DE19825872C1 - Brennstoffzelle mit thermoelektrischen Elementen - Google Patents

Brennstoffzelle mit thermoelektrischen Elementen

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Hochtemperaturbrennstoffzelle, die mit einer Wärmeisolierung umgeben ist. In die Wärmeisolierung sind thermoelektrische Elemente eingebaut. DOLLAR A Die Wärmeisolierung trennt die heiße Brennstoffzelle von der kühlen Umgebung. Hier herrscht der größte Temperaturgradient. In die Wärmeisolierung eingebaute thermoelektrische Elemente vermögen daher besonders viel zusätzlichen Strom zu erzeugen, ohne aufwendige und störanfällige Konstruktionen vorsehen zu müssen. DOLLAR A In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Wärmeisolierung doppelwandig. Die thermoelektrischen Elemente sind zwischen den beiden Wänden der Wärmeisolierung angeordnet. Eine Kontaktstelle der thermoelektrischen Elemente berührt die eine und die andere Kontaktstelle berührt die andere Wand. DOLLAR A Die eine Wand wird von der Brennstoffzelle in besonderem Maße erwärmt. Die andere Wand wird in besonderem Maße von der Umgebungsluft gekühlt. Die Kontaktstellen berühren daher vorteilhaft die Wände, um besonders effektiv verschiedenen Temperaturen ausgesetzt zu werden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Hochtemperaturbrennstoff­ zelle.
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 in der Regel 700°C bis 1000°C beträgt. An der Kathode einer Hochtemperaturbrennstoffzelle bilden sich in Anwesen­ heit des Oxidationsmittels Sauerstoffionen. Die Sauer­ stoffionen passieren den Elektrolyten und rekombinieren auf der Anodenseite mit dem vom Brennstoff stammenden Wasserstoff zu Wasser. Mit der Rekombination werden Elektronen freigesetzt und so elektrische Energie er­ zeugt.
Mittels bipolarer Platten entstehen übereinander gesta­ pelte, elektrisch in Serie geschaltete Brennstoffzel­ len. Diese Anordnung wird Brennstoffzellenstapel ge­ nannt. Ein Beispiel für eine bipolare Platte ist aus DE 44 10 711 C1 bekannt.
Die durch Brennstoffzellen produzierte Wärme vermag die erforderliche Betriebstemperatur aufrechtzuerhalten, wenn diese hinreichend thermisch isoliert sind.
Zwei aus verschiedenen Metallen bestehende Drähte, die an beiden Enden zum Beispiel zusammengelötet sind, stellen ein thermoelektrisches Element dar. Es kommt darauf an, daß verschiedene Metalle sich berühren. Die Berührungszonen werden Kontaktstellen genannt. Ist in einen Draht ein Voltmeter eingeschaltet, so zeigt die­ ses eine Spannung an, wenn die Lötstellen sich auf ver­ schiedener Temperatur befinden. Die Spannung hängt nur von den Temperaturen der Lötstellen und der Art der beiden Metalle ab. Wird überschüssige Wärme einer Brennstoffzelle nur der einen Lötstelle zugeführt, so wird folglich zusätzlich Strom erzeugt.
Thermoelektrische Elemente können ferner aus einem p- leitend dotierten und einem n-leitend dotierten Halblei­ ter bestehen, die in Serie geschaltet sind. Wird ein solches Element einem Temperaturgradienten geeignet ausgesetzt, so wird eine thermoelektrische Spannung er­ zeugt. Hier werden z. B. Bleitelluride (PbTe) und Zinn­ bleitelluride eingesetzt.
Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer Brenn­ stoffzelle, bei der überschüssige Wärme einer Brenn­ stoffzelle in besonders guter Weise mit Hilfe von ther­ moelektrischen Elementen für eine zusätzliche Stromer­ zeugung genutzt wird.
Die Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkma­ len des Hauptanspruchs gelöst.
Eine Hochtemperaturbrennstoffzelle ist anspruchsgemäß mit einer Wärmeisolierung umgeben. In die Wärmeisolie­ rung sind thermoelektrische Elemente integriert.
Die Wärmeisolierung trennt die heiße Brennstoffzelle von der kühlen Umgebung. Hier herrscht der größte Tem­ peraturgradient. In die Wärmeisolierung eingebaute thermoelektrische Elemente vermögen daher besonders ef­ fektiv Strom zu erzeugen, ohne aufwendige und störan­ fällige Konstruktionen vorsehen zu müssen.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Wärmeisolierung doppelwandig. Die thermoelektri­ schen Elemente sind zwischen den beiden Wänden der Wär­ meisolierung angeordnet. Eine Kontaktstelle der thermo­ elektrischen Elemente berührt die eine und die andere Kontaktstelle berührt die andere Wand.
Die eine Wand wird von der Brennstoffzelle in besonde­ rem Maße erwärmt. Die andere Wand wird in besonderem Maße von der Umgebungsluft gekühlt. Die die Wände be­ rührende Kontaktstellen werden daher im besonderen Maße verschiedenen Temperaturen ausgesetzt.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung sind Kühlflossen außen an der Wärmeisolierung angebracht. Der für die zusätzliche Stromerzeugung erforderliche Temperaturunterschied wird so weiter verstärkt. Die zu­ sätzliche Stromerzeugung wird so weiter gesteigert.
Die Figur zeigt eine Ausführungsform der Erfindung. Ein Brennstoffzellenstapel 1 wird von Wänden 2 und 3 umge­ ben. Zwischen den Wänden 2 und 3 befinden sich thermo­ elektrische Elemente 4. Kühlflossen 5 sind außen auf der Wand 3 angebracht.
Die äußere Wand 3 sowie die Kühlflossen 5 können aus Aluminium bestehen. Die innere Wand 2 ist aus einem hitzebeständigen Metall oder einer hitzebeständigen Me­ tallegierung zu fertigen.

Claims (3)

1. Hochtemperaturbrennstoffzelle mit einer die Brenn­ stoffzelle umgebenden Wärmeisolierung, in die ther­ moelektrische Elemente integriert sind.
2. Hochtemperaturbrennstoffzelle nach dem vorhergehenden Anspruch, bei der die Wärmeisolierung doppelwandig ist und die thermoelektrischen Elemente zwischen den beiden Wänden angeordnet sind, wobei eine Kontakt­ stelle der thermoelektrischen Elemente die eine und die andere Kontaktstelle die andere Wand berührt.
3. Hochtemperaturbrennstoffzelle nach einem der vorher­ gehenden Ansprüche, bei der Kühlflossen außen an der Wärmeisolierung angebracht sind.
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