DE102006053684B4 - Brennstoffzelle sowie Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffzelle - Google Patents

Brennstoffzelle sowie Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffzelle Download PDF

Info

Publication number
DE102006053684B4
DE102006053684B4 DE102006053684.3A DE102006053684A DE102006053684B4 DE 102006053684 B4 DE102006053684 B4 DE 102006053684B4 DE 102006053684 A DE102006053684 A DE 102006053684A DE 102006053684 B4 DE102006053684 B4 DE 102006053684B4
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
catalyst layer
flow path
disk stack
fuel cell
fuel
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
DE102006053684.3A
Other languages
English (en)
Other versions
DE102006053684A1 (de
Inventor
Ron Brost
William Schank
James Waldecker
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Ford Motor Co
Original Assignee
Ford Motor Co
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Ford Motor Co filed Critical Ford Motor Co
Publication of DE102006053684A1 publication Critical patent/DE102006053684A1/de
Application granted granted Critical
Publication of DE102006053684B4 publication Critical patent/DE102006053684B4/de
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/002—Shape, form of a fuel cell
    • H01M8/004—Cylindrical, tubular or wound
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/241—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells with solid or matrix-supported electrolytes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/241—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells with solid or matrix-supported electrolytes
    • H01M8/242—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells with solid or matrix-supported electrolytes comprising framed electrodes or intermediary frame-like gaskets
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/2465—Details of groupings of fuel cells
    • H01M8/2483—Details of groupings of fuel cells characterised by internal manifolds
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0271—Sealing or supporting means around electrodes, matrices or membranes
    • H01M8/0273—Sealing or supporting means around electrodes, matrices or membranes with sealing or supporting means in the form of a frame
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/2465—Details of groupings of fuel cells
    • H01M8/247—Arrangements for tightening a stack, for accommodation of a stack in a tank or for assembling different tanks
    • H01M8/2475—Enclosures, casings or containers of fuel cell stacks
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Landscapes

