DE19853911A1 - Brennstoffzelle mit Zuführung eines Betriebsmittels über eine gelochte Platte - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle, bestehend aus einem Elektrolyten und beidseitig hieran angrenzenden Elektroden. Wenigstens eine Elektrode ist von einem angrenzenden Kanal oder Raum durch eine gelochte Platte getrennt. Über den angrenzenden Raum oder Kanal wird ein Betriebsmittel zu- und abgeführt. Insbesondere durch Variation der Größe der Löcher in der Platte wird eine dosierte Zu- und Abführung von Betriebsmitteln ermöglicht. Die Leistungsfähigkeit einer Brennstoffzelle wird so gefördert.

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. In einen an die Kathode angrenzenden Kanal oder Raum wird ein Oxidationsmittel (z. B. Luft) und in einen an die Anode angrenzenden Kanal oder Raum wird Brennstoff (z. B. Wasserstoff) zugeführt.

Der deutschen Patentanmeldung 197 15 256.2-45 ist zu entnehmen, in den vorgenannten Kanälen oder Räumen Ver­ teilerstrukturen vorzusehen. Die Verteilerstrukturen sind kammartig ausgestaltet. Sie sollen eine Gleichver­ teilung der Betriebsmittel im jeweiligen Raum bewirken.

Die Betriebsmittel gelangen zu den Elektroden und ver­ brauchen sich währenddessen. Anschließend treten die dann verbrauchten, mit anderen Worten abgereicherten Betriebsmittel wieder aus und werden aus der Brenn­ stoffzelle herausgeleitet.

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 räumlich gleichmäßig in einer Brennstoffzelle 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 (Raum, in dem sich die Elektrode befindet) 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 Brennstoffs wie einem Methanol-Wasser-Gemisch können im betreffenden Elektrodenraum weitere Inertgase wie CO₂ auftreten. Der Kathode wird regelmäßig Luft und damit auch das Inert­ gas Stickstoff zugeführt.

Die an den jeweiligen Elektroden befindlichen Gase oder Flüssigkeiten sollten homogen durchmischt vorliegen, 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 Elektroden über längere Bereiche hinweg, so verbrauchen sie sich zuneh­ mend. Entsprechend unterscheiden 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.

Gemäß der deutschen Patentanmeldung mit dem amtlichen Aktenzeichen 198 08 331.9-45 werden zur Lösung der vor­ genannten Probleme eine Mehrzahl an Zuführungskanälen und hieran angrenzende Abführungskanäle vorgesehen. Zu­ führungs- und Abführungskanäle weisen Löcher auf, die an die Elektrode der Brennstoffzelle angrenzen. Die Be­ triebsmittel durchströmen die Löcher und gelangen so senkrecht zur Elektrode sowie zur Grenzfläche zwischen Elektrolyt und Elektrode. In gleicher Weise strömen sie senkrecht wieder ab.

Es werden ferner unterschiedlich große Löcher vorgese­ hen, um so eine Gleichverteilung der Gase entlang der Elektrodenfläche zu erzielen.

Nachteilhaft ist der beschriebene Aufbau aufgrund der Vielzahl der Kanäle relativ aufwendig. Erwünschte Durchmischungen sind relativ gering.

Insbesondere bei Auftreten lokaler, reaktionsbedingter Temperaturgradienten ist die geringe Durchmischung von Nachteil. Ein Temperaturunterschied bewirkt einen ge­ ringeren Wirkungsgrad, da die Betriebstemperatur lokal von einem Temperaturoptimum abweicht.

Nachteilhaft hat der Aufbau mit den getrennten Zu- und Abführungskanälen grundsätzlich eine Halbierung der Fä­ chen zur Folge, durch die die Betriebsmittel in die Brennstoffzelle oder einen Stapel von Brennstoffzellen eintreten. Dieser Nachteil kann zwar durch einen höhe­ ren Durchsatz ausgeglichen werden. Ein höherer Durch­ satz hat jedoch einen höheren Druckverlust und damit einen schlechteren Wirkungsgrad zur Folge.

Vergleichbares gilt für die Flächen, durch die die ab­ gereicherten Betriebsmittel aus der Brennstoffzelle oder Brennstoffzellenstapel austreten.

Zwar können bei einer Brennstoffzelle die Stege zwi­ schen getrennten Zu- und Abführungskanälen sehr klein gehalten werden, um so zu großen Eintritts- und Aus­ trittsflächen zu gelangen. Hierdurch würde sich jedoch der elektrische Kontakt zwischen den Brennstoffzellen eines Brennstoffzellenstapels und damit der Wirkungs­ grad verschlechtern.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer Brenn­ stoffzelle mit einer verbesserten Führung der Betriebs­ mittel.

