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Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle mit einer Vielzahl von Zuführleitungen für ein Brenngas und für Sauerstoff, ionenleitenden Membranen und Elektroden.
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In der Brennstoffzelle wird durch eine chemische Reaktion zwischen einem wasserstoffhaltigen Brenngas und Sauerstoff Strom an einer Membran mit einer Katalysatorschicht erzeugt. An der Katalysatorschicht werden die Gase ionisiert und die Ionen wandern durch die Membran.
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Bei der chemischen Reaktion entsteht Prozesswärme, die je nach verwendetem Elektrolyten und eingesetztem Brenngas zu unterschiedlichen Betriebstemperaturen führt. So werden die Brennstoffzellen nach dem eingesetzten Elektrolyten und der damit verbundenen Betriebstemperatur typisiert. Am meisten verbreitet sind die Niedertemperatur-Typen AFC (Alkaline Fuel Cell), PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell) und DMFC (Direct Methanol Fuel Cell), die bei 60°C bis 120°C arbeiten. Aber auch der Hochtemperaturtyp SOFC (Solid Oxid Fuel Cell) mit einer Betriebstemperatur von 800°C bis 1000°C wird zunehmend an Bedeutung gewinnen. Um eine brauchbare Leistung der Brennstoffzelle entnehmen zu können, muss die Katalysatorschicht eine große Oberfläche besitzen.
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In der Patentanmeldung
DE 10 2004 026 714 A1 und der damit verbundenen Zusatzanmeldung
DE 10 2005 011 669 A1 sind SOFC-Brennstoffzellen-Strukturen beschrieben, bei denen Elektrodenplatten mit wellenförmiger Katalyseschicht angelegt sind. Mit den dort beschriebenen Bauformen ist die Oberfläche nur begrenzt optimiert. Auch sind keine rund angelegten Bauformen einer Brennstoffzelle gezeigt, bei der sich die Temperaturbedingungen beherrschen lassen.
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Es ist Aufgabe der Erfindung eine tubulare Bauform für eine Brennstoffzelle mit einer optimierten Katalyseoberfläche anzugeben.
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Gelöst wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.
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Die Zuführleitungen für das Brenngas und den Sauerstoff sind in konzentrischen Zylindern angeordnet. Dabei sind sie porös, so dass sie Gas an die Membran-Keramik abgeben. Das Brenngas ist im inneren Zylinder geführt, der Sauerstoff (oder Luft) ist in dem äußeren Zylinder geführt. Die Anordnung kann aber auch so gewählt sein, dass das Brenngas im äußeren Ring und der Sauerstoff im inneren Ring geführt sind. Die Elektroden sind dann entsprechend auch vertauscht. Zur Übersichtlichkeit wird die Anordnung aber nur in der ersten Weise beschrieben.
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Das Brenngas gelangt an die Katalyseschicht. Das Gas wird ionisiert und die Elektronen wandern zu der Kathode. Ebenso wird Sauerstoff ionisiert und Strom erzeugt.
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Die Keramikmembran ist als Strangprofil ausgebildet, so dass es einfach hergestellt werden kann. Es ist extrudierbar. Die Katalyseschicht ist großflächig durch Beschichtungsprozesse, z. B. durch Sintern, auf die Membran aufgebracht.
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Eine große Oberfläche ergibt sich durch die geeignete Ausformung des Strangprofils. In einer vorteilhaften Ausführung ergeben sich in etwa ringsegmentförmige Querschnitte der Katalysatorflächen. Bei einer anderen vorteilhaften Ausführung ergibt sich ein flügelförmiger Querschnitt, der auch große Katalyseflächen bietet.
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In der Keramik sind vorteilhafterweise auch Kanäle für das Abgas, für Wasserdampf und für das Kohlendioxid eingezogen. Diese Kanäle sind ebenso wie die Zuführleitungen in Längsrichtung der Brennstoffzelle ausgerichtet.
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Die Zuführleitungen bilden vorteilhafterweise auch die Elektroden für die Stromabgabe. So kann jeweils eine Sauerstoffleitung als Kathode und eine Brennstoffleitung als Anode genutzt werden. Durch entsprechende Verbindung der Leitungen untereinander können die Zellen elektrisch in Reihe geschaltet werden.
