DE10230045B4

DE10230045B4 - Niedertemperatur-Brennstoffzellenstapel und Verfahren zum Betreiben

Info

Publication number: DE10230045B4
Application number: DE10230045A
Authority: DE
Inventors: Thomas Bewer; Hendrik Dr. Dohle; Rita Jung
Original assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH
Priority date: 2002-07-04
Filing date: 2002-07-04
Publication date: 2004-09-02
Anticipated expiration: 2022-07-05
Also published as: WO2004006370A3; DE10230045A1; WO2004006370A2

Abstract

Niedertemperatur-Brennstoffzellenstapel mit einer ersten, einer letzten und wenigstens einer mittleren, in Serie geschalteten Brennstoffzelle, die jeweils eine Verteilerstruktur zur Verteilung eines Betriebsmittels aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass die Verteilerstruktur der ersten und der letzten Brennstoffzelle jeweils einen um wenigstens 30 größeren oder um wenigstens 30 % kleineren Volumenstrom an Betriebsmittel zuzulassen vermögen, als die Verteilerstruktur einer mittleren Brennstoffzelle.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft einen Brennstoffzellenstapel, insbesondere einen Niedertemperatur-Brennstoffzellenstapel.

Brennstoffzellen wandeln chemische Energie in elektrische Energie um, ohne dabei nennenswerte Emissionen zu erzeugen. Verschiedene Brennstoffzellentypen sind bekannt, so beispielsweise die Hochtemperatur-Brennstoffzellen (Solid-Oxide-Fuel-Cell = SOFC) oder auch die Niedertemperatur-Brennstoffzellen, z. B. die Polymer-Elektrolyt-Membran (PEM) Brennstoffzelle.

Eine einzelne Brennstoffzelle weist in der Regel eine Kathode, eine Anode sowie einen dazwischen befindlichen Elektrolyten, beispielsweise in Form einer ionenleitfähigen Membran auf. Der Kathode wird ein Oxidationsmittel, beispielsweise Sauerstoff oder Luft und der Anode wird ein Brennstoff, beispielsweise Wasserstoff zugeführt. Während ein direkter Kontakt zwischen dem Oxidationsmittel und dem Brennstoff innerhalb der Brennstoffzelle verhindert wird, wird ein Ionentransport durch die Membran zugelassen. Der Wasserstoff wird an der Anode unter Produktion von Protonen oxidiert. Die Protonen wandern durch die Membran zur Kathode, wo sie mit dem Oxidationsmittel zu Wasser reagieren. Die ge samte elektrochemische Reaktion ist spontan und liefert Strom.

Mehrere Brennstoffzellen werden in der Regel zur Erzielung großer elektrischer Leistungen durch verbindende Elemente, sogenannte bipolare Platten, elektrisch und mechanisch miteinander verbunden. Mit diesen bipolaren Platten entstehen so gestapelte, elektrisch in Serie geschaltete Brennstoffzellen, die auch Brennstoffzellenstapel genannt werden.

Die beiden Hauptelemente in einer Brennstoffzelle sind zum einen die Membran-Elektrolyt-Einheit (MEA) und zum anderen die Betriebsmittelverteilereinheiten (bipolare Platten). Diese Betriebsmittelverteilereinheiten, die auch gleichzeitig die Kontaktierung zwischen den Brennstoffzellen sicherstellen, bestehen in der Regel aus Graphit oder Metall. Sie weisen regelmäßig eine Vielzahl von Kanälen auf, die die Betriebsstoffe im Idealfall gleichmäßig über die MEA verteilen sollen und eine Abführung des gebildeten Produktionswassers ermöglicht.

In einem Brennstoffzellenstapel nach dem Stand der Technik sind Niedertemperatur-Brennstoffzellen identischer Bauweise in Reihe geschaltet. Ein entscheidender Faktor für eine hohe Leistungsdichte ist eine gleichmäßige Stromdichte- und Temperaturverteilung auf den Einzelzellen des Brennstoffzellenstapels. Die Stromdichteverteilung wird entscheidend durch die Gleichverteilung der Edukte (z. B. Wasserstoff, Methanol, Luft, Reformat) auf die Einzelzellen des Stapels beeinflusst. Die Gleichverteilung der Edukte wird dabei hauptsächlich durch die über die Einzelzellen abfallenden Druckverluste bestimmt. Diese werden wiederum durch die Verteilerstrukturen beeinflusst.

