DE10058930A1 - Kompakte Brennstoffzellenanordnung - Google Patents

Abstract

Es wird eine Brennstoffzellenanordnung mit mindestens einer Brennstoffzelle beschrieben, welche eine von einem Brenngas anströmbare Anode (7) und eine von einem Kathodengas anströmbare Kathode (6) enthält, zwischen denen eine Elektrolytmatrix (2) angeordnet ist, wobei die den Brennstoff bzw. den Oxidant führenden Kanäle (4, 5) wenigstens teilweise durch strukturierte Blechlagen gebildet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Blechlagen eine Blechstärke von 0,02 bis 1,1 mm, vorzugsweise 0,03 bis 0,08 mm, aufweisen. Der Vorteil dieser Brennstoffzellenanordnung ist, daß eine hohe elektrische Leistung erzielt werden kann, wobei ein geringer Platzbedarf der Brennstoffzellenanordnung erforderlich ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzellenanordnung mit mindestens einer Brennstoffzelle, welche eine von einem Brenngas anströmbare Anode und eine von einem Kathodengas anströmbare Kathode enthält, zwischen denen eine Elek­ trolytmatrix angeordnet ist, wobei die den Brennstoff bzw. den Oxidant führenden Kanäle wenigstens teilweise durch strukturierte Blechlagen gebildet sind.

Brennstoffzellen sind elektrochemische Zellen, die chemische Energie in elektri­ sche Energie umwandeln. Sie bestehen im wesentlichen aus drei Komponenten einer Anode, einer Kathode und einer dazwischen liegenden elektrolytischen Schicht. Zum Betrieb einer Brennstoffzelle müssen kontinuierlich von außen den Elektroden Brennstoffe zugeführt werden, die an den Elektroden elektrochemisch umgesetzt werden, wobei die Umsetzung bei verschiedenen Temperaturen, insbe­ sondere im Fall einer kalten Verbrennung bei Temperaturen unter 100°C, stattfin­ den kann.

Brennstoffzellen finden zunehmend in unterschiedlichen Bereichen Anwendung, wo eine Unabhängigkeit vom bestehenden Elektrizitätsnetz gewünscht oder erfor­ derlich ist. Neben dem Gebrauch von Brennstoffzellen im stationären Betrieb wie z. B. in Krankenhäusern, liegt ein großes Potential der Brennstoffzellen bei An­ wendungen in der Verkehrstechnik (z. B. in Automobilen) oder aber auch bei An­ wendungen in portablen Kleinelektrogeräten (z. B. in Laptops).

Gerade bei mobilen Anwendungen spielt die erzielbare elektrische Leistungs­ dichte, d. h. die elektrische Leistung, die bezogen auf das Volumen der Brennstoffzelle von der Brennstoffzelle erzeugt werden kann, eine wesentliche Rolle. Die Bestrebungen sind groß, Brennstoffzellen, die eine ausreichend große Lei­ stung liefern können, möglichst kompakt zu bauen. Hierbei versucht man, Brenn­ stoffzellen teils seriell zum Erreichen einer großen elektrischen Spannung teils parallel zum Erreichen von großen elektrischen Strömen zu verschalten. Durch Bündelung von Brennstoffzellen zu Brennstoffzellenanordnungen wird der not­ wendige Platzbedarf eines solchen Energieerzeugers minimiert. Eine Brennstoff­ zellenanordnung enthält mindestens eine Brennstoffzelle und Brennstoff bzw. den Oxidant und/oder Kühlmittel führende Kanäle, die wenigstens teilweise durch strukturierte Blechlagen gebildet sind.

Ausgehend hiervon ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Brenn­ stoffzellenanordnung anzugeben, die neben einer hohen Leistungsdichte eine hohe Kompaktheit in ihrem Aufbau aufweist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 ge­ löst. Die Unteransprüche zeigen vorteilhafte Weiterbildungen auf.

Erfindungsgemäß wird somit vorgeschlagen, in einer Brennstoffzellenanordnung Blechlagen zu verwenden, die eine Blechstärke von 0,02 bis 1,1 mm, vorzugswei­ se 0,03 bis 0,08 mm, aufweisen. Erfindungswesentlich ist somit die Verwendung von besonders dünnen Blechen, welches eine besonders kompakte Bauweise er­ möglicht. Die Anordnung der Brennstoffzellen kann auf verschiedene Weisen erfolgen, z. B. als sogenanntes Brennstoffzellenstack, wie es in der US 4,175,165 beschrieben wird, oder als Streifenmembran, wie sie in der WO 96/18217 be­ schrieben wird. Durch die Verwendung von Blechen mit geringen Blechstärken können die Brennstoff, den Oxidant bzw. ein Kühlmittel führenden Kanäle beson­ ders flach konzipiert werden. Darüber hinaus wird das Gewicht der Brennstoff­ zellenanordnung reduziert.

