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Die Erfindung betrifft einen elektrochemischen
Zellenstapel nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, insbesondere
einen PEM-Brennstoffzellenstapel.
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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.
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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.
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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 flüssige oder gasförmige Betriebsmittel
sind in den Brennstoffzellenstapeln Zufuhrsammelkanäle, Verteilerkanäle und Abfuhrsamelkanäle vorgesehen,
die durch Dichtmittel voneinander getrennt sind. Die Zufuhrsammelkanäle und Abfuhrsammelkanäle werden
im englischsprachigen Raum als Ports bezeichnet. Über mindestens
einen Zufuhrsammelkanal werden die Zellen eines Stapels parallel
mit einem Oxidant-Fluid,
einem Reaktant-Fluid und einem Kühlmittel
versorgt. Die Reaktionsprodukte , überschüssiges Reaktant- und Oxidant-Fluid und erwärmtes Kühlmittel
werden aus den Zellen über
mindestens einem Abfuhrsammelkanal aus dem Stapel geführt. Die
Verteilerkanäle
bilden eine Verbindung zwischen dem Zu- und Abfuhrsammelkanal und den einzelnen
aktiven Kanälen
einer Brennstoffzelle. 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.
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Zum Betrieb von Polymer-Elektrolyt-Membran
(PEM)-Brennstoffzellen
ist es notwendig, die Prozessgase zumindest teilweise zu befeuchten,
um ein Austrocknen der Polymer-Elektrolyt-Membran
zu verhindern. Zur Befeuchtung ist es bekannt, eine sogenannte Gas-Gas-Befeuchtung
zu verwenden. Dabei wird das feuchte Abgas der PEM-Brennstoffzelle durch
ein Membranmodul geleitet, in dem das feuchte, aus der Zelle austretende
Gas am einströmenden, trockenen
Frischgasstrom vorbeiströmt,
wobei ein Teil des Wassers vom austretenden Gasstrom an den Frischgasstrom
abgegeben wird. Eine Membran trennt den austretenden von dem einströmenden Gastrom.
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In
DE 42 01 632 A1 ist eine Anordnung zur Befeuchtung
der einer Brennstoffzelle zuströmenden Reaktanten
beschrieben, bei der Befeuchtermodule abgesetzt von der eigentlichen
Brennstoffzelle vorgesehen sind. Es bestehen Leitungsverbindungen
zwischen den Befeuchtermodulen und dem chemisch aktiven Teil der
Brennstoffzelle. Separat angeordnete Befeuchtermodule vergrößern den
notwendigen Bauraum eines Brennstoffzellensystems. Über die Leitungsverbindungen
entstehen unerwünschte Druckverluste.
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Bei der in
US 5,176,966 offenbarten Membran-Elektroden-Anordnung einer elektrochemischen Brennstoffzelle
sind ein aktiver Abschnitt und ein separater Befeuchtungs-Abschnitt
zwischen einem Paar Endplatten aufgenommen. Die Stapelanordnung
wird durch Spanngewindebolzen und Gewindemuttern zusammengehalten.
Den Endplatten sind eine Distanzplatte, eine elektrische Isolationsplatte und
eine Druckplatte zugeordnet. Der aktive Abschnitt ist jeweils von
Sammelplatten eingeschlossen. Der Befeuchtungs-Abschnitt liegt zwischen
einer Sammelplatte und der Druckplatte. Eine Endplatte ist als Fluid-Endplatte
ausgebildet und besitzt Anschlussstutzen und Durchgänge für Fluide.
Die Endplatten sind ansonsten massiv aufgebaut, um die erforderlichen
Druckspannungen der Spannbolzen bzw. Muttern auf die Stapelanordnung
weitergeben zu können.
Der Befeuchtungs-Abschnitt
befindet sich dicht bei dem aktivem Abschnitt, nimmt aber einen Teil
des Bauraumes der Brennstoffzellenanordnung ein.
