DE10234821A1

DE10234821A1 - Elektrochemische Zelle

Info

Publication number: DE10234821A1
Application number: DE10234821A
Authority: DE
Inventors: Felix Dipl.-Ing. Blank (FH); Cosmas Dipl.-Ing. Heller
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2002-07-31
Filing date: 2002-07-31
Publication date: 2004-02-19
Anticipated expiration: 2022-08-01
Also published as: DE10234821B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine elektrochemische Zelle, insbesondere eine Proton-Exchange-Membran-Brennstoffzelle (PEM-Brennstoffzelle) oder eine Elektrolysezelle. Aufgabe der Erfindung ist es, eine elektrochemische Zelle zu entwickeln, die bei geringen Kosten- und Materialaufwand verbesserte Strömungseigenschaften für die Reaktionsmittel und Kühlmittel aufweist. Die Erfindung besteht darin, dass bei einer elektrochemischen Zelle, mit einer Kanalstruktur für die Zufuhr, Zirkulation und Abfuhr von Betriebsmitteln, in die Kanalstruktur (13, 28-30, 40-42) mindestens eine Strahlpumpe (6, 16-18, 34-36, 46, 48) integriert ist, bei der durch das Strömen eines zugeführten Betriebsmittels ein Druckabfall hervorgerufen wird, durch den ein Teil des verbrauchten Betriebsmittels angesaugt und dem zugeführten Betriebsmittel beigemischt wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrochemische Zelle, insbesondere eine Proton-Exchange-Membran-Brennstoffzelle (PEM-Brennstoffzelle) oder eine Elektrolysezelle, nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

In einer Elektrolysezelle mit einer Kathode und einer Anode wird elektrische Energie in chemische Energie umgewandelt. Durch elektrischen Strom wird durch eine Ionenentladung eine chemische Verbindung zerlegt. Beim Anlegen einer äußeren Spannung werden an der Kathode im Rahmen eines Reduktionsvorganges von den Ionen Elektronen aufgenommen. An der Anode werden im Rahmen eines Oxidationsvorganges von den Ionen Elektronen abgegeben. Die Elektrolysezelle ist so aufgebaut, dass Reduktion und Oxidation voneinander getrennt ablaufen.

Brennstoffzellen sind galvanische Elemente mit Plus- und Minuspol, bzw. mit einer Kathode und einer Anode, die chemische Energie in elektrische Energie umwandeln. Hierzu werden Elektroden verwendet, die mit einem Elektrolyten und vorzugsweise einem Katalysator zusammenwirken. Am Pluspol findet eine Reduktion statt, wodurch Elektronenmangel besteht. Am Minuspol findet eine Oxidation statt, wodurch Elektronenüberschuß besteht. Die elektrochemischen Vorgänge laufen in der Brennstoffzelle ab, sobald ein äußerer Stromkreis geschlossen ist.

In DE 100 47 248 A1 ist ein typischer Aufbau einer Brennstoffzelle gezeigt. Die Brennstoffzelle besteht aus einer Kathodenelektrode, einer Anodenelektrode und einer Matrix, die zusammen eine Membran-Elektroden-Einheit (MEA) bilden. Die Kathodenelektrode und die Anodenelektrode besteht jeweils aus einem elektrisch leitenden Körper, der als Träger für einen Katalysatorstoff dient. Die Matrix ist zwischen der Kathoden- und Anodenelektrode angeordnet und dient als Träger für einen Elektrolyten. Mehrere Brennstoffzellen werden unter Zwischenlage von Separatorplatten aufeinandergestapelt. Die Zuführung, Zirkulation und Abführung von Oxidanten, Reduktanten, Reaktanten und Kühlmitteln erfolgt über Kanalsysteme, welche mit den Separatorplatten erzeugt sind. Für jedes Betriebsmittel sind in den Brennstoffzellenstapeln Zufuhrkanäle, Verteilerkanäle und Abfuhrkanäle vorgesehen, die durch Dichtmittel voneinander getrennt sind. Die Brennstoffzellen können zur Spannungserhöhung in Reihe geschaltet sein. Die Stapel sind durch Endplatten abgeschlossen und in einem Gehäuse untergebracht, wobei Plus- und Minuspol nach außen zu einem Verbraucher geführt sind.

