DE102004039117A1 - Polymer electrolyte membrane fuel cell for recovering electrical energy from liquid fuels comprises an anode, a cathode, a polymer membrane, a gas diffusion medium and a bipolar plate formed as conical structures - Google Patents

Polymer electrolyte membrane fuel cell for recovering electrical energy from liquid fuels comprises an anode, a cathode, a polymer membrane, a gas diffusion medium and a bipolar plate formed as conical structures Download PDF

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Abstract

Polymer electrolyte membrane fuel cell comprises an anode (14), a cathode (15), a polymer membrane (16), a gas diffusion medium (17) and a bipolar plate (18) formed as conical structures. The base surfaces of the conical structures represent a symmetrical or random n-corner where n = 3-n. An independent claim is also included for a process for recovering electrical energy using the above cell.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft im allgemeinen Brennstoffzellen, und insbesondere die geometrische Form der einzelnen Bauteile sowie von den daraus zusammengebauten Brennstoffzellenstapeln.The The present invention relates generally to fuel cells, and in particular the geometric shape of the individual components as well from the fuel cell stacks assembled therefrom.

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.was standing the technology of polymer membrane fuel cells as well as some High temperature fuel cells is the planar design of the individual Components. These planar components become cuboid (im Case of rectangular planar geometries of the components) or to cylindrical (round planar components) Fuel cell stacks assembled. The supplied Gases or liquids must have channels in so-called "flow fields", which are mostly in the Bipolar plates are incorporated, are brought to the electrode surface. Due to the planar design, these channels wind mostly serpentine over the plate surface. This hydrodynamically unfavorable Design leads to that the Reactants and products only under high pressure through the channels of bipolar Plate can be pressed. This requires complex additional units like heavy pumps or high speed air or oxygen compressors. These units reduce due to their usually high electrical Energy demand the overall efficiency of a fuel cell system and develop moreover unnecessary a lot of noise.

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.Of Other have conventional PEM fuel cell stacks consuming, planar cooling plates that of cooling media flows through Need to become, around the considerable amounts of heat incurred in the electrochemical reaction, dissipate too can. Due to the planar geometry of these cooling plates, as well as the most very small cross sections of the cooling channels, occur big here too Pressure losses during flushing with cooling medium on. This makes the installation of powerful pumps and accessories, too for the Cooling circuit necessary.

Stand der Technik sind weiters Bipolarplatten die derart veppresst 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.was standing The technology is also Bipolarplatten pressed so are that on their front the reactants are flowing and on their backs the cooling medium. Again, due to the planar geometry high pressure losses while flushing with cooling medium which compensates by correspondingly powerful pumping units Need to become.

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.The The present invention describes the shape of a fuel cell which are flowed through with low pressure loss of reactants and products can, and because of their special geometry easy to cool, or easy to heat. The simple heating improves the cold start behavior such cells, especially when they are direct methanol fuel cells operate.

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.The form of the cell described here is basically described in the embodiment of a polymer membrane fuel cell which is operated with hydrogen or methanol as the fuel and air or oxygen as the oxidant. However, the design of the invention is not limited to this type of fuel cell, but is in principle also applicable to other types such as SOFCs, MCFCs or alkaline cells. Similarly, the cell is not only to operate with gaseous (H 2 , NH 3 , O 2 ) but also with liquid reactants such as lower alcohols or hydrazine.

Beschreibung:Description:

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, Zuckerlösunger 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 flüssigen Elektrolyt bestehen. Das Gasdiffusionsmedium kann aus einem Kohlenstoffpapier, -filz oder Kohlefasergewebe bestehen. Die einzelnen Brennstoffzelleneinheiten können entweder parallel oder in Serie geschalten werden.The Fuel cell design according to the invention is preferably used as PEM (polymer electrolyte membrane) fuel cell executed. A PEM fuel cell usually consists of anode, cathode, Polymer membrane, bipolar plate and gas diffusion medium The anode is with supported or unsupported Catalysts coat the electrooxidation of the fuel e.g. of organic or inorganic compounds (alcohols, sugar Lösunger Ammonia, hydrazine) but especially of hydrogen. The cathode is coated with catalysts that reduce the Oxidizing agent (oxygen, ozone, halogens) guaranteed. The acidic or alkaline electrolyte can be made from an ion-conducting polymer, an ionic conductive Solid electrolyte or a liquid electrolyte bound in a matrix consist. The gas diffusion medium can be made of a carbon paper, felt or carbon fiber fabric. The individual fuel cell units can be switched in parallel or in series.