Anspruchsgemäß wird die Aufgabe durch eine Brennstoff­ zelle gelöst, bei der eine Elektrode von einem an die Elektrodenoberfläche angrenzenden Kanal oder Raum durch eine gelochte Platte getrennt ist. Eine gelochte Platte ist ein flächiges, mit Löchern versehenes Element. Sie ist parallel zu den Schichten der Brennstoffzelle (Elektroden- und Elektrolytschichten) angeordnet. Über den angrenzenden Raum oder Kanal wird das entsprechende Betriebsmittel zu- und abgeführt. Die Löcher bzw. Öff­ nungen in der Platte sind makroskopisch groß, also mit bloßem Auge sichtbar.

Im Unterschied zum eingangs genannten Stand der Technik mit den getrennten Kanälen ist hier die Gaszuführung zugleich die Gasableitung. In Strömungsrichtung des Ga­ ses nimmt die Dichte und/oder der Durchmesser der Lö­ cher insbesondere zu.

Gase gelangen durch die Löcher zur angrenzenden Elek­ trode. Die Gase strömen regelmäßig nicht unmittelbar durch ein benachbartes Loch wieder ab. Es treten im Vergleich zu einer Brennstoffzelle mit getrennten Zu- und Abführungskanälen große Durchmischungen (Verwirbe­ lungen) auf. Temperaturgradienten werden so vermieden.

Insbesondere bei Brennstoffzellen, bei denen eine in­ terne Reformierung oder Oxidationsreaktion abläuft, treten Temperaturgradienten auf. Die sehr schnell ab­ laufende Reformierungsreaktion beschränkt sich in einer Brennstoffzelle regelmäßig lokal auf wenige Millimeter. Die Reaktion ist stark endotherm. Daher sind insbeson­ dere im Fall der internen Reformierung große Durch­ mischungen zur Steigerung des Wirkungsgrades von Vor­ teil.

Bei der anspruchsgemäßen Brennstoffzelle werden eine Vielzahl von getrennten Kanälen vermieden. Der kon­ struktive Aufwand ist somit gering. Es muß lediglich z. B. ein perforiertes Blech zwischen einem verbindenden Element der Brennstoffzelle und der angrenzenden Elek­ trode vorgesehen werden.

Durchtrittsfläche wird im folgenden die Fläche genannt, durch die ein Betriebsmittel durch die gelochte Platte hindurchströmt. Sie stellt also eine Summe von Flächen der Löcher in der anspruchsgemäßen Platte dar.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung nimmt die Durchtrittsfläche in Strömungsrichtung um we­ nigstens 10%, vorzugsweise um wenigstens 100% zu. Die Durchtrittsfläche der anspruchsgemäßen Platte im Ein­ trittsbereich der Betriebsmittel in die Brennstoffzelle ist also um wenigstens 10% kleiner im Vergleich zu den Verhältnissen beim Austrittsbereich. Betrachtet werden dabei Durchtrittsflächen, die sich auf gleich große Teile der Platte im Eingangs- und Austrittsbereich be­ ziehen.

Durch Vorsehen einer zunehmenden Durchtrittsfläche wird erreicht, daß nicht bereits im Eingangsbereich ein Be­ triebsmittel vollständig in den entsprechenden Elektro­ denraum eintritt und somit lediglich im Eingangsbereich die in einer Brennstoffzelle ablaufenden chemischen Re­ aktionen bevorzugt stattfinden. Es kann so eine Gleich­ verteilung der in der Elektrode ablaufenden Reformie­ rungsreaktion herbeigeführt werden. Die elektrochemi­ schen Reaktionen an der Grenzfläche Elektrode-Elektrolyt können in gleicher Weise so gesteuert wer­ den, daß diese örtlich gleichmäßig verteilt stattfin­ den.

Eine Zunahme von wenigsten 100% gewährleistet im Ver­ gleich zur Zunahme um 10% regelmäßig in verbesserter Weise die gewünschte örtliche Gleichverteilung.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Er­ findung wird eine Hochtemperaturbrennstoffzelle vorge­ sehen, bei der die gelochte Platte aus einem hochle­ gierten warmfesten Stahl (z. B. X8 CrNiMoNb 16 16) oder einer elektrisch leitfähigen Keramik (z. B. La(Sr,Ca)CrO₃) besteht. Diese Materialien eignen sich für den Einsatz in einer Hochtemperaturbrennstoffzelle, da sie warmfest und korrosionsbeständig sind.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Er­ findung ist die Durchtrittsfläche einer gelochten Plat­ te wenigestens zweimal so groß wie die Austrittsfläche. Betriebsmittel treten dann im nennenswerten Umfang durch die Durchtrittsfläche hindurch, statt lediglich durch die Austrittsfläche zu entweichen. Unter Austrittsflä­ che ist die Fläche der Austrittsöffnung aus der Brenn­ stoffzelle heraus zu verstehen.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird das aus der Brennstoffzelle austretende Brenngas einer nächsten Brennstoffzelle zugeführt oder derselben Brennstoffzelle wieder zugeleitet.

