einem ionenleitfähigen Polymer, einem ionenleitfähigem Festelektrolyt oder aus einem in einer Matrix gebundenen flüssi- 

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 gen Elektrolyt bestehen. Das Gasdiffusionsmedium kann aus einem Kohlenstoffpapier, -filz oder Kohlefasergewebe bestehen. Die einzelnen Brennstoffzelleneinheiten können entweder parallel oder in Serie geschalten werden. 



  Die Form von Anode (14) Kathode (15) Polymermembran (16) Gasdiffusionsmedium (17) und Bipolarplatte (18) ist erfindungsgemäss wie in Figur1 und Figur 2 dargestellt konusförmig ausgeführt, wobei die Grundflächen der Konuse ein symmetrisches oder beliebiges n-Eck darstellen - von n = 3 bis n gegen unendlich (Anspruch 1). 



  Die Form der Grundflächen der Konuse und der Neigungswinkel der Mantelflächen bestimmt massgebend die Strömung der Reaktanden und Produkte in der Zelle. Durch eine geeignete Wahl der Geometrie kann jeweils ein Optimum an Leistung bei gegebenen Betriebsbedingungen durch eine Minimierung der Strömungsverluste erzielt werden. So können die Grundflächen der konusförmigen Bauteile die Form einer beliebigen Schnittfigur aus einem symmetrischen oder beliebigen n-Eck und eines Kreises bzw. beliebigen Ellipsoids aufweisen (Anspruch 2). 



  Die Grundflächen der konusförmigen Bauteile können auch nur die Form eines Kreises oder beliebigen Ellipsoids darstellen (Anspruch 5). 



  Durch Wölbung der Mantelfläche nach aussen oder nach innen wird die Reaktionsfläche im Vergleich zu geraden Flanken vergrössert. Bei Verwendung einer symmetrischen Halbkugelform ist das beste erzielbare Ergebnis hinsichtlich des verwendeten Volumens zu eingesetzter Reaktionsfläche gegeben (Anspruch 3). 



  Durch eine Kombination der Wölbungsrichtungen der Mantelflächen der konischen Bauteile sowohl nach innen als auch nach aussen, kann sowohl das Verhältnis Volumen der Zelle zu aktiver Reaktionsoberfläche der Zelle als auch das Strömungsverhalten der Reaktanden und Produkte optimiert werden. Diese Bauweise wurde als Ausführungsbeispiel in Figur 3 dargestellt. Zur besseren Übersicht wurde dabei nur die Bipolarplatte als das markanteste Bauteil der Zelle dargestellt (Anspruch 4). 



  Wie in Figur1 und Figur 2 dargestellt, erfolgt der Aufbau eines Brennstoffzellenstacks durch das Aneinanderreihen der einzelnen Brennstoffzellen in einem Hohlzylinder (24). Die einzelnen Bauteile werden durch eine Druckkraft zusammengepresst die entweder durch eine Verschraubung der Bauteile mit dem Hohlzylinder erfolgt oder durch alternative Druckkräfte. Die Zu- und Ableitung der Reaktanden und Produkte kann über diesen Zylinder erfolgen. Der Zylinder trägt weiters die Aufgabe die Reaktanden und Produkte über Ausnehmungen an seiner Innenwand von einer Zelle zur nächsten zu leiten (Anspruch 6). 



  Die Zuleitungs- und Ableitungskanäle führen wie in Figur 1 (25) durch die Bipolarplatten. Die Form dieser Kanäle kann beliebig sein, ihre Anordnung erfolgt jedoch in einem strömungstechnisch gesehen optimalen Winkel. Die Zuleitung der Reaktanden kann von aussen oder von innen durch die Bipolarplatten erfolgen (Anspruch 7). 



  Die Ableitung der Reaktanden kann ebenso von aussen oder innen durch die Bipolarplatten erfolgen (Anspruch 8). 