  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

Brennstoffzelle (10) mit:einem Gehäuse (12);einer rotierbar in dem Gehäuse (12) angebrachten Scheibenstapelbaugruppe (14), die mehrere untereinander verbundene elektrochemische Zellen (18) aufweist;einem mit der Scheibenstapelbaugruppe (14) in Wirkverbindung stehenden Motor (15), um die Scheibenstapelbaugruppe (14) in dem Gehäuse (12) zu rotieren;einem in dem Gehäuse (12) befindlichen Brennstoffströmungsweg (17), um einen Brennstoff (36) zu den mehreren elektrochemischen Zellen (18) zu leiten; undeinem in dem Gehäuse (12) befindlichen und von dem Brennstoffströmungsweg (17) physikalisch getrennten Oxidationsmittelströmungsweg (34), um ein Oxidationsmittel (38) zu den mehreren elektrochemischen Zellen (18) zu leiten,wobei der Brennstoffströmungsweg (17) in der Scheibenstapelbaugruppe (14) und der Oxidationsmittelströmungsweg (34) außerhalb der Scheibenstapelbaugruppe (14) verläuft, oderder Oxidationsmittelströmungsweg (34) in der Scheibenstapelbaugruppe (14) und der Brennstoffströmungsweg (17) außerhalb der Scheibenstapelbaugruppe (14) verläuft.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle sowie ein Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffzelle.
  • Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine Drehelektrodenbrennstoffzelle (spinning electrode fuel cell), die rotierende Elektroden aufweist, um bei Aufrechterhaltung einer Trennung zwischen dem Brennstoff und dem Oxidationsmittel in der Brennstoffzelle nachteilige Auswirkungen von Widerstand gegen Gasdiffusion (resistance to gas diffusion) zu verringern.
  • Die Brennstoffzellentechnik hat das Potential, saubere und effiziente Energie für stationäre Anwendungen und für Traktionsanwendungen zu liefern. Ebenso wie jede andere elektrochemische Vorrichtung erfordert eine Brennstoffzelle für ihren Betrieb eine Reihe von Bauteilen, die für die Erfüllung folgender wesentlicher Funktionen sorgen: Verteilung der Reaktanten (Stofftransport), katalytische Reaktivität, lonentrennung und Stromabnahme. Allerdings kommen bei der Umsetzung der Brennstoffzellentechnik in die Praxis Systemkomponenten zum Einsatz, mittels derer zwar die zentralen Funktionen erfüllt werden, die jedoch gleichzeitig aufgrund von konstruktiv bedingten Effizienzmängeln die Polarisation der Zelle (Abfall der Spannung aufgrund von Stromimpedanz) erhöhen, so dass die Effizienz von Brennstoffzellensystemen bis heute deutlich unter ihren theoretisch erreichbaren Höchstwerten bleibt.
  • In jüngerer Zeit konnte die aufgrund der Komponenteneigenschaften entstehende Polarisation durch schrittweise Verbesserungen der Konstruktion von Brennstoffzellen wesentlich verringert werden; so wurden z.B. permeable Membranverfahren entwickelt, durch die dünnere, dabei aber robustere Membranen zur Verfügung stehen, die einen geringeren Widerstand aufweisen. Es wurden Katalysatorlegierungen entwickelt, bei denen die zur Erzielung einer gegebenen Stromdichte erforderliche Belastung verringert wurde, sowie Fertigungsverfahren, bei denen gestanzte Metallplatten verwendet werden, oder es kommen innovative Karbonisierungsverfahren zum Einsatz, um eine effizientere Stromabnahme zu erzielen. Entwicklungen, die eine verbesserte Verteilung der Reaktanten zum Ziel hatten, konzentrierten sich jedoch auf die Ausgestaltung des Flussfeldes (Flow-Field-Design) und auf das Unterdrucksetzen der Gase. Während sich durch diese Verfahren manchmal die Brennstoff-/Oxidationsmittelnutzung verbessern lässt, sind damit als Nachteile eine verringerte Effizienz (aufgrund zunehmenden Strömungswiderstandes) oder eine Komplexitätssteigerung (aufgrund zusätzlicher Komponenten, die zu integrieren sind und die zusätzliches Gewicht und höhere Kosten nach sich ziehen), verbunden.
  • Ein bekanntes Verfahren, das dazu eingesetzt wird, die Auswirkungen von Massentransport in elektrochemischen Systemen zu reduzieren, besteht im Einsatz des sog. „Rotations-“ oder „Drehscheibenverfahrens“ bzw. des „Rotations-“ oder „Drehbandverfahrens“ („spinning disk“ bzw. „spinning band“ technique), bei dem mindestens eine der Elektroden mit hoher Geschwindigkeit in Rotation versetzt wird, derart, dass die Konzentrationsgradienten, die aufgrund des Widerstandes gegen Massentransport (Diffusion) entstehen, dadurch wesentlich verringert werden, dass die Geschwindigkeit, mit der elektroaktive Spezies zur Außenfläche der Diffusionsschicht transportiert werden, hydrodynamisch variiert wird. Normalerweise werden diese Arten von Elektroden typischerweise in Flüssigmedien für kleine Einzelzellen verwendet. Allerdings sind bei Brennstoffzellen, bei denen das Rotationsscheibenverfahren eingesetzt wird, die Elektroden so angeordnet, dass die Trennung zwischen dem Brennstoff und dem Oxidationsmittel normalerweise nicht aufrechterhalten wird.
