DE102012102750B4

DE102012102750B4 - Brennstoffzellenelement und Brennstoffzellenvorrichtung

Info

Publication number: DE102012102750B4
Application number: DE102012102750.1A
Authority: DE
Inventors: Zeynep Ilhan; Patric Szabo; Syed Asif Ansar
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2012-03-29
Filing date: 2012-03-29
Publication date: 2021-04-22
Anticipated expiration: 2032-03-30
Also published as: DE102012102750A1

Abstract

Drei-Kammer-Brennstoffzellenelement (102), umfassend mindestens eine als Rahmen ausgebildete Aufnahmevorrichtung (112) für zwei Elektrodenschichten (108) und eine zentrale Schicht (110),wobei durch eine Elektrodenschicht (108) eine Brennstoffkammer (120B) gebildet ist,wobei durch eine Elektrodenschicht (108) eine Oxidatorkammer (1200) gebildet ist,wobei durch die zentrale Schicht (110) eine Abgaskammer (120A) gebildet ist,wobei eine vollständige Trennung der Kammern (120B, 1200, 120A) vorgesehen ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellenelement und eine Brennstoffzellenvorrichtung.
Eine Brennstoffzellenvorrichtung ist beispielsweise aus der WO 2006/097663 A2 bekannt.
Die DE 60 2004 001 520 T2 offenbart eine Membranelektrodenbaugruppe mit integrierter Dichtung.
Die DE 601 26 773 T2 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Prägen von Folienmaterial aus expandiertem Graphit unter vermindertem Druck.
Die DE 197 50 738 C1 offenbart ein Verfahren zur Bestimmung des Stoffumsatzes bei elektrochemischen Reaktionen sowie eine elektrochemische Einheit.
Die DE 19 45 945 B2 offenbart eine Brennstoffbatterie zur Umsetzung eines im Elektrolyten gelösten Reaktanten.
Beispielsweise bei einer Drei-Kammer-Brennstoffzellenvorrichtung sind mindestens drei Gasvolumina, insbesondere sämtliche Gasvolumina, getrennt voneinander angeordnet. Insbesondere sind mindestens drei Gasströme, insbesondere sämtliche Gasströme, getrennt voneinander geführt.
Es kann ein zentraler Teil einer im Wesentlichen idealen Zelle vorgesehen sein, in welchem bei hohen Temperaturen Wasser gebildet wird, das insbesondere aus einer, beispielsweise dünnen, Funktionsschicht mittels eines Spülgassystems herausgespült wird.
Bei einer Brennstoffzellenvorrichtung, beispielsweise einem Hochtemperaturbrennstoffzellensystem, kann eine Kombination aus einem sauerstoffleitenden Brennstoffzellenelement, insbesondere Hochtemperaturbrennstoffzellenelement (SOFC), und einem protonenleitenden Brennstoffzellenelement, insbesondere Hochtemperaturbrennstoffzellenelement (SOFC), vorgesehen sein.
Im Gegensatz zu normalen Hochtemperaturbrennstoffzellen, bei denen das Abgas auf der Brenngasseite entsteht, reagieren die Ausgangsstoffe vorzugsweise in einer Mittelschicht, insbesondere zwischen den Brennstoffzellenelementen.
Insbesondere kann eine vollständige Trennung der Gasräume für das Brenngas, für den Oxidator und für das Abgas vorgesehen sein.
Eine solche Trennung kann Auswirkungen auf das Stackdesign haben. Konventionelle Zweikammerdesigns reichen hierfür nicht mehr aus.
Das Brennstoffzellenelement kann elektrolytgetragen, elektrodengetragen oder substratgetragen ausgebildet sein.
Vorzugsweise kann ein Brennstoffzellenelement mit drei getrennten Kammern (Gasräumen) für Brenngas, Oxidator und Abgas vorgesehen sein, welche insbesondere in ein metallisches Gehäuse integriert ist.
Es kann vorgesehen sein, dass ein Brennstoffzellenelement als eine Art Sandwich zwischen zwei Adapterelementen, insbesondere Adapterrahmen, angeordnet, insbesondere integriert, ist oder wird.
Vorzugsweise zwischen den beiden Rahmen ist die dritte Kammer angeordnet, in welcher das Abgas angeordnet, insbesondere führbar, ist.
