DE19808331A1 - Gasverteiler für eine Brennstoffzelle - Google Patents
Gasverteiler für eine BrennstoffzelleInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle.
Aus der Druckschrift DE 44 30 958 C1 sowie aus der
Druckschrift DE 195 31 852 C1 sind Brennstoffzellen be
kannt, die eine Kathode, einen Elektrolyten sowie eine
Anode aufweisen. Die Kathode befindet sich in einem so
genannten Kathodenraum. Die Anode befindet sich in ei
nem sogenannten Anodenraum. In den Kathodenraum wird
ein Oxidationsmittel, z. B. Luft und in den Anodenraum
wird ein Brennstoff, z. B. Wasserstoff zugeführt. Die
Grenzfläche zwischen einer Elektrode und dem Elektroly
ten wird aktive Fläche genannt. Als Elektrodenfläche
wird die zweidimensionale Ausdehnung der Elektrode be
zeichnet, die parallel zur aktiven Fläche verläuft.
Der deutschen Patentanmeldung 197 15 256.2-45 ist zu
entnehmen, in den Elektrodenräumen Verteilerstrukturen
vorzusehen. Die Verteilerstrukturen sind hier kammartig
ausgestaltet. Sie sollen eine Gleichverteilung der Be
triebsmittel im jeweiligen Elektrodenraum bewirken.
Die Betriebsmittel passieren die Elektrodenräume (An
oden- bzw. Kathodenraum) und verbrauchen sich während
dessen. Anschließend treten die dann verbrauchten, mit
anderen Worten abgereicherten Betriebsmittel aus den
jeweiligen Elektrodenräumen wieder aus.
An der Kathode der aus der Druckschrift DE 44 30 958 C1
bekannten Hochtemperaturbrennstoffzelle bilden sich in
Anwesenheit des Oxidationsmittels Sauerstoffionen. Die
Sauerstoffionen passieren den Festelektrolyten und re
kombinieren auf der Anodenseite mit dem vom Brennstoff
stammenden Wasserstoff zu Wasser. Mit der Rekombination
werden Elektronen freigesetzt und so elektrische Ener
gie erzeugt.
An der Anode der aus DE 195 31 852 C1 bekannten
PEM-Brennstoffzelle bilden sich in Anwesenheit des Brenn
stoffs mittels eines Katalysators Protonen. Die Proto
nen passieren die Elektrolytmembran und verbinden sich
auf der Kathodenseite mit dem vom Oxidationsmittel
stammenden Sauerstoff zu Wasser. An der Anode werden
Elektronen freigesetzt und an der Kathode verbraucht
und so elektrische Energie erzeugt.
Zur Erzielung guter Wirkungsgrade müssen die Betriebs
mittel im Anoden- bzw. im Kathodenraum gleichmäßig über
die Elektrodenflächen verteilt werden.
Durchströmen die Betriebsmittel die Brennstoffzelle, so
sind Druckverluste zu vermeiden bzw. gering zu halten.
Druckverluste haben Leistungsverluste zur Folge.
In einem Elektrodenraum einer Brennstoffzelle liegt in
der Regel ein Gemisch aus Gasen und/oder Flüssigkeiten
vor. Es kann sich um mit Inertgasen verdünnte Brenngase
handeln. Durch Reformierung oder Oxidation eines Brenn
stoffs wie einem Methanol-Wasser-Gemisch können im be
treffenden Elektrodenraum weitere Inertgase wie CO2
auftreten. Der Kathode wird regelmäßig Luft und damit
auch das Inertgas Stickstoff zugeführt.
Die an den jeweiligen Elektroden befindlichen Gase oder
Flüssigkeiten sind im allgemeinen miteinander zu ver
wirbeln, um zu guten Leistungen zu gelangen.
Sollen unbefeuchtete Gase, das heißt, nicht separat in
Befeuchtungseinrichtungen befeuchtete Gase in eine
PEM-Brennstoffzelle eingeleitet werden, so sind die Elek
trodenflächen besonders gleichmäßig mit Betriebsmitteln
zu versorgen. Andernfalls droht verstärkt ein lokales
Austrocknen einer Elektrode und ggf. einer Elektrolyt
membran. Lokales Austrocknen hat Leistungsverluste zur
Folge und kann Schäden verursachen.
Strömen Betriebsmittel parallel zu den sowie angrenzend
an die Elektrodenflächen über längere Bereiche hinweg,
so verbrauchen sie sich zunehmend. Entsprechend unter
scheiden sich die ablaufenden Reaktionen ortsabhängig
in quantitativer Hinsicht.
Gute elektrische Kontakte zu den Elektroden müssen in
einer Brennstoffzelle sichergestellt sein. Thermische
Gradienten sind zu vermeiden, da sich diese schädigend
auswirken können.
Aufgabe der Erfindung ist Bereitstellung einer Brenn
stoffzelle, die im Vergleich zum vorgenannten Stand der
Technik leistungsfähiger ist.
Die Aufgabe wird durch eine Brennstoffzelle mit den
Merkmalen des Hauptanspruchs gelöst. Vorteilhafte Aus
gestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprü
chen.
Die Brennstoffzelle weist eine Elektrode mit offener
Porosität auf. An die eine Seite der Elektrode grenzt
der Elektrolyt. An die andere Seite der Elektrode gren
zen eine Mehrzahl von Zuführungs- und Abführungskanälen
für ein Betriebsmittel.
Ein Zuführungskanal ist ein Kanal, in das unverbrauch
tes Betriebsmittel eingeleitet und zum angrenzenden ak
tiven Bereich weitergeleitet wird. Ein Abführungskanal
ist ein Kanal, in den das an der aktiven Fläche ver
brauchte oder abgereicherte Betriebsmittel eingeleitet
und anschließend aus der Brennstoffzelle herausgeleitet
wird. Ein Kanal, in den zugleich das frische und das
verbrauchte oder abgereicherte Betriebsmittel eingelei
tet wird, stellt keinen Zu- oder Abführungskanal im
Sinne des Anspruchs dar.
An jeden Abführungskanal grenzt ein Zuführungskanal.
Im Unterschied zum Stand der Technik werden die Be
triebsmittel nicht über den Elektrodenraum herausgelei
tet, in den sie eingeleitet worden sind. Das jeweilige
Betriebsmittel verläßt folglich den Zuführungskanal
vollständig in Richtung der entsprechenden Elektroden
fläche. Bauartbedingt trifft daher das vom Zuführungs
kanal kommende Betriebsmittel im wesentlichen senkrecht
auf die Elektrodenfläche auf. Es strömt anschließend in
den benachbarten Abführungskanal, da dies der Weg des
geringsten Strömungswiderstandes ist. Betriebsmittel
strömen somit nahezu senkrecht in die Elektrode hinein
und nahezu senkrecht wieder heraus.
Durch das senkrechte Anströmen wird die Elektrode ent
sprechend gleichmäßig mit unverbrauchtem Betriebsmittel
versorgt. Eingangs genannte Probleme können vermieden
werden. Eine gesteigerte Leistung ist die Folge.
In einer Ausführungsform der Erfindung verlaufen die
Zu- und Abführungskanäle parallel zur Elektrodenfläche
und sind an einem Ende verschlossen. Seitlich weisen
die Zu- und Abführungskanäle Öffnungen zum Beispiel in
Form von Schlitzen oder einem Spalt auf. Die Öffnungen
grenzen zugleich an die Elektrode. In einer weiteren
Ausführungsform verlaufen die Zuführungskanäle parallel
zu den benachbarten Abführungskanälen. Bei diesen bei
den Ausführungsformen ist auf baulich einfache Weise
gewährleistet, daß eine entsprechend große Elektroden
fläche nahezu senkrecht mit unverbrauchtem Betriebsmit
tel angeströmt wird.
In einer nächsten Ausführungsform der Erfindung weist
ein Zu- oder ein Abführungskanal eine Mehrzahl an Lö
chern oder Bohrungen auf. Die Löcher oder Bohrungen be
finden sich zwischen der zugeordneten Elektrodenfläche
und dem jeweiligen Zu- oder Abführungskanal.
Die Betriebsmittel treten durch die Löcher oder Boh
rungen des Zuführungskanals hindurch zur aktiven Fläche
und strömen anschließend verbraucht von der aktiven
Fläche durch die Löcher oder Bohrungen des Abführungs
kanals hindurch in den Abführungskanal hinein. Durch
Vorsehen der genannten Löcher kann die Strömung des
Betriebsmittels besonders gut gesteuert und dosiert
werden.
Die Durchmesser, Form und/oder die Dichte (Anzahl pro
Länge des Kanals) der Löcher, Bohrungen oder Schlitze
variieren in einer weiteren Ausgestaltung der an
spruchsgemäßen Vorrichtung entlang der Strömungsrich
tung im Zu- oder Abführungskanal. Hierdurch lassen sich
Strömungswiderstände einstellen. Die Einstellung von
Strömungswiderständen durch Variieren der Größe der Lö
cher, Bohrungen oder Schlitze ist so vorzunehmen, daß
eine Gleichverteilung von Betriebsmitteln entlang der
aktiven Fläche erreicht wird.
Um eine gleichmäßige Leistung in den Brennstoffzellen
eines Stapels von Brennstoffzellen (entlang der Kanäle)
zu erreichen, muß ein gleichmäßiger Fluß der Betriebs
mittel an den aktiven Flächen stattfinden. Dies erfor
dert gleiche Druckdifferenzen als treibendes Gefälle.
Im wesentlichen sind folgende Effekte zu beachten: In
einem, von einem Medium durchströmten Kanal, der zum
Beispiel als Rohr ausgestaltet ist, tritt Reibung auf.
Druckverluste sind die Folge, d. h., der statische
Druck nimmt über die Länge im Rohr ab. Der Druck im Gas
nimmt - bei unveränderter Geometrie (Durchmesser) und
bei konstantem Durchfluß - in etwa linear mit der Lauf
länge ab. Dieser Druckverlust ist proportional zu L/R4
(L: Länge des Rohres, R: Radius des Rohres) entspre
chend dem Hagen-Poiseuille-Gesetz. In Rohren mit großen
Durchmessern treten also im Vergleich zu Rohren mit
kleinen Durchmessern nur geringe Druckverluste auf.
Gibt es Abzweigungen im Rohr (vom Kanal durch Öffnungen
zu einer Elektrode einer Brennstoffzelle), so nimmt der
Durchfluß schlagartig um den Abfluß in die Abzweigung
ab. Ab einer Abzweigung sind Druckverluste kleiner,
weil der Durchfluß durch das Rohr kleiner geworden ist.
Zu beachten ist noch der Bernoulli-Effekt (2. Effekt),
der (vereinfacht) besagt, daß die Summe aus statischem
und dynamischem Druck konstant ist. Mit zunehmendem dy
namischen Druck (dieser ist proportional zum Quadrat
der Strömungsgeschwindigkeit) nimmt der statische Druck
ab. Je schneller die Strömung ist, desto geringer ist
der (statische) Druck. Dieser zweite Effekt wird von
der Geschwindigkeit und damit aber auch von Durchfluß,
Durchmesser und Abzweigungen beeinflußt.
Wenn mit zunehmender Länge des Hauptkanals die Ge
schwindigkeit absinkt, weil Nebenströme abzweigen, so
steigt gemäß Bernoulli der statische Druck (sprunghaft
an den Abzweigungen) an. Dies überlagert den vorhande
nen Druckverlust bzw. Druckabfall durch Reibung.
Ideal wäre ein über die Länge konstanter Druck, der
jedoch nicht zu erreichen ist. In der Praxis ist daher
anzustreben, daß die Druckverläufe im Zuführungs- und
im Abführungskanal gleich (parallel) sind. Entsprechend
sind die Öffnungen zur Steuerung der Druckverläufe aus
zulegen.
Bei der anspruchsgemäßen Vorrichtung kann die Auslegung
sehr flexibel gehandhabt werden. Beispielsweise kann
der Durchmesser von Löchern in Richtung der Strömung
der Betriebsmittel im Zuführungskanal wachsen. Umge
kehrt können die Auslegungen im Abführungskanal sein.
Sind die Öffnungen schlitzartig, so kann sich die
Schlitzbreite zunehmend verbreitern bzw. verringern, um
so eine leistungsfördernde Gleichverteilung eines Be
triebsmittels an der aktiven Fläche herbeizuführen.