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Aufgabe der Erfindung ist es, einen
elektrochemischen Zellenstapel zu entwickeln, der einen kompakten
Aufbau aufweist und bei dem die Druckverluste bei der Fluidleitung gering
sind. Des weiteren soll der Aufwand an Material und Kosten gering gehalten
werden.
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Die Aufgabe wird mit einem elektrochemischen
Zellenstapel gelöst,
der die Merkmale des Patentanspruchs 1 aufweist. Vorteilhafte Ausgestaltungen
ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Gemäß der Erfindung wird mindestens
eine Systemkomponente, insbesondere ein Gas/Gas-Befeuchtermodul,
in eine Endplatte eines Zellenstapels integriert. Dazu werden in
der Endplatte entsprechende Hohlräume vorgesehen, die die Systemkomponente
oder die Systemkomponenten aufnehmen, so dass kein zusätzlicher
Bauraum für
die Systemkomponenten benötigt
wird. Die Endplatte kann so mit Hohlräumen versehen sein, dass die
die Hohlräume
umgebenden Stege oder Wände
besonders zur gleichmäßigen Übertragung
von Spannkräften
auf eine Fläche
der benachbarten Elemente des Zellenstapels ausgebildet sind. Die
Systemkomponente kann als separates Bauteil in die Endplatte integriert sein
oder zumindest zum Teil aus dem Material der Endplatte erzeugt sein.
Eine Endplatte kann als Gehäuse
für eine
Systemkomponente ausgebildet sein. Neben einem Gas/Gas-Befeuchtermodul
lassen sich auch ein Wärmetauscher,
Bauteile zur Wasserkondensation und/oder ein Wasserstoff-Separations-Modul
bei Reformatbetrieb einer Brennstoffzelle in eine Endplatte integrieren.
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Wenn für einem Zellenstapel ein Gehäuse entsprechend
groß ausgebildet
ist, dann kann mindestens eine Systemkomponente auch in das Gehäuse, oder
zum Teil in das Gehäuse
und zum Teil in eine Endplatte, integriert sein. Das Gleiche gilt
für entsprechend
voluminös
ausgebildete Spannelemente für
die Stapelanordnung.
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Die Erfindung hat den Vorteil, dass
bisher ungenutzter Bauraum der Endplatten, Gehäuseteile oder Spannelemente
oder nur einfach genutzter Bauraum für mindestens eine weitere Funktion
genutzt werden kann. Bei der Integration eines Gas/Gas-Befeuchtermoduls
in eine Endplatte können
für das
Modul vorteilhaft Hohlfasermembranen oder Flachmembranen verwendet
werden, die auf kleinstem Raum eine große Übertragungsrate ermöglichen,
welche sich aus der geometrischen Anordnung der Hohlfasermembranen
und den wirkenden mechanischen Kräften ergibt. Durch den kompakten
Aufbau eines Zellenstapels ergeben sich kurze Strömungswege
für die
Fluide, wodurch die Druckverluste gering sind und der Wirkungsgrad
des Zellenstapels steigt. Durch die Integration von Systemkomponenten
in eine Endplatte kann der Wärmehaushalt
des Zellenstapels verbessert werden.
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Die Erfindung soll nachstehend anhand
von Ausführungsbeispielen
noch näher
erläutert
werden, es zeigen:
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1:
ein Schema eines Brennstoffzellenstapels nach dem Stand der Technik
mit einem zwischen Endplatten angeordneten Befeuchtungsmodul,
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2:
ein Schema eines Brennstoffzellenstapels mit einem in eine Endplatte
integrierten Befeuchtungsmodul,
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3:
ein Schema eines Brennstoffzellenstapels mit einem in eine Endplatte
integrierten Wärmetauschermodul,
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4:
ein Befeuchtungsmodul mit Hohlfasern,
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5:
einen Querschnitt durch das Befeuchtungsmodul nach 4,
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6:
ein Befeuchtungsmodul mit einer plattenförmigen Gasverteilerstruktur
und Flachmembranen,
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7:
einen Querschnitt durch das Befeuchtungsmodul nach 6, und
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8:
eine Darstellung von Flachmembranen des Befeuchtungsmoduls nach 6.