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Weiterhin ist es günstig, neben den Abgaskanälen in der Keramik weitere Kanäle für die Verteilung des Brenngases und des Sauerstoffes vorzusehen. Diese zusätzlichen Kanäle sind in Längsrichtung in die Keramik eingezogen. Zur besseren Verteilung des Gases sind diese zusätzlichen Kanäle auch noch mit quer liegenden Verbindungskanälen untereinander verbunden.
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Der äußere und der innere Zylinder sind aus isolierendem Material aufgebaut. Damit können die Elektroden in Reihe geschaltet werden. Die äußere Isolation wird vorteilhafterweise gleichzeitig auch als Wärmeisolation genutzt.
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Der innere Zylinder ist elektrisch isolierend, aber wärmeleitend, und vorzugsweise aus Keramik, aufgebaut. Damit kann die entstehende Prozesswärme an den inneren Zuganker abgegeben werden. Dieser ist vorteilhaft als Wärmeleitrohr ausgebildet, durch das ein Wärmetransportmittel fließt. Darüber kann die Wärme in einem Wärmekreislauf zusätzlich genutzt werden.
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Einige Typen von Brennstoffzellen, insbesondere SOFC-Zellen, benötigen eine zusätzliche Heizung, um zu Beginn des Betriebes die gewünschte Betriebstemperatur zu erreichen. Dazu ist es günstig, im Inneren der Brennstoffzelle eine Heizung vorzusehen, über die der Betrieb gestartet wird. Bei Erreichen der Betriebstemperatur wird diese Heizung abgeschaltet. Dann kann die Temperaturregelung über eine gesteuerte Wärmeabfuhr erfolgen, wie sie über Wärmeträger in den Konstruktionsteilen bewirkt werden kann.
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Die Brennstoffzelle ist an beiden Enden durch eine Abschlussplatte begrenzt. Die Zuführrohre und Kanäle enden in dieser Abschlussplatte. Die einzelnen Brennstoff- und Sauerstoffrohre sind über Querkanäle in der Abschlussplatte miteinander verbunden. Die Abschlussplatte dichtet die Brennstoffzelle und die Zuführleitungen ab. Dazu ist die Abschlussplatte über den mittleren Zuganker mit der Keramik und den Leitungen verpresst. Über weitere Zuganker kann die Stabilität der Anordnung weiter erhöht werden. Die zusätzlichen Zuganker können außerhalb der Keramik oder durch diese hindurch verlaufen.
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An einer Abschlussplatte kann auch eine Turbine montiert sein, die die Energie der Abgase der Brennstoffzelle aufnimmt und in andere Energieformen wandelt. So kann ein elektrischer Generator an dieser Turbine angeschlossen sein. Die Abgase werden dann nach der Turbine abgeführt.
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Die Abschlussplatten sind in einer anderen Bauform auf den äußeren Zylinder aufgeschraubt. Auf diese Weise lässt sich auch eine effektive Abdichtung erreichen.
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Weiterhin sind günstigerweise die elektrischen Anschlüsse der Elektroden aus den Abschlussplatten herausgeführt. Die Abschlussplatten können auch mehrteilig aufgebaut sein und Ringe für die einzelnen Zuführleitungen und Kanäle besitzen. Diese Ringe sind dann vorteilhafterweise auf dem inneren Zylinder und/oder der Keramik aufgeschraubt. Somit können Teile der Abschlussplatten auch übereinander verschraubt sein.
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Die Zuführleitungen können als runde oder eckige Rohre ausgeführt sein. Die Anforderungen an die elektrische Leitfähigkeit, die chemische Beständigkeit und die mechanische Stabilität werden mit Rohren aus Kupfer oder Edelstahl erfüllt. Eine andere Möglichkeit sind auch Leitungen aus leitendem, faserverstärktem Kunststoff. Sie erfüllen ebenso die Anforderungen.
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Die Leistungsfähigkeit der Brennstoffzelle wird weiter erhöht, indem mehrere Keramikzylinder konzentrisch ineinander geschachtelt werden. Jeder dieser Keramikzylinder enthält die Katalyseschicht und alle Kanäle die vorstehend beschrieben wurden. Da jeder dieser Zylinder eine eigenständige Brennstoffzelle darstellt, können die erzeugten Spannungen durch Hintereinanderschaltung der Elektroden addiert werden. Somit ergibt sich eine hohe abgegebene Spannung und eine entsprechend große Leistung.
