DE10015362A1

DE10015362A1 - Brennstoffzellenstapel für flüssigen oder teilweise flüssigen Brennstoff

Info

Publication number: DE10015362A1
Application number: DE10015362A
Authority: DE
Inventors: Ottmar Schmid; Jens Mueller; Andreas Christen
Original assignee: Ballard Power Systems Inc; Siemens VDO Electric Drives Inc
Current assignee: Ballard Power Systems Inc; Siemens VDO Electric Drives Inc
Priority date: 2000-03-28
Filing date: 2000-03-28
Publication date: 2001-10-11

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Brennstoffzellenstapel (1), der Membran-Elektroden-Einheiten (9) sowie Fluidverteilerplatten (5, 8) für die Verteilung von Anoden- und Kathodenfluid an die Membran-Elektroden-Einheiten (9) umfasst und mit flüssigem oder teilweise flüssigem Brennstoff betrieben wird. Gemäß der Erfindung sind zusätzliche Temperierplatten (2) zur Homogenisierung der Temperaturverteilung im Brennstoffzellenstapel (1) vorhanden und diese werden entweder von dem Anodenfluid oder von dem Kathodenfluid durchströmt, wobei das die Temperierplatten (2) durchströmende Fluid darin keinen Kontakt mit einer Membran-Elektroden-Einheit (9) aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft einen elektrochemischen Brennstoffzellenstapel mit flüssigem oder teilweise flüssigem Brennstoff nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1, insbesondere eine Direkt-Methanol-Brennstoffzelle (DMFC).

Brennstoffzellenstapel gemäß dem Stand der Technik umfassen mindestens eine, üblicherweise jedoch eine Mehrzahl einzelner Brennstoffzellen, die neben oder übereinander gestapelt sind. Eine einzelne Zelle besteht aus einer sogenannten Membran-Elektroden-Einheit, auch abgekürzt als MEA bezeichnet. Eine MEA umfasst eine Anode, eine Kathode und eine dazwischen angeordnete, protonenlei tende Elektrolytmembrane. Anodenseitig sind Fluidverteilerplatten für die Zu- und Abführung des brennstoffhaltigen Anodenfluids vorhanden. Kathodenseitig sind weitere Fluidverteilerplatten zur Versorgung der MEA mit dem Kathodenfluid vorhan den, welches insbesondere Sauerstoff sowie Wasser enthält, das zum einen teil weise bei der elektrochemischen Reaktion an der Kathode (aktive Fläche) entsteht und zum anderen von der Anodenseite durch die Elektrolytmembrane auf die 2 s Kathodenseite diffundiert. Die Zu- und Abfuhrplatten weisen üblicherweise an der Oberfläche eine Kanalstruktur (Flow-Fields) zur Verteilung der Fluide auf. Die anodenseitige Kanalstruktur einer Einzelzelle und die kathodenseitige Kanalstruktur einer benachbarten Einzelzelle werden üblicherweise auf den beiden Seiten dersel ben Platte ausgeführt. In diesem Fall wird auch von einer bipolaren Platte gespro chen.

In den einzelnen Zellen entsteht kathodenseitig in einer elektrochemischen Reaktion Produktwasser, das aus den einzelnen Zellen als Kathodenabgas abtransportiert werden muss, damit eine Verblockung der aktiven Kathodenfläche mit flüssigem Wasser vermieden und damit die Funktionsfähigkeit der Zellen aufrechterhalten werden kann. Das sich in den Zellen ausbildende Gleichgewicht zwischen Wasser dampf und flüssigem Wasser ist sehr stark temperaturabhängig. Die Diffusionsrate des Wassers von der Anodenseite der Brennstoffzelle durch die Elektrolytmembrane auf die Kathodenseite ist ebenfalls stark von der Temperatur abhängig. Insbesondere im üblichen Temperaturbereich von Direkt-Methanol-Brennstoffzellen von ca. 110°C und einem Druckbereich von 2,5-3,0 bar liegt eine hohe Temperaturabhängigkeit des Wasserdampfdruckes vor.