  • Die DE 100 35 232 A1 offenbart eine rotationssymmetrische Niedertemperaturbrennstoffzelle, bei der der Brennstoffzellenstapel in Rotation versetzt wird, wobei beide Betriebsstoffe - Wasserstoff bzw. wasserstoffhaltiger Brennstoff einerseits bzw. Oxidationsmittel andererseits über außenliegende Kanäle zugeführt werden. Weitere Brennstoffzellen, u.a. mit flüssigen Elektrolyten, sind in der US 2003/0 096 148 A1 , der US 5 830 593 A und der US 6 379 828 B1 beschrieben.
  • Es besteht Bedarf für eine Drehelektrodenbrennstoffzelle, bei der die Elektroden der Brennstoffzelle rotieren, um nachteilige Auswirkungen des Widerstandes gegen Gasdiffusion zu verringern, und bei der die Trennung zwischen dem Brennstoff und dem Oxidationsmittel in der Brennstoffzelle aufrechterhalten bleibt. Durch eine solche Drehelektrodenbrennstoffzelle ließen sich die Vorteile der Drehelektrodenanordnung auf Flüssigkeiten übertragen und die Neigung des Systems zum Auftreten extremer Crossover-Strömen eliminieren, so dass konventionelle Katalysatoren verwendet werden könnten.
  • Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, eine Brennstoffzelle sowie ein Verfahren zu deren Herstellung zu schaffen, bei der bzw. bei dem die vorstehend genannten Vorteile realisiert werden können.
  • Die Lösung der vorgenannten Aufgabe erfolgt mittels einer Brennstoffzelle mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 bzw. mittels eines Verfahrens mit den Merkmalen des Patentanspruches 15.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen beschrieben.
  • Die erfindungsgemäße Drehelektrodenbrennstoffzelle weist ein Gehäuse auf. In dem Gehäuse ist eine Scheibenstapelbaugruppe (stacked disk assembly) rotierbar angebracht, die mehrere aneinander angeschlossene elektrochemische Zellen aufweist. Ein Motor steht dahingehend in Wirkverbindung mit der Scheibenstapelbaugruppe, dass diese in dem Gehäuse rotieren kann. In dem Gehäuse ist ein Brennstoffströmungsweg bereitgestellt, um Brennstoff zu den elektrochemischen Zellen zu leiten. Außerdem befindet sich in dem Gehäuse ein von dem Brennstoffströmungsweg physikalisch getrennter Oxidationsmittelströmungsweg zum Transport eines Oxidationsmittels zu den elektrochemischen Zellen.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:
    • 1 eine perspektivische schematische Ansicht eines Ausführungsbeispiels der Drehelektrodenbrennstoffzelle gemäß der vorliegenden Erfindung; und
    • 2 eine Querschnittsansicht einer Scheibenstapelbaugruppe der Drehelektrodenbrennstoffzelle gemäß der vorliegenden Erfindung.
  • In 1 ist eine mit der Bezugsziffer 10 bezeichnete Drehelektrodenbrennstoffzelle gemäß der vorliegenden Erfindung dargestellt. Die Drehelektrodenbrennstoffzelle 10 weist typischerweise ein Gehäuse 12 auf, das wie dargestellt zylindrisch sein kann und eine Scheibenstapelbaugruppe 14 enthält. An einem Ende des Gehäuses 12 ist ein Brennstoffeinlass 16 zum Einleiten eines Brennstoffs 36, der z.B. Wasserstoff enthält, in die Scheibenstapelbaugruppe 14 angebracht. Am entgegen gesetzten Ende des Gehäuses 12 ist ein Brennstoffauslass 32 angebracht, um Brennstoff, der nicht reagiert hat, aus der Scheibenstapelbaugruppe 14 herauszuleiten. Ferner sind wie in 1 dargestellt in dem Gehäuse 12 ein Oxidationsmitteleinlass 40 und eine Oxidationsmittelauslassöffnung 41 angebracht, mittels derer ein sauerstoffhaltiges Oxidationsmittel 38 in das Gehäuse 12 eingeleitet bzw. überschüssiges Oxidationsmittel 38 zusammen mit Abwasser aus dem Gehäuse 12 herausgeleitet wird.
  • Wie in 2 dargestellt, weist die Scheibenstapelbaugruppe 14 mehrere elektrochemische Zellen 18 auf, die im Allgemeinen scheibenförmig sein können und elektrisch in Reihe geschaltet sind, um eine Stapelanordnung zu bilden. Jede elektrochemische Zelle 18 weist eine Reservoirplatte 20 auf, die als eine physikalische Barriere zwischen einem Brennstoffgasströmungsweg 17 und einem Oxidationsmittelströmungsweg 34 im Inneren bzw. an der Außenseite der Scheibenstapelbaugruppe 14 wirkt. An den Enden der Scheibenstapelbaugruppe 14 steht der Brennstoffströmungsweg 17 in Strömungsverbindung mit dem Brennstoffeinlass 16 bzw. dem Brennstoffauslass 32. Darüber hinaus steht der Oxidationsmittelströmungsweg 34 in Strömungsverbindung mit dem Oxidationsmitteleinlass 40 und der Auslassöffnung 41 die sich jeweils an einem Ende der Scheibenstapelbaugruppe 14 befinden können, wie in 1 dargestellt.