Die Form von Anode (14) Kathode (15) Polymermembran (16) Gasdiffusionsmedium (17) und Bipolarplatte (18) ist erfindungsgemäß wie in 1 und 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).The shape of anode ( 14 ) Cathode ( 15 ) Polymer membrane ( 16 ) Gas diffusion medium ( 17 ) and bipolar plate ( 18 ) is according to the invention as in 1 and 2 shown executed conical, wherein the bases of the cone represent a symmetrical or any n-corner - from n = 3 to n against infinity (claim 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).The shape of the bases of the cone and the angle of inclination of the lateral surfaces decisively determine the flow of the reactants and products in the cell. By a suitable choice of the geometry can be achieved in each case an optimum performance under given operating conditions by minimizing the flow losses. Thus, the bases of the cone-shaped components, the shape of any sectional figure of a have symmetrical or arbitrary n-corner and a circle or any ellipsoid (claim 2).

Die Grundflächen der konusförmigen Bauteile können auch nur die Form eines Kreises oder beliebigen Ellipsoids darstellen (Anspruch 5).The base areas the cone-shaped Components can represent only the shape of a circle or any ellipsoid (Claim 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).By bulge the lateral surface outward or inside, the reaction surface becomes even compared to straight Flanks enlarged. at Using a symmetrical hemisphere shape is the best achievable Result in terms of the volume used to given reaction surface given (Claim 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 3 dargestellt. Zur besseren Übersicht wurde dabei nur die Bipolarplatte als das markanteste Bauteil der Zelle dargestellt (Anspruch 4).By combining the directions of curvature of the lateral surfaces of the conical components both inwards and outwards, both the volume-to-cell ratio of the cell to the active reaction surface of the cell and the flow behavior of the reactants and products can be optimized. This construction was used as an example in 3 shown. For clarity, only the bipolar plate was shown as the most prominent component of the cell (claim 4).

Wie in 1 und 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).As in 1 and 2 shown, the structure of a fuel cell stack is carried out by the juxtaposition of the individual fuel cells in a hollow cylinder ( 24 ). The individual components are pressed together by a compressive force which takes place either by screwing the components to the hollow cylinder or by alternative pressure forces. The supply and discharge of the reactants and products can be done via this cylinder. The cylinder further contributes to the task of passing the reactants and products via recesses on its inner wall from one cell to the next (claim 6).

Die Zuleitungs- und Ableitungskanäle führen wie in 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).The supply and discharge channels lead as in 1 ( 25 ) through the bipolar plates. The shape of these channels can be arbitrary, but their arrangement is in an aerodynamically optimal angle. The supply of the reactants can be done from the outside or from the inside by the bipolar plates (claim 7).

Die Ableitung der Reaktanden kann ebenso von außen oder innen durch die Bipolarplatten erfolgen (Anspruch 8).The Derivative of the reactants may also be from outside or inside through the bipolar plates take place (claim 8).

Wie in 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).As in 1 represented meet the seals ( 27 . 28 ) On the one hand the purpose of separating oxidizing agent and reducing agent from each other and on the other hand, they ensure electrical isolation between the oppositely charged bipolar plates (claim 9).

Bei der in 1 dargestellten Anordnung kann durch die zentrale Ausnehmung eine Kühl- oder Heizleitung geführt werden (29) (Anspruch 10).At the in 1 arrangement shown can be performed by the central recess a cooling or heating cable ( 29 ) (Claim 10).

