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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle mit einer ersten
Elektrode, einer zweiten Elektrode sowie einem Elektrolyt und einem
Speicherelement. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein
Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzelle.
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Stand der Technik
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Die
Umwandlung von chemischer in elektrische Energie mittels einer Brennstoffzelle
stellt eine effiziente und umweltfreundliche Methode zur Gewinnung
von elektrischem Strom dar. Dabei finden üblicherweise
zwei räumlich getrennte Elektrodenreaktionen statt, bei
denen Elektronen freigesetzt bzw. gebunden werden. Bekannte Reaktanden
sind Wasserstoff und Sauerstoff, die in Form verschiedener Fluide
bereitgestellt werden können. Insbesondere Sauerstoff kann
in Form von Umgebungsluft der Brennstoffzelle zugeführt
werden. Allerdings ist es bekannt, dass bei einer Inbetriebnahme
einer Brennstoffzelle bei Temperaturen unter dem Gefrierpunkt, verbunden
mit einer zügigen elektrischen Leistungsabgabe Schäden
an der Brennstoffzelle entstehen können oder die Reaktion
beeinträchtigt wird.
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Um
dieses zu verhindern beschreibt die Offenlegungsschrift
WO 2005/048386 A1 ein
Brennstoffzellensystem, welches mit einem Kühlkreislauf versehen
ist. Um das Wasser innerhalb des Kühlkreislaufes bei einer
Inbetriebnahme der Brennstoffzelle zu erwärmen, weist der
Kühlkreislauf einen Adsorptionsspeicher auf. Es ist vorgesehen,
dass das Kühlmittel des Kühlkreislaufes über
einen Wärmetauscher mittels der in dem Adsorptionsspeicher
gespeicherten Wärme erhitzt wird. Dazu werden dem Adsorptionsspeicher
Brennstoffzellenabgasprodukte, wie insbesondere Wasser oder Wasserdampf,
als Energieaustauschmedium zugeführt. Als nachteilig hat
es sich bei dieser Art von Brennstoffzelle herausgestellt, dass
die Erwärmung des Kühlmittels nur sehr langsam
geschieht. Darüber hinaus ist die Integration des Adsorptionsspeichers
in einem Kühlkreislauf aufwendig und kostenintensiv.
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In
der deutschen Patentschrift
DE 100 65 009 B4 wird eine Brennstoffzelle
beschrieben, bei der das kurzfristige Absenken der Brennstoffzellenleistung
bei einer erhöhten Leistungsanforderung fast vollständig
vermieden wird. Ausgangspunkt der in dieser Patentschrift beschriebenen
Erfindung ist es, dass bei einem Betrieb einer Brennstoffzelle Leistungsspitzen
auftreten können, welche zu einer Verarmung des Gases in
der Gasverteilungsstruktur führen. Dieses resultiert darin,
dass die Brennstoffzelle nicht die erforderliche Leistung liefern
kann und zusätzlich unterschiedliche Wärmeentwicklungen
innerhalb der Brennstoffzelle auftreten können, welche letztere
schädigen. Um dieses zu verhindern, schlägt das
genannte Schutzrecht die Verwendung eines Brennstoffspeichers innerhalb
des Zellengehäuses vor. Bei einer kurzfristigen Leistungserhöhung
kann dann der Brennstoffspeicher den Brennstoff direkt innerhalb
des Zellengehäuses der Brennstoffzelle abgeben. Allerdings
kann die beschriebene Brennstoffzelle die oben dargelegten Probleme
bei einem Betrieb unterhalb des Gefrierpunktes nicht überwinden.
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Aufgabe und Vorteile der Erfindung
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, eine Brennstoffzelle bereitzustellen,
welche einfach aufgebaut ist, wenig Bauraum benötigt und
einen schnellen Kaltstart, insbesondere bei Temperaturen unterhalb
des Gefrierpunktes, ermöglicht. Diese Aufgabe wird durch
die Brennstoffzelle mit den Merkmalen des Anspruches 1 in vorteilhafter
Weise gelöst. Darüber hinaus wird die Aufgabe
durch das Verfahren zur Erwärmung einer Brennstoffzelle
mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruches 8 in vorteilhafter
Weise gelöst. Zusätzlich wird die Aufgabe durch
die Verwendung eines Adsorptionsspeichers mit den Merkmalen des
Anspruches 16 in vorteilhafter Weise gelöst. Weitere vorteilhafte
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung und des Verfahrens
ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen. Merkmale
und Details, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen
Verfahren beschrieben sind, gelten dabei selbstverständlich
auch im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen
Umweltdatenerfassungseinheit, der Verwendung des Adsorptionsspeichers
und jeweils umgekehrt.
