DE19813339C2

DE19813339C2 - Brennstoffzellenstapel mit integriertem, zentralem Reformer

Info

Publication number: DE19813339C2
Application number: DE19813339A
Authority: DE
Inventors: Hermann Kabs; Ernst Riensche; Lambertus G J De Haart; Paul Cremer
Original assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH
Priority date: 1998-03-26
Filing date: 1998-03-26
Publication date: 2000-02-03
Anticipated expiration: 2018-03-27
Also published as: DE19813339A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Brennstoffzellenstapel mit genau einem den Anodenräumen der Brennstoffzellen vorgeschalteten, zentral angeordneten Kanal, der Mittel zur Reformierung oder Oxidation von Brennstoff aufweist. DOLLAR A Die Erfindung löst die Aufgabe, einen Brennstoffzellenstapel zu schaffen, der einen integrierten Reformer aufweist, bei der der Wärmefluß innerhalb der Brennstoffzelle optimiert ist und bei der vergleichsweise geringe Dichtigkeitsprobleme auftreten.

Description

Die Erfindung betrifft aufeinander gestapelte Brenn stoffzellen mit integriertem Reformer.

Aus der Druckschrift EP 0 067 423 A1 ist ein Stapel von Brennstoffzellen bekannt, der einen integrierten Refor mer der eingangs genannten Art umfaßt. Jede einzelne Brennstoffzelle besteht aus einer Anode, einer Kathode und einem dazwischen liegenden Elektrolyten. Zur Umset zung von Brennstoff innerhalb des Brennstoffzellensta pels wird der Brennstoff in die Anodenräume (Räume, in denen sich die Anoden befinden) eingeleitet. Jede Brennstoffzelle weist den Anodenräumen vorgeschaltete Räume auf. In diesen vorgeschalteten Räumen wird der Brennstoff, also z. B. Methan oder Methanol, zu Wasser stoff umgesetzt. Der Wasserstoff gelangt dann in die Anodenräume.

Nachteilhaft weist das vorgenannte System eine Vielzahl von zusätzlichen Kanälen auf. Entsprechend viele Fugen müssen zusätzlich abgedichtet werden.

Eine Reformierungsreaktion von Brennstoff erfordert Wärme. Äquivalent hierzu verhält sich eine Oxidation von Brennstoff, um Wasserstoff zu erhalten. Eine Oxida tion stellt daher eine äquivalente Maßnahme dar. Die Umsetzung von Wasserstoff und Sauerstoff zu Strom in einer Brennstoffzelle setzt Wärme frei. Die Integration einer Reformierungs- oder Oxidationsreaktion von Brenn stoff innerhalb des Brennstoffzellenstapels soll einen geeigneten Wärmeaustausch zwischen den vorgenannten Re aktionen herbeiführen, um so zu guten Wirkungsgraden zu gelangen.

Aus der Druckschrift EP 0 398 111 A1 ist ein Brenn stoffzellenstapel bekannt, der einen zentral angeordne ten Brennstoffzellenkanal aufweist, in dem Brennstoff reformiert wird. Aus mehreren seitlichen Kanalöffnungen strömt der Brennstoff in senkrecht zum zentral angeord neten Kanal Anodenräumen ab.

Bei dieser Anordnung durchströmt der Brennstoff zum Teil nur sehr kurze Strecken. Hier besteht daher die Möglichkeit, daß Brennstoff nur teilweise reformiert wird und somit Mängel in Bezug auf die Gasqualität zu erwarten sind.

Aus der Druckschrift DE 44 38 167 C1 ist eine weitere Brennstoffzellenanordnung mit einem zentralen gasfüh renden Kanal bekannt, der senkrecht in Bezug auf Elek trodenräume angeordnet ist.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Brenn stoffzellenstapels mit integrierter Reformierung, bei dem die Anzahl der zu dichtenden Fugen minimiert sind, bei dem ein guter Wärmeaustausch zwischen den innerhalb des Brennstoffzellenstapels ablaufenden Reaktionen ge währleistet ist und bei dem die Brennstoffqualität si chergestellt ist.