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1 zeigt
einen Brennstoffzellenstapel nach dem Stand der Technik. Zwischen
Endplatten 1, 2 befinden sich ein elektrochemisch
aktiver Bereich 3, ein Befeuchtungsmodul 4 und
ein Interface 5 zwischen dem aktiven Bereich 3 und
dem Befeuchtungsmodul 4. Der elektrochemisch aktive Bereich 3 besteht
aus abwechselnd angeordneten Membran-Elektroden-Einheiten (MEA) und Separatorplatten
zur Zu- und Abführung
und Zirkulation von Fluiden, wie Brenngas, Oxidationsgas und Kühlmittel. Die
Elektroden der Membran-Elektroden-Einheiten sind in Reihe geschaltet.
Die außen
liegenden Elektroden besitzen Polanschlüsse für den Brennstoffzellenstapel,
die mit einem externen Verbraucher verbunden sind. Im Brennstoffzellenstapel
bzw. innerhalb einer Einzelzelle befindet sich ein Kanalsystem 6 aus
Sammel- und Verteilerkanälen
für die
Fluide. Das Interface 3 enthält Fluidleitungen 7, 8 zum
Verbinden des Befeuchtungsmoduls 4 mit dem aktiven Bereich 3.
Das Befeuchtungsmodul 4 enthält parallel laufende Kanäle 9 für ein Fluid,
wie z.B. Frischluft mit Sauerstoff als Oxidationsmittel. Die Kanäle 9 im
Befeuchtungsmodul 4 sind durch Befeuchtermembranen 10 voneinander
getrennt. An der Endplatte 1 befinden sich Anschlüsse 11, 12 für die Frischluft
und Abluft. Die Frischluft wird über
den Anschluss 11 und eine Leitung 13 in die Kanäle 9 des
Befeuchtungsmoduls 4 geleitet. Über die Leitung 7 des
Interface 5 tritt die Frischluft in den aktiven Bereich 3 ein.
Beim Durchströmen
des Kanalsystems 6 wird der Sauerstoff zum Teil verbraucht.
Es entsteht mit Wasser befeuchtete Luft, die über die Leitung 8 dem
Befeuchtungsmodul 4 zugeleitet wird. Die feuchte Luft gibt Wasser über die
Befeuchtermembran 10 an die gegenströmende Frischluft ab. Schließlich wird
die verbrauchte Luft über
eine Leitung 14 und den Anschluß 12 aus dem Brennstoffzellenstapel
geleitet. Die Endplatten 1, 2 dienen neben der
Durchleitung der Fluide nur zur Verspannung des Brennstoffzellenstapels.
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In der nachstehenden Beschreibung,
werden für
Elemente mit äquivalenter
Funktion die vorgehend bereits eingeführten Bezugszeichen verwendet.
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2 zeigt
einen Brennstoffzellenstapel, in den gemäß der Erfindung ein Befeuchtungsmodul 15 in
eine Endplatte 1 integriert ist. Das Befeuchtungsmodul 15 enthält parallele
Leitungen 9 für
Frischluft, die durch eine Befeuchtermembran 10 aus Hohlfasern
getrennt sind. Die Frischluft wird über einen Anschluß 11 in
der Endplatte 1 zum Befeuchtungsmodul 15 geleitet.
Von dort aus gelangt die Frischluft direkt in das Kanalsystem 6 des' aktiven Bereiches 3,
wo sie als Oxidationsmittel dient. Die verbrauchte Abluft ist mit
Wasser angereichert und gelangt zurück zum Befeuchtungsmodul 15. Über die
Befeuchtermembran 10 gibt die Abluft Wasser an die gegenströmende Frischluft
ab. Schließlich
gelangt die Abluft über
den Anschluß 12 außerhalb
des Brennstoffzellenstapels. Die Endplatten 1, 2 dienen
zur Verspannung des Brennstoffzellenstapels, wobei das in die Endplatte 1 integrierte
Befeuchtungsmodul 15 ebenfalls Spannkräfte aufnimmt. Durch die Integration
des Befeuchtungsmoduls 15 in die Endplatte 1 benötigt der Brennstoffzellenstapel
nur einen geringen Bauraum, was mobilen Anwendungen entgegenkommt.