  • Jede elektrochemische Zelle 18 weist überdies eine Membranelektrodeneinheit (membrane electrode assembly (MEA)) 22 auf, die an der Reservoirplatte 20 befestigt ist. Der Brennstoffströmungsweg 17 erstreckt sich typischerweise zwischen der Reservoirplatte 20 und der Membranelektrodeneinheit 22 der einzelnen elektrochemischen Zellen 18. Der Oxidationsmittelströmungsweg 34 erstreckt sich typischerweise zwischen der Membranelektrodeneinheit 22 jeder elektrochemischen Zelle 18 und der Reservoirplatte 20 der benachbarten elektrochemischen Zelle 18. Die Membranelektrodeneinheit 22 weist typischerweise eine poröse Trägerplatte auf (nicht dargestellt), an der eine protonendurchlässige Membran 24 befestigt ist, die zwischen einer positiven (Anoden-)Katalysatorschicht 26 und einer negativen (Kathoden-)Katalysatorschicht 28 eingelassen ist. Die positive Katalysatorschicht 26 ist vorzugsweise dem Brennstoffströmungsweg 17 ausgesetzt, während die negative Katalysatorschicht 28 dem Oxidationsmittelströmungsweg 34 ausgesetzt ist. Radiale Isolatoren 30 stehen entweder in Kontakt mit dem anodischen Stromabnehmer (für die negative Elektrode) oder mit dem kathodischen Stromabnehmer (für die positive Elektrode) und stellen überdies eine Abdichtung zwischen dem Brennstoffströmungsweg 17 und dem Oxidationsmittelströmungsweg 34 dar. Die Membranelektrodeneinheit 22 erfüllt mehrere Funktionen, indem sie eine mechanische Grundlage, ein bipolares Stromabnahmemedium, einen Ionentransportmechanismus und einen Katalysator für die Anode wie für die Kathode der einzelnen elektrochemischen Zellen 18 darstellt. Die Membranelektrodeneinheit 22 jeder elektrochemischen Zelle 18 ist über die gesamte Länge der Scheibenstapelbaugruppe 14, an die Reservoirplatte 20 der benachbarten elektrochemischen Zelle 18 in der Reihenschaltung angeschlossen.
  • Es ist für den Fachmann ersichtlich, dass der Verlauf des Brennstoffströmungswegs 17 und des Oxidationsmittelströmungswegs 34 in der Scheibenstapelbaugruppe 14 bzw. um die Scheibenstapelbaugruppe 14 herum umgekehrt werden können, so dass der Brennstoffströmungsweg 17 außerhalb und der Oxidationsmittelströmungsweg 34 innerhalb der Scheibenstapelbaugruppe 14 verläuft. In diesem Falle wären die Positionen der positiven Katalysatorschicht 26 und der negativen Katalysatorschicht 28 gegenüber ihren jeweiligen in 2 dargestellten Positionen umgekehrt. Überdies würde aus dem in 1 dargestellten Brennstoffeinlass 16 der Oxidationsmitteleinlass zum Einleiten des Oxidationsmittels in das Gehäuse 12.
  • Bei der Trägerplatte (nicht dargestellt) der einzelnen Membranelektrodeneinheiten 22 kann es sich um eine Kohlenstoff- oder um eine beschichtete Metallplatte handeln, die dazu ausgebildet ist, die Anforderungen optimaler mechanischer Festigkeit und elektrischer Leitfähigkeit zu erfüllen. Außerdem kann die Trägerplatte so gefertigt sein, dass sie geeignete Vertiefungen und Strukturen zur Minderung von Turbulenzen und zur Reduktion von Barriereschichten aufweist. Die Membranelektrodeneinheit 22 kann als eine Sandwichkonstruktion ausgebildet sein, in der die Trägerplatte, die positive Katalysatorschicht 26, die Membran 24 und die negative Katalysatorschicht 28 entsprechend angeordnet und zusammengepresst sind. Alternativ kann die Membranelektrodeneinheit 22 als eine Aufeinanderfolge von Katalysatoren und Bauteilen ausgebildet sein, die in einem dem Fachmann bekannten Verfahren nacheinander auf die Trägerplatte gegossen oder aufgetragen sind.
  • Die Scheibenstapelbaugruppe 14 ist gemäß den Kenntnissen des Fachmanns rotierbar in dem Gehäuse 12 angebracht. Ein Motor 15 greift in die Scheibenstapelbaugruppe 14 ein, um diese in dem Gehäuse 12 rotieren zu lassen. Die Membranelektrodeneinheiten 22 und die Reservoirplatten 20 der elektrochemischen Zellen 18 sind radial konzentrisch ausgebildet, so dass die gesamte Scheibenstapelbaugruppe 14 in dem Gehäuse 12 mit einer hohen Winkelgeschwindigkeit ω rotieren kann. Da die Scheibenstapelbaugruppe 14 so ausgebildet ist, dass sie zur Stromabnahme dient, ist, wie in 2 dargestellt, ein Ende der Scheibenstapelbaugruppe 14 positiv geladen, während das entgegengesetzte Ende der Scheibenstapelbaugruppe 14 negativ geladen ist. Der elektrische Strom kann unter Verwendung von Bürsten (nicht dargestellt) oder anderer, dem Fachmann bekannter, konventioneller Mittel von der rotierenden Scheibenstapelbaugruppe 14 abgenommen werden.
  • In den 1 und 2 sind die einzelnen Membranelektrodeneinheit-/Trägerplatteneinrichtungen 22 jeweils als eine Platte dargestellt. Der Fachmann erkennt jedoch, dass die Membranelektrodeneinheit/Trägerplatteneinrichtungen 22 alternativ auch als Ring (nicht dargestellt) ausgebildet sein können, so dass dann die Membranelektrodeneinheit/Trägerplatteneinrichtungen 22 jeweils eine reduzierte aktive Oberfläche und ein einheitliches Geschwindigkeitsfeld aufweisen.
  • Beim Betrieb der Drehelektrodenbrennstoffzelle 10 wird die Scheibenstapelbaugruppe 14, wie durch den Pfeil in 2 gezeigt, mittels des Motors 15 rotiert. Ein Brennstoff 36, bei dem es sich z.B. um ein Gas oder eine Flüssigkeit handeln kann, das bzw. die Wasserstoff enthält, wird durch den Brennstoffeinlass 16 der Drehelektrodenbrennstoffzelle 10 in den Brennstoffströmungsweg 17 eingelassen.