Maßnahmen zur Wärmeabfuhr, welche erforderlich werden, wenn die bei der elektrochemischen Reaktion unvermeidbar entstehende Wärme, insbesondere im Falle von Brennstoffzellen mit hoher Leistung, abgeführt werden muß, lassen sich durch kleinere Strukturen besser realisieren. Das Problem der mit zunehmender Verkleinerung der Strukturen zunehmend störenden Freisetzung von Wärme kann durch den Bau von kompakten Kühlstrukturen vermieden werden. Durch die Verwendung von geringeren Blechdicken können kompaktere Kühlstrukturen konstruiert werden, die in der Lage sind, entstehende Wärme effizient abzuführen.

Nach einer Ausgestaltung der Brennstoffzellenanordnung ist die Welligkeit der strukturierten Blechlagen gegeben durch das Verhältnis der Amplitude zur Wel­ lenlänge von 1 : 2. Bei dieser Ausgestaltung sind die durch die Welligkeit entste­ henden Kanäle besonders durchlässig für einen strömenden Brennstoff, Oxidant oder ein strömendes Kühlmittel, da so das Kanalquerschnittsflächen/Kanalquer­ schnittsumfang-Verhältnis maximiert ist.

In einer weiteren Ausgestaltung werden die gewellten oder strukturierten Blechla­ gen wenigstens teilweise aus korrosionsfestem Material, insbesondere aus elek­ trokorrosionsfestem Material, hergestellt. Dieses ist besonders wichtig, um eine Korrosion der Strukturen zu vermeiden.

Vorteilhafterweise werden Blechlagen vorzugsweise einseitig, wenigstens teilwei­ se beschichtet. Insbesondere bei Brennstoffzellenanordnungen mit Streifenmem­ bran sind elektrische Isolationsschichten notwendig. Durch die Beschichtung der Bleche entfällt das zusätzliche Einbringen einer Isolationsschicht, beispielsweise in Form einer Folie.

Nach einer weiteren Ausgestaltung besteht die Isolationsschicht aus oxidischem Material. Solche Isolationsschichten sind besonders einfach und preisgünstig her­ stellbar.

Nach einer noch weiteren Ausgestaltung besteht die Isolationsschicht aus einem Washcoat.

Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorzüge der Erfindung ergeben sich anhand der folgenden Zeichnungen.

Hierbei zeigen schematisch in perspektivischer Ansicht:

Fig. 1 eine Brennstoffzelle;

Fig. 2 einen Brennstoffzellenstapel;

Fig. 3 eine Brennstoffzelle mit einer Streifenmembran;

Fig. 4 eine Brennstoffzellenanordnung mit Streifenmembran.

Fig. 1 zeigt eine Brennstoffzelle mit einer oberen Deckplatte 1, einem Elektroly­ ten 2 und einer unteren Deckplatte 3. Die obere Deckplatte 1 dient als Anode und die untere Deckplatte 3 als Kathode. Der Brennstoff wird in einem kathodenseiti­ gen Kanal 5 der Kathode zugeführt, die hier als untere Deckplatte 3 ausgebildet ist. Das Oxidationsmittel wird in einem anodenseitigen Kanal 4 der Anode zuge­ führt, die hier als obere Deckplatte 1 dargestellt ist. Alternativ können die obere bzw. untere Deckplatte 1, 3 aus elektrisch nicht leitendem Material gefertigt sein und der anodenseitige bzw. kathodenseitige Kanal 4, 5 als Anode bzw. Kathode fungieren. Die anoden- bzw. kathodenseitigen Kanäle 4, 5 sind aus strukturierten Blechlagen gebildet, wobei die Blechlagen eine Blechstärke von 0,02 bis 1,1 mm, vorzugsweise 0,03 bis 0,08 mm, aufweisen. Vorzugsweise weisen die Blechlagen eine Welligkeit auf, so daß in den durch die Welligkeit entstehenden Hohlräumen Kanäle entstehen, entlang derer der Brennstoff bzw. das Oxidationsmittel geleitet werden kann. Vorteilhaft ist eine Welligkeit, bei der das Verhältnis aus Amplitu­ de A zu der Wellenlänge L durch A/L = 1 : 2 gegeben ist. Durch ein solches Verhältnis werden die Strömungseigenschaften eines Fluids durch die Kanäle positiv beeinflußt. Geeigneterweise weisen die Blechlagen zusätzlich Öffnungen auf, so daß der Brennstoff bzw. das Oxidationsmittel von der einen Seite der Blechlage zur anderen gelangen kann. Es ist von Vorteil, wenn die Welligkeit des anoden­ seitigen Kanals 4 senkrecht zur Welligkeit des kathodenseitigen Kanals 5 steht, da dann ein Anschließen der Kanäle an Brennstoff bzw. Oxidationsmittel führende Zuleitung besonders einfach ist. Die gewellten oder strukturierten Blechlagen be­ stehen vorzugsweise aus (elektro-)korrosionsfestem Material, damit eine Korro­ sion der Blechlagen vermieden wird.