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3 zeigt
einen Brennstoffzellenstapel, bei dem ein Wärmetauschermodul 16 in
eine Endplatte 2 integriert ist. Der Brennstoffzellenstapel
wird über eine
Endplatte 1 und die Kombination aus Endplatte 2 und
Wärmetauschermodul 16 gespannt.
Die Prozessgase werden über
Anschlüsse 17, 18 durch
die Endplatte 1 in den und aus dem aktiven Bereich 3 des
Brennstoffzellenstapels geleitet. Beim Betrieb der Brennstoffzelle
entsteht Wärme,
die mit dem Wärmetauschermodul 16 abgeführt wird.
Hierzu werden zwei Wärmetauschermedien
verwendet, die über
die Anschlüsse 19–22 an
der unteren und oberen Seite der Endplatte 2 zu- und abgeführt werden. Das
erste Wärmetauschermedium
wird über
den Anschluß 19 zugeführt und über den
Anschluß 20 abgeführt. Das
zweite Wärmetauschermedium
gelangt über
den Anschluß 21 in
das Wärmetauschermodul 16 und über den
Anschluß 22 wird
es abgeführt.
Im Wärmetauschermodul 16 sind
die Kanäle 23 für die Wärmetauschermedien
so gelegt, dass Wärme durch
Wärmeleitung
zwischen den Medien und dem Kanalsystem 6 des aktiven Bereiches 3 ausgetauscht
wird.
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In den 4 und 5 ist ein Befeuchtungsmodul
mit Hohlfasern mehr im Detail dargestellt, welches einen flachen
Aufbau besitzt, um in eine Endplatte integriert werden zu können. Das
Befeuchtungsmodul besteht aus einer Grundplatte 19 in den Abmessungen
einer Separatorplatte für
eine Brennstoffzelle. Seitlich sind in der Grundplatte 19 eine
Reihe von Durchbrüchen 20–25 für Sammelkanäle eines Brennstoffzellenstapels
eingebracht. Auf der Grundplatte 19 sind senkrecht stehende,
parallel verlaufende Stege 26–30 angeordnet, die zur
Stabilisierung des Befeuchtungsmoduls dienen. In den außen liegenden
Stegen 26, 30 sind die Enden von Hohlfasern 31 aufgenommen,
wobei die Lufteintritts- und Luftaustrittsöffnungen jeweils zu den Sammelkanälen 20, 21 führen. Die
Hohlfasern 31 sind in mehreren Lagen in Schlaufen meanderförmig um
die Stege 27–29 gelegt,
wozu die Stege 27–29 gegeneinander versetzt
entsprechende Freiräume
lassen. Die Hohlfasern 19 weisen eine membranartige Struktur
auf, durch die nur Wasser aber keine Luft bzw. Sauerstoff auf die
andere Seite der Hohlfasern 31 gelangen kann. Über die
Stege 26–30 ist
eine Abdeckplatte 32 gelegt, so dass Kammern 33–36 gebildet
sind, durch die Luft zirkulieren kann. An den Kammern 33, 36 sind
entsprechende Lufteinlass- und Luftauslassstutzen 37, 38 angeordnet.
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Im Betrieb eines Brennstoffzellenstapels wird über den
Sammelkanal 20 sauerstoffarme , befeuchtete Luft 39 aus
der Brennstoffzelle in die Einströmöffnungen der Hohlfasern am
Steg 26 geleitet. Gleichzeitig wird über den Lufteinlassstutzen 37 sauerstoffreiche,
trockene Luft 40 in die Kammern 33–36 geleitet. Während die
befeuchtete Luft 39 die Hohlfasern 31 durchströmt gibt
sie Wasser an die im Gegenstrom vorbeiströmende trockene Luft 40 ab.