  • Gleichzeitig wird ein Oxidationsmittel 38, bei dem es sich z.B. um ein Gas oder eine Flüssigkeit handeln kann, das bzw. die Sauerstoff enthält, von außerhalb des Gehäuses 12 in den Oxidationsmittelgasströmungsweg 34 durch den Oxidationsmitteleinlass 40 gegeben. In dem Brennstoffströmungsweg 17 kommt der Brennstoff 36 mit der positiven Katalysatorschicht 26 der einzelnen Membranelektrodeneinheiten 22 in Kontakt. Dementsprechend werden dem Brennstoff 36 bei dessen Oxidation Elektronen entzogen. Die auf diese Weise gewonnenen Elektronen werden durch einen externen Stromkreis (nicht dargestellt), wie z.B. den eines elektrischen Antriebsmotors (nicht dargestellt) eines Brennstoffzellenfahrzeugs geleitet. Die Protonen wandern durch die Membran 24 zur negativen Katalysatorschicht 28 der Membranelektrodeneinheit 22. Während das Oxidationsmittel 38 in das Gehäuse 12 durch den Oxidationsmitteleinlass 40 fließt, kontaktiert dieses sukzessive die negative Katalysatorschicht 28 jeder Membranelektrodeneinheit 22, wobei es um den radialen Isolator 30 einer Membranelektrodeneinheit 22 und in die Lücke zwischen der Reservoirplatte 20 dieser Membranelektrodeneinheit 22 und der negativen Katalysatorschicht 28 der am nächsten angrenzenden Membranelektrodeneinheit 22 fließt. An der negativen Katalysatorschicht 28, verbinden sich aus dem externen Stromkreis zurückkehrende Elektronen mit den Protonen aus der Membran 24 und Sauerstoff in dem Oxidationsmittel 38, um Wasser als Nebenprodukt zu bilden. Das Abwasser wird aus dem Oxidationsmittelströmungsweg 34 herausgeleitet und durch die in dem Gehäuse 12 befindliche Auslassöffnung (nicht dargestellt) aus dem Gehäuse 12 abgelassen.
  • Zur optimalen Raumausnutzung kann sich die Scheibenstapelbaugruppe 14, wie dargestellt, in vertikaler Ausrichtung oder in horizontaler Ausrichtung (nicht dargestellt) befinden; eine horizontale Ausrichtung würde allerdings den Vorteil bieten, dass bei Verwendung eines flüssigen Brennstoffs dieser leichter zu fixieren wäre. Die Verteilung des Brennstoffs 36 bzw. des Oxidationsmittels 38 durch die gesamte Scheibenstapelbaugruppe 14 lässt sich mittels geeigneter Lamellen (nicht dargestellt) effektivieren, die an der rotierenden Scheibenstapelbaugruppe 14 vorgesehen sein können, so dass die Notwendigkeit eines sekundären Fluidhandhabungssystems (fluid handling system) verringert wird oder ganz entfällt. Es besteht die Möglichkeit, zur Aufrechterhaltung des Brennstoffdrucks innerhalb der Scheibenstapelbaugruppe 14 sowie zur Trennung des Brennstoffs 36 von dem Oxidationsmittel 38 eine Flüssigkeitsdichtung (nicht dargestellt) in Kombination mit einem Schwimmerventil (nicht dargestellt) für die Einleitung von Gas zu verwenden.
  • Der Fachmann erkennt, dass die Drehelektrodenbrennstoffzelle 10 gemäß der vorliegenden Erfindung eine Reihe von Vorteilen aufweist. Zum Beispiel erfolgt der Transport des Brennstoffs und des Oxidationsmittels im Vergleich zu einem konventionellen eingeschränkten Flussfeld bei hohem Querschnitt/niedriger Geschwindigkeit, wodurch Effizienzeinbußen aufgrund von Druckverlust und des Einpumpens von Gas verringert werden. Außerdem werden die aktiven Stoffe auf nahezu parallele Weise zur Verfügung gestellt, wodurch Probleme der Katalysatornutzung minimiert werden, die dann entstehen, wenn Brennstoff- und Oxidationsmittelgradienten zu bevorzugtem Abbau in der Nähe des Einlasses oder des Auslasses der Brennstoffzelle führen. Zur Optimierung der Leistungsanforderungen kann eine Adjustierung der Winkelgeschwindigkeit der Scheibenstapelbaugruppe vorgenommen werden (schnellere Rotation begünstigt höhere Ströme), was ist jedoch nicht notwendig ist. Dies stellt insofern einen Vorteil dar, da somit die Möglichkeit besteht, ein schnelles Übergangsverhalten (rapid transient response) bereitzustellen. Durch die zentrifugale Wirkweise der rotierenden Scheibenstapelbaugruppe 14 wird die Behandlung der Oxidationsnebenprodukte verbessert. Zum Beispiel wird flüssiges Wasser unter Einwirkung der Rotation aus den Membranelektrodeneinheiten herausgedrängt, wodurch Probleme, die gewöhnlich durch die Ansammlung von flüssigem Wasser entstehen, wie z.B. die Blockierung des Katalyseortes und der Gaskanäle, beseitigt werden. Die Verwendung der Lamellen bei der Konstruktion ermöglicht in Verbindung mit einer Minimierung der Gasdiffusionsschicht und des Membranwiderstands eine effiziente Kühlung der Membranelektrodeneinheit bei geringem Druckabfall, so dass ein spezielles Wärmeaustauschsystem nicht erforderlich ist. Da größtenteils gestanzte Teile und gefalzte Schweißstellen (crimped welds), die beide nach dem Stand der Technik bekannt sind, ist die Brennstoffzelle inhärent herstellbar (inherently manufacturable). Die Brennstoffzelle kann sowohl mit gasförmigen als auch mit flüssigen Medien betrieben werden.