Das Kühl oder Heizmedium kann in einer zusätzlichen Leitung (z.B. gut wärmeleitender Schlauch) oder direkt durch die zentrale Ausnehmung geleitet werden. Das Kühlmedium kann flüssig oder gasförmig sein (Anspruch 11).The Cool or Heating medium can in an additional Line (e.g., good heat conducting hose) or passed directly through the central recess. The cooling medium can be liquid or gaseous be (claim 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).The Flow direction of the reactants and products can in principle arbitrary chosen but in most cases it is energetically more favorable when reactants and products are in direct current from top to bottom (in the direction of gravitational force) flow (claim 12).

Die einzelnen Brennstoffzellenelemente werden durch eine Druckkraft so zusammengespannt, daß sie gasdicht gegeneinander abschließen und einen Stack formen wie er in 1 und 2 dargestellt ist. Dabei pressen die Bipolarplatten (18) die Polyrnermembran (16) zusammen (Anspruch 13).The individual fuel cell elements are clamped together by a compressive force so that they seal gas-tight against each other and form a stack as in 1 and 2 is shown. The bipolar plates ( 18 ) the polymer membrane ( 16 ) together (claim 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).In the case of cell geometries which have circular base surfaces, the pressure force can be achieved by screwing the bipolar plates ( 18 ) with a corresponding external thread with the hollow cylinder having the corresponding mating thread, carried out (claim 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).at usual Fuel cells, according to the prior art, must be due to the planar Arrangement a lot of energy for it be spent, the flow of reactants and products. In the described Cell geometries can be the transport and removal of liquid reactants and products by gravity alone or assisted with additional external pressure. Of the Supply and removal of reactants and products, in particular of liquid Reactants and products can be driven by gravity alone done by or in addition accelerated applied pressure by means of pumps or compressors be (claim 15).

Die erfindungsgemäße Bauform von Polymermembranbrennstoffzellen weisen folgende entscheidende Vorteile auf:

  • • weniger Druckverluste durch effizientere Strömungsführung von Reaktanden und Produkten → Verminderung der benötigten Leistung bei Nebenaggregate wie Pumpen und Kompressoren 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 unproblematisch
  • • 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 getrieben zu- und abrinnen
The inventive design of polymer membrane fuel cells have the following decisive advantages:
  • • Less pressure loss through more efficient flow control of reactants and products → Reduction of the required power for ancillary equipment such as pumps and compressors or their complete savings → Reduction of the noise level by smaller sized ancillaries
  • • easy and quick cooling of the fuel cell stack via the central axis
  • • Saving of cooling plates
  • • Smaller ancillary units for the cooling circuit
  • • easy and fast heating via the central axis of the fuel cell stack → improved cold start behavior
  • • easy sealing of the stack possible → circular seals → closed cylinder design
  • • Operation under increased pressure due to the closed cylinder construction without problems
  • • High flexibility in the installation of BZ stacks in other systems (eg body), as the stacks can be laid in the form of tubes, and can be integrated so easily and space-saving in complex systems
  • • Due to their shape, the components used are given a higher basic stiffness than planar components → advantages during operation and assembly of the stacks
  • • In the case of liquid reactants and products, these can only move up and down driven by gravity

Figurenübersicht:LIST OF FIGURES:

1 Ausführungsbeispiel eines Brennstoffzellenstapels in bipolarer Bauweise, mit eingezeichneten Reaktandenverläufen und Kühlungsverläufen nach dieser Erfindung. 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 einem druckfesten Hohlzylinder umschlossen (24). Als spezielle Ausführungsform können die Bipolarplatten mit dem Hohlzylinder verschraubt sein. 1 Embodiment of a fuel cell stack in bipolar design, with marked Reaktandenverläufen and cooling progressions of this invention. The stack consists of stacked superimposed units consisting of conical anode ( 14 ), Cathode ( 15 ), Polymer membrane ( 16 ), Gas diffusion medium ( 17 ) and bipolar plate ( 18 ). The conclusion is formed in each case by cone-shaped end plates via which the supply and discharge of the electric current takes place ( 19 ). The stack is enclosed by a pressure-resistant hollow cylinder ( 24 ). As a specific embodiment, the bipolar plates may be screwed to the hollow cylinder.

