DE19835759A1 - Brennstoffzelle - Google Patents

Abstract

Es wird eine Brennstoffzelle beschrieben, bei der in den Brennstoffkammern (5, 6) Hindernisse im Strömungsfeld vorgesehen sind, die eine Verwirbelung (Pfeil 7) der einströmenden Gase bzw. Flüssigkeiten bewirken. Damit wird eine bessere Übertrittswahrscheinlichkeit der Reaktanden in die jeweiligen Elektroden (3', 4) bewirkt, so daß schon bei einem geringen Druck in den Brennstoffkammern (5, 6) eine erhöhte Leistung der Brennstoffzelle durch einen verbesserten Stoffaustausch in den Elektroden erzielt wird.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Brennstoffzelle mit zwei porösen Elektroden, die zwischen sich einen Elektro­ lyten einschließen, und mit zwei schmalen Brennstoffkam­ mern, die jeweils von einer der Elektroden und einer der jeweiligen Elektrode im geringen Abstand gegenüberliegen­ den Trennplatte gebildet sind, wobei der Brennstoff von der einen zur gegenüberliegenden Schmalseite der Kammer geführt wird, so daß die Hauptströmungsrichtung parallel zur Elektrode bzw. zur Trennplatte liegt.

Je nachdem um welchen Brennstoffzellentyp es sich handelt - die einzelnen Typen unterscheiden sich im eingesetzten Elekrolyten -, wird in die eine Brennstoffkammer (Anoden­ kammer) Wasserstoff, Methanol, Methan oder ein anderer Kohlenwasserstoff eingeleitet, während die andere Kammer (Kathodenkammer) mit reinem Sauerstoff oder Luftsauer­ stoff betrieben wird. Bei einem Polymer-Membran-Elektro­ lyt werden die Brennstoffkammern mit Wasserstoff als Brenngas und Sauerstoff bzw. Luftsauerstoff als Oxidant beschickt.

Dabei hat sich herausgestellt, daß insbesondere der Druck in den Kammern einen entscheidenden Einfluß auf den Wir­ kungsgrad der Brennstoffzelle bzw. den Gesamtwirkungsgrad besitzt. Die Druckverhältnisse bestimmen nämlich die Stoffaustauschrate in der Dreiphasenzone, das ist der Bereich der Elektrode, in dem das Elektrolyt, der Brenn­ stoff bzw. der Sauerstoff und das Elekrodenmaterial (in der Regel: Nickel in der Anode und Silber oder Aktivkohle in der Kathode), zusammentreffen. Der Stofftransport kann durch eine Druckerhöhung verbessert werden. Insbesondere der Druck in der Kathodenkammer muß sorgfältig bestimmt werden. Zwar vergrößert sich bei einer Erhöhung des Drucks in dieser Brennstoffkammer die Leistung der Brenn­ stoffzelle. Dies wird aber durch eine erhöhte Leistungs­ aufnahme des dazu notwendigen Verdichters kompensiert. Außerdem kann die Stoffaustauschrate nicht beliebig und häufig nicht in dem gewünschten Maße durch eine Drucker­ höhung vergrößert werden.

Diese Zusammenhänge sind ausführlich dargestellt in K. Straßer, Brennstoffzellen für Elektrotraktion, VDI Be­ richt Nr. 912, 1992, Seite 125 bis 145.

Die Erfindung beruht auf der Aufgabe, die Leistungsfähig­ keit der Brennstoffzelle zu vergrößern, ohne daß dazu eine erhöhte Leistungsaufnahme der Peripherie notwendig wird.

Es wird daher vorgeschlagen, daß im Strömungsweg der Brennstoffe innerhalb der Brennstoffkammern ein oder meh­ rere Hindernisse vorhanden sind, die eine Verwirbelung des Brennstoffs derart bewirken, daß das Strömungsfeld abschnittsweise eine Geschwindigkeitskomponente in Rich­ tung auf die jeweilige Elektrode erfährt.

Wegen der Hindernisse kommt es zu lokalen Druckerhöhun­ gen, die eine verbesserte Aufnahme der Brenngase in die porösen Elektroden bewirken: Da aber gleichzeitig der Ge­ samtdruck in der Brennstoffkammer nicht vergrößert wird, ergibt sich keine erhöhte Leistungsaufnahme des ange­ schlossenen Verdichters. Außerdem werden Stofftransport­ hemmungen in der Elektrode bzw. in deren Reaktionszonen minimiert.

