DE19957444A1 - Brennstoffzelle mit Kreislauf des Oxidationsmittels - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle mit einer Kathode, einem Elektrolyten sowie einer Anode. Mittel zur Zu- und Abführung eines Oxidationsmittels in den Kathodenraum sind vorgesehen. Zusätzlich umfaßt die Brennstoffzelle Mittel zur Führung von Oxidationsmittel in einem Kreislauf, wobei der Kathodenraum Teil des Kreislaufs ist. DOLLAR A Verfahrensgemäß wird das Oxidationsmittel dem Kathodenraum während des Betriebs in einer solchen Menge zugeführt, daß die Luftzahl lambda bis zu lambda = 2 beträgt und das Oxidationsmittel zumindest teilweise über einen Kreislauf umgewälzt wird. DOLLAR A Es ist so ein leistungsfähiger Betrieb möglich, bei dem keine hohen Pumpleistungen zur Erzeugung eines relativ hohen Drucks im Kathodenraum erforderlich sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle. Mehrere Brennstoffzellen werden regelmäßig mechanisch und elektrisch miteinander verbunden, um so zu hohen Spannungen und/oder elektrischen Strömen zu gelangen.

Aus der Druckschrift DE 44 30 958 C1 sowie aus der Druckschrift DE 195 31 852 C1 sind Brennstoffzellen bekannt, die eine Kathode, einen Elektrolyten sowie eine Anode aufweisen. In einen an die Kathode angrenzenden Kanal oder Raum - nachfolgend Kathodenraum genannt - wird ein Oxidationsmittel (z. B. Luft) und in einen an die Anode angrenzenden Kanal oder Raum wird Brennstoff (z. B. Wasserstoff) zugeführt.

Die Betriebsmittel gelangen zu den Elektroden und reichern sich hier ab. Anschließend treten die abgereicherten Betriebsmittel wieder aus und werden aus der Brennstoffzelle herausgeleitet.

An der Kathode der aus der Druckschrift DE 44 30 958 A1 bekannten Hochtemperaturbrennstoffzelle bilden sich in Anwesenheit des Oxidationsmittels Sauerstoffionen. Die Sauerstoffionen passieren den Festelektrolyten und rekombinieren auf der Anodenseite mit dem vom Brennstoff stammenden Wasserstoff zu Wasser. Mit der Rekombination werden Elektronen freigesetzt und so elektrische Energie erzeugt. Betriebstemperaturen einer Hochtemperaturbrennstoffzelle liegen typischerweise um die 800 Grad Celsius.

An der Anode der aus der Druckschrift DE 195 31 852 C1 bekannten Brennstoffzelle bilden sich in Anwesenheit des Brennstoffs mittels eines Katalysators Protonen. Die Protonen passieren die Membran (Elektrolyten) und verbinden sich auf der Kathodenseite mit dem vom Oxidationsmittel stammenden Sauerstoff zu Wasser. An der Anode werden die Elektronen freigesetzt und an der Kathode verbraucht und so elektrische Energie erzeugt.

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 und Oxidation eines Brennstoffs wie einem Methanol-Wasser-Gemisch können im betreffenden Elektrodenraum weitere Inertgase wie Kohlendioxid auftreten. Der Kathode wird regelmäßig Luft und damit auch das Inertgas 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 getrennt in Befeuchtungseinrichtungen befeuchtete Gase in eine Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzelle eingeleitet werden, so sind die Elektrodenflächen besonders gleichmäßig mit Betriebsmitteln zu versorgen.

Andernfalls droht verstärkt ein lokales Austrocknen einer Elektrode und gegebenenfalls einer Elektrolytenmembran. Lokales Austrocknen hat Leistungsverluste zur Folge und kann Schäden verursachen. Bei Vorliegen eines Temperaturgradienten kann die Brennstoffzelle lokal überhitzen. Lokales Austrocknen kann die Folge sein.

Strömen Betriebsmittel parallel zu den Elektroden über längere Bereiche hinweg, so verbrauchen sie sich zunehmend. Entsprechend unterscheiden sich die ablaufenden Reaktionen ortsabhängig in quantitativer Hinsicht. Das Auftreten von Temperaturgradienten in einer Brennstoffzelle sind die Folge.

Thermische Gradienten sind generell zu vermeiden, da sich diese schädigend auswirken können und den Wirkungsgrad herabzusetzen, da die Betriebstemperatur zwangsläufig nicht gleichmäßig optimal sein kann.

Kathodenseitig wird bei Brennstoffzellen, die auf Protonenleitern basieren, Wasser erzeugt. Dieses muß regelmäßig entfernt werden, da sonst Diffusionsschichten oder auch Kanäle verstopfen.