  Wie in Figur 1 dargestellt erfüllen die Dichtungen (27,28) einerseits den Zweck Oxidationsmittel und Reduktionsmittel voneinander zu trennen und andererseits gewährleisten sie eine elektrische Isolation zwischen den entgegengesetzt geladenen Bipolarplatten (Anspruch 9). 



  Bei der in Figur 1 dargestellten Anordnung kann durch die zentrale Ausnehmung eine Kühloder Heizleitung geführt werden (29) (Anspruch 10). 



  Das Kühl oder Heizmedium kann in einer zusätzlichen Leitung (z. B. gut wärmeleitender 

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 Schlauch) oder direkt durch die zentrale Ausnehmung geleitet werden. Das Kühlmedium kann flüssig oder gasförmig sein (Anspruch 11). 



  Die Flussrichtung der Reaktanten und Produkte kann prinzipiell beliebig gewählt werden, allerdings ist es in den meisten Fällen energetisch günstiger wenn Reaktanden und Produkte im Gleichstrom von oben nach unten (in Richtung der Erdanziehungskraft) fliessen (Anspruch 12). 



  Die einzelnen Brennstoffzellenelemente werden durch eine Druckkraft so zusammengespannt, dass sie gasdicht gegeneinander abschliessen und einen Stack formen wie er in Figur 1 und Figur 2 dargestellt ist. Dabei pressen die Bipolarplatten (18) die Polymermembran (16) zusammen (Anspruch 13). 



  Bei Zellgeometrien die kreisrunde Basisflächen aufweisen, kann die Druckkraft durch verschrauben der Bipolarplatten (18) mit entsprechendem Aussengewinde mit dem Hohlzylinder, der das entsprechende Gegengewinde aufweist, erfolgen (Anspruch 14). 



  Bei herkömmlichen Brennstoffzellen, nach Stand der Technik, muss auf Grund der planaren Anordnung viel Energie dafür aufgewendet werden, die Strömung von Reaktanden und Produkten aufrecht zu erhalten. Bei den beschriebenen Zellgeometrien kann der An- und Abtransport flüssiger Reaktanden und Produkte durch die Schwerkraft alleine oder unterstützt mit zusätzlichem Druck von aussen erfolgen. Der An- und Abtransport von Reaktanden sowie Produkten, insbesondere von flüssigen Reaktanden und Produkten, kann alleine durch die Schwerkraft getrieben erfolgen, oder durch zusätzlich aufgebrachten Druck mittels Pumpen bzw. Kompressoren beschleunigt werden (Anspruch 15). 



  Die erfindungsgemässe Bauform von Polymermembranbrennstoffzellen weisen folgende entscheidende Vorteile auf :   #   weniger Druckverluste durch effizientere Strömungsführung von Reaktanden und Pro- dukten   #   Verminderung der benötigten Leistung bei Nebenaggregate wie Pumpen und Kom- pressoren bzw.

   deren vollkommene Einsparung   #   Verminderung des Geräuschpegels durch kleiner dimensionierte Nebenaggregate   #   einfache und schnelle Kühlung des Brennstoffzellenstapels über die zentrale Achse   #   Einsparung von Kühlplatten   #   kleiner dimensionierte Nebenaggregate für den Kühlkreislauf   #   einfache und schnelle Aufheizung über die zentrale Achse des Brennstoffzellenstapels - verbessertes Kaltstartverhalten   #   einfache Abdichtung des Stapels möglich   #   kreisrunde Dichtungen   #   geschlossene Zylinderbauweise   #   Betrieb unter erhöhtem Druck auf Grund der geschlossenen Zylinderbauweise unprob- lematisch   #   hohe Flexibilität beim Einbau der BZ Stapel in andere Systeme (z.