Das Abgas ist insbesondere Wasser (H₂O).
Ein Brennstoffzellenelement, insbesondere ein solches Rahmen-Zell-Sandwich-Brennstoffzellenelement, hat vorzugsweise oben und unten Zugänge zu den Brenngas- und Oxidatorräumen (Brenngas- und Oxidatorkammern).
Vorzugsweise sind Interkonnektoren, welche vorzugsweise eine Gasverteilerstruktur für Brenngas und Oxidator aufweisen, vorgesehen, mittels welchen die Brennstoffzellenelemente zu einem Stapel (Stack) der Brennstoffzellenvorrichtung verbindbar oder verbunden sind.
Vorzugsweise sind Interkonnektoren, welche vorzugsweise eine Gasverteilerstruktur für Brenngas oder Oxidator aufweisen, vorgesehen, mittels welchen die Brennstoffzellenelemente zu einem Stapel (Stack) der Brennstoffzellenvorrichtung verbindbar oder verbunden sind.
Vorzugsweise ermöglicht der Sandwichaufbau, mehrere, insbesondere alle, möglichen unterschiedlichen Zellaufbauvarianten (Brennstoffzellenelement-Aufbauvarianten), beispielsweise substratgetragene, elektrodengetragene oder elektrolytgetragene Aufbauvarianten, durch Anpassung der entsprechenden Rahmen anzupassen.
Vorzugsweise weist ein Brennstoffzellenelement drei voneinander verschiedene Kammern auf, welche insbesondere in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sind. In den voneinander verschiedenen Kammern finden vorzugsweise voneinander verschiedene elektrochemische Reaktionen statt.
Vorzugsweise ist ein Gehäuse vorgesehen, welches sich für planare Brennstoffzellenelemente eignet, die vorzugsweise in einem Temperaturbereich zwischen ungefähr 40°C und ungefähr 1000°C, insbesondere zwischen ungefähr 400°C und ungefähr 1000°C, betrieben werden.
Es kann vorgesehen sein, dass die jeweiligen Edukte und Produkte separat den jeweiligen (Edukt-)Kammern zugeführt bzw. separat aus der (Produkt-)Kammer abgeführt werden.
Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass Brennstoff separat einer Brennstoffkammer des Brennstoffzellenelements zuführbar ist oder zugeführt wird.
Ferner kann vorgesehen sein, dass Oxidator separat einer Oxidatorkammer des Brennstoffzellenelements zuführbar ist oder zugeführt wird.
Auch kann vorgesehen sein, dass Abgas separat aus einer Abgaskammer des Brennstoffzellenelements abführbar ist oder abgeführt wird.
Günstig kann es sein, wenn voneinander getrennte Kammern vorgesehen sind, wobei beispielsweise zwei Kammern mittels einer Gasversorgungsvorrichtung Gas, insbesondere Brennstoff und Oxidator, zuführbar ist oder zugeführt wird.
Günstig kann es sein, wenn voneinander getrennte Kammern vorgesehen sind, wobei beispielsweise zwei Kammern mittels einer Gasversorgungsvorrichtung Gas, insbesondere Brennstoff oder Oxidator, zuführbar ist oder zugeführt wird.
Ferner kann vorgesehen sein, dass einer Kammer, insbesondere einer von den Kammern, welchen Brennstoff und Oxidator zuführbar ist oder zugeführt wird, verschiedenen Kammer, eine Wärmebeeinflussungsvorrichtung zugeordnet ist, mittels welcher die Temperatur des Brennstoffzellenelements oder der Brennstoffzellenvorrichtung, insbesondere des Stacks aus Brennstoffzellenelementen, steuerbar oder regelbar ist oder gesteuert oder geregelt wird. Hierbei kann vorzugsweise ein weiteres Medium, insbesondere ein Wärmeübertragungsmedium, der Kammer zugeführt werden.
Vorzugsweise sind separate Kammern für eine Anode, eine Kathode und eine zentrale Membran vorgesehen.
Eine Brennstoffzuführvorrichtung dient vorzugsweise zur Zuführung von Brennstoff zu einer der Elektroden. Eine Oxidatorzuführvorrichtung dient vorzugsweise zur Zuführung von Oxidator zu einer weiteren der Elektroden.