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Erfindungsgemäß ist
vorgesehen, dass das Speicherelement als ein Adsorptionsspeicher
ausgeführt ist und der Adsorptionsspeicher bei einer Adsorption
eines ersten Brennstoffs die erste Elektrode erwärmt.
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Der
Grundgedanke der Erfindung ist es, dass der Adsorptionsspeicher
direkt an der ersten Elektrode angeordnet ist. Wird nun der erste
Brennstoff der Brennstoffzelle zugeführt adsorbiert der
Adsorptionsspeicher den ersten Brennstoff, was in einer Wärmeentwicklung
resultiert. Die von dem Adsorptionsspeicher emittierte Wärme
kann von der ersten Elektrode aufgenommen werden und führt
somit zu einer Aufheizung der Brennstoffzelle. Der Vorteil dieser
Erfindung liegt darin, dass es neben dem Adsorptionsspeicher keinerlei
Zusatzkomponenten in der Brennstoffzelle bedarf. Darüber
hinaus erfolgt die Speicherung des Brennstoffes in dem Adsorptionsspeicher zeitlich
unbegrenzt und ohne Brennstoffverlust. Zum Erhalt der chemisch gebundenen
Energie bedarf es keiner aktiven, d. h. energieverbrauchenden Maßnahmen.
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Eine
die Erfindung verbessernde Maßnahme sieht vor, dass die
erste Elektrode, die zweite Elektrode sowie das Elektrolyt und das
Speicherelement in einem Gehäuse angeordnet sind. Um die
direkte Kopplung des Adsorptionsspeichers mit der ersten Elektrode
zu garantieren, ist in einer vorteilhaften Ausführungsvariante
der Adsorptionsspeicher in dem Gehäuse an der ersten Elektrode
angeordnet. Dabei steht der Adsorptionsspeicher in thermischer Wirkverbindung
mit der ersten Elektrode. Dadurch ist eine schnelle Aufheizung der
ersten Elektrode sichergestellt. Das Grundprinzip eines Adsorptionsspeichers beruht
auf der Eigenschaft hochporöser Materialien Gase, wie etwa
Wasserdampf, anzuziehen und unter Wärmeabgabe zu binden.
Dabei adsorbieren Feststoffe umso besser, je größer
ihre Oberfläche bzw. je poröser sie sind. Im Rahmen
einer Erwärmung des Materials des Adsorptionsspeichers
wird das gebundene Gas wieder desorbiert. Dabei wird gleichzeitig das
Material des Adsorptionsspeichers mit Wärme befüllt,
welche im nächsten Adsorptionszyklus wieder abgegeben werden
kann. Vorteilhafterweise weisen Adsorptionsspeicher eine sehr hohe
Speicherdichte auf.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung formen die erste Elektrode
und die zweite Elektrode eine Bipolarplatte. Dabei kann insbesondere
die erste Elektrode als eine Anodenplatte ausgeformt sein. Bei einer
Brennstoffzelle, welche mit den Reaktanden Sauerstoff und Wasserstoff
betrieben wird, nimmt die Anode das Wasserstoffgas auf und die Kathode
Sauerstoff, der insbesondere aus der Umgebungsluft zugeführt
wird. Das Wasserstoffgas wird in der Anode aufgespalten um freie
Protonen und Elektronen zu erzeugen. Die Protonen gelangen durch den
Elektrolyt an die Kathode, reagieren dort mit dem Sauerstoff und
den Elektronen, um Wasser zu erzeugen. Die Elektronen von der Anode
können nicht durch den Elektrolyt gelangen, da dieser isolierend ist.
Folglich ist es möglich, diese Elektronen durch eine Last
zu führen, in der die Elektronen eine gewünschte
Arbeit verrichten. Da häufig die von einer Brennstoffzelle
zur Verfügung gestellte Leistung nicht ausreicht, findet
eine Kombination einer Mehrzahl von Brennstoffzellen in einem Brennstoffzellenstapel statt.