Bei der in EP 398 111 A1 gezeigten Vorrichtung zur Umwandlung chemischer Energie von Kohlenwasserstoffen in elektrische Energie mittels eines elektrochemischen Hochtemperaturprozesses sind mehrere Stapel aus ebenen, flachen, plattenförmigen keramischen Brennstoffzellen vorgesehen. Jedem Stapel sind zur Zufuhr und Abfuhr von einem Brennstoff und eines gasförmigen Sauerstoffträgers zentrale Gasstrahlpumpen zugeordnet. Die Gasstrahlpumpen sitzen außen an einem Stapel und versorgen über Rohre, Leitungen und Hohlräume eine Vielzahl übereinanderliegender Brennstoffzellen. Die Gasstrahlpumpen bewirken den Transport und die Mischung eines Teiles eines Brennstoffüberschusses und der gasförmigen Reaktionsprodukte CO₂ und H₂O mit dem gasförmigen Brennstoff. Die Separatorplatten zwischen den Brennstoffzelle besitzen eine herkömmliche, homogene Kanalstruktur zur Durchleitung des Brennstoffes und eines gasförmigen Sauerstoffträgers. Durch das Vorsehen von zentralen Gasstrahlpumpen umfasst die Vorrichtung ein großes Bauvolumen. Die Führung der gasförmigen Medien ist unzulänglich, wodurch der Wirkungsgrad herabgesetzt wird.

Der Gesamtwirkungsgrad eines Brennstoffzellen-Systems kann durch den Quotienten aus generierter elektrischer Leistung und der eingesetzten chemischen Energie, insbesondere aus dem Heizwert von Wasserstoff, bestimmt werden. Aus Gründen der Effizienzsteigerung und zur Erreichung großer Reichweiten brennstoffzellenbetriebener Fahrzeuge ergibt sich daraus die Forderung, die eingesetzte Wasserstoffmenge bei möglichst gleich hoher elektrischer Leistungsabgabe der Brennstoffzelle zu verringern. Um dies zu gewährleisten, wurde bei Brennstoffzellen-Systemen zur Wiederverwendung von nicht umgesetzten Wasserstoff mindestens ein Teil des Anodengases oder sogar das gesamte Anodengas vom Ausgang einer Brennstoffzelle über eine Schleife zum Eingang zurückgeführt. Die in einem Brennstoffzellenstapel und in den Rückführleitungen entstehenden Druckverluste werden mit einer Pumpe ausgeglichen. Die Rückführleitungen und die Pumpe bedingen zusätzlichen Bauraum. Bei Brennstoffzellen-Systemen mit einer Brenngaserzeugung in einem Reformatverfahren müssen die Kanalsysteme und Leitungen von Zeit zu Zeit gesäubert werden, um überflüssige Gasanteile aus einem Brennstoffzellenstapel zu bekommen. Der Anteil des Brenngases Wasserstoff kann über eine Rückführpumpe variiert werden. Innerhalb einer einzelnen Brennstoffzelle und zwischen den Zellen eines Brennstoffzellenstapels treten stets Ungleichverteilungen in den Gasströmungen auf, was durch einen überstöchiometrischen Betrieb verringert wird.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine elektrochemische Zelle zu entwickeln, die bei geringem Kosten- und Materialaufwand verbesserte Strömungseigenschaften für die Reaktionsmittel und Kühlmittel aufweist.

Die Aufgabe wird mit einer elektrochemischen Zelle gelöst, welche die Merkmale nach Patentanspruch 1 aufweist. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Gemäß der Erfindung ist mindestens eine Strahlpumpe in die Kanalstruktur einer elektrochemischen Zelle integriert, um die Zelle mit einem Betriebsmittel, wie gasförmige oder flüssige Oxidationsmittel, Reduktionsmittel, Kühlmittel und andere Hilfsstoffe, zu versorgen.

Bei Brennstoffzellen ist es besonders von Vorteil, wenn die Strahlpumpe in die Kanalstruktur eines Brenngases auf der Anodenseite integriert ist. Die erfinderische Lehre ist ebenso in Kanalstrukturen auf der Kathodenseite und im Kühlsystem anwendbar.

