DE10113001A1 - Brennstoffzelle mit optimierter Reaktandenverteilung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle mit optimierter Reaktandenverteilung, umfassend zumindest eine Einzelzelle, an deren zumindest einer Seite ein Interkonnektor (= Bipolar-Platte) angeordnet ist. DOLLAR A Zur mechanischen Verstärkung der Brennstoffzelle sowie zur Vermeidung von Beschädigungen aufgrund thermischer Effekte, wird vorgeschlagen, den zumindest einen Interkonnektor einzelzellenseitig mit noppenförmigen Erhebungen auszugestalten.

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Brennstoffzellen sind bekanntermaßen elektrochemische Energiewandler, die che­ mische Energie direkt in elektrischen Strom umwandeln. Dazu werden der Brenn­ stoffzelle kontinuierlich Brennstoff auf einer Anodenseite und Sauerstoff bzw. Luft auf einer Kathodenseite zugeführt. Das Grundprinzip wird durch die räumliche Tren­ nung der Reaktionspartner mittels einen Elektrolyten verwirklicht, welcher zwar für Ionen bzw. Protonen leitfähig ist, nicht aber für Elektronen. Dabei wird eine chemi­ sche Reaktion so kontrolliert, dass der dabei stattfindende Elektronenaustausch zwischen Oxidations- und Reduktionsmitteln nicht lokal, sondern über einen äuße­ ren Stromkreis abläuft, während das Ion bzw. Proton den Elektrolyten direkt passie­ ren kann. Demgemäss ist die Brennstoffzelle Teil eines Stromkreises.

Eine Brennstoffzelle besteht in der Regel aus mehreren parallel und/oder seriell verschalteten Einzelzellen, die jeweils eine Elektrolyt-Elektroden-Einheit umfassen. Mittels elektrisch leitfähiger Endplatten (Interkonnektoren oder auch bipolare Plat­ ten) werden diese verbunden und zu einem sogenannten Stack zusammengefasst.

Es sind verschiedene Brennstoffzellentpyen, insbesondere Niedertemperatur- Brennstoffzellen (Temperaturen bis 120°C), Mitteltemperatur-Brennstoffzellen (Temperaturen 80°C-220°C) und Hochtemperatur-Brennstoffzellen (Temperaturen bis 1000°C) bekannt. Vertreter der Hochtemperatur-Brennstoffzellen sind beispiels­ weise die sog. MCFC und SOFC-Brennstoffzellentypen.

Wie bereits aus der beiliegenden Figur, anhand der später die Erfindung beschrie­ ben wird, hervorgeht, wird bei einer bekannten Hochtemperatur-Brennstoffzelle der Brennstoff auf einer Seite über die Einzelzelleneinheit aus Elektrolyt/Elektroden ge­ leitet. Senkrecht dazu wird beispielsweise bei der SOFC-Brennstoffzelle Luft auf der anderen Seite über die Plattenanordnung geführt.

Dadurch, dass über den gesamten Strömungsweg über die Brennstoffzelle hinweg der Brennstoff bzw. die Luft kontinuierlich "verbraucht" wird, nimmt die jeweilige Konzentration über den Plattenbereich hinweg ab. Dies führt jedoch dazu, dass, insbesondere bei Hochtemperatur-Brennstoffzellen, infolge unterschiedlicher flä­ chenbezogener Reaktionsraten ein erhebliches Temperaturgefälle am Plattensys­ tem anliegen kann.

So wäre ohne besondere Maßnahme die Temperatur in einem Eckbereich, in dem sowohl Luft als auch Brennstoff einströmen, am höchsten, da dort die Reaktionsge­ schwindigkeit und die jeweiligen Konzentrationen am höchsten sind. Die niedrigste Temperatur würde in einem Eckbereich vorliegen, in dem sowohl die verbleibende Luft als auch der verbleibende Brennstoff ausströmen, da dort sowohl die Sauer­ stoffkonzentration wie auch die Brennstoffkonzentration am geringsten sind. Der starke diagonale Temperaturabfall kann dazu führen, dass die Einzelzelle, also die Elektrolyt-Elektroden-Einheit, beschädigt wird. Insbesondere keramische Materialien werden durch thermomechanische Spannungen zerstört, welche aus Temperatur­ gradienten resultieren.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, Maßnahmen zu treffen, die eine solche Beschädigung der Brennstoffzelle möglichst verhindern.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.