Claims (19)

  1. Brennstoffzelle (10) mit: einem Gehäuse (12); einer rotierbar in dem Gehäuse (12) angebrachten Scheibenstapelbaugruppe (14), die mehrere untereinander verbundene elektrochemische Zellen (18) aufweist; einem mit der Scheibenstapelbaugruppe (14) in Wirkverbindung stehenden Motor (15), um die Scheibenstapelbaugruppe (14) in dem Gehäuse (12) zu rotieren; einem in dem Gehäuse (12) befindlichen Brennstoffströmungsweg (17), um einen Brennstoff (36) zu den mehreren elektrochemischen Zellen (18) zu leiten; und einem in dem Gehäuse (12) befindlichen und von dem Brennstoffströmungsweg (17) physikalisch getrennten Oxidationsmittelströmungsweg (34), um ein Oxidationsmittel (38) zu den mehreren elektrochemischen Zellen (18) zu leiten, wobei der Brennstoffströmungsweg (17) in der Scheibenstapelbaugruppe (14) und der Oxidationsmittelströmungsweg (34) außerhalb der Scheibenstapelbaugruppe (14) verläuft, oder der Oxidationsmittelströmungsweg (34) in der Scheibenstapelbaugruppe (14) und der Brennstoffströmungsweg (17) außerhalb der Scheibenstapelbaugruppe (14) verläuft.
  2. Brennstoffzelle (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jede der mehreren elektrochemischen Zellen (18) eine Reservoirplatte (20) und eine von der Reservoirplatte (20) getragene Membranelektrodeneinheit (22) aufweist.
  3. Brennstoffzelle (10) nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch einen mit der Reservoirplatte (20) und der Membranelektrodeneinheit (22) in Kontakt stehenden radialen Isolator (30).
  4. Brennstoffzelle (10) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine radiale Isolator (30) ein Paar radialer Isolatoren (30) aufweist.
  5. Brennstoffzelle (10) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Membranelektrodeneinheit (22) eine positive Katalysatorschicht (26), eine negative Katalysatorschicht (28) und eine zwischen der positiven Katalysatorschicht (26) und der negativen Katalysatorschicht (28) zwischengelegte protonendurchlässige Membran (24) aufweist.
  6. Brennstoffzelle (10) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die positive Katalysatorschicht (26) dem Brennstoffströmungsweg (17) ausgesetzt ist und die negative Katalysatorschicht (28) dem Oxidationsmittelströmungsweg (34) ausgesetzt ist.
  7. Brennstoffzelle (10) nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die positive Katalysatorschicht (26) und die negative Katalysatorschicht (28) auf die Membran (24) aufgetragen sind.
  8. Brennstoffzelle (10) nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die positive Katalysatorschicht (26), die Membran (24) und die negative Katalysatorschicht (28) eine Pressfügung aufweisen.
  9. Brennstoffzelle (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass jede der mehreren elektrochemischen Zellen (18) eine radial sich erstreckende Reservoirplatte (20) und eine von der Reservoirplatte (20) getragene, radial sich erstreckende Membranelektrodeneinheit (22) aufweist.
  10. Brennstoffzelle (10) nach Anspruch 9, mit mehreren mit der Reservoirplatte (20) und der Membranelektrodeneinheit (22) in Kontakt stehenden radialen Isolatoren (30).
  11. Brennstoffzelle (10) nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Membranelektrodeneinheit (22) eine positive Katalysatorschicht (26), eine negative Katalysatorschicht (28) und eine zwischen der positiven Katalysatorschicht (26) und der negativen Katalysatorschicht (28) eingelassene protonendurchlässige Membran (24) umfasst.
  12. Brennstoffzelle (10) nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Reservoirplatte (20) jeder elektrochemischen Zelle (18) mit der Membranelektrodeneinheit (22) einer benachbarten elektrochemischen Zelle (18) in Kontakt steht.
  13. Brennstoffzelle (10) nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoffströmungsweg (17) sich zwischen der Reservoirplatte (20) und der Membranelektrodeneinheit (22) jeder elektrochemischen Zelle (18) erstreckt und der Oxidationsmittelströmungsweg (34) sich zwischen der Membranelektrodeneinheit (22) jeder elektrochemischen Zelle (18) und der Reservoirplatte (20) einer benachbarten elektrochemischen Zelle (18) erstreckt.
  14. Brennstoffzelle (10) nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Membranelektrodeneinheit (22) eine dem Brennstoffströmungsweg (17) ausgesetzte positive Katalysatorschicht (26), eine dem Oxidationsmittelströmungsweg (34) ausgesetzte negative Katalysatorschicht (28) und eine zwischen der positiven Katalysatorschicht (26) und der negativen Katalysatorschicht (28) eingelassene protonendurchlässige Membran (24) aufweist.
  15. Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffzelle (10), mit folgenden Schritten: Bereitstellen eines Gehäuses (12); Ausbilden einer Scheibenstapelbaugruppe (14) durch Bereitstellen mehrerer elektrochemischer Zellen (18) und Verbinden der mehreren elektrochemischen Zellen (18) miteinander; Anbringen der Scheibenstapelbaugruppe (14) in dem Gehäuse (12;), so dass diese darin rotierbar ist; Anschließen eines Motors (15) an die Scheibenstapelbaugruppe (14) zum Rotieren der Scheibenstapelbaugruppe (14) in dem Gehäuse (12); Bereitstellen eines Brennstoffströmungswegs (17) in dem Gehäuse (12) in Strömungsverbindung mit den mehreren elektrochemischen Zellen (18); und Bereitstellen eines Oxidationsmittelströmungsweges (34) in dem Gehäuse (12) in physikalischer Trennung von dem Brennstoffströmungsweg (17), wobei der Brennstoffströmungsweg (17) in der Scheibenstapelbaugruppe (14) und der Oxidationsmittelströmungsweg (34) außerhalb der Scheibenstapelbaugruppe (14) verläuft, oder der Oxidationsmittelströmungsweg (34) in der Scheibenstapelbaugruppe (14) und der Brennstoffströmungsweg (17) außerhalb der Scheibenstapelbaugruppe (14) verläuft.
  16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Bereitstellen der mehreren elektrochemischen Zellen (18) mit dem Bereitstellen einer radial sich erstreckenden Reservoirplatte (20), dem Bereitstellen einer radial sich erstreckenden Membranelektrodeneinheit (22) und dem Befestigen der radial sich erstreckenden Membranelektrodeneinheit (22) an der Reservoirplatte (20) einhergeht.
  17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere mit der Reservoirplatte (20) und der Membranelektrodeneinheit (22) in Kontakt stehende radiale Isolatoren (30) zur Verfügung gestellt werden.
  18. Verfahren nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Bereitstellen einer radial sich erstreckenden Membranelektrodeneinheit (22) mit dem Bereitstellen einer Trägerplatte, einer positiven Katalysatorschicht (26), einer Membran (24) und einer negativen Katalysatorschicht (28) einhergeht und dass die Trägerplatte, die positive Katalysatorschicht (26), die Membran (24) und die negative Katalysatorschicht (28) durch Pressen zusammengefügt werden.
  19. Verfahren nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Bereitstellen einer radial sich erstreckenden Membranelektrodeneinheit (22) mit dem Bereitstellen einer Trägerplatte, dem Auftragen einer positiven Katalysatorschicht (26) auf die Trägerplatte, dem Auftragen einer Membran (24) auf die positive Katalysatorschicht (26) und dem Auftragen einer negativen Katalysatorschicht (28) auf die Membran (24) einhergeht.
DE102006053684.3A 2005-11-21 2006-11-13 Brennstoffzelle sowie Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffzelle Expired - Fee Related DE102006053684B4 (de)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US11/285,544 US9017838B2 (en) 2005-11-21 2005-11-21 Spinning electrode fuel cell
US11/285,544 2005-11-21