Die Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkma len des Anspruchs 1 gelöst.

Die anspruchsgemäße Vorrichtung besteht aus einem Brennstoffzellenstapel, also aus mehreren, mechanisch miteinander verbundenen Brennstoffzellen. Innerhalb des Brennstoffzellenstapels ist genau ein zentraler Kanal mit genau einer Austrittsöffnung angeordnet, der Mittel zur Reformierung (äquivalent: zur Oxidation) von Brenn stoff aufweist. Oxidierter oder reformierter Brennstoff wird von diesem zentralen Kanal in die Anodenräume der einzelnen Brennstoffzellen geleitet.

Unter zentralem Kanal ist zu verstehen, daß die Brenn stoffzellen radial, mit anderen Worten kreisförmig um den Kanal herum angeordnet sind.

Bei dieser Anordnung muß nur noch ein Kanal mit inte griertem Reformer abgedichtet werden. Dichtigkeitspro bleme werden so gering gehalten. Ferner weist die an spruchsgemäße Vorrichtung einen guten Wärmehaushalt auf. Es entstehen nämlich die höchsten Temperaturen im Inneren des Brennstoffzellenstapels. Der zentral ange ordnete Kanal ist somit in dem Bereich plaziert, in dem die meiste Wärme (zur Durchführung der Reformierungs- oder Oxidationsreaktion) bereitgestellt wird. Eine sol che Anordnung hat also zur Folge, daß die bei der Stromerzeugung anfallende Wärme in optimaler Weise durch die Reformierungs- oder Oxidationsreaktion kom pensiert wird.

Die Anodenräume sind so angeordnet, daß das im zentra len Kanal reformierte Gas bzw. oxidierter Brennstoff radial senkrecht durch die Anodenräume hindurch ab strömt. Die im Zentrum entstehende maximale Temperatur bzw. Wärme wird so in optimaler Weise per Konvektion aus dem Inneren der Brennstoffzelle heraustranspor tiert. Die senkrechte Anordnung bewirkt den schnellst möglichsten Abtransport der Wärme per Konvektion aus dem Zentrum des Brennstoffzellenstapels heraus.

Das Gas, das aus dem zentralen Kanal herausströmt, wird anschließend um 180° umgelenkt. Das umgelenkte Gas strömt dann in die Anodenräume hinein. Vor der Umlen kung wird das Gas reformiert bzw. oxidiert. So wird si chergestellt, daß das Brenngas vor dem Eintritt in die Anodenräume reformiert bzw. oxidiert worden ist. Diese Maßnahme dient also der Sicherung der Gasqualität.

Ausführungsbeispiel

Die Figur skizziert die erfindungsgemäße Vorrichtung im Schnitt. Brennstoffzellen 1 umgeben kreisförmig einen zentral angeordneten Kanal 2. Im zentralen Kanal 2 wird der Brennstoff reformiert oder oxidiert. Nachdem der Brennstoff reformiert oder oxidiert worden ist, werden die Gase nach Austritt aus dem Kanal 2 an der Position 3 umgelenkt. Sie gelangen anschließend in die Anoden räume 4 und strömen dort senkrecht zum Kanal 2 ab. Die Pfeile deuten den Strömungsverlauf an.

Claims

Brennstoffzellenstapel mit genau einem den Anodenräu men (4) der Brennstoffzellen (1) vorgeschalteten, zentral angeordneten Kanal (2), der genau eine Aus trittsöffnung sowie Mittel zur Reformierung oder Oxi dation von Brennstoff aufweist und mit einer Gasfüh rung, die das aus dem zentral angeordneten Kanal (2) an der Austrittsöffnung austretende Gas um 180° um lenkt und anschließend um 90° so umlenkt, daß der re formierte oder oxidierte Brennstoff bezogen auf die Strömungsrichtung im zentral angeordneten Kanal (2) radial durch die Anodenräume (4) abströmt.