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Es hat sich herausgestellt, dass die erfindungsgemäße Brennstoffzelle auch zur Reformation des Brenngases eingesetzt werden kann. Dazu wird ein Überschuss an Brenngas der Brennstoffzelle zugeführt. Das reformierte Brenngas kann aus den Wasserdampfkanälen wieder entnommen werden.
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Ausführungsformen der Erfindung sind in den Figuren beispielhaft dargestellt.
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1 zeigt schematisch einen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Brennstoffzelle.
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2 zeigt eine andere Ausführungsform im Querschnitt.
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3 zeigt einen Längsschnitt durch eine Brennstoffzelle.
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4 zeigt einen Längsschnitt durch eine Brennstoffzelle mit montierter Turbine.
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5 zeigt perspektivisch eine Brennstoffzelle mit abgeschraubtem Abschluss.
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6 zeigt schematisch einen Querschnitt durch eine Brennstoffzelle mit mehreren Heizspiralen.
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In 1 ist ein Querschnitt durch eine Brennstoffzelle 1 gezeigt. In dem äußeren Zylinder 2 befinden sich die Zuführungsrohre 5 für Sauerstoff oder Luft. In dem inneren Zylinder 3 sind die Zuführleitungen 4 für den Brennstoff nebeneinander angeordnet. Der Brennstoff gelangt aus dem porösen Rohr 4 an die Katalyseschicht 6 auf der ionenleitenden Keramik 10. Die Ionen wandern zu der Kathode 7. Die Anode 8 wird auch durch die Zuführrohre 4 für den Brennstoff gebildet. Auf jeder Seite der Katalyseschicht 6 finden die Reaktionen der Brennstoffzelle statt.
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Für das sich bildende Abgas sind in der Keramik 10 die Kanäle 22 sowie Kanäle für Wasserdampf 25 und Kanäle für das Kohlendioxid 23 vorgesehen. Diese Gase entstehen beim Betrieb der Brennstoffzelle und werden abgeführt.
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Neben den Wasserdampfkanälen 25 sind noch zusätzliche Kanäle 24 für das Brenngas in die Keramik 10 eingezogen sein, die durch Brennstoffverbindungskanäle 28 quer dazu miteinander verbunden sind. So wird das Brenngas weitgehend gleichmäßig in der Keramik verteilt und gelangt ohne große Druckverluste an die Katalyseschicht 6. Ebenso sind für die Sauerstoffseite zusätzliche axiale Sauerstoffkanäle 26 vorgesehen, die auch über quer liegende Verbindungskanäle 27 verbunden sind und für eine gleichmäßige Verteilung des Sauerstoffs in der Keramik 10 sorgen.
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Im Inneren des inneren Zylinders 3 befindet sich der Zuganker 9, über den Brennstoffzelle zusammengehalten wird und durch den ein Wärmetransportmedium fließen kann, um die entstehende Prozesswärme weiter zu nutzen.
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In 2 ist ein Querschnitt durch eine Brennstoffzelle 1 mit mehreren Keramikzylindern 30 dargestellt. Sie sind konzentrisch dem äußeren Zylinder 2 und dem inneren Zylinder 3 angeordnet und bestehen jeweils aus der schon beschriebenen Keramik 10 mit allen Gaskanälen und jeweils einer Katalyseschicht.
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Weiterhin ist dargestellt, dass die Zuführleitungen 4 in dem inneren Zylinder 3 und dem äußeren Zylinder 2 auch als rechteckige Rohre ausgeführt sein können.
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In 3 ist ein Längsschnitt durch die Brennstoffzelle 1 dargestellt. Die Keramik 10 ist durch die beiden Abschlussplatten 11 begrenzt. Diese werden durch den Zuganker 9 und die zusätzlichen Zuganker 12 verpresst und damit abgedichtet. Die Schrauben zur Verpressung sind nicht dargestellt. Auch sind weitere Kanäle innerhalb der Keramik 10 nicht dargestellt.