Aus der EP 0 397 072 A1 ist eine Brennstoffzelle mit ei­ ner Trennplatte bekannt, die in Form eines Eierkartons zu beiden Seiten hin ausgebeult ist, wobei die Spitzen der jeweiligen Erhebungen die Elektroden kontaktieren. Die Ausbeulungen haben die Aufgabe, eine elektrische Verbin­ dung zwischen der jeweiligen Elektrode und der Trennplat­ te herzustellen, die hier als bipolare Platte fungiert. Es fehlt die Lehre, diese Ausbeulungen gezielt im Hin­ blick auf eine verbesserte Absorption des Brenngases bzw. des Oxidanten in den Elektroden zu gestalten und zu nut­ zen.

Die Hindernisse können verschiedenartig ausgestaltet sein: Zum einen kann es sich um quer zur Hauptströmungs­ richtung verlaufende langgestreckte Erhebungen handeln, so daß eine waschbrettartige Struktur entsteht, zum ande­ ren können aber auch tellerartige Erhebungen vorgesehen werden.

Für den zweiten Fall wird vorgeschlagen, daß die Erhebun­ gen zweier aufeinanderfolgender Reihen in Anströmungs­ richtung versetzt zueinander angeordnet sind.

Für die verbesserte Brennstoffaufnahme ist es wichtig, das Querschnittsprofil der Hindernisse optimal zu gestal­ ten. Als Grundstruktur wird ein Querschnittprofil vorge­ schlagen, das einer Halbsinuswelle entspricht. Die Stei­ gung kann dabei an der Anströmungsflanke etwas größer sein als an der Abströmungsflanke.

In vorteilhafter Weise werden die Hindernisse an der je­ weiligen Trennplatte ausgebildet. Vorzugsweise sind sie einstückig mit der Trennplatte ausgeführt. Wie in der schon erwähnten europäischen Patentanmeldung kann auch hier die Trennplatte als bipolare Platte ausgebildet wer­ den, die in einer elektrisch leitenden Verbindung zu den Elektroden steht, wobei die bipolare Platte die Trenn­ platte der an ihr angrenzenden Brennstoffkammern bildet. Die Hindernisse werden durch Verformungen der Platte er­ zeugt, wobei die Hindernisstruktur auf der einen Seite der Trennplatte komplementär ist zur Hindernisstruktur auf der anderen Seite.

Im folgenden soll die Erfindung anhand eines Ausführungs­ beispiels näher erläutert werden. Es zeigen:

Fig. 1: den Querschnitt durch eine Brennstoffzelle;

Fig. 2 und 3: verschiedenartige Strukturen einer Trenn­ platte.

Fig. 1 zeigt einen Ausschnitt aus einem Brennstoffzel­ lenblock, der mehrere Zellen enthält. Dargestellt ist eine Trennplatte 1 zwischen zwei Elektrolyt-Elektroden- Einheiten. Diese bestehen jeweils aus einer Anode 3, 3', einer Kathode 4, 4' und einem Polymerelektrolyt 2, 2'. An den jeweils außen dargestellten Elektroden 3, 4' schlies­ sen sich weitere Trennplatten (gestrichelt dargestellt) an. Die Kathodenkammer 5 zwischen der Kathode 4 und der Trennplatte 1 wird bei einer Polymer-Elektrolyt-Membran Brennstoffzelle (DEM BZ) mit reinem Sauerstoff bzw. Luft beschickt, wobei das Gas mittels eines nicht dargestell­ ten Verdichters einen Druck etwa zwischen 2 bis 4 bar er­ hält. Die Anodenkammer 6 wird mit einem Brenngas, z. B. einem Reformatgas (Wasserstoff) beschickt.

Sauerstoff und Brenngas treten in die Anode 3 bzw. in die Kathode 4 ein und werden dort katalytisch aufgebrochen, wobei ein Ionenaustausch über die Polymer-Elektrolyt-Mem­ bran 2 und ein Elektronenaustausch über einen äußeren Stromkreis erfolgt.

Typischerweise sind die einzelnen Brennstoffzellen qua­ dratisch, wobei die Durchströmung der Brennstoffkammern im Kreuzstromprinzip erfolgt. Lediglich zur Veranschauli­ chung des erfindungsgemäßen Verwirbelungsprinzips ist in Fig. 1 eine Parallelströmung dargestellt. Entscheidend für die Erfindung ist, daß der jeweiligen Hauptströmung Hindernisse entgegengesetzt werden, die eine Verwirbelung entsprechend der dargestellten Pfeile 7 des jeweiligen Gases bewirken. Die Hindernisse werden in bekannter Weise durch Ausbeulungen der Trennplatte 1 dargestellt, die da­ durch, wie Fig. 1 zeigt, eine wellenförmige Struktur er­ hält.