Beim Integrieren in die Kanalstruktur des Brenngases auf der Anodenseite entsteht der Vorteil, dass ein Anodenkreislauf des Brenngases nicht außerhalb eines Brennstoffzellenstapels realisiert werden muss, sondern ist raumsparend in den jeweiligen Zellebenen untergebracht. Das Brenngas wird in herkömmlicher Weise über einen Zuführkanal einer Brennstoffzelle zugeleitet. Vom Zuführkanal ausgehend wird das Brenngas in einen oder mehrere Kanäle in der Zellebene geleitet. Die Kanalstruktur kann so strahlpumpenförmig gestaltet und aufgebaut werden, dass ein Kreislauf des Brenngases auf der Anodenseite ermöglicht wird. Eine Strahlpumpe kann vorteilhaft direkt aus dem Material der Kanäle erzeugt werden oder als separates Bauelement in die Kanäle eingebracht werden. Entlang eines Kanals können mehrere Strahlpumpenelemente vorgesehen werden. Durch Wegfall eines externen Anodenkreislaufes ergeben sich Vorteile bezüglich Kosten, Gewicht und Bauraum.

Durch eine erfindungsgemäße Anordnung von Strahlpumpen in der Kanalstruktur einer Brennstoffzelle werden Druckverluste minimiert. Da eine Strahlpumpe direkt innerhalb der Kanal struktur wirkt, muss die Strahlpumpe nicht den Druckverlust über externe Leitungen zusätzlich überwinden und kann damit mit geringerem Druck arbeiten. Dadurch, dass die gasförmigen Reaktanten nicht aus der Brennstoffzelle geführt werden, gibt es auch keine Probleme mit der Kondensation von Wasser. Es ist die Möglichkeit gegeben, in der Ebene einer Kanalstruktur eine Kaskadierung der Kreisläufe vorzunehmen. Damit können bei Bedarf bestimmte Bereiche einer Brennstoffzelle stärker oder schwächer versorgt werden. Z. B. kann am Ausgang einer Zelle, wo kritische Stöchiometrien erreicht werden, ein zweiter Kreislauf die Versorgung mit gasförmigen Reaktionsmitteln verbessern. Dies Vorteile ergeben sich sowohl auf der Anodenseite als auch auf der Kathodenseite. Um Randzelleneffekte zu vermeiden, können die Strahlpumpen in den Brennstoffzellen eines Brennstoffzellenstapels unterschiedlich mit einer oder mehreren Strahlpumpen verschaltet werden. Bei Anwendung der Erfindung auf eine Kanalstruktur für ein Kühlmittel ist es durch gezielte Anordnung von Strahlpumpen möglich, in den Kanälen unterschiedliche Strömungsgeschwindigkeiten zu realisieren, wodurch unterschiedliche Wärmeübergänge entstehen.