   B. Karosserie), da die
Stapel in Form von Röhren verlegt werden können, und so einfach und Platz sparend in komplexe Systeme integrierbar sind   #   Die verwendeten Bauteile erhalten auf Grund der Form eine höhere Grundsteifigkeit als planare Bauteile   #   Vorteile im Betrieb und beim Zusammenbau der Stacks   #   Im Falle flüssiger Reaktanden und Produkte können diese nur durch die Schwerkraft ge- trieben zu- und abrinnen Figurenübersicht: Fig. 1 Ausführungsbeispiel eines Brennstoffzellenstapels in bipolarer Bauweise, mit einge- zeichneten Reaktandenverläufen und Kühlungsverläufen nach dieser Erfindung. 

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   Der Stack besteht aus stapelförmig übereinander angeordneten Einheiten bestehend aus konusförmiger Anode (14), Kathode (15), Polymermembran (16), Gasdiffusionsmedium (17) und Bipolarplatte (18). Den Abschluss bilden jeweils konusförmige Endplatten über die die Zu- und Ableitung des elektrischen Stromes erfolgt (19). Der Stapel wird von ei- nem druckfesten Hohlzylinder umschlossen (24). Als spezielle Ausführungsform können die Bipolarplatten mit dem Hohlzylinder verschraubt sein. 



   Der Brennstoffzellenstapel wird in der zentralen Achse über die innere kleine Hohlwelle (30) mittels zweier Muttern (31) zusammengespannt. Die äussere kleine Hülse (32) dient zur Dichtung zwischen den Segmenten und über geeignete Bohrungen und Nuten zur
Durchleitung des Oxidationsmittels. Der Einlass des Brennstoffes erfolgt über eine Boh- rung in der oberen Endplatte (34). Über Bohrungen durch die Bipolarplatten und den um- schliessenden Hohlzylinder (25) erfolgt die Zu- und Ableitung des Brennstoffes in und aus den einzelnen Zellsegmenten. Durch eine Bohrung in der unteren Endplatte (26a) erfolgt der Austritt des Brennstoffes. Die Flussrichtung des Brennstoffes ausserhalb des Hohlzy- linders ist nur durch Pfeile angedeutet. Der Fluss kann entweder in Kanälen eines weite- ren umschliessenden Zylinders erfolgen oder in Rohrleitungen, Schläuchen oder ähnli- chem. 



   Der Einlass des Oxidationsmittels erfolgt über Bohrungen durch die obere Endplatte (33). 



   Anschliessend fliesst das Oxidationsmittel durch eine bzw. mehrere Bohrungen durch die äussere kleine Hülse (32) weiter entlang einer Nut an der Aussenseite der inneren kleinen
Hohlwelle (30) nach unten. In einer ringförmigen Nut sammelt sich das Oxidationsmittel und gelangt über Bohrungen durch die äussere Hülse und durch die Bipolarplatte in das erste Zellsegment. Der Fluss des Oxidationsmittels durch die einzelnen Zellsegmente folgt den Pfeilen. Die Ableitung des Oxidationsmittels und der Produkte erfolgt durch
Bohrungen in der unteren Endplatte (26b). 



   Die Bipolarplatten sind durch Dichtungen unterschiedlicher Grösse (27,28) voneinander getrennt. 



   Die Flussrichtung des Kühl- oder Heizmediums ist mittels zweier Pfeile entlang der Mit- telachse angedeutet (29). 



  Fig.2 Schnittdarstellung durch einen Stack wie er in der Erfindung zum Einsatz kommt. Die
Darstellung zeigt den prinzipiellen Aufbau des Stacks allerdings noch ohne Peripherie der Zu- und Ableitungen, Endplatten und Mittelstück, mit einer Detailansicht- Detail A. 



   Detail A zeigt Membran, Anode, Kathode und Gasdiffusionsschichten wie sie von zwei
Bipolarplatten zusammengepresst. 



  Fig.3 Darstellung einer konischen Bipolarplatte wie sie in der Erfindung zum Einsatz kommt, in
Aufriss und Seitenriss, deren Grundflächen aus einem symmetrischen 8-Eck (n=8) gebil- det werden, und deren Mantelflächen nach aussen und nach innen gewölbt sind. 