Dabei sind die Bipolarplatten zwischen den einzelnen Brennstoffzellen
des Brennstoffzellenstapels angeordnet.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist der Adsorptionsspeicher
als eine Legierung der ersten Elektrode ausgeführt. Solch
einer Art Legierung kann einfach während der Produktion
auf die erste Elektrode aufgebracht werden, wobei ein Aufdampfen
oder Aufsputtern entsprechender Materialen denkbar ist. Vorteilhaft
ist es ebenfalls, wenn der Adsorptionsspeicher eine Mikrostruktur
aufweist. Dadurch erhöht sich die Oberfläche des
Adsorptionsspeichers, was dessen Möglichkeit Gase zu adsorbieren
steigert. Im Rahmen von mehreren Untersuchungen haben sich insbesondere
folgende Materialien als vorteilhaft für den Adsorptionsspeicher
herausgestellt: ein Zeolith, ein Kieselgel, ein Silikatgel, ein
Metallhydrid und/oder eine Metall-Organische Verbindung (MOF). Bei
einem Zeolith handelt es sich um einen Angehörigen der
Familie der Silikat-Mineralien. Je nach Porengröße
weisen Zeolithe eine innere Oberfläche von zum Teil weit über
1.000 m2 pro Gramm (m2/g)
auf. Silikatgel (auch Kieselgel) ist eine poröse Form von
Silizium-Dioxid und weist ebenfalls eine große innere Oberfläche
auf.
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Eine
weitere vorteilhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Brennstoffzelle zeichnet sich dadurch aus, dass die erste Elektrode
und/oder die zweite Elektrode eine Gasführungsstruktur
aufweisen. Die Gasführungsstruktur der beiden Elektroden
dient dazu, die Brennstoffe, wie etwa Wasserstoff und Luft, vollständig über
den Elektroden zu verteilen, um so eine gleichmäßige
und großflächige Generierung von elektrischer
Energie zu ermöglichen. Dabei hat es sich als vorteilhaft
herausgestellt, wenn die Gasführungsstruktur ein Kanalelement
aufweist. Bei dem Kanalelement kann es sich um eine Vertiefung,
z. B. durch eine Einfräsung oder Stanzung in der Elektrode
handeln, in welche der Brennstoff in die Brennstoffzelle eingeleitet
wird. So kann der Brennstoff durch die Kanalelemente in den Bereich
der Reaktionszone hinein und aus dieser hinaus fließen.
Zusätzlich unterstützt das Kanalelement die Abführung von überschüssiger
Reaktionswärme durch den Brennstoff aus der Reaktionszone.
Darüber hinaus ermöglichen die Flächen
der Kanalelemente einen ausreichenden Wärmeübertrag
zwischen dem Brennstoff und den Elektroden.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Brennstoffzelle,
ist in dem Gehäuse wenigstens ein Gasdiffusionsmittel angeordnet,
wobei der Adsorptionsspeicher in dem Gasdiffusionsmittel angeordnet
ist. Um eine optimale Zufuhr der Brennstoffe zu den Elektroden und
gleichzeitig einen Abtransport der Reaktionsprodukte zu garantieren,
befinden sich zwischen den Elektroden und der Gasführungsstruktur
je eine Gasdiffusionsschicht. Diese Gasdiffusionsschicht ist meist
aus relativ groben Graphitfasern aufgebaut. Durch Hydrophobisieren
dieser elektrisch leitenden Schicht wird der Abtransport des Reaktionsproduktes
Wasser ermöglicht. Erfindungsgemäß ist es
vorgesehen, dass der Adsorptionsspeicher in das Gasdiffusionsmittel
integriert wird. Durch den direkten Kontakt des Gasdiffusionsmittels
mit der ersten bzw. der zweiten Elektrode ist eine direkte Aufwärmung
durch die Zuführung des ersten Brennstoffes sichergestellt.