Die Erfindung soll nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen für eine PEM-Brennstoffzelle näher erläutert werden, es zeigen:
1 : ein Schema einer Strahlpumpe,
2 : ein Schema eines Anodenkreislaufes mit integrierter Strahlpumpe,
3 : ein Schema eines Kreislaufes mit mehreren integrierten Strahlpumpen,
4 : ein Schema eines serpentinenförmigen Kreislaufes mit mehreren blockweise angeordneten Strahlpumpen, und
5 : ein Schema eines Kreislaufes bestehend aus zwei kaskadierten Kreisläufen.
1 zeigt ein strahlpumpenförmiges Element, wie es in einer anodenseitigen Kanalstruktur eingesetzt werden kann. Das Strahlpumpenelement besteht aus einer Zufuhrleitung 1, einer konisch zulaufenden Strahlleitung 2, einer Düse 3, einer Brennmittelleitung 4 und einer Rückführleitung 5. Die Zufuhrleitung 1 mit dem Durchmesser d₁= lmm steht mit einem Wasserstoffvorratssystem in Verbindung. Die Strahlleitung 2 setzt an der Zufuhrleitung 1 an und verjüngt sich von d₁ auf den Durchmesser d₂ der Düse 3. Es sei angenommen, dass reiner Wasserstoff mit einer Strömungsgeschwindigkeit von 5ms^–1 mit einer Dichte von p = 0,7kg/m³, bei einer Temperatur von 75°C und einem Druck von 1,1 bara durch die Zufuhrleitung 1 strömt. Wenn am Eingang der Strahlleitung 2 ein Absolutdruck von p₁= 1,15 bara und am Ort des engsten Querschnittes der Düse 3 ein Absolutdruck von p₂= 1,1 bara besteht, dann ergibt sich der Düsendurchmesser d₂ aus der Gleichung nach Bernoulli und der Kontinuitätsgleichung ohne Berücksichtung von Strömungsverlusten wie folgt:
Die Düse 3 weitet sich am Ende wieder auf den Durchmesser d₁ auf und geht in die Brennmittelleitung 4 über, die eine Kanalstruktur bildet. Am Ausgang der Brennmitteleitung 4 ist die Rückführleitung 5 abgezweigt, welche, wie in l gezeigt, in den engsten Querschnitt der Düse 3 einmündet. Durch das Strömen von Wasserstoff durch die Düse 3 entsteht in der Rückführleitung 5 ein Unterdruck, so dass ein Teil des gebrauchten Brenngases vom Ende der Brennmitteleitung 4 angesaugt und dem Kreislauf erneut zugeführt wird
2 zeigt ein Schema eines Anodenkreislaufes mit einer integrierten Strahlpumpe 6, die in einer ebenen Separatorplatte 7 eines Brennstoffzellenstapels mit mehreren übereinandergestapelten Brennstoffzellen angeordnet ist. Jede Separatorplatte 7 enthält einen gemeinsamen Einlasssammelkanal 8 und einen gemeinsamen Auslasssammelkanal 9 für die Anodenseite und einen gemeinsamen Einlasssammelkanal 10 und einen gemeinsamen Auslasssammelkanal 11 für die Kathodenseite der übereinandergestapelten Brennstoffzellen. Durch den Einlasssammelkanal 8 der Anodenseite wird Wasserstoff geleitet. Durch den Einlasssammelkanal 10 der Kathodenseite wird sauerstoffhaltige Luft geleitet. Am Auslasssammelkanal 9 der Anodenseite kann unverbrauchter Wasserstoff abgeführt werden. Am Auslasssammelkanal der Kathodenseite wird Wasser abgeführt.
Der Wasserstoff gelangt vom Einlasssammelkanal 8 über eine Leitung 12 zur Strahlpumpe 6. Danach durchströmt der Wasserstoff eine mäanderförmige Verteilerkanalstruktur 13. Nachfolgend kann der Wasserstoff über eine Leitung 14 zum Auslasssammelkanal 9 geleitet werden, sofern er nicht in der Brennstoffzelle verbraucht wurde. Die Leitung 14 ist mit einer Rückführleitung 15 verbunden. Damit kann ein Teil des am Ausgang der Verteilerkanalstruktur 13 bestehenden Gasgemisches aus unverbrauchtem Wasserstoff und Reststoffen der Strahlpumpe zugeführt werden. Die Strahlpumpe 6 funktioniert so, wie das zu 1 beschriebene Strahlpumpenelement.
Versuche mit am Ende abgeschlossenen Verteilerkanal 13 haben gezeigt, dass die Spannung an den Elektroden der Brennstoffzelle meist nach einiger Zeit zusammenbricht. Wenn aber über die Rückführleitung 15 ein minimaler Volumenstrom, von z.B. 1% abgeleitet wird, bleibt die Spannung stabil. Dieser minimale Volumenstrom kann mit der Strahlpumpe 6 einfach aufrechterhalten werden. In Abhängigkeit von der zugelassenen Druckzunahme in der Verteilerkanalstruktur 13 kann dann Rest wasserstoff über die Leitung 14 und den Auslasssammelkanal aus der Brennstoffzelle gebracht werden.
Bei der Beschreibung der 3-5 werden für Elemente mit äquivalenter Funktion die gleichen Bezugszeichen verwendet, wie sie in der Beschreibung zu 2 eingeführt wurden.
In 3 ist eine Schema einer anodenseitigen Kanalstruktur mit mehreren Strahlpumpen 16-18 dargestellt. Mit jeder Strahlpumpe 16-18 wird ein eigener Bereich 19-21 der Kanalstruktur mit Wasserstoff versorgt. Dadurch lässt sich die Gleichmäßigkeit bei der Versorgung einer Brennstoffzelle mit Wasserstoff verbessern. In jedem Bereich 19-21 bestehen eigene Zufuhrleitungen 22-24 vom Einlasssammelkanal 8 zur jeweiligen Strahlpumpe 16-18, Abflussleitungen 25-27 vom Ende eines Verteilerkanals 28-30 zum Auslasssammelkanal 9 und Rückführleitungen 31-33 vom Ende eines Verteilerkanals 28-30 zum Sauganschluß der jeweiligen Strahlpumpe 16-18.
Das Schema in 4 zeigt blockweise angeordnete Strahlpumpen 34-36 in einer anodenseitigen Kanalstruktur. Die Strahlpumpen 34-36 besitzen jeweils Zufuhrleitungen 37-39 für Wasserstoff vom Einlasssammelkanal 8. Die von den Strahlpumpen 34-36 ausgehenden Verteilerkanäle 40-42 sind parallel und serpentinenartig in jeder Separatorplatte 7 geführt. Die Enden der Verteilerkanäle münden im Auslasssammelkanal 9. Vom Auslasssammelkanal 9 führt eine gemeinsame Rückführleitung 43 zu den Sauganschlüssen der Strahlpumpen 34-36. Bei dieser Variante ist der Aufwand für die Rückführleitungen 43 minimiert.
Bei der in 5 gezeigten Variante sind zwei anodenseitige Verteilerkanalstrukturen 44, 45 in einer Kaskadenanordnung verschaltet. Die erste Verteilerkanalstruktur 44 wird von einer Strahlpumpe 46 mit Wasserstoff versorgt, die über eine Leitung 47 mit dem Einlasssammelkanal 8 verbunden ist. Die Verteilerkanalstruktur 44 ist über einen größeren Bereich mäanderförmig ausgeführt. Das Ende der Verteilerkanalstruktur 44 führt auf eine weitere Strahlpumpe 48, die die Verteilerkanalstruktur 45 versorgt, welche einen kleineren Bereich versorgt, als die Verteilerkanalstruktur 44. Das Ende der Verteilerkanalstruktur 45 führt über eine Leitung 49 zum Auslasssammelkanal 9, wobei eine Rückführleitung 50 abgezweigt und mit dem Sauganschluß der Strahlpumpe 48 verbunden ist. Weiterhin ist eine Rückführleitung 51 vom Ende der Verteilerkanalstruktur 45 abgezweigt und zum Sauganschluß der Strahlpumpe 46 gelegt. Am Ende der Verteilerkanalstruktur 44 ist bereits relativ viel Wasserstoff abgereichert. Bei dieser Variante ergibt sich die Möglichkeit, in der Verteilerkanalstruktur 45 den Restwasserstoff nochmals zusätzlich in einem kleineren Kreislauf der Verteilerkanalstruktur 45 zu pumpen, so dass auch eine optimale Versorgung in der Verteilerkanalstruktur 45 mit Wasserstoff sicher gestellt ist.