  Patentansprüche : 1. Eine PEM (Polymer Elektrolyt Membran) Brennstoffzelle bestehend aus Anode, Kathode,
Polymermembran, Bipolarplatte und Gasdiffusionsmedium, dadurch gekennzeichnet, dass die Form von Anode (14) Kathode (15) Polymermembran (16) Gasdiffusionsmedium (17) und Bipolarplatte (18) konusförmig ausgeführt sind, wobei die Grundflächen der Konuse ein symmetrisches oder beliebiges n-Eck darstellen von n = 3 bis n gegen unendlich.

Claims (1)

1. 2. Eine PEM Brennstoffzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Grundflä- chen des Konus eine beliebige Schnittfigur aus einem symmetrischen oder beliebigen <Desc/Clms Page number 5> n-Eck und eines Kreises oder beliebigen Ellipsoids darstellt.

   3. Eine PEM Brennstoffzelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Form von Anode, Kathode, Polymermembran, Gasdiffusionsmedium und Bipolarplatte entweder konkav nach aussen gewölbt, oder konvex nach innen gewölbt ist.

   4. Eine PEM Brennstoffzelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Form von Anode, Kathode, Polymermembran, Gasdiffusionsmedium und Bipolarplatte sowohl nach innen gewölbt als auch nach aussen gewölbt ist.

   5. Eine PEM Brennstoffzelle nach Anspruch 2,3,4 dadurch gekennzeichnet, dass die Form von Anode, Kathode, Polymermembran, Gasdiffusionsmedium und Bipolarplatte konusförmig ausgeführt sind, wobei die Grundflächen des Konus einen Kreis oder ein beliebiges El- lipsoid darstellen.

   6. Eine PEM Brennstoffzelle nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Aufbau durch einfaches Aufeinanderstapeln der Brennstoffzellenbauteile in einem zylindrischen Behälter (24) erfolgt.

   7. Eine PEM Brennstoffzelle nach Anspruch 6 dadurch gekennzeichnet, dass die Zuführung der Reaktanden von aussen oder innen durch die Bipolarplatten (25) erfolgt.

   8. Eine PEM Brennstoffzelle nach Anspruch 6 dadurch gekennzeichnet, dass die Abführung der Reaktanden und Reaktionsprodukte nach aussen oder innen durch die Bipolarplatten erfolgt (26).

   9. Eine PEM Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 6 dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Brennstoffzellen durch nichtleitende Dichtungen (27,28) getrennt sind.

   10. Eine PEM Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 6 dadurch gekennzeichnet, dass eine zusätzliche Kühlung oder Heizung durch die zentrale zylindrische Ausnehmung des Brenn- stoffzellenstapels geführt wird (29).

   11. Eine PEM Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 10 dadurch gekennzeichnet, dass sowohl flüssige als auch gasförmige Medien zur Kühlung oder Heizung eingesetzt werden können.

   12. Eine PEM Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 1-11 dadurch gekennzeichnet, dass Oxidationsmittel und Reduktionsmittel im Gleichstrom oder im Gegenstrom durch die Zelle fliessen kann.

   13. Eine PEM Brennstoffzelle nach Anspruch 1-12 dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Brennstoffzelleneinheiten über eine externe Druckkraft zusammengespannt werden.

   14. Eine PEM Brennstoffzelle nach Anspruch 13 dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Brennstoffzelleneinheiten über eine Verschraubung der Bipolarplatten (18) mit dem Hohlzy- linder (24) zusammengespannt werden.

   15. Ein Verfahren zur Gewinnung elektrischer Energie unter Verwendung einer Zelle gemäss Anspruch 1-14 aus flüssigen Brennstoffen, insbesondere aus Methanol, Ethanol, wässri- gem Ammoniak sowie aus gasförmigen Brennstoffen wie Wasserstoff, Methan oder gas- förmigem Ammoniak dadurch gekennzeichnet, dass die Reaktanden und Produkte mit oder ohne zusätzlichen Druck an die Elektrodenoberfläche an- und abtransportiert werden. <Desc/Clms Page number 6>