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Je
nach verwendetem Elektrolyt und Brennstoff hat es sich als vorteilhaft
erwiesen, wenn ein zweiter Adsorptionsspeicher in dem Gehäuse
an der zweiten Elektrode angeordnet ist und der zweite Adsorptionsspeicher
in thermischer Wirkverbindung mit der zweiten Elektrode steht. Bei
dieser Ausführungsvariante sind sowohl die erste als auch
die zweite Elektrode mit einem Adsorptionsspeicher versehen. Fließt
nun der entsprechende Brennstoff an die erste bzw. zweite Elektrode
führt dieses nicht nur zur Generierung eines elektrischen
Stromes, sondern auch zu einer zusätzlichen Aufwärmung
beider Elektroden.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsvariante weist
die Brennstoffzelle einen Temperatursensor auf. Der Temperatursensor
misst die Temperatur der Brennstoffzelle bzw. der ersten Elektrode und
steuert den Zufluss des ersten Brennstoffes in den Adsorptionsspeicher. Überschreitet
die Temperatur eine vorgegebene Temperaturgrenze ist die Brennstoffzelle
betriebsbereit. Nunmehr können der erste und der zweite
Brennstoff zusammengefügt werden um elektrischen Strom
zu generieren.
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Die
oben genannte Aufgabe wird ebenfalls durch das erfindungsgemäße
Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzelle gelöst. Das
Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzelle, mit einem Gehäuse in
dem eine erste Elektrode, eine zweite Elektrode sowie ein Elektrolyt
und ein Speicherelement angeordnet sind, ist dadurch gekennzeichnet,
dass das Speicherelement als ein Adsorptionsspeicher ausgeführt
ist, und das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:
- – die erste Elektrode wird mit einem ersten Brennstoff
beaufschlagt,
- – der ersten Brennstoff lagert an einem Adsorptionsspeicher
an,
- – das Anlagern erfolgt unter Abgabe einer Wärmemenge
durch den Adsorptionsspeicher,
- – die Wärmemenge wärmt die erste
Elektrode auf.
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Wie
dargelegt, ist es nicht oder nur unter großen Schwierigkeiten
möglich, eine Brennstoffzelle unterhalb einer definierten
Betriebstemperatur einzusetzen. Damit die erste Elektrode – insbesondere
die Anode – die nötige Betriebtemperatur erreicht,
ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass der erste
Brennstoff der ersten Elektrode zugeführt wird. Dieser
erste Brennstoff lagert sich sofort an dem vorhandenen Adsorptionsspeicher
an und gibt dabei Wärme ab. Diese Wärmeabgabe
führt zu einer beschleunigten Aufwärmung der Brennstoffzelle.
Eine Beaufschlagung der zweiten Elektrode mit einem zweiten Brennstoff, um
mittels der Brennstoffzelle einen elektrischen Strom zu generieren,
kann an dieser Stelle noch unterbleiben. Aufgrund der schnellen
Erwärmung der ersten Elektrode ist die Brennstoffzelle
nach kurzer Zeit betriebsbereit. Das erfindungsgemäße
Verfahren ermöglicht es somit, Brennstoffzellen auch in
Situationen zu starten, in denen niedrige Temperaturen, insbesondere
unterhalb des Gefrierpunktes herrschen.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen
Verfahrens wird die zweite Elektrode mit einem zweiten Brennstoff
beaufschlagt und durch ein Zusammenwirken des ersten und zweiten
Brennstoffes ein elektrischer Strom erzeugt. Da die Brennstoffzelle
chemische Energie auf direktem Weg in elektrische Energie umwandelt,
ist sie im Gegensatz zu einem Verbrennungsprozess nicht dem maximal
theoretischen Wirkungsgrad eines Carnot-Prozesses unterworfen. Die
beiden Brennstoffe werden häufig in Form verschiedener
Fluide bereitgestellt. Ein Beispiel für die zwei korrespondierenden Elektrodenreaktionen
ist die folgende: H2 => 2H+ +
2e– (Anodenreaktion) 2H+ + 2e– + ½O2 => H2O (Kathodenreaktion).
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Der
gewonnene elektrische Strom kann in einer Last verbraucht werden.
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Eine
weitergehende Ausgestaltung des erfindungsgemäßen
Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass die Beaufschlagung der
zweiten Elektrode mit dem zweiten Brennstoff erst nach einer Zeitspanne
geschieht, in der nur die erste Elektrode mit dem ersten Brennstoff
beaufschlagt wird. Soll folglich eine Brennstoffzelle bei niedriger
Temperatur betrieben werden, wird zuerst die erste Elektrode mit
einem Brennstoff, wie beispielsweise Wasserstoff, beaufschlagt.
Dieser Wasserstoff wird unter sofortiger Wärmeabgabe an
dem vorhandenen Adsorptionsspeicher angelagert. Diese Wärmezufuhr
führt zu einer beschleunigten Aufwärmung der Brennstoffzelle.