Umgebungseinflüsse, ungleichmäßige Wärmeentwicklung in den einzelnen Zellen sowie eine ungleichmäßige Verteilung des Anoden- und Kathodenfluids innerhalb der einzelnen Zellen führen zu Temperaturdifferenzen zwischen den Zellen sowie innerhalb der einzelnen Zellen des Brennstoffzellenstapels. Durch variierende Flüssigkeitsmengen innerhalb der einzelnen Zellen kommt es zu unterschiedlichen Strömungswiderständen in den einzelnen Zellen. Fig. 1 zeigt in Abhängigkeit der Stromdichte beispielhaft den Verlauf des Strömungswiderstandes innerhalb einer Einzelzelle gemäß dem Stand der Technik. Die untere Kurve im Diagramm zeigt den Strömungswiderstand hervorgerufen durch die Fluidströmung. Durch die Fluidströmung und durch zusätzliche Flüssigkeitsanteile in den Flow-Fields der Fluidverteilerplatten entsteht der in der oberen Kurve dargestellte Strömungsge samtwiderstand. Durch die beschriebene Ausbildung von Strömungswiderständen resultiert schließlich eine der Temperaturverteilung entsprechende Ungleichverteilung der Fluidströme zu den einzelnen Zellen. Aufgrund dieser ungleichmäßigen Verteilung der Fluide kommt es zu Spannungsschwankungen zwischen den einzelnen Zellen.

Ebenfalls kommt es, durch die inhomogene Temperaturverteilung innerhalb einer Zelle, zu einer Ungleichverteilung der Fluide in den einzelnen Kanälen des Flow- Fields einer Zelle.

Durch die unzureichende Fluidversorgung der Zellen vermindert sich sowohl in der Dampfphase als auch in der Flüssigphase der kathodenseitige Austrag von Wasser.

Die Wassermenge in den Flow-Fields der Zellen steigt stetig an und führt schließlich zu einer vollständigen Wasserflutung dieser Zelle und somit zum Ausfall des Brenn stoffzellenstapels.

Aufgabe der Erfindung ist es einen Brennstoffzellenstapel zu schaffen bei dem eine Ungleichverteilung der Fluidversorgung im Brennstoffzellenstapel wesentlich verrin gert oder ganz vermieden werden kann.

Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand in Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungen sind Gegenstand weitere Ansprüche.

Erfindungsgemäß werden zur Homogenisierung der Temperaturverteilung innerhalb des Brennstoffzellenstapels Temperierplatten angeordnet. Diese Temperierplatten werden von einem Temperierfluid, welches ein Anteil des dem Brennstoffzellenstapel zugeführten Anodenfluids oder Kathodenfluids ist, durchströmt. Als Temperierfluid wird bevorzugt das brennstoffhaltige Anodenfluid verwendet. Das Temperierfluid tritt beim Durchströmen der Temperierplatten nicht in Kontakt mit der Membran- Elektroden-Einheit und es findet darin auch keine sonstige chemische Reaktion an den Oberflächen der Platten statt.

Mitteis des strömenden Temperierfluids lassen sich Temperaturdifferenzen sowohl in den endständigen als auch inneren Zellen des Stapels ausgleichen. Somit kann gewährleistet werden, dass jede Zelle eine homogene Temperaturverteilung besitzt wodurch eine homogene Fluidverteilung aller Zellen gesichert ist.

Kathodenseitig wird eine Verblockung der Zellen mit Produktwasser sowie mit Diffusionswasser durch diffundierendes Wasser von der Anodenseite der Brennstoff zelle durch die Elektrolytmembrane auf die Kathodenseite verhindert. Der Austrag von Wasser sowohl in der Dampfphase als auch in der Flüssigphase wird gewährlei stet.

Diese Vorteile können ohne zusätzlichen Systemaufwand sowie ohne Verminderung der aktiven Fläche der Brennstoffzellen erreicht werden. Das Volumen des Brennstoffzellenstapels wird durch die zusätzlichen Temperierplatten nur unwesentlich vergrößert.