Publications (2)

Publication Number Publication Date
DE102006053684A1 DE102006053684A1 (de) 2007-06-14
DE102006053684B4 true DE102006053684B4 (de) 2018-05-09

Family

ID=38053929

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE102006053684.3A Expired - Fee Related DE102006053684B4 (de) 2005-11-21 2006-11-13 Brennstoffzelle sowie Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffzelle

Country Status (3)

Country Link
US (1) US9017838B2 (de)
JP (1) JP2007141841A (de)
DE (1) DE102006053684B4 (de)

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115692756A (zh) 2017-05-04 2023-02-03 维萨电力系统有限公司 紧凑型高温电化学电池堆架构
CN107543942B (zh) * 2017-08-18 2024-04-12 浙江科技学院（浙江中德科技促进中心） 膜电极的测试夹具以及测试方法
NO347438B1 (no) * 2021-11-02 2023-11-06 Hyper Energy Australia Pty Ltd Anordning for å produsere DC-strøm

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5830593A (en) 1996-01-11 1998-11-03 Nielson; Jay P. Rotating electrode fuel cell for vehicle propulsion
DE10035232A1 (de) 2000-07-20 2002-02-07 Forschungszentrum Juelich Gmbh Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzelle
US6379828B1 (en) 1997-10-20 2002-04-30 European Community Represented By The Commission Of The European Communities Fuel cell
US20030096148A1 (en) 2001-11-21 2003-05-22 Edwards Thomas C. Rotating fuel cell