In einem gemäß dem Stand der Technik aufgebauten Niedertemperatur-Brennstoffzellenstapel tritt regelmäßig eine Ungleichverteilung der Edukte auf die Einzelzellen auf. Dies führt aufgrund der dabei auftretenden ungleichen Temperaturverteilung nachteilig zu einer ungleichmäßigen Stromdichte, insbesondere bei der ersten und letzten Brennstoffzelle in einem Stapel.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Niedertemperatur-Brennstoffzellenstapel bzw. ein Verfahren zum Betreiben desselben mit einer gegenüber dem Stand der Technik verbesserten Stromdichte- und Temperaturverteilung zu schaffen.

Die Aufgabe der Erfindung wird gelöst durch einen Brennstoffzellenstapel mit allen Merkmalen des Hauptanspruchs sowie durch ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Brennstoffzellenstapels gemäß Nebenanspruch. Vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den jeweils darauf rückbezogenen Ansprüchen.

Gegenstand der Erfindung

Der Gegenstand der Erfindung ist ein Niedertemperatur-Brennstoffzellenstapel (stack), mit einer ersten, einer letzten und wenigstens einer mittleren in Serie geschalteten Brennstoffzelle. Die einzelnen Brennstoffzellen weisen jeweils eine Verteilerstruktur zur Verteilung eines Betriebsmittels auf. Die erste und die letzte Brennstoffzelle des Brennstoffzellenstapels weisen jedoch in Abweichung zum Stand der Technik eine Verteilerstruktur auf, die im Betrieb des Brennstoffzellenstapels jeweils einen Volumenstrom an Betriebsmittel zulassen, der um wenigstens 30 % von dem der mittleren Brennstoffzelle abweicht. Vorteilhaft weist ein solcher Brennstoffzellenstapel wenigstens fünf mittlere Brennstoffzellen auf, die zusätzlich in einer besonderen Ausgestaltung jeweils alle eine identische Verteilerstruktur aufweisen.

Die erfindungsgemäße Anordnung löst regelmäßig das Problem der ungleichen Stromdichteverteilung über den Brennstoffzellenstapel. Im Gegensatz zum Stand der Technik sind einzelne Zellen des Brennstoffzellenstapels mit einer von der "Normalbauweise" der Zellen abweichenden Verteilerstruktur versehen. Üblicherweise werden alle Zellen eines Brennstoffzellenstapels in identischer Bauweise gefertigt. Die erfindungsgemäße Anordnung verändert den über die Zellen abfallenden Druckverlust und damit auch die Eduktverteilung auf die Einzelzellen des Brennstoffzellenstapels, da die Strömungsverteilung im Verteilerrohr des Brennstoffzellenstapels verändert wird. Dadurch lässt sich die Eduktmengenstromverteilung auf die Einzelzellen gezielt steuern. Dies bewirkt, dass Ungleichmäßigkeiten in der Stoffmengen- und Temperaturverteilung und damit der Stromdichteverteilung regelmäßig beseitigt werden können.

So kann beispielsweise bei Einsatz von vorgewärmten Betriebsmitteln durch einen erhöhten Volumenstrom und dem damit verbundenen höheren Enthalphiestrom, durch die erste und letzte Zelle des Stapels, die dort aufgrund der Abstrahlung nach außen hin auftretenden niedrigeren Temperaturen ausgeglichen werden. Der erhöhte Enthalphiestrom wird dabei durch einen geringeren Druckabfall über diese Zellen hervorgerufen.

Bei nicht vorgewärmten, kalten Betriebsmitteln wird der Volumenstrom durch die erste und letzte Zelle regelmäßig entsprechend kleiner eingestellt, als der Volumenstrom, der regelmäßig für die mittleren Zellen vorgesehen ist.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weisen die erste und die letzte Brennstoffzelle eine andere Verteilerstruktur auf, als eine Mittelzelle. Diese andere Verteilerstruktur lässt während des Betriebs des Brennstoffzellenstapels jeweils einen Volumenstrom an Betriebsmittel zu, der um wenigstens 50 % von dem der mittleren Brennstoffzelle abweicht, insbesondere um 50 höher ist, als der der mittleren Brennstoffzellen. Aus bautechnischen Gründen wird vorteilhaft für die erste und letzte Zelle eine identische Bauweise der Verteilerstruktur gewählt, um die Zahl an unterschiedlichen Zellen innerhalb eines Brennstoffzellenstapels möglichst gering zu halten.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben des vorgenannten Niedertemperatur-Brennstoffzellenstapels, zeichnet sich dadurch aus, dass während des Betriebs durch die erste und letzte Brennstoffzelle des Stapels ein um wenigstens 30 % unterschiedlicher Volumenstrom an Betriebsmittel strömt, verglichen mit dem, der durch die mittleren Brennstoffzellen strömt. Daraus ergeben sich für die erste und die letzte Zelle des Stapels im Vergleich zu den mittleren Zellen unterschiedliche Druckabfälle, die wiederum zu unterschiedlichen Enthalphieströmen führen. Durch diese unterschiedlichen Enthalphieströme werden entstehende Temperaturgradienten, die sich sonst aufgrund der Abstrahlung besonders der außenliegenden Zellen eines stacks ergeben, regelmäßig kompensiert.
Vorteilhaft wird dabei ein um wenigstens 50 % unterschiedlicher Volumenstrom für die erste und letzte Zelle eingestellt, der je nach Betriebsbedingungen entweder um 50 % geringer oder auch um 50 % größer ist, als der, der für die mittleren Zellen vorgesehen ist.
Da in der Regel an der ersten und letzten Zelle eines Stapels im Betrieb eine geringere Temperatur anliegt, wird bei Einsatz eines vorgewärmten Betriebsmittels vorteilhaft ein höherer Volumenstrom durch diese Zellen geleitet. Dieser kann auch um mehr als 50 % höher ausfallen, als der, der durch die mittleren Zellen geleitet wird.
Für die Erfindung ist insbesondere der Volumenstrom der Edukte bedeutsam, so dass eine vorteilhafte Ausführung der Erfindung besonders auf eine Brennstoffzelle abzielt, die einen abweichenden Volumenstrom der Edukte für die erste und letzte Zelle eines Brennstoffzellenstapels zulässt.

Claims

Niedertemperatur-Brennstoffzellenstapel mit einer ersten, einer letzten und wenigstens einer mittleren, in Serie geschalteten Brennstoffzelle, die jeweils eine Verteilerstruktur zur Verteilung eines Betriebsmittels aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass die Verteilerstruktur der ersten und der letzten Brennstoffzelle jeweils einen um wenigstens 30 größeren oder um wenigstens 30 % kleineren Volumenstrom an Betriebsmittel zuzulassen vermögen, als die Verteilerstruktur einer mittleren Brennstoffzelle.
Niedertemperatur-Brennstoffzellenstapel nach vorhergehendem Anspruch 1 mit wenigstens fünf mittleren Brennstoffzellen.
Niedertemperatur-Brennstoffzellenstapel nach vorhergehendem Anspruch 2, bei dem alle mittleren Brennstoffzellen eine identische Verteilerstruktur aufweisen.
Niedertemperatur-Brennstoffzellenstapel nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, bei dem die erste und die letzte Brennstoffzelle eine identische Verteilerstruktur aufweisen.
Niedertemperatur-Brennstoffzellenstapel nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4, bei dem die Verteilerstruktur der ersten und der letzten Brennstoffzelle jeweils einen um wenigstens 50 % größe ren oder um wenigstens 50 % kleineren Volumenstrom an Betriebsmittel zuzulassen vermögen.
Verfahren zum Betreiben eines Niedertemperatur-Brennstoffzellenstapels gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 5, bei dem während des Betriebs durch die erste und letzte Brennstoffzelle des Stapels jeweils ein um wenigstens 30 % größerer oder um wenigstens 30 % kleinerer Volumenstrom an Betriebsmittel, insbesondere an Edukt strömt, verglichen mit dem Volumenstrom, der durch die mittleren Brennstoffzellen strömt.
Verfahren nach vorhergehendem Anspruch 6, bei dem durch die erste und letzte Brennstoffzelle des Stapels jeweils ein um wenigstens 50 % größerer oder kleinerer Volumenstrom an Edukt strömt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 6 bis 7, bei dem durch die erste und letzte Brennstoffzelle des Stapels ein um wenigstens 50 % größerer Volumenstrom an vorgewärmtem Edukt strömt.