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 Bohrung in der oberen Endplatte (34). Über Bohrungen durch die Bipolarplatten und den umschließenden 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 Hohlzylinders ist nur durch Pfeile angedeutet. Der Fluss kann entweder in Kanälen eines weiteren umschließenden Zylinders erfolgen oder in Rohrleitungen, Schläuchen oder ähnlichem.The fuel cell stack is in the central axis via the inner small hollow shaft ( 30 ) by means of two nuts ( 31 ) clamped together. The outer small sleeve ( 32 ) serves to seal between the segments and via suitable holes and grooves for the passage of the oxidant. The inlet of the fuel is via a hole in the upper end plate ( 34 ). About holes through the bipolar plates and the enclosing hollow cylinder ( 25 ), the supply and discharge of the fuel into and out of the individual cell segments. Through a hole in the lower end plate ( 26a ), the exit of the fuel takes place. The flow direction of the fuel outside the hollow cylinder is indicated only by arrows. The flow can be either in channels of another enclosing cylinder or in pipes, hoses or the like.

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).The inlet of the oxidizing agent via holes through the upper end plate ( 33 ). Subsequently, the oxidant flows through one or more holes through the outer small sleeve ( 32 ) further along a groove on the outside of the inner small hollow shaft ( 30 ) downward. In an annular groove, the oxidizing agent collects and passes through holes through the outer sleeve and through the bipolar plate in the first cell segment. The flow of oxidant through the individual cell segments follows the arrows. The derivation of the oxidizing agent and the products is carried out through holes in the lower end plate ( 26b ).

Die Bipolarplatten sind durch Dichtungen unterschiedlicher Größe (27, 28) voneinander getrennt.The bipolar plates are covered by gaskets of different sizes ( 27 . 28 ) separated from each other.

Die Flussrichtung des Kühl- oder Heizmediums ist mittels zweier Pfeile entlang der Mittelachse angedeutet (29).The flow direction of the cooling or heating medium is indicated by means of two arrows along the central axis ( 29 ).

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. 2 Sectional view through a stack as used in the invention. The diagram shows the basic structure of the stack, however, still without the periphery of the inlets and outlets, end plates and center piece. with a detail view- Detail A. Detail A shows membrane, anode, cathode and gas diffusion layers as compressed by two bipolar plates.

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) gebildet werden, und deren Mantelflächen nach außen und nach innen gewölbt sind. 3 Representation of a conical bipolar plate as used in the invention, in elevation and side elevation, the base surfaces of a symmetrical 8-corner (n = 8) are formed, and whose lateral surfaces are curved outwards and inwards.

Claims (14)