In einer vorteilhaften Ausführung kann die Strömungsführung durch die Fluidvertei lerplatten und durch die Temperierplatten parallel geschaltet sein. Das Anodenfluid strömt zunächst in den Brennstoffzellenstapel und wird dort in einen als Tempe rierfluid durch die Temperierplatten strömenden Anteil und einen durch die Fluidver teilerplatten strömenden Anteil aufgeteilt. Nach Durchströmen der jeweiligen Platten werden die Fluide durch eine gemeinsame Leitung aus dem Brennstoffzellenstapel

abtransportiert. Die Zu- und Abfuhrleitungen für die Temperierplatten und die Zu- und Abfuhrleitun gen für die Fluidverteilerplatten sind vorteilhaft derart verschaltet, dass die entspre chenden Fluide in derselben Leitung zu- und abgeführt werden. Durch die parallele Strömungsführung der Fluide durch die Temperierplatten und die Fluidverteilerplatten wird der geringst mögliche Druckverlust in der Zufuhrleitung der Fluide verursacht.

In analoger Weise kann als Temperierfluid anstatt des Anodenfluids auch das Katho denfluid eingesetzt werden.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführung können die Fluidverteilerplatten und die Temperierplatten in ihrer Strömungsführung in Reihe geschaltet werden. Hierbei wird das dem Brennstoffzellenstapel zugeführte Anodenfluid zunächst durch die Fluidver teilerplatten geleitet. Nach Durchströmen der Fluidverteilerplatten wird das Ano denfluid in einen, als Temperierfluid durch die Temperierplatten strömenden Anteil und einen aus dem Brennstoffzellenstapel abzuführenden Anteil aufgeteilt. Das Temperierfluid wird nach Durchströmen der Temperierplatten durch eine separate Abfuhrleitung aus dem Brennstoffzellenstapel geleitet.

In analoger Weise kann als Temperierfluid anstatt des Anodenfluids auch das Kathodenfluid nach Durchströmen der Fluidverteilerplatten durch die Temperierplat ten geleitet werden.

In einer vorteilhaften Ausführung können bevorzugt bis zu 5 Temperierplatten nebeneinander an den Stirnflächen des Brennstoffzellenstapels angeordnet werden.

Somit wird der Umgebungseinfluss abgeschwächt und eine homogene Temperatur verteilung insbesondere an den endständigen Zellen des Stapels gewährleistet.

In einer weiteren Ausführung können die Temperierplatten innerhalb des Stapels zwischen den einzelnen Brennstoffzellen angeordnet werden. Durch diese Anord nung können unterschiedliche Temperaturen innerhalb des Stapels, z. B. aufgrund inhomogener Wärmeentwicklung, ausgeglichen werden.

In einer weiteren Ausführung können als zusätzliche Temperierung der endständigen Zellen des Brennstoffzellenstapels auch elektrische Heizeinrichtungen, z. B. Bänder oder Matten an den Stirnflächen des Brennstoffzellenstapels angeordnet werden. Soweit an den Stirnseiten des Stapels Temperierplatten vorhanden sind, können die Heizeinrichtungen auch auf diesen Temperierplatten angeordnet sein.

In einer bevorzugten Ausführung werden als Temperierplatten modifizierte Bipolar platten eingesetzt, die nur auf einer Seite eine Verteilerstruktur aufweisen.

Die Erfindung eignet sich insbesondere für Direkt-Methanol-Brennstoffzellen. Dabei wird das Anodenfluid vor Eintritt in den Brennstoffzellenstapel vorgeheizt.

Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung gehen aus der folgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf Zeichnungen hervor. Es zeigen:

Fig. 1: ein Diagramm zum Einfluss des Wassers im Flow-Field der Fluidverteilerplat ten auf den Strömungswiderstand einer Einzelzelle gemäß dem Stand der Technik und wie in der Beschreibungseinleitung beschrieben;

Fig. 2: den Aufbau eines Brennstoffzellenstapels mit den erfindungsgemäß angeord neten Temperierplatten;

Fig. 3: ein Diagramm zum Einfluss separater Brennstoffzellen auf die Zellenspan nung eines DMFC-Brennstoffzellenstapels ohne zusätzliche Temperierplat ten;

Fig. 4: ein Diagramm zum Einfluss separater Brennstoffzellen auf die Zellenspan nung eines DMFC-Brennstoffzellenstapels mit erfindungsgemäß angeordne ten Temperierplatten.