Der Druckabfall kann so innerhalb des Teils des Strö
mungskanals, der mit den Löchern versehen ist, weitge
hend kompensiert werden. Für jeden Bereich der Elektro
denfläche, der durchströmt wird, kann der Druckabfall
(über der Elektrodenfläche) so näherungsweise konstant
gehalten werden. Löcher fungieren als Drosseln bzw.
einstellbare Widerstände.
Ein ungesteuerter Druckabfall würde eine ungleiche Ver
teilung eines Betriebsmittels an der aktiven Fläche be
wirken.
In einer preiswerten und einfachen Ausführungsform wer
den die Strömungskanäle durch elektrisch leitfähige
Bleche gebildet. Zur Herstellung werden zum Beispiel
gelochte Bleche eingesetzt.
Der durch die Brennstoffzelle erzeugte Strom kann dann
über die Bleche zum Beispiel zu einer bipolaren Platte
weitergeleitet werden, die zwei Brennstoffzellen elek
trisch und mechanisch verbindet.
Fig. 1 zeigt einen Schnitt durch erfindungsgemäße Zu-
und Abführungskanäle in Aufsicht. Entsprechend den
Pfeilen wird ein Betriebsmittel in die Zuführungskanäle
1 eingeleitet. Die Zuführungskanäle 1 sind an einem
Ende verschlossen. Seitlich weisen die Zuführungska
näle Bohrungen (dargestellt durch Kreise) auf. An jeden
Zuführungskanal 1 grenzt ein Abführungskanal 2 an. Je
der Abführungskanal 2 weist in vergleichbarer Weise
seitliche Bohrungen (dargestellt durch Kreise) auf.
Unterhalb der Bohrungen befindet sich eine aus der
Zeichnung nicht ersichtliche Elektrode mit offener
Porosität. Hierunter befindet sich der Elektrolyt.
Ein in einen Zuführungskanal 1 eingeleitetes Betriebs
mittel verläßt diesen über die Bohrungen und strömt so
senkrecht zur sowie in Richtung der aktiven Fläche. Es
verbraucht sich an der aktiven Fläche (die Strömung
wird hier im Prinzip um ca. 180° umgeleitet) und strömt
über die Bohrungen in die Abführungskanäle 2 hinein.
Über die Abführungskanäle 2 wird das verbrauchte Be
triebsmittel herausgeleitet.
Eine Bohrung 3 zu Beginn eines Zuführungskanals 1 weist
einen kleineren Durchmesser auf als eine Bohrung 5 am
Ende des Zuführungskanals. Umgekehrt verhält es sich im
Abführungskanal mit den Bohrungen 4 und 6. Durch die in
der Figur qualitativ dargestellten Veränderungen der
Durchmesser der Bohrungen läßt sich das Strömungsver
halten von Betriebsmitteln geeignet steuern und so eine
Gleichverteilung von Betriebsmittel erzielen.
Claims (4)
1. Brennstoffzelle mit zwei Elektroden, einem zwischen
den Elektroden befindlichen Elektrolyten, mit einer
Mehrzahl an Zuführungskanälen (1) und hieran angren
zenden Abführungskanälen (2)
2. Brennstoffzelle nach vorhergehendem Anspruch, mit
Zuführungskanälen (1) und hieran angrenzenden Abfüh
rungskanälen (2), die an einem Ende verschlossen
sind, die seitlich Öffnungen (3, 4, 5, 6) aufweisen,
wobei die Öffnungen zugleich an eine Elektrode der
Brennstoffzelle grenzen.
3. Brennstoffzelle nach vorhergehendem Anspruch, bei
der Öffnungen (3, 5) in einem Zuführungskanal und/
oder Abstände zwischen den Öffnungen derart unter
schiedlich sind, daß eine Gleichverteilung eines Be
triebsmittels entlang der Elektrodenfläche erzielt
wird.
4. Brennstoffzelle nach einem der vorhergehenden An
sprüche, bei der Öffnungen (4, 6) in einem Abfüh
rungskanal und/oder Abstände zwischen den Öffnungen
derart unterschiedlich sind, daß eine Gleichvertei
lung eines Betriebsmittels entlang der Elektroden
fläche erzielt wird.
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