In erfindungsgemäßer Weise werden auf einem Interkonnektor - auch Bipolarplatte genannt -, die beispielsweise zwei Einzelzellen voneinander trennen, einzelzellen­ seitig noppenförmige Erhebungen vorgesehen. Diese noppenförmigen Erhebungen sollen dazu beitragen, dass die Strömung der Reaktanden verändert wird, um so beispielsweise die Konzentration und/oder die Partialdrücke der verschiedenen Be­ triebsmittel über die Plattenausdehnung hinweg konstant zu halten. Je nach Ausfüh­ rungsform ist es möglich, die Anordnung der Noppen auf der Bipolarplatte bezüglich ihrer Flächendichte zu verändern, die Form der Noppen in einer Weise zu wählen, dass eine besondere Durchströmung erreicht wird und zwar sowohl im Hinblick auf die Richtung als auch die Geschwindigkeit der Strömung. Vorzugsweise können die noppenförmigen Erhebungen in die jeweilige Platte eingeprägt sein. Sie können jedoch auch anderweitig aufgebracht werden. In jedem Fall tragen die noppenförmi­ gen Erhebungen auch zur Stabilisierung des Interkonnektors oder der Bipolarplatte bei. Eine besonders bevorzugte Ausführungsform ergibt sich, wenn die Noppen derart ausgeformt sind, dass die Betriebsmittelströme in Richtung des Bereiches mit der ansonsten geringsten Leistungsdichte gerichtet werden. Insbesondere können die noppenförmigen Erhebungen rund, quadratisch, rechteckig, oval oder tragflügel­ förmig ausgebildet werden. Dies führt dazu, dass noch besondere strömungstechni­ sche Effekte auftreten und beispielsweise aufgrund der Tragflügelstruktur eine Be­ schleunigung der Strömungsgeschwindigkeit in bestimmten Plattenbereichen er­ reicht wird. Andererseits können die Erhebungen bezüglich ihrer Ausformung in Hö­ henrichtung unterschiedlich gewählt werden. Bei all den vorgenannten Maßnahmen sollte berücksichtigt werden, dass im wesentlichen ein konstanten Partialdruck bei den verschiedenen Reaktanden über die Ausdehnung der Bipolarplatte hinweg er­ reicht wird. Dies ist insbesondere - wie vorgenannt bereits erwähnt - bei Hochtem­ peratur-Brennstoffzellen von ausschlaggebender Bedeutung.

Insgesamt lässt sich mit der vorliegenden Erfindung nebenbei die mechanische Stabilität des Interkonnektors oder der Bipolarplatte erhöhen und damit die Stabilität der Brennstoffzelle steigern. Ferner können gegenüber dem heutigen Zustand die verschiedenen Betriebsmittelströme reduziert werden, wodurch sich der Systemwir­ kungsgrad erheblich steigern lässt. Überdies kann die Funktionssicherheit der Brennstoffzelle stärker gewährleistet werden und es ist eine leistungsoptimiertere Ver- und Entsorgung der Elektrolyt-Elektroden-Einheit möglich.

Nicht zuletzt lassen die Noppen auch die Bildung leistungssteigernder Gaspolster zwischen Noppenoberfläche und jeweiliger Elektrode zu, was ebenfalls der Leis­ tungsoptimierung dient.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer einzigen Zeichnung näher erläutert.

Die Zeichnung zeigt eine schematische Draufsicht auf eine Bipolarplatte, die norma­ lerweise an einer Brennstoffzellen-Einzelzelle oder zwischen zwei Brennstoffzellen- Einzelzellen angeordnet ist. In der Figur ist die Bipolarplatte mit der Bezugsziffer 10 gekennzeichnet. Auf der gezeigten Seite der Bipolarplatte wird der Brennstoff für eine Einzelzelle, hier H₂, CO, N₂ eingeleitet. Auf der anderen, hinteren Seite der Bipolarplatte 10 wird vorliegend Luft senkrecht zur Einströmungsrichtung des Brenngases eingeleitet. Die Luft dient für die unter der Bipolarplatte liegenden Ka­ thode der nächsten Kathoden-Elektrolyt-Anoden-Einheit als weiteres Betriebsmittel.