Erreicht die erste Elektrode und damit die Brennstoffzelle die zum
Betrieb notwendige Temperatur, kann der zweite Brennstoff der zweiten
Elektrode zugeführt werden, um so die Erzeugung des elektrischen Stromes
zu ermöglichen. Es handelt sich bei der beschriebenen Ausführungsvariante
um ein sequenzielles Aufheizen mit anschließendem stromerzeugendem
Betrieb.
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In
einer alternativen Ausführungsvariante kann die Beaufschlagung
der zweiten Elektrode mit dem zweiten Brennstoff parallel zu der
Beaufschlagung der ersten Elektrode mit dem ersten Brennstoff geschehen.
Im Gegensatz zu dem vorhergehend beschriebenen Verfahren finden
nunmehr eine gleichzeitige Erwärmung der ersten Elektrode
und eine Generierung des elektrischen Stromes statt. Teile des ersten
Brennstoffes werden folglich in dem Adsorptionsspeicher angelagert,
während andere Teile des ersten Brennstoffes elektrochemisch
mit dem zweiten Brennstoff reagieren. Als vorteilhaft hat sich dabei herausgestellt,
dass das Erzeugen des elektrischen Stromes zu einer Aufheizung der
Brennstoffzelle führt. Durch die Kombination der Wärmeabgabe
aus dem Adsorptionsspeicher mit der parallelen Stromerzeugung findet
eine schnellere Aufheizung der Brennstoffzelle statt. Es muss aber
sichergestellt sein, dass die Brennstoffzelle eine Ausgangstemperatur
aufweist, die schon ausreicht um eine schädigungsfreie
Reaktion der beiden Brennstoffe sicherzustellen.
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Bei
einem elektrischen Betrieb der Brennstoffzelle wird durch die chemische
Kombination der beiden Brennstoffe eine Verlustwärme erzeugt,
die in der Regel zu einem Temperaturanstieg der Brennstoffzelle
führt. In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform
ist deshalb vorgesehen, dass nach Überschreiten eines Temperaturniveaus
der Brennstoffzelle, der erste Brennstoff von dem Adsorptionsspeicher
reversibel, insbesondere mittels Desorption, abgegeben wird. Durch
die Erwärmung der Brennstoffzelle wird auch der Adsorptionsspeicher
erhitzt. Diese Erhitzung des Adsorptionsspeichers führt
dazu, dass der erste Brennstoff nicht mehr adsorbiert, sondern desorbiert
wird. Gleichzeitig lagert der Adsorptionsspeicher jene Wärmemenge
ein, welche im ersten Verfahrensschritt bei der Erwärmung
der ersten Elektrode abgegeben wurde. Folglich steht der Adsorptionsspeicher
für einen erneuten Gebrauch bereit. Somit kann in einer
weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen
Verfahrens der Adsorptionsspeicher nach der Abgabe des ersten Brennstoffes
oberhalb des Temperaturniveaus bei einem erneuten Unterschreiten
des Temperaturniveaus wieder unter Abgabe einer Wärmeenergie
den ersten Brennstoff anlagern. Der erfindungsgemäße Adsorptionsspeicher
ermöglicht somit eine reversible, verschleißfreie
und effiziente Erwärmung der ersten bzw. zweiten Elektrode
in einer Brennstoffzelle. Wird die Brennstoffzelle bei einer kalten
Temperatur gestartet, erwärmt der Adsorptionsspeicher zumindest
die erste Elektrode und sorgt so für ein Überschreiten
einer für den Betrieb der Brennstoffzelle notwendigen Temperaturschwelle.
Durch den parallelen oder nachfolgenden Betrieb der Brennstoffzelle zur
Generierung des elektrischen Stromes wird diese weiter erhitzt.
Dadurch wird der Adsorptionsspeicher für einen zweiten
Zyklus regeneriert, da der Brennstoff wieder abgegeben wird. Somit
ist der Adsorptionsspeicher vorbereitet für eine erneute
Anlagerung von Brennstoff in einem weiteren Zyklus.