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.A PEM (polymer electrolyte membrane) fuel cell consisting of anode, cathode, polymer membrane, bipolar plate and gas diffusion medium, characterized in that the shape of anode ( 14 ) Cathode ( 15 ) Polymer membrane ( 16 ) Gas diffusion medium ( 17 ) and bipolar plate ( 18 ) are executed cone-shaped, wherein the bases of the cone represent a symmetrical or any n-corner from n = 3 to n against infinity. Eine PEM Brennstoffzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Grundflächen des Konus eine beliebige Schnittfigur aus einem symmetrischen oder beliebigen n-Eck und eines Kreises oder beliebigen Ellipsoids darstellt.A PEM fuel cell according to claim 1, characterized characterized in that base areas the cone of any sectional shape of a symmetrical or represents any n-corner and a circle or any ellipsoid. 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.A PEM fuel cell according to claim 1 or 2, characterized in that the Form of anode, cathode, polymer membrane, gas diffusion medium and Bipolar plate either concavely arched outward, or convex inward domed is. 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.A PEM fuel cell according to claim 1 or 2, characterized in that the Form of anode, cathode, polymer membrane, gas diffusion medium and Bipolar plate is both curved inward and curved outward. 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 Ellipsoid darstellen.A PEM fuel cell according to claim 2, 3, 4 characterized characterized in that Form of anode, cathode, polymer membrane, gas diffusion medium and Bipolar plate cone-shaped accomplished are, with the base areas of the cone represent a circle or any ellipsoid. Eine PEM Brennstoffzelle nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Aufbau durch einfaches Aufeinanderstapeln der Brennstoffzellenbauteile in einem zylindrischen Behälter (24) erfolgt.A PEM fuel cell according to claim 1 to 5, characterized in that the structure is formed by simply stacking the fuel cell components in a cylindrical container ( 24 ) he follows. Eine PEM Brennstoffzelle nach Anspruch 6 dadurch gekennzeichnet, daß die Zuführung der Reaktanden von außen oder innen durch die Bipolarplatten (25) erfolgt.A PEM fuel cell according to claim 6, characterized in that the supply of the reactants from outside or inside by the bipolar plates ( 25 ) he follows. Eine PEM Brennstoffzelle nach Anspruch 6 dadurch gekennzeichnet, daß die Abführung der Reaktanden und Reaktionsprodukte nach außen oder innen durch die Bipolarplatten erfolgt (26).A PEM fuel cell according to claim 6, characterized in that the removal of the reactants and reaction products to the outside or inside by the bipolar plates takes place ( 26 ). Eine PEM Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 6 dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Brennstoffzellen durch nichtleitende Dichtungen (27, 28) getrennt sind.A PEM fuel cell assembly according to claim 6, characterized in that the individual fuel cells by non-conductive seals ( 27 . 28 ) are separated. Eine PEM Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 6 dadurch gekennzeichnet, daß eine zusätzliche Kühlung oder Heizung durch die zentrale zylindrische Ausnehmung des Brennstoffzellenstapels geführt wird (29).A PEM fuel cell assembly according to claim 6, characterized in that an additional cooling or heating through the central cylindrical recess of the fuel cell stack is performed ( 29 ). Eine PEM Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 10 dadurch gekennzeichnet, daß sowohl flüssige als auch gasförmige Medien zur Kühlung oder Heizung eingesetzt werden können.A PEM fuel cell assembly according to claim 10 characterized in that both liquid as also gaseous Media for cooling or Heating can be used. Eine PEM Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 1–11 dadurch gekennzeichnet, daß Oxidationsmittel und Reduktionsmittel im Gleichstrom oder im Gegenstrom durch die Zelle fließen kann.A PEM fuel cell assembly according to claim 1-11 by characterized in that oxidizing agent and reducing agent in cocurrent or countercurrent through the Cell flow can. 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 Hohlzylinder (24) zusammengespannt werden.A PEM fuel cell according to claims 1-12, characterized in that the individual fuel cell units are clamped together via an external pressure force. 14. A PEM fuel cell according to claim 13, characterized in that the individual fuel cell units via a screw connection of the bipolar plates ( 18 ) with the hollow cylinder ( 24 ) are clamped together. Ein Verfahren zur Gewinnung elektrischer Energie unter Verwendung einer Zelle gemäß Anspruch 1–14 aus flüssigen Brennstoffen, insbesondere aus Methanol, Ethanol, wässrigem Ammoniak sowie aus gasförmigen Brennstoffen wie Wasserstoff, Methan oder gasförmigem Ammoniak dadurch gekennzeichnet, daß die Reaktanden und Produkte mit oder ohne zusätzlichen Druck an die Elektrodenoberfläche an- und abtransportiert werden.A method for obtaining electrical energy using a cell according to claim 1-14 off liquid Fuels, in particular from methanol, ethanol, aqueous Ammonia and gaseous Characterized by fuels such as hydrogen, methane or gaseous ammonia, that the Reactants and products with or without additional pressure to the electrode surface and be transported away.
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CN113140748A (en) * 2021-04-20 2021-07-20 大连海事大学 Spiral bucket-shaped fuel cell bipolar plate
CN114023987A (en) * 2021-10-29 2022-02-08 华中科技大学 Air-cooled proton exchange membrane fuel cell unit group based on rotary sleeved conical surface

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