1: Zuführleitung
2: Strahlleitung
3: Düse
4: Brennmittelleitung
5: Rückführleitung
6: Strahlpumpe
7: Separatorplatte
8, 10: Einlasssammelkanal
9, 11: Auslasssammelkanal
12: Leitung
13: Verteilerkanalstruktur
14: Leitung
15: Rückführleitung
16-18: Strahlpumpe
19-21: Bereich
22-24: Zufuhrleitung
25-27: Abflussleitung
28-30: Verteilerkanal
31-33: Rückführleitung
34-36: Strahlpumpe
37-39: Zufuhrleitung
40-42: Verteilerkanal
43: Rückführleitung
44, 45: Verteilerkanalstruktur
46: Strahlpumpe
47: Leitung
48: Strahlpumpe
49: Leitung
50, 51: Rückführleitung

Claims

Elektrochemische Zelle, mit einer Kanalstruktur für die Zufuhr, Zirkulation und Abfuhr von Betriebsmitteln, dadurch gekennzeichnet, dass in die Kanalstruktur (13, 28-30, 40-42) mindestens eine Strahlpumpe (6, 16-18, 34-36, 46, 48) integriert ist, bei der durch das Strömen eines zugeführten Betriebsmittels ein Druckabfall hervorgerufen wird, durch den ein Teil des verbrauchten Betriebsmittels angesaugt und dem zugeführten Betriebsmittel beigemischt wird.
Elektrochemische Zelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer als Brennstoffzelle ausgebildeten Zelle mit einer Anodenseite und einer Kathodenseite die Strahlpumpe (6, 16-18, 34-36, 46, 48) in die Kanalstruktur (13, 28-30, 40-42) eines Brenngases auf der Anodenseite integriert ist.
Elektrochemische Zelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanalstruktur (28-30) in verschiedene Bereiche (19-21) geteilt ist, denen jeweils ein Strahlpumpenelement (16-18) zugeordnet ist.
Elektrochemische Zelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Strahlpumpenelemente (46, 48) kaskadenförmig hintereinander geschaltet sind.
Elektrochemische Zelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine blockweise Anordnung von Strahlpumpenelementen (34-36) vorgesehen ist, die einen gemeinsamen Ansaugkanal (43) aufweisen.