Fig. 2 zeigt eine beispielhafte Ausführung eines erfindungsgemäßen Brennstoffzel lenstapels 1 mit den erfindungsgemäßen Temperierplatten 2. Der Brennstoffzellen stapel 1 umfasst dabei mehrere übereinander oder nebeneinander angeordneten Einzelzellen 3, wobei an den endständigen Zellen sowie zwischen den einzelnen Zellen Temperierplatten 2 angeordnet sind, sowie gegebenenfalls zwei oder mehrere Endplatten 7.

Eine einzelne Brennstoffzelle 3 umfasst ihrerseits eine Fluidverteilerplatte 5 für das Anodenfluid, eine Fluidverteilerplatte 8 für das Kathodenfluid sowie eine dazwischen liegende Membran-Elektroden-Einheit 9.

Die Zu- und Abfuhrleitungen für das Anoden- sowie Kathodenfluid können innerhalb des Brennstoffzellenstapels 1 durch miteinander fluchtende Durchbrechungen an den Rändern der Plattenelemente 2, 5 ,8 gebildet werden.

Das Anodenfluid strömt durch eine Zufuhrleitung 4 in den Brennstoffzellenstapel 1 und wird dort in einen Anteil der als Temperierfluid durch die Temperierplatten 2 strömt und einen Anteil der durch die Fluidverteilerplatten 5 strömt aufgeteilt. Das Temperierfluid kommt bei Durchströmen der Temperierplatten 2 nicht in Kontakt mit der Membran-Elektroden-Einheit 9.

Um die Gleichverteilung der Fluidströme zu den einzelnen Zellen zu optimieren, muss die Fluidführung durch die Zufuhrleitung 4 mit möglichst geringem Druckverlust und homogener Strömungsverteilung erfolgen. Dies wird durch eine parallele Strö mungsführung der Fluide durch die Fluidverteilerplatten 5 und die Temperierplatten 2 erreicht.

Die homogene Temperaturverteilung innerhalb der Temperierplatten 2 und die damit verbundene Verhinderung einer Verblockung der aktiven Kathodenfläche mit flüssi gem Wasser wird weiter verbessert, indem das Anodenfluid möglichst homogen durch die Temperierplatten 2 geführt wird. Dies läßt sich konstruktiv durch zusätzliche Verteilerstrukturen innerhalb der Temperierplatten 2, z. B. modifizierten Bipolarplatten mit vorzugsweise einseitig ausgeführten Verteilerstrukturen, erreichen.

Nach Durchströmen der Platten tritt das Anodenfluid (sowohl der durch die Fluidver teilerplatten 5 geströmte Anteil als auch der durch die Temperierplatten 2 geströmte Anteil) durch eine gemeinsame Abfuhrleitung 6 aus dem Brennstoffzellenstapel 1 aus, ohne dabei in Kontakt mit der Membran-Elektroden-Einheit 9 zu kommen. Die Zu- und Abführung des Kathodenfluids erfolgt durch separate, nicht dargestellte Leitungen. Die Fluidverteilerplatten 8 können von dem Kathodenfluid z. B. im Kreuz strom durchströmt werden.

Die endständigen Temperierplatten 2 oder gegebenenfalls Endplatten 7 werden durch, hier nicht dargestellte, elektrische Heizeinrichtungen, z. B. Bänder oder Matten zusätzlich temperiert.

Fig. 3 zeigt für einen DMFC-Brennstoffzellenstapel mit einer wie in Fig. 2 dargestell ten parallel ausgestalteten Fluidführung von Temperierfluid und Anodenfluid. Der beispielhafte DMFC-Brennstoffzellenstapel umfasst 10 stapelförmig angeordneten Brennstoffzellen ohne zusätzliche Temperierplatten. Das Diagramm zeigt den Verlauf der jeweiligen Zellenspannung U gegenüber der Stromdichte I. Das Experiment wurde bei einer Temperatur von ca. 105°C und einem Druck von 2 bar durchgeführt. Als Anodenfluid wurde ein Methanolgemisch verwendet. Die Luft-Stöchiometrie lag bei 2,5.