An den Ausströmöffnungen
der Hohlfasern 31 am Steg 30 besitzt die Luft 39 nur
noch eine Restfeuchte. Die verbrauchte Luft 39 wird nach
Abgabe des Wassers über
den Sammelkanal 21 außerhalb
des Brennstoffzellenstapels geführt.
Das von der Luft 39 abgegebene Wasser wurde von der gegenströmenden Luft 40 in
den Kammern 33-36 aufgenommen. Am Luftauslassstutzen 38 hat
die Luft 40 die für
den Betrieb einer Brennstoffzelle erforderlichen Feuchtgehalt. Vom Luftauslassstutzen 38 wird
die sauerstoffreiche und frisch befeuchtete Luft 40 über den
Sammelkanal 25 den Kathoden der Brennstoffzellen zugeleitet.
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Das in den 6–8 dargestellte Befeuchtungsmodul
besteht aus einer Grundplatte 41 weist in den Abmessungen
einer Separatorplatte für
eine Brennstoffzelle. Seitlich sind in der Grundplatte 41 eine
Reihe von Durchbrüchen 42-47 für Sammelkanäle eines
Brennstoffzellenstapels eingebracht. Auf der Grundplatte 41 sind
zwei senkrecht stehende, parallel verlaufende Stege 48, 49 angeordnet,
die zur Stabilisierung des Befeuchtungsmoduls dienen. In den Stegen 48, 49 sind
die Enden von Verteilerkanälen 50–53 für Luft aufgenommen,
wobei die Lufteintritts- und Luftaustrittsöffnungen jeweils zu den Sammelkanälen 42–47 führen. Zwischen
den Stegen 48, 49 sind parallel zu den Stegen 48, 49 eine
Vielzahl von Platten 54,
55 und zwischen den Platten 54, 55 liegende
Flachmembranen 56, 57 angeordnet (8).
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Im Betrieb eines Brennstoffzellenstapels wird über den
Sammelkanal 46 sauerstoffarme , befeuchtete Luft 58 aus
der Brennstoffzelle in den Verteilerkanal 51 geleitet.
Von dort gelangt die feuchte Luft 58 an die Flachmembranen 57.
Gleichzeitig wird über
den Verteilerkanal 53 sauerstoffreiche, trockene Luft 59 an
die benachbarte Flachmembran 56 geleitet. Beim Durchströmen von
Verteilerstrukturen, die an die Flachmembranen 57 grenzen,
kann Wasser durch die Wand der Flachmembran 57 in die eng
anliegende Flachmembran 56 übertreten, so dass die trockene
Luft 59 befeuchtet wird. Über den Verteilerkanal 52 gelangt
die ausreichend befeuchtete Luft 59 in den Sammelkanal 47 zu
den Kathoden der Brennstoffzellen. Die verbrauchte, entfeuchtete
Luft 58 wird über
den Verteilerkanal 50 aus dem Brennstoffzellenstapel geführt.
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Der flache Aufbau des Flachmembranmoduls
gestattet die Integration in eine Endplatte eines Brennstoffzellenstapels.
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- 1,
2
- Endplatte
- 3
- Bereich
- 4
- Befeuchtungsmodul
- 5
- Interface
- 6
- Kanalsystem
- 7,
8
- Fluidleitung
- 9
- Kanal
- 10
- Befeuchtermembran
- 11,
12
- Anschluß
- 13,
14
- Leitung
- 15
- Befeuchtungsmodul
- 16
- Wärmetauschermodul
- 17,
18
- Anschluß
- 19
- Grundplatte
- 20–25
- Durchbruch
- 26–30
- Steg
- 31
- Hohlfaser
- 32
- Abdeckplatte
- 33–36
- Kammer
- 37
- Lufteinlassstutzen
- 38
- Luftauslassstutzen
- 39,
40
- Luft
- 41
- Grundplatte
- 42–47
- Durchbruch
- 48,
49
- Steg
- 50–53
- Verteilerkanal
- 54,
55
- Platte
- 56,
57
- Flachmembran
- 58,
59
- Luft