Vorzugsweise ist ein Spülgassystem vorgesehen, mittels welchem Abgas aus der der zentralen Membran zugeordneten Kammer abführbar ist oder abgeführt wird.
Vorteilhaft kann es sein, wenn die Brennstoffzellenvorrichtung in einem Elektrolysebetrieb (electrolyser mode) betreibbar ist oder betrieben wird, in welchem Wasser bei hohen Temperaturen zur Aufspaltung in die ionischen Bestandteile direkt einer zentralen Kammer zuführbar ist oder zugeführt wird.
Vorteilhaft kann es insbesondere sein, wenn mittels einer Strömungsführung der Brennstoffzellenvorrichtung sämtlichen Brennstoffzellenelementen der Brennstoffzellenvorrichtung Brennstoff und Oxidator zuführbar und Abgas abführbar ist.
Als Material für einen Rahmen kann insbesondere hochtemperaturfester Stahl, beispielsweise ferritischer Edelstahl, insbesondere CroFer, verwendet werden.
Ein Rahmen ist ein Beispiel für ein beliebiges Aufnahmeelement zur Aufnahme oder Anordnung eines oder mehrerer der Bestandteile eines Brennstoffzellenelements.
Das Brennstoffzellenelement kann beispielsweise bei mindestens ungefähr 600°C, insbesondere bei mindestens ungefähr 800°C, betrieben werden.
Vorteilhaft kann es sein, wenn mindestens ein Rahmen, insbesondere ein Aufnahmeelement, eine Beschichtung umfasst, beispielsweise zum chemischen oder physikalischen Schutz des Rahmens, insbesondere des Aufnahmeelements, im Betrieb der Brennstoffzellenvorrichtung.
Vorzugsweise umfasst mindestens eine Aufnahmevorrichtung, insbesondere mindestens ein Rahmen, eine Fluiddurchführung zur Durchführung von Brennstoff.
Vorzugsweise umfasst mindestens eine Aufnahmevorrichtung, insbesondere mindestens ein Rahmen, eine Fluiddurchführung zur Durchführung von Oxidator.
Vorzugsweise umfasst mindestens eine Aufnahmevorrichtung, insbesondere mindestens ein Rahmen, eine Fluiddurchführung zur Durchführung von Abgas.
Eine Fluiddurchführung zur Durchführung von Brennstoff ist vorzugsweise im Bereich der Kammer für den Brennstoff mit einer Öffnung versehen, so dass durch die Fluiddurchführung geführter Brennstoff der Kammer für den Brennstoff zuführbar ist oder zugeführt wird.
Eine Fluiddurchführung zur Durchführung von Oxidator ist vorzugsweise im Bereich der Kammer für den Oxidator mit einer Öffnung versehen, so dass durch die Fluiddurchführung geführter Oxidator der Kammer für den Oxidator zuführbar ist oder zugeführt wird.
Eine Fluiddurchführung zur Durchführung von Abgas ist vorzugsweise im Bereich der Kammer für das Abgas mit einer Öffnung versehen, so dass in der Kammer für Abgas erzeugtes Abgas über die Fluiddurchführung abführbar ist oder abgeführt wird.
Vorzugsweise umfasst mindestens eine Aufnahmevorrichtung mehrere Fluiddurchführungen für Brennstoff.
Vorzugsweise umfasst mindestens eine Aufnahmevorrichtung mehrere Fluiddurchführungen für Oxidator.
Vorzugsweise umfasst mindestens eine Aufnahmevorrichtung mehrere Fluiddurchführungen für Abgas.
Ein Brennstoffzellenelement umfasst vorzugsweise mindestens zwei Aufnahmevorrichtungen, welche im montierten Zustand des Brennstoffzellenelements so angeordnet sind, dass Fluiddurchführungen in den Aufnahmevorrichtungen miteinander fluchten und eine Durchführung von Fluid durch das Brennstoffzellenelement ermöglichen.
Brennstoff ist insbesondere Wasserstoff.
Oxidator ist insbesondere Sauerstoff oder Luft.
Abgas ist insbesondere Wasser.
Spülgas ist insbesondere Argon oder Stickstoff.
Spülgas ist insbesondere Argon und Stickstoff.
Weitere bevorzugte Merkmale und Vorteile der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung und der zeichnerischen Darstellung von Ausführungsbeispielen.
In den Zeichnungen zeigen:

1 eine schematische perspektivische Darstellung eines Stacks aus Brennstoffzellenelementen;
2 eine schematische perspektivische Darstellung eines elektrolytgetragenen Brennstoffzellenelements;
3 eine schematische perspektivische Darstellung eines elektrodengetragenen Brennstoffzellenelements;
4 eine schematische Darstellung einer alternativen Ausführungsform einer Aufnahmevorrichtung eines Brennstoffzellenelements;
5 eine schematische Darstellung einer Fluiddurchführung für Brennstoff eines Brennstoffzellenelements;
6 eine schematische Darstellung einer Fluiddurchführung für Oxidator eines Brennstoffzellenelements; und
7 eine schematische Darstellung einer Fluiddurchführung für Abgas eines Brennstoffzellenelements.

Gleiche oder funktional äquivalente Elemente sind in sämtlichen Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.
Eine in 1 dargestellte, als Ganzes mit 100 bezeichnete Brennstoffzellenvorrichtung umfasst mehrere Brennstoffzellenelemente 102, welche mittels Interkonnektoren 104 zu einem Stack 106 der Brennstoffzellenvorrichtung 100 verbunden sind.
Jedes Brennstoffzellenelement 102 umfasst zwei Elektrodenschichten 108, nämlich die Anode und die Kathode und eine zentrale Schicht 110.
Den Elektrodenschichten 108 ist zum Betrieb des Brennstoffzellenelements 102 Brennstoff, insbesondere Wasserstoff, und Oxidator, insbesondere Sauerstoff, zuführbar.
Jedes Brennstoffzellenelement 102 umfasst ferner mindestens eine, Insbesondere zwei, Aufnahmevorrichtungen 112 zur Aufnahme mindestens einer Elektrodenschicht 108, insbesondere beider Elektrodenschichten 108, und der zentralen Schicht 110.
In 2 ist eine Ausführungsform eines Brennstoffzellenelements 102 dargestellt. Das Brennstoffzellenelement 102 ist dabei als ein elektrolytgetragenes Brennstoffzellenelement 102 ausgebildet.
Das Brennstoffzellenelement 102 umfasst zwei Aufnahmevorrichtungen 112, zwischen welchen die beiden Elektrodenschichten 108 und die zentrale Schicht 110 aufgenommen sind.
Insbesondere ist mindestens eine der Aufnahmevorrichtungen 112 hierzu mit einer Vertiefung 114 versehen.
Mindestens eine Aufnahmevorrichtung 112, insbesondere zwei Aufnahmevorrichtungen 112, umfasst mehrere Fluiddurchführungen 116, nämlich mindestens eine Fluiddurchführung 116B für Brennstoff (5), mindestens eine Fluiddurchführung 1160 für Oxidator (6) und mindestens eine Fluiddurchführung 116A für Abgas (7).
Die Fluiddurchführungen 116 sind mit Öffnungen 118 versehen, durch welche die beiden Elektrodenschichten 108 und die zentrale Schicht 110 mit Brennstoff und Oxidator versorgt bzw. durch welche Abgas abgeführt werden kann.
Den Elektrodenschichten 108 und der zentralen Schicht 110 sind Kammern 120, nämlich eine Brennstoffkammer 120B, eine Oxidatorkammer 1200 und eine Abgaskammer 120A, zugeordnet oder die Elektrodenschichten 108 und die zentrale Schicht 110 bilden Kammern 120, nämlich eine Brennstoffkammer 120B, eine Oxidatorkammer 1200 und eine Abgaskammer 120A.
Die Öffnungen 118 in den Fluiddurchführungen 116 ermöglichen eine Fluidverbindung zwischen den Fluiddurchführungen und den Kammern 120.
Insbesondere steht die Fluiddurchführung 116B für Brennstoff mit einer Elektrodenschicht 108 in Fluidverbindung. Die Fluiddurchführung 1160 für Oxidator steht mit der weiteren Elektrodenschicht 108 in Fluidverbindung. Die Fluiddurchführung 116A für Abgas steht mit der zentralen Schicht 110 in Fluidverbindung.
Mittels der Fluiddurchführungen 116 kann das mindestens drei separate Kammern 120 umfassende Brennstoffzellenelement 102 einfach mit Brennstoff und Oxidator versorgt und Abgas einfach abgeführt werden.
Die Abgaskammer 120A kann vorzugsweise über die Fluiddurchführung 116A für Abgas mit Inertgas, insbesondere mit Stickstoff oder Argon, gespült werden, um Abgas abtransportieren zu können.
Eine in 3 dargestellte alternative Ausführungsform eines Brennstoffzellenelements 102 unterscheidet sich von dem in 2 dargestellten Brennstoffzellenelement 102 im Wesentlichen nur dadurch, dass das Brennstoffzellenelement 102 als ein elektrodengetragenes Brennstoffzellenelement 102 ausgebildet ist.
Im Übrigen stimmt das in 3 dargestellte Brennstoffzellenelement 102 hinsichtlich Aufbau und Funktion mit dem in 2 dargestellten Brennstoffzellenelement 102 überein, so dass auf dessen vorstehende Beschreibung insoweit Bezug genommen wird.
In 4 ist eine alternative Ausführungsform einer Aufnahmevorrichtung 112 dargestellt, bei welcher anstelle von Elektrodenschichten 108 und zentraler Schicht 110 mit jeweils runder Grundfläche Elektrodenschichten 108 und eine zentrale Schicht 110 mit im Wesentlichen rechteckiger Grundfläche aufnehmbar sind.
Im Übrigen stimmt die in 4 dargestellte Aufnahmevorrichtung 102 hinsichtlich Aufbau und Funktion mit den übrigen beschriebenen Aufnahmevorrichtungen 102 überein, so dass auf deren Beschreibung insoweit Bezug genommen wird.
Durch die Verwendung mindestens einer Aufnahmevorrichtung 112 kann den Elektrodenschichten 108 separat Brennstoff und Sauerstoff zugeführt werden. Ferner kann durch die Verwendung mindestens einer Aufnahmevorrichtung 112 Abgas aus der zentralen Schicht abgeführt werden. Die Aufnahmevorrichtung 112 ermöglicht somit insbesondere den Aufbau eines Drei-Kammer-Brennstoffzellenelements 102.

Claims

Drei-Kammer-Brennstoffzellenelement (102), umfassend mindestens eine als Rahmen ausgebildete Aufnahmevorrichtung (112) für zwei Elektrodenschichten (108) und eine zentrale Schicht (110), wobei durch eine Elektrodenschicht (108) eine Brennstoffkammer (120B) gebildet ist, wobei durch eine Elektrodenschicht (108) eine Oxidatorkammer (1200) gebildet ist, wobei durch die zentrale Schicht (110) eine Abgaskammer (120A) gebildet ist, wobei eine vollständige Trennung der Kammern (120B, 1200, 120A) vorgesehen ist.
Brennstoffzellenelement (102) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Aufnahmevorrichtung (112) mindestens eine Fluiddurchführung (116B) für Brennstoff umfasst.
Brennstoffzellenelement (102) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Aufnahmevorrichtung (112) mindestens eine Fluiddurchführung (1160) für Oxidator umfasst.
Brennstoffzellenelement (102) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Aufnahmevorrichtung (112) mindestens eine Fluiddurchführung (116A) für Abgas umfasst.
Brennstoffzellenelement (102) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass mittels mindestens einer Öffnung (118) in der mindestens einen Aufnahmevorrichtung (112) eine Fluidverbindung zwischen mindestens einer Fluiddurchführung (116B) für Brennstoff und der Brennstoffkammer (120B) gebildet ist.
Brennstoffzellenelement (102) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass mittels mindestens einer Öffnung (118) in der mindestens einen Aufnahmevorrichtung (112) eine Fluidverbindung zwischen mindestens einer Fluiddurchführung (1160) für Oxidator und der Oxidatorkammer (1200) gebildet ist.
Brennstoffzellenelement (102) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass mittels mindestens einer Öffnung (118) in der mindestens einen Aufnahmevorrichtung (112) eine Fluidverbindung zwischen mindestens einer Fluiddurchführung (116A) für Abgas und der Abgaskammer (120A) gebildet ist.
Brennstoffzellenelement (102) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Spülgassystem vorgesehen ist, mittels welchem Abgas aus der zentralen Schicht (110) abführbar ist.
Brennstoffzellenvorrichtung (100), umfassend mindestens ein Brennstoffzellenelement (102) nach einem der Ansprüche 1 bis 8.
Brennstoffzellenvorrichtung (100) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzellenvorrichtung (100) mehrere Brennstoffzellenelemente (102) umfasst, welche mittels Interkonnektoren (104) miteinander verbunden sind.