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE59803737D1 (de) 1997-02-11 2002-05-16 Fucellco Inc Brennstoffzellenstapel mit festen elektrolyten und deren anordnung
JP2005190858A (ja) * 2003-12-26 2005-07-14 Toyota Motor Corp 燃料電池
CA2581894A1 (en) * 2004-10-01 2006-04-13 David J. Pristash Polymer electrolyte membrane fuel cell stack

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5830593A (en) 1996-01-11 1998-11-03 Nielson; Jay P. Rotating electrode fuel cell for vehicle propulsion
US6379828B1 (en) 1997-10-20 2002-04-30 European Community Represented By The Commission Of The European Communities Fuel cell
DE10035232A1 (de) 2000-07-20 2002-02-07 Forschungszentrum Juelich Gmbh Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzelle
US20030096148A1 (en) 2001-11-21 2003-05-22 Edwards Thomas C. Rotating fuel cell

Also Published As

Publication number Publication date
JP2007141841A (ja) 2007-06-07
DE102006053684A1 (de) 2007-06-14
US9017838B2 (en) 2015-04-28
US20070117002A1 (en) 2007-05-24

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE102016107906A1 (de) Bipolarplatte aufweisend Reaktantengaskanäle mit variablen Querschnittsflächen, Brennstoffzellenstapel sowie Fahrzeug mit einem solchen Brennstoffzellenstapel
DE102017101276A1 (de) Bipolarplatten-Dichtungsanordnung sowie Brennstoffzellenstapel mit einer solchen
DE102011007378A1 (de) Brennstoffzellenstapel mit einer Wasserablaufanordnung
DE112008001716T5 (de) Brennstoffzelle
DE1596275A1 (de) Brennstoffelement zur elektrochemischen Erzeugung von Elektrizitaet
DE112006000324B4 (de) Brennstoffzellen-Baugruppe, Brennstoffzellenmodul und Brennstoffzelleneinrichtung
DE112006000323T5 (de) Brennstoffzelle
DE10220183B4 (de) Brennstoffzelle, Brennstoffzellensystem und Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffzelle
DE102006053684B4 (de) Brennstoffzelle sowie Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffzelle
DE102015223040A1 (de) Brennstoffzelle sowie Brennstoffzellensystem mit einer solchen
DE102008015350A1 (de) Modular aufgebauter Brennstoffzellenstapel
DE102014206682A1 (de) Bipolarplatte und Brennstoffzelle
DE102016200055A1 (de) Flussfeldplatte und Bipolarplatte sowie Brennstoffzelle
DE102017101954A1 (de) Membran-Elektroden-Anordnung und Brennstoffzellenstapel
EP1114483B1 (de) Pme-brennstoffzelle mit verbesserter langzeitperformance, verfahren zum betrieb einer pme-brennstoffzelle und pme-brennstoffzellenbatterie
DE102017215507A1 (de) Verfahren zur Herstellung eines Verbunds aus einer Bipolarplatte und einer Membran-Elektroden-Einheit sowie verfahrensgemäß hergestellter Verbund
EP1114484A2 (de) Hochtemperatur-brennstoffzelle mit nickelnetz und hochtemperatur- brennstoff- zellenstapel mit einer solchen zelle
DE102019101483A1 (de) Verfahren und Reaktor zur elektrochemischen Behandlung von Flüssigkeiten, insbesondere organisch belasteter Abwässer
DE102015214520A1 (de) Membran für eine Membran-Elektroden-Einheit einer Brennstoffzelle und Herstellungsverfahren
DE102015005350A1 (de) Verbesserte Brennstoffzelle mit selektiv leitfähiger Anode
DE102019127294B3 (de) Vorrichtung zur elektrochemischen Stromerzeugung und Stromspeicherung
WO2017025557A1 (de) Membran-elektroden-einheit für eine brennstoffzelle sowie brennstoffzelle
DE60213987T2 (de) Mit brennstoffzellen betriebene, magnetisch angetriebene wellenanordnung
EP1627440B1 (de) Bipolarplatte und brennstoffzelle mit einer derartigen bipolarplatte
DE102015218757A1 (de) Membran-Elektroden-Anordnung sowie Brennstoffzellenstapel und Brennstoffzellensystem mit einer solchen

Legal Events

Date Code Title Description
R012 Request for examination validly filed

Effective date: 20131018

R016 Response to examination communication
R016 Response to examination communication
R016 Response to examination communication
R079 Amendment of ipc main class

Free format text: PREVIOUS MAIN CLASS: H01M0008020000

Ipc: H01M0008240400

R079 Amendment of ipc main class

Free format text: PREVIOUS MAIN CLASS: H01M0008240400

Ipc: H01M0008240000

R018 Grant decision by examination section/examining division
R020 Patent grant now final
R119 Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee