DE19808331C2 - Gasverteiler für eine Brennstoffzelle - Google Patents

Abstract

Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist eine Elektrode mit offener Porosität auf. An die eine Seite der Elektrode grenzt ein Elektrolyt einer Brennstoffzelle. An die andere Seite der Elektrode grenzen eine Mehrzahl von Zuführungs- und Abführungskanälen für Betriebsmittel der Brennstoffzelle. DOLLAR A Ein Zuführungskanal ist ein Kanal, in den unverbrauchtes Betriebsmittel eingeleitet und zum angrenzenden aktiven Bereich weitergeleitet wird. Ein Abführungskanal ist ein Kanal, in den an der aktiven Fläche verbrauchtes Betriebsmittel eingeleitet und anschließend aus der Brennstoffzelle herausgeleitet wird. Ein Kanal, in den zugleich das frische und das verbrauchte Betriebsmittel eingeleitet wird, stellt keinen Zu- oder Abführungskanal im Sinne des Anspruchs dar. DOLLAR A An jeden Abführungskanal grenzt ein Zuführungskanal. DOLLAR A Die Betriebsmittel strömen senkrecht zur aktiven Fläche. So gelingt eine verbesserte Zufuhr von Betriebsmitteln zur aktiven Fläche einer Brennstoffzelle. Eine Leistungssteigerung der Brennstoffzelle ist die Folge.

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 DE 197 15 256 C1 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 den 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 anspruchsgemäßen 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 (3)

1. Brennstoffzelle mit zwei Elektroden und einem zwi­ schen den Elektroden befindlichen Elektrolyten, dadurch gekennzeichnet, daß

• a) es eine Mehrzahl an Zuführungskanälen (1) und hieran angrenzenden Abführungskanälen (2) gibt, die an einem Ende verschlossen sind,
• b) an jeden Zuführungskanal jeweils ein Abfüh­ rungskanal grenzt,
• c) die Zu- oder Abführungskanäle an eine Elektrode der Brennstoffzelle grenzen, so daß die Be­ triebsmittel im wesentlichen senkrecht auf die Elektrode strömen oder senkrecht von ihr wegströmen.

2. Brennstoffzelle nach vorhergehendem Anspruch, bei der die Öffnungen (3, 5) in einem Zuführungskanal und/oder Abstände zwischen den Öffnungen derart un­ terschiedlich sind, daß sich eine Gleichverteilung eines Betriebsmittels entlang der Elektrodenfläche einstellt.

3. Brennstoffzelle nach vorhergehendem Anspruch, bei der die Öffnungen (4, 6) in einem Abführungskanal und/oder Abstände zwischen den Öffnungen derart un­ terschiedlich sind, daß sich eine Gleichverteilung eines Betriebsmittels entlang der Elektrodenfläche einstellt.