Das Diagramm zeigt, dass mit zunehmender Stromdichte I und somit zunehmender Prozeßwärme die Ungleichverteilung der Fluidversorgung in den einzelnen Zellen und somit die Schwankung der einzelnen Zellenspannung U stark zunimmt. Beträgt diese Schwankung bei einer Stromdichte 1 von 50 mA/cm² noch 0,055 V, so steigt sie bei einer Stromdichte I von 250 mA/cm² auf 0,19 V an. Gerade die endständigen Zellen Cell 1 und Cell 2 unterliegen bei Stromdichten I zwischen 200 mA/cm² und 300 mA/cm² sehr starken Spannungsschwankungen.

Fig. 4 zeigt den Verlauf der Zellenspannung U gegenüber der Stromdichte I für den in Fig. 3 beschriebenen DMFC-Brennstoffzellenstapel mit jeweils 3, an den Stirnflächen des Stapels angeordneten Temperierplatten. Als Temperierfluid wurde das Anoden fluid verwendet, wobei der Strömungsverlauf des Temperier- und Anodenfluids dem in Fig. 1 beschriebenen Aufbau entspricht.

Bis zu einer Stromdichte I von 250 mA/cm² sind die Schwankungen der Zellenspan nung U sehr gering. Die Schwankungen liegen zwischen 0,015 mA/cm² und 0,045 mA/cm² bei Stromdichten I von 50 mA/cm² und 250 mA/cm² und somit deutlich unterhalb derer in Fig. 3 beschriebenen Ausführung. Die starken Spannungsschwan kungen der endständigen Zeilen Cell 1 und Cell 2 sind mit den zusätzlichen Tempe rierplatten vollständig unterdrückt worden.

Mit der erfindungsgemäßen Anordnung von zusätzlichen Temperierplatten, die von einem Teil des Anoden- oder Kathodenfluids durchströmt werden, kann der katho denseitige Austrag von Produktwasser verbessert und damit die Spannungsschwan kungen zwischen den einzelnen Zellen stark reduziert werden.

Bezugszeichenliste

1

Brennstoffzellenstapel

2

Temperierplatten

3

Einzelne Brennstoffzellen

4

Zufuhrleitung

5

Fluidverteilerplatte für Anodenfluid

6

Abfuhrleitung

7

Endplatten

8

Fluidverteilerplatte für Kathodenfluid

9

Memban-Elektroden-Einheit

Claims

1. Brennstoffzellenstapel (1) mit flüssigem oder teilweise flüssigem Brennstoff, umfassend

- Membran-Elektroden-Einheiten (9),
- Fluidverteilerplatten (5, 8) für die Verteilung von Anoden- und Kathodenfluid an die Membran-Elektroden-Einheiten (9),

dadurch gekennzeichnet, dass zusätzliche Temperierplatten (2) zur Homoge nisierung der Temperaturverteilung im Brennstoffzellenstapel (1) vorhanden sind und diese entweder von dem Anodenfluid oder von dem Kathodenfluid durchströmt sind, wobei das die Temperierplatten (2) durchströmende Fluid darin keinen Kontakt mit einer Membran-Elektroden-Einheit (9) aufweist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das dem Brennstoffzellenstapel (1) zugeführte Kathoden- oder Anodenfluid in einen die Temperierplatten (2) durchströmenden Anteil und einen die Fluidverteilerplatten (5, 8) durchströmenden Anteil aufgeteilt wird.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das dem Brennstoffzellenstapel (1) zugeführte Kathoden- oder Anodenfluid den Fluid verteilerplatten (5, 8) zugeführt wird und dass das Kathoden- oder Anodenfluid nach Durchströmen der Fluidverteilerplatten (5, 8) in einen die Temperierplatten (2) durchströmenden Anteil und einen durch die jeweilige Abfuhrleitung (6) strömenden Anteil aufgeteilt wird.

4. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, dass die Temperierplatten (2) an den beiden Stirnseiten des Brenn stoffzellenstapels (1) angeordnet sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass an den Stirn seiten des Brennstoffzellenstapels (1) 1 bis 5 Temperierplatten (2) nebeneinan der angeordnet sind.

6. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, dass die Temperierplatten (2) innerhalb des Brennstoffzellenstapels (1) angeordnet sind.

7. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, dass an den Stirnseiten des Brennstoffzellenstapels (1), ggf. auf den Temperierplatten (2), elektrische Heizeinrichtungen, z. B. in Form von Matten oder Bänder angeordnet sind.