Es findet dann eine Restnutzung von unverbrauchtem Brennstoff statt.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Er­ findung bildet ein gelochtes Blech die anspruchsgemäße Platte. Das Blech ist an das verbindende Element ge­ schweißt.

Dieser Aufbau ist einfach und preiswert herzustellen.

Ferner kann das verbindende Element zusammen mit der gelochten Platte aus einem Werkstück hergestellt wer­ den.

Hierfür werden in einen Metallblock Löcher gebohrt, die parallel zum Metallblock verlaufen. Diese dienen der Zuführung eines Betriebsmittels in das Innere eines Brennstoffzellenstapels. Senkrecht hierzu werden Löcher so gebohrt, daß ein Betriebsmittel von den parallel verlaufenden Löchern zu einer noch anzubringenden Elek­ trode gelangen können. Auf der gegenüberliegenden Seite zur vorgenannten Elektrode werden Rillen in das Werk­ stück gefräst. Über die Rillen wird ein Betriebsmittel zur Gegenelektrode geleitet.

Es liegt nun ein einstückig gefertigtes verbindendes Element (bipolare Platte) vor, welches eine Platte im Sinne des Anspruchs aufweist.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Er­ findung sind die Zuführungs- bzw. Abführungskanäle für Luft und Brennstoff parallel und flächig nebeneinander angeordnet. Diese Anordnung der Kanäle befindet sich z. B. innerhalb eines einstückigen Bauelementes. Das einstückige Bauelement besteht vorzugsweise aus einer hochwarmfesten Legierung. Bohrungen in dem Bauelement bilden die Kanäle. Vom Luftkanal (Kanal, in den das Oxidationsmittel, wie zum Beispiel Luft, während des Betriebes der Brennstoffzelle eingeleitet wird) in Richtung der Kathode und vom Brennstoffkanal (Kanal, in den der Brennstoff während des Betriebes der Brenn­ stoffzelle eingeleitet wird) in Richtung der Anode ins­ besondere senkrecht verlaufende Bohrungen sind vorgese­ hen.

Die bipolare Platte mit den Kanälen ist dann sehr kom­ pakt. Das Volumen und das Gewicht eines Stapels von Brennstoffzellen kann so gering gehalten werden.

Fig. 1 zeigt eine gelochte Platte in Aufsicht (oben) und in einer Seitenansicht (unten). Ein zur Brennstoff­ zelle strömendes Betriebsmittel gelangt zuerst zu dem Bereich mit den kleinen Löchern und zuletzt zu dem Be­ reich mit den großen Rechtecken. Durch Vorsehen der un­ terschiedlich großen Durchtrittsflächen wird der Zu­ tritt zur Elektrode geeignet gesteuert.

Fig. 2 zeigt eine Seitenansicht einer bipolare Platte, in die gelochte Platten im Sinne der Erfindung inte­ griert sind. Gezeigt werden Bohrungen, in die die Be­ triebsmittel eingeleitet werden. Von den Bohrungen zweigen senkrechte Bohrungen ab, die durch die gestri­ chelten Linien angedeutet werden. Wiederum unterschei­ den sich im Eintrittsbereich die senkrecht abzweigenden Bohrungen von denen im Austrittsbereich analog zur in Fig. 1 gezeigten Weise.

Claims (4)

1. Brennstoffzelle, bestehend aus einem Elektrolyten und beidseitig hieran angrenzenden Elektroden, bei der wenigstens eine Elektrode von einem angrenzenden Kanal oder Raum durch eine gelochte Platte getrennt ist und über den angrenzenden Raum oder Kanal ein Betriebsmittel zu- und abgeführt wird.

2. Brennstoffzelle nach dem vorhergehenden Anspruch, bei der die Durchtrittsfläche, durch die ein Be­ triebsmittel durch die gelochte Platte hindurch­ strömt, in Strömungsrichtung um wenigstens 10%, vor­ zugsweise um wenigstens 100% zunimmt.

3. Brennstoffzelle nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, wobei ein gelochtes Blech die gelochte Platte bildet.

4. Brennstoffzelle nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, die über ein verbindendes Element mit einer weiteren Brennstoffzelle elektrisch und mechanisch verbunden ist, und bei der die gelochte Platte und das verbindende Element ein einstückiges Bauteil bilden.