Fig. 2 zeigt eine mögliche Ausführung dieser Hindernis­ se. Es handelt sich jeweils um langgestreckte Erhebungen 8, 8', deren Querschnitte quer zur Hauptströmungsrichtung betrachtet in etwa halbsinusförmig sind. Die Hindernisse können sich über die gesamte Breite der Trennplatte er­ strecken, oder aber, was in Fig. 2 dargestellt ist, nur abschnittsweise ausgebildet sein, wobei die Erhebungen 8 in einer Reihe gegenüber den Erhebungen 8' in der in An­ strömungsrichtung vor bzw. hinter ihnen liegenden Reihe versetzt angeordnet sind.

Die Ausführung nach Fig. 3 eignet sich besonders gut, falls die Erhebungen nicht auf die Trennplatte aufgesetzt werden, sondern durch Verformungen der Trennplatte ent­ stehen. Hierzu eignen sich insbesondere tellerartige Er­ hebungen 9, die versetzt zueinander angeordnet sind. In den Lücken sind jeweils tellerartige Vertiefungen 10 vor­ gesehen, so daß sich auf der anderen Seite der Platte eine komplementäre Struktur ergibt. Die Struktur für das Brenngas (Hauptströmungsrichtung Pfeil 12) und die Struk­ tur für den Sauerstoff (Hauptströmungsrichtung Pfeil 13) sind daher in der jeweiligen Hauptströmungsrichtung be­ trachtet identisch.

Claims (10)

1. Brennstoffzelle mit zwei porösen Elektroden (3, 4), die zwischen sich einen Elektrolyten (2) einschlies­ sen, und mit zwei schmalen Brennstoffkammern (5, 6), die jeweils von einer der Elektroden (3, 4) und ei­ ner der jeweiligen Elektrode im geringen Abstand ge­ genüberliegenden Trennplatte (1) gebildet sind, wo­ bei der Brennstoff von der einen zur gegenüberlie­ genden Schmalseite der Kammer geführt wird, so daß die Hauptströmungsrichtung parallel zur Elektrode bzw. zur Trennplatte liegt, dadurch gekennzeichnet, daß im Strömungsweg ein oder mehrere Hindernisse (8, 9) vorhanden sind, die eine Verwirbelung des Brenn­ stoffs bewirken, so daß das Strömungsfeld ab­ schnittsweise eine Geschwindigkeitskomponente (7) in Richtung auf die jeweilige Elektrode (3, 4) erfährt.

2. Brennstoffzelle nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Hindernisse quer zur Hauptströ­ mungsrichtung verlaufende langgestreckte Erhebungen (8) sind.

3. Brennstoffzelle nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Erhebungen (9) tellerartig sind.

4. Brennstoffzelle nach Anspruch 2 oder 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Erhebungen (8, 8') zweier auf­ einanderfolgenden Reihen versetzt zueinander ange­ ordnet sind.

5. Brennstoffzelle nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß sich die Erhebung durchgehend quer zur Hauptströmungsrichtung erstreckt.

6. Brennstoffzelle nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Quer­ schnittsprofil der Hindernisse (8, 9) in etwa einer Halbsinuswelle entspricht.

7. Brennstoffzelle nach Anspruch 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Steigung der Erhebung an der An­ strömungsflanke größer ist als an der Abströmungs­ flanke.

8. Brennstoffzelle nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Hindernisse an der jeweiligen Trennplatte (1) ausgebildet sind.

9. Brennstoffzelle nach Anspruch 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Hindernisse einstückig mit der Trennplatte (1) ausgebildet sind.

10. Brennstoffzelle nach Anspruch 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Trennplatte (1) ein bipolare Platte ist, die in einer elektrisch leitenden Ver­ bindung zu den Elektroden steht, wobei jede bipolare Platte sowohl die Trennplatte (1) der Anodenkammer als auch die der Kathodenkammer der sich jeweils an­ schließenden Brennstoffzelle bildet, wobei die Hin­ dernisse (8, 9) durch Verformungen der Trennplatte (1) erzeugt sind und die Hindernisstruktur auf der einen Seite komplementär ist zur Hindernisstruktur auf der anderen Seite.