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In den Abschlussplatten 11 befindet sich jeweils ein Kanal 13 für die Verbindung der Rohre 5 für den Sauerstoff und ein Kanal 16 für die Verbindung der Rohre 4 für den Brennstoff.
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Über den Anschluss 14 wird der Brennstoff eingeleitet, ebenso über den Anschluss 15 der Sauerstoff. Diese Anschlüsse sind auf beiden Seiten zugänglich.
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Der erzeugte Strom wird über die Elektrodenanschlüsse 17 und 18 abgenommen.
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In 4 ist die gleiche Brennstoffzelle 1 wie in 3 dargestellt. Zusätzlich ist hier eine Turbine 40 auf eine innere Abschlussplatte 11 montiert. Diese Abschlussplatte besitzt Durchführungen 22 für das Abgas, dessen Energie in der Turbine 40 mittels der Propeller 41 oder durch Turbinenschaufeln genutzt wird. Das verbrauchte Abgas wird dann von den Abgasanschlüssen 29 an der äußeren Abschlussplatte 42 abgenommen.
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In 5 ist perspektivisch eine Brennstoffzelle 1 dargestellt, die außen auf dem äußeren Zylinder 2 mit den Elektroden 7 und den Zuführleitungen 5 Schraubgewinde 19 für jeweils eine Abschlussplatte aufweist.
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Auch an der Keramik 10 ist etwas hervorstehend ein Schraubgewinde 21 angebracht. Hier kann ein Verbindungsring für die nicht dargestellten Gaskanäle aufgeschraubt werden.
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Auf dem inneren Zylinder 3 mit den Elektroden 8 und den Zuführleitungen 3 ist ein Schraubgewinde 20 vorgesehen, auf dem ein Verbindungsring für die Zuführung des Brenngases aufgeschraubt werden kann.
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Mit den einzelnen Schraubgewinden kann sehr einfach die Abschlussplatte, auch in mehreren Teilen, aufgeschraubt und die Brennstoffzelle 1 abgedichtet werden. Dabei ist natürlich darauf geachtet, dass die Abschlussdeckel mit entsprechend geformten Dichtungsringen versehen sind, die den Deckel gegen die Komponenten und die Kanäle abdichten.
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In 6 ist der innere Zylinder 3 der Brennstoffzelle separat dargestellt. Er enthält die Zuführrohre 5, die das Gas nach außen an die nicht dargestellte Keramik abgeben. Im Inneren des Zylinders 3 ist der Zuganker 9 dargestellt, der die Brennstoffzelle zusammenzieht. Zwischen dem inneren Zylinder 3 und dem Zuganker sind Heizspiralen 31 angeordnet, über die die Brennstoffzelle zum Starten aufgeheizt werden kann. Im Betrieb kann dann über ein Wärmetransportmittel Wärme durch den Zuganker 9 wieder abgeführt werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Brennstoffzelle
- 2
- Äußerer Zylinder
- 3
- Innerer Zylinder
- 4
- Zuführrohr Brennstoff
- 5
- Zuführrohr Sauerstoff
- 6
- Katalyseschicht
- 7
- Kathode
- 8
- Anode
- 9
- Zuganker
- 10
- Keramik
- 11
- Abschlussplatte
- 12
- Äußerer Zuganker
- 13
- Verbindungskanal Sauerstoff
- 14
- Anschluss Brennstoff
- 15
- Anschluss Sauerstoff
- 16
- Verbindungskanal Brennstoff
- 17
- Anschluss Kathode
- 18
- Anschluss Anode
- 19
- Schraubgewinde äußerer Zylinder
- 20
- Schraubgewinde innerer Zylinder
- 21
- Schraubgewinde Keramik
- 22
- Abgaskanal
- 23
- Kohlendioxidkanal
- 24
- Axiale Brennstoffkanäle
- 25
- Wasserdampfkanal
- 26
- Axiale Sauerstoffkanäle
- 27
- Sauerstoff-Verbindungskanäle
- 28
- Brennstoff-Verbindungskanäle
- 29
- Abgasanschluss
- 30
- Keramikzylinder
- 31
- Heizspiralen
- 40
- Turbine
- 41
- Turbinenpropeller
- 42
- Äußerer Deckel