Fig. 2 zeigt eine Brennstoffzellenanordnung, die durch Überlagerung von einzel­ nen Brennstoffzellen nach Fig. 1 zusammengesetzt werden kann. Durch Überlage­ rung zahlreicher Brennstoffzellen wird eine hohe Leistung bei geringem Volumen erzeugt. Hierbei zeigen sich die Vorteile der Verwendung von strukturierten Blechlagen, die eine geringe Blechstärke aufweisen, da somit die Oberfläche der Anode bzw. Kathode deutlich erhöht werden kann, ohne zusätzlich Raum zu be­ nötigen. Das Problem der bei der elektrochemischen Reaktion entstehenden Wär­ me kann ebenso durch geeignet konstruierte Kühlkanäle aus gewellten und/oder strukturierten Blechlagen gelöst werden, die von einer Kühlflüssigkeit wie z. B. Wasser durchströmt werden. Eine Bipolarplatte 10 stellt den elektrischen bzw. mechanischen Kontakt der Anode bzw. der Kathode zweier angrenzender Brenn­ stoffzellen her.

Fig. 3 zeigt eine Brennstoffzelle mit einer Streifenmembran, die sich dadurch aus­ zeichnet, daß eine Vielfalt von Brennstoffzellen in einer Ebene in Reihe geschaltet werden, so daß sich die einzelnen Spannungen der jeweiligen Brennstoffzellen aufsummieren und sich eine besonders hohe Gesamtspannung ergibt. Abgegriffen wird die Spannung zwischen der Anode 6 an der linken Seite der Streifenmem­ bran 12 und der Kathode 7 an der rechten Seite der Streifenmembran 12. Wichtig hierbei ist, daß die Kanäle 5, 4 elektrisch isolierend sind und wenigstens teilweise mit einer elektrischen Isolationsschicht versehen sind.

Fig. 4 zeigt eine Anordnung von Brennstoffzellen mit einer Streifenmembran nach Fig. 3, wobei die Streifenmembran 12 nach Fig. 3 alternierend um 180° ge­ dreht auf dem Kopf stehend aufeinander geschichtet werden und entsprechend elektrisch verschaltet werden. Hierdurch wird eine Bipolarplatte 10, wie sie in Fig. 2 gezeigt ist, vermieden und es ist nur eine strukturierte Blechlage zwischen zwei angrenzenden Streifenmembranen 12 notwendig. In dieser Anordnung wird die Spannung zwischen der Kathode 6 an der linken Seite der untersten Streifen­ membran 12 und der Anode 7 an der rechten Seite der obersten Streifenmembran abgegriffen werden. Die Isolationsschicht der Blechlagen besteht vorteilhafter­ weise aus oxidischem Material. Geeigneterweise wird hierzu ein Washcoat ver­ wendet.

Es wird eine Brennstoffzellenanordnung mit mindestens einer Brennstoffzelle beschrieben, welche eine von einem Brenngas anströmbare Anode und eine von einem Kathodengas anströmbare Kathode enthält, zwischen denen eine Elektro­ lytmatrix angeordnet ist, wobei die den Brennstoff bzw. den Oxidant führenden Kanäle wenigstens teilweise durch strukturierte Blechlagen gebildet sind, wobei die Blechlagen eine Blechstärke von 0,02 bis 1,1 mm, vorzugsweise 0,03 bis 0,08 mm, aufweisen. Der Vorteil dieser Anordnung ist, daß ein besonders kom­ pakter Aufbau erzielt werden kann, der hohe elektrische Leistungen bei geringem Platzbedarf erzeugen kann.

Bezugszeichenliste

1

obere Deckplatte

2

Elektrolytmatrix

3

untere Deckplatte

4

anodenseitiger Kanal

5

kathodenseitiger Kanal

6

Kathode

7

Anode

8

Brennstoffzelle

10

Bipolarplatte

13

Streifenmembran
L Wellenlänge
A Amplitude

Claims (6)

1. Brennstoffzellenanordnung mit mindestens einer Brennstoffzelle, welche eine von einem Brenngas anströmbare Anode (7) und eine von einem Ka­ thodengas anströmbare Kathode (6) enthält, zwischen denen eine Elektro­ lytmatrix (2) angeordnet ist, wobei Kanäle (4, 5) aus wenigstens teilweise durch strukturierte Blechlagen gebildet sind, die den Brennstoff, den Oxi­ dant bzw. das Kühlmittel führen, dadurch gekennzeichnet, daß die Blechla­ gen eine Blechstärke von 0,02 bis 1,1 mm, vorzugsweise 0.03 bis 0.08 mm, aufweisen.

2. Brennstroffzellenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Amplituden-Wellenlängenverhältnis (A/L) der Welligkeit der Blechla­ gen im wesentlichen 1 : 2 beträgt.

3. Brennstroffzellenanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß die gewellten oder strukturierten Blechlagen wenigstens teilweise aus (elektro-)1korrosionsfestem Material gebildet sind.

4. Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 1, 2 oder 3, insbesondere für Brennstoffzellenanordnungen mit Streifenmembranen, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Blechlagen mit einer vorzugsweise einseitigen, wenigstens teilweisen Beschichtung, insbesondere einer elektrischen Isolationsschicht, versehen sind.

5. Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolationsschicht aus oxidischem Material gebildet sind.

6. Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolationsschicht ein Washcoat ist.