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Die
beschriebene erfindungsgemäße Brennstoffzelle
kann erfindungsgemäß nach einem der ebenfalls
beschriebenen Verfahren betrieben werden. Darüber hinaus
umfasst die Erfindung auch einen Brennstoffzellenstapel, der eine
Vielzahl von Brennstoffzellen aufweist, wobei wenigstens eine der Brennstoffzellen
gemäß den Ausführungen aufgebaut ist.
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Die
erfindungsgemäße Aufgabe wird ebenfalls gelöst
durch die Verwendung eines Adsorptionsspeichers zur Erwärmung
einer Brennstoffzelle, wobei der Adsorptionsspeicher an einer Elektrode
angeordnet ist. Eine vorteilhafte Ausgestaltung dieser Verwendung
ist dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzelle ein Gehäuse
aufweist und in dem Gehäuse eine erste Elektrode, eine
zweite Elektrode sowie ein Elektrolyt angeordnet sind, wobei der
Adsorptionsspeicher in dem Gehäuse an der ersten Elektrode
angeordnet ist und der Adsorptionsspeicher in thermischer Wirkverbindung
mit der ersten Elektrode steht.
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Ausführungsbeispiele
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Weitere
Vorteile, Merkmale oder Einzelheiten der Erfindung sind in der nachfolgenden
Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele
der Erfindung im Einzelnen erläutert werden, beschrieben.
Dabei können die in den Ansprüchen und in der
Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für
sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein. Es zeigen:
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1 einen
prinzipiellen Aufbau einer Brennstoffzelle,
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2 eine
schematische Darstellung einer Gasführungsstruktur der
Brennstoffzelle gemäß 1,
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3 einen
schematischen Querschnitt durch eine Brennstoffzelle und
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4 ein
weiterer schematischer Querschnitt durch eine Brennstoffzelle.
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Die 1 zeigt
eine schematische Darstellung einer Brennstoffzelle 10.
Die Brennstoffzelle 10 weist ein Gehäuse 20 auf,
in dem eine erste Elektrode 30 und eine zweite Elektrode 31 angeordnet
sind. Zwischen der ersten Elektrode 30 und der zweiten Elektrode 31 ist
ein Elektrolyt 40 in dem Gehäuse 20 integriert.
An einer Oberseite des Gehäuses 20 befindet sich
ein erster Brennstoffeinlass 21 und ein zweiter Brennstoffeinlass 22.
Durch die beiden Einlässe 21, 22 wird
der Brennstoffzelle 10 ein erster und ein zweiter Brennstoff
zugeführt. Zur Verdeutlichung der Erfindung soll im Folgenden
angenommen werden, dass es sich bei dem ersten Brennstoff um Wasserstoff
und bei dem zweiten Brennstoff um Sauerstoff handelt. Letzterer
wird in Form von Luft der Brennstoffzelle 10 durch den
Brennstoffeinlass 22 zugeführt. Die Verwendung
der Reaktanden Sauerstoff und Wasserstoff soll nicht als Beschränkung
dienen, sondern nur zur Verdeutlichung der Erfindung genutzt werden.
Selbstverständlich kann die erfindungsgemäße
Brennstoffzelle 10 auch mit anderen Brennstoffen betrieben
werden.
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Der
Wasserstoff fließt durch den ersten Brennstoffeinlass 21 auf
die erste Elektrode 30 – eine Anode – an
der der Wasserstoff elektrochemisch oxidiert wird. An der zweiten
Elektrode 31 wird der Sauerstoff elektrochemisch reduziert.
Zwischen der ersten 30 und der zweiten Elektrode 31 befindet
sich der Elektrolyt 40, der ein elektrischer Isolator ist,
um einen Kurzschluss zu vermeiden. Gleichzeitig muss der Elektrolyt 40 aber
ein Ionenleiter sein, durch welchen die Wasserstoffionen wandern
können. Im Anschluss reagieren die Protonen mit den zugeführten Sauerstoffelektronen
in der zweiten Elektrode 31, um Wasser zu erzeugen. Die
Elektronen können von der ersten Elektrode 30 nicht
durch den Elektrolyt 40 gelangen und werden somit eine
Last geführt, in der sie Arbeit verrichten, bevor sie an
die zweite Elektrode 31 geleitet werden. Die Brennstoffzellenabgase – Wasserdämpfer – verlassen
die Brennstoffzelle 10 durch einen ersten bzw. zweiten
Gasauslass 23, 24.