Auf der gezeigten Seite der Bipolarplatte 10 sind tragflügelförmige Noppen 14 ver­ teilt über die Bipolarplatte 10 angeordnet. Die Noppen 14 bewirken, dass das Be­ triebsmittel, hier das Brenngas, in Richtung der linken unteren Ecke, bezeichnet mit der Bezugsziffer 12, umgelenkt wird. Dies führt dazu, dass im wesentlichen ein kon­ stanter Partialdruck über die Bipolarplatte ausgebildet wird. Überdies kann man - wie vorliegend aus der Darstellung nicht ersichtlich sein kann - die Höhe der Nop­ pen über die Platte hinweg variieren, so dass sich verschiedene leistungssteigernde Gaspolster ausbilden lassen. Die noppenförmigen Erhebungen 14 sind vorliegend durch Einprägung entstanden. Natürlich können die Noppen auch anders auf die Bipolarplatte 14 aufgebracht werden. Aufgrund der Tragflügelform lässt sich durch Strömungseffekte ebenfalls eine Optimierung der Reaktandenverteilung bei gleich­ zeitiger Minimierung von Totwassergebieten stromab der Noppen erreichen. Da­ durch kann insgesamt bei Hochtemperatur-Brennstoffzellen ein gleichmäßigerer Reaktionsablauf über die Brennstoffzelle erreicht werden, so dass über die Einzel­ zellen hinweg gleiche Temperaturniveaus vorliegen. Damit lassen sich Beschädi­ gungen, beispielsweise Abplatzen bei keramischen Brennstoffzellenelementen, vermeiden. Überdies wird automatisch durch die Noppenausbildung die Steifigkeit der Bipolarplatte erhöht und der Wirkungsgrad gesteigert, da prinzipiell niedrigere Strömungen bei den gasförmigen Reaktanden gewählt werden können.

Claims (8)

1. Brennstoffzelle mit optimierter Reaktandenverteilung umfassend zumindest eine Einzelzelle, an deren zumindest einer Seite ein Interkonnektor (= Bipo­ lar-Platte) (10) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Interkonnektor (10) einzelzellenseitig noppenförmi­ ge Erhebungen (14) aufweist.

2. Brennstoffzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Einzelzellen vorgesehen sind, zwischen denen jeweils ein Interkonnektor (10) angeordnet ist, und dass die noppenförmigen Erhebun­ gen jeweils zu beiden Seiten des Interkonnektors angeordnet sind.

3. Brennstoffzelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die noppenförmigen Erhebungen (14) in den Interkonnektor oder die Bipolar-Platte eingeprägt sind.

4. Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die noppenförmigen Erhebungen strömungstechnisch ausgeformt sind.

5. Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die noppenförmigen Erhebungen (14) derart geformt sind, dass eine Strömung eines gasförmigen Reaktanden in Richtung eines Bereiches ge­ ringerer Leistungsdichte der Einzelzelle erreicht ist.

6. Brennstoffzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die noppenförmigen Erhebungen (14) bezüglich ihres zur Ebene des In­ terkonnektors (10) parallelen Schnittes im wesentlichen tragflügelförmig der­ art ausgebildet sind, dass eine Strömungsbeschleunigung in Richtung eines Bereiches mit geringerer Leistung der Einzelzelle erreicht ist.

7. Brennstoffzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Profilausgestaltung, die Verteilung der noppenförmigen Erhebungen (14) über den Interkonnektor und/oder die Höhe der Erhebungen derart ge­ wählt ist, dass sich ein im wesentlicher konstanter Partialdruck über die Aus­ dehnung des Interkonnektors (10) erreichen lässt.

8. Brennstoffzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Brennstoffzelle um eine SOFC-Brennstoffzelle handelt.