DE19757318C1 - Schnellheizung für Brennstoffzellen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle.

Eine Brennstoffzelle weist eine Kathode, einen Elektro­ lyten sowie eine Anode auf. Der Kathode wird ein Oxida­ tionsmittel, z. B. Luft und der Anode wird ein Brenn­ stoff, z. B. Wasserstoff zugeführt.

Verschiedene Brennstoffzellentypen sind bekannt, so beispielsweise die SOFC-Brennstoffzelle aus der Druck­ schrift DE 44 30 958 C1 sowie die PEM-Brennstoffzelle aus der Druckschrift DE 195 31 852 C1.

Die SOFC-Brennstoffzelle wird auch Hochtemperaturbrenn­ stoffzelle genannt, da ihre Betriebstemperatur bis zu 1000°C beträgt. An der Kathode einer Hochtemperatur­ brennstoffzelle bilden sich in Anwesenheit des Oxida­ tionsmittels Sauerstoffionen. Die Sauerstoffionen pas­ sieren den Elektrolyten und rekombinieren auf der Anodenseite mit dem vom Brennstoff stammenden Wasser­ stoff zu Wasser. Mit der Rekombination werden Elektro­ nen freigesetzt und so elektrische Energie erzeugt.

Die Betriebstemperatur einer PEM-Brennstoffzelle liegt bei ca. 80°C. An der Anode einer PEM-Brennstoffzelle bilden sich in Anwesenheit des Brennstoffs mittels ei­ nes Katalysators Protonen. Die Protonen passieren den Elektrolyten und verbinden sich auf der Kathodenseite mit dem vom Oxidationsmittel stammenden Sauerstoff zu Wasser. Elektronen werden dabei freigesetzt und elek­ trische Energie erzeugt. Der Elektrolyt besteht dann aus einer Polymermembran, so zum Beispiel aus Nafion®.

Mehrere Brennstoffzellen werden in der Regel zur Erzie­ lung großer elektrischer Leistungen durch verbindende Elemente elektrisch und mechanisch miteinander verbunden. Ein Beispiel für ein solches verbindendes Element stellt die aus DE 44 10 711 C1 bekannte bipolare Platte dar. Mittels bipolarer Platten entstehen übereinander gestapelte, elektrisch in Serie geschaltete Brennstoffzellen. Diese Anordnung wird Brennstoffzellenstapel genannt.

Als Brennstoff kann unter anderem Methan oder Methanol vorgesehen werden. Die genannten Brennstoffe werden durch Reformierung oder Oxidation u. a. in Wasserstoff oder wasserstoffreiches Gas umgewandelt.

Unter innenliegender Sperrschicht wird im folgenden eine Zwischenschicht in einem mehrschichtigen Elektrolyten verstanden. Diese Zwischenschicht ist praktisch undurchlässig für alle Stoffe bis auf Protonen. Eine aus einer Palladium-Silber-Legierung bestehende Schicht, an die beidseitig konventionelle Elektrolytschichten angrenzen, stellt eine solche Sperrschicht im vorgenannten Sinne dar. Der Silberanteil beträgt 25 Gew.-% bis 50 Gew.-%.

Die Sperrschicht verhindert vorteilhaft das Durchdringen des verwendeten Brennstoffs oder das Durchdringen von Wasser durch die Elektrolytschicht und vermeidet so Leistungsverluste der Brennstoffzelle.

Die innenliegende Sperrschicht wird in der deutschen Patentanmeldung mit dem amtlichen Aktenzeichen 196 46 487.0 beschrieben.

Brennstoffzellen liefern gute Leistungsdaten nur bei höheren Betriebstemperaturen. Dies gilt insbesondere für eine Elektroden-Elektrolyt-Einheit, die eine innenliegende Sperrschicht aufweist. Bei einer Brennstoffzelle mit einer innenliegenden Sperrschicht muß nämlich sichergestellt sein, daß der Übergang Protonen zu Wasserstoff bei Eintritt in die innenliegende Sperrschicht und der Übergang Wasserstoff zu Protonen bei Austritt aus der Sperrschicht mit geringen Überspannungen erfolgt. Betriebstemperaturen oberhalb von 130°C sind daher zu bevorzugen, um zu guten Leistungsdaten zu gelangen.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer Brennstoffzelle mit einer weiter verbesserten Leistung.

Die Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Hauptanspruchs gelöst.

Die anspruchsgemäße Brennstoffzelle weist eine Schicht auf, die als elektrische Heizung ausgestaltet ist. Die benötigte Wärme für gute Leistungsdaten kann somit unmittelbar an bzw. in der Elektroden-Elektrolyt-Ein­ heit erzeugt werden. Wärme- und damit einhergehende Energieverluste können so minimiert werden.

Die als elektrische Heizung ausgestaltete Schicht kann durchgehend porös sein, um den erforderlichen Stofftransport zu ermöglichen. Es kann sich dabei vorteilhaft um eine lediglich für Protonen durchlässige Sperrschicht handeln, die geeignet innerhalb der Elektroden-Elektrolyt-Einheit plaziert ist. So werden unerwünschte, leistungsvermindernde Stoffdurchtritte durch die Brennstoffzelle zugleich verhindert.

Insbesondere ist eine innenliegende Sperrschicht als elektrische Heizung ausgestaltet. Bei dieser Plazierung innerhalb des Elektrolyten befindet sich die elektrisch beheizbare Schicht bei entsprechend dünnem Elektrolyten lediglich ca. 0,1 mm von den Elektroden entfernt. Es werden dann genau die Bereiche beheizt, die für eine hohe Leistung der Brennstoffzelle am wichtigsten sind.

Die erforderliche elektrische Heizleistung kann so minimiert werden. Auch ist eine rasche Aufheizung der Brennstoffzelle auf eine optimale Betriebstemperatur so möglich.

Vorzugsweise für den Betrieb von Brennstoffzellen mit vergleichsweise niedrigen Betriebstemperaturen (um die 130°C) ist die elektrisch beheizbare Schicht vorgesehen.

Als Heizschicht kann eine 10 µm dicke, 10 cm.10 cm große Pd-Folie mit einem spezifischen Widerstand von 11 µOhm.cm vorgesehen werden. Der Widerstand in Querrichtung beträgt 10,8 mOhm. Ein Strom von 20 A bei einer Spannung in Querrichtung U_quer = 216 mV führt zu einer Leistung P von 4,32 W.

Claims (3)

1. Brennstoffzelle mit einer Schicht, die als elektrische Heizung ausgestaltet ist.

2. Brennstoffzelle nach vorhergehendem Anspruch, bei der die als elektrische Heizung ausgestaltete Schicht eine Sperrschicht für sämtliche Stoffe bis auf Protonen ist.

3. Brennstoffzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die als elektrische Heizung ausgestaltete Schicht als Zwischenschicht im Elektrolyten angeordnet ist.