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Die
erfindungsgemäße Aufgabe basiert darauf, dass
Brennstoffzellen nicht oder nur begrenzt unterhalb einer definierten
Temperaturschwelle betrieben werden können. Insbesondere
bei Temperaturen unterhalb des Gefrierpunktes entsteht innerhalb
der Brennstoffzelle 10 flüssiges und/oder gefrorenes
Wasser, welches zu einer Flutung und/oder Vereisung der Elektroden 30, 31 führen
kann. Um dieses zu verhindern ist erfindungsgemäß vorgesehen,
dass in der Brennstoffzelle 10 ein Adsorptionsspeicher 50 angeordnet
ist und der Adsorptionsspeicher 50 bei einer Adsorption
des ersten Brennstoffes die erste Elektrode 30 erwärmt.
Soll folglich die erfindungsgemäße Brennstoffzelle 10 gestartet
werden, erfolgt mittels eines Temperatursensors 70 die
Messung der Temperatur der ersten Elektrode 30. Liegt die
Temperatur der ersten Elektrode 30 unterhalb der notwendigen Betriebstemperatur
muss zuerst eine Erwärmung erfolgen. Eine nicht dargestellte
Rechnereinheit kann dazu durch den ersten Brennstoffeinlass 21 etwas
Wasserstoff in die Brennstoffzelle 10 einführen,
welcher von dem Adsorptionsspeicher 50 adsorbiert wird.
Der Adsorptionsspeicher 50 steht in direkter thermischer
Wirkverbindung mit der ersten Elektrode 30. Folglich führ
die Wärmefreisetzung des Adsorptionsspeichers 50 zu
einer Erwärmung der Brennstoffzelle 10. Diese
direkte Erwärmung hat den Vorteil, dass sie unmittelbar
und ohne Verwendung eines zusätzlichen Wärmeträgers
erfolgt. Registriert der Temperatursensor 70 das Überschreiten
der zum Betrieb der Brennstoffzelle 10 notwendigen Betriebstemperatur
wird durch den zweiten Brennstoffeinlass 22 Sauerstoff
bzw. Luft zugeführt. Nunmehr stehen die beiden Reaktanden
für die elektrochemische Reaktion innerhalb der Brennstoffzelle 10 bereit,
sodass diese einen elektrischen Strom erzeugen kann.
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Durch
die Beaufschlagung der beiden Elektroden 30, 31 mit
den zwei Brennstoffen – Wasserstoff und Sauerstoff – wird
ein elektrischer Strom erzeugt und gleichzeitig die Brennstoffzelle
weiter aufgeheizt. Diese Aufheizung geschieht solange bis ein thermisches
Gleichgewicht erreicht ist. Liegt dieses thermische Gleichgewicht
oberhalb einer definierten Temperatur desorbiert der erste Brennstoff
aus dem Adsorptionsspeicher 50. Folglich wird der adsorbierte Brennstoff
wieder dem elektrochemischen Betrieb der Brennstoffzelle 10 zur
Verfügung gestellt. Die erfindungsgemäße
Brennstoffzelle 10 weist somit den Vorteil auf, dass durch
den Betrieb der Erfindung kein direkter Mehrverbrauch des Brennstoffes
entsteht, da der adsorbierte Wasserstoff wieder frei gesetzt wird und
für die elektrische Energieerzeugung genutzt werden kann.
Die zur späteren Desorption erforderliche Wärmemenge
wird durch die ohnehin anfallende Abwärme von der Brennstoffzelle 10 erbracht,
sobald das nötige Temperaturniveau erreicht wird. Es sind keinerlei
Zusatzkomponenten zur Be- oder Entladung des Adsorptionsspeichers 50 notwendig.
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In
dem dargestellten Ausführungsbeispiel weist die Brennstoffzelle 10 an
der zweiten Elektrode 31 ebenfalls einen zweiten Adsorptionsspeicher 51 auf.
Dieser zweite Adsorptionsspeicher 51 kann bei entsprechender
Wahl des Brennstoffes genutzt werden um die zweite Elektrode 31 erfindungsgemäß aufzuheizen.
Dadurch kann eine schnellere Erreichung der Betriebstemperatur der
Brennstoffzelle 10 erreicht werden.
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In 2 ist
eine schematische Darstellung der ersten Elektrode 30 dargestellt.
Diese erste Elektrode 30 weist eine Gasführungsstruktur 60 auf.
Diese Gasführungsstruktur 60 sorgt für
eine Verteilung des ersten Brennstoffes über die aktive
Fläche der ersten Elektrode 30. Dazu weist die
Gasführungsstruktur 60 eine Anzahl von Kanälen 61 auf,
die in die erste Elektrode 30 eingeformt sind.
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Durch
einen Einlass 62 in der Gasführungsstruktur 60 wird
der erste Brennstoff auf die Fläche der ersten Elektrode 30 geführt. Überflüssiger
Brennstoff kann durch den Auslass 63 wieder von der ersten
Elektrode 30 abfließen. Zwischen dem Einlass 62 und
dem Auslass 63 windet sich der Kanal 61 in Mäanderform.
Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, dass der Adsorptionsspeicher 50 innerhalb
des Kanals 61 der Gasführungsstruktur 60 angeordnet
ist. Soll die erste Elektrode 30 erwärmt werden,
wird diese mit dem ersten Brennstoff – Wasserstoff – beaufschlagt,
der durch den Einlass 62 in den Kanal 63 einfließt.
Der Adsorptionsspeicher 50 adsorbiert dann den Wasserstoff
unter Wärmeabgabe und erhitzt so die erste Elektrode 30.
Diese Anordnung des Adsorptionsspeichers 50 wird auch in 3 verdeutlicht,
welche auf einem Schnitt durch die erste Elektrode 30 entlang
der Schnittkante I-I darstellt.
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Die 3 zeigt
einen Schnitt durch die Brennstoffzelle 10 mit den beiden
Elektroden 30, 31. Erfindungsgemäß ist
der Boden des Kanals 61 mit dem Adsorptionsspeicher 50 versehen.
Fließt der erste Brennstoff in den Kanal 61 der
Gasführungsstruktur 60 hinein, kann der Adsorptionsspeicher 50 den
Wasserstoff adsorbieren und dabei die erste Elektrode 30 erhitzen.
Diese Erhitzung erfolgt unmittelbar und sehr effektiv, da es keines
zusätzlichen Wärmeträgers bedarf. In 3 ist
ausschließlich die erste Elektrode 30 mit einem
Adsorptionsspeicher 50 versehen. Wie 4 verdeutlicht
ist es aber auch möglich, dass sowohl die erste Elektrode 30 als
auch die zweite Elektrode 31 einen Adsorptionsspeicher 50, 51 aufweisen.
In diesem Falle führt nicht nur ein Zuführung
eines ersten Brennstoffes in den Kanal 61 der ersten Elektrode 30 zu
einer Aufheizung, sondern auch eine Zuführung eines zweiten
Brennstoffes in den Kanal 61' einer zweiten Gasführungsstruktur 60' der
zweiten Elektrode 31. Der in dem Kanal 61' angelagerte
Adsorptionsspeicher 50' adsorbiert den Brennstoff und sorgt
somit für eine Erhitzung der zweiten Elektrode 31.
Dabei darf es allerdings zu keinem direkten Kontakt der beiden Brennstoffe
kommen.
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Ein
besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle
und des beschriebenen Verfahrens liegt darin, dass der Adsorptionsspeicher 50 bei Überschreiten
eines definierten Temperaturniveaus den adsorbierten Brennstoff
wieder desorbiert. Im Rahmen des gewöhnlichen Betriebes
der Brennstoffzelle 10 entsteht Abwärme die zu
einer Aufheizung des Gehäuses 20 führt. Überschreitet
die Temperatur der Brennstoffzelle 10 ein definiertes Temperaturniveau
desorbiert der Adsorptionsspeicher 50 den angelagerten
Brennstoff in die Brennstoffzelle 10 und nimmt gleichzeitig
jene Wärme auf, die bei einer erneuten Adsorption wieder
abgegeben werden kann. Der erfindungsgemäße Adsorptionsspeicher
ist somit reversibel und ohne Verschleiß nutzbar. Der adsorbierte
Brennstoff wird wieder freigesetzt, sodass kein direkter Mehrverbrauch
durch die Erfindung in der Brennstoffzelle 10 auftritt.
Gleichzeitig nutzt der Adsorptionsspeicher 50 zur Desorption
die ohnehin anfallende Abwärme aus dem Brennstoffzellenbetrieb.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - WO 2005/048386
A1 [0003]
- - DE 10065009 B4 [0004]