Zur Erzielung guter Wirkungsgrade und zur Sicherstellung des Betriebes müssen die Betriebsmittel räumlich gleichmäßig in einer Brennstoffzelle verteilt und durchmischt werden. Ferner müssen unerwünschte Produkte wie entstehendes Wasser aus den Elektrodenräumen entfernt werden.

Der Druckschrift DE 19 790 15 256 A1 ist zu entnehmen, in einem Elektrodenraum (Raum, in dem sich die Elektrode befindet) Verteilerstrukturen vorzusehen. Die Verteilerstrukturen sind kammartig ausgestaltet. Sie sollen eine gleichmäßige Verteilung der Betriebsmittel im jeweiligen Raum bewirken.

Es ist gemäß der deutschen Patentanmeldung DE 198 08 331 A1 vorgeschlagen worden, eine Mehrzahl an Zuführungskanälen und hieran angrenzende Abführungskanäle vorzusehen. Diese Kanäle weisen Löcher auf, die an die Elektrode der Brennstoffzelle angrenzen. Die Betriebsmittel durchströmen die Löcher und gelangen so senkrecht zur Elektrode sowie zur Grenzfläche zwischen Elektrolyt und Elektrode. In gleicher Weise strömen dieses senkrecht wieder ab.

Die Löcher sind ferner unterschiedlich groß, um so eine Gleichverteilung der Gase entlang der Elektrodenflächen zu erzielen.

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

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

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

Vergleichbares gilt für die Flächen, durch die die abgereicherten Betriebsmittel aus der Brennstoffzelle oder dem Brennstoffzellenstapel austreten.

Zwar können bei einer Brennstoffzelle die Stege zwischen getrennten Zu- und Abführungskanälen sehr klein gehalten werden, um so zu großen Eintritts- und Austrittsflächen zu gelangen. Hierdurch würde sich jedoch der elektrische Kontakt zwischen den Brennstoffzellen eines Brennstoffzellenstapels und damit der Wirkungsgrad verschlechtern. Ein Brennstoffzellenstapel wird durch mehrere Brennstoffzellen gebildet, die über verbindende Elemente miteinander mechanisch und elektrisch verbunden sind.

Gemäß einer weiteren deutschen Patentanmeldung DE 198 53 911 A1 ist vorgeschlagen worden, die Elektrode einer Brennstoffzelle von einem an die Elektrodenoberfläche angrenzenden Kanal oder Raum durch eine gelochte Platte zu trennen. Unter einer gelochten Platte wird ein flächiges, mit Löchern versehenes Bauelement verstanden. Diese Platte 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 in der Platte sind makroskopisch groß, also mit bloßem Auge sichtbar.

In Strömungsrichtung des Gases nimmt die Dichte und/oder der Durchmesser der Löcher insbesondere zu. Diese Gleichverteilung hat zur Folge, daß elektrochemische Reaktionen in der Brennstoffzelle gleichmäßig verteilt ablaufen. Dem Entstehen eines Temperaturgradientens kann so entgegengewirkt werden.

Bei dieser Ausgestaltung ist die Gaszuführung zugleich die Gasableitung.

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

Produktwasser wird gemäß dem Stand der Technik insbesondere durch kurzfristige Durchflußerhöhung aus einem Elektrodenraum entfernt. Diese Durchflußerhöhung erfordert eine Erhöhung des Betriebsdrucks. Deutliche Verluste an nutzbarer Energie sind nachteilhaft die Folge.

Gegenüber dem vorgenannten Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, eine Brennstoffzelle mit verbesserter Leistung bereitzustellen. Aufgabe der Erfindung ist ferner die Angabe eines Verfahrens für einen besonders leistungsfähigen Betrieb der anspruchsgemäßen Brennstoffzelle.

Die Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des ersten Anspruchs sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Nebenanspruchs gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die anspruchsgemäße Brennstoffzelle weist neben den Mitteln zur Zu- und Abführung eines Oxidationsmittels zusätzliche Mittel zur Umwälzung des Oxidationsmittels auf. Unter Umwälzung wird verstanden, daß Oxidationsmittel einem Kreislauf zugeführt wird, wobei der Kathodenraum Teil des Kreislaufes ist. Als Mittel zur Umwälzung ist beispielsweise ein Gebläse vorgesehen, welches über Leitungen mit dem Ein- und Ausgang des zugehörigen Kathodenraums verbunden ist. Betroffen ist insbesondere eine Brennstoffzelle, in der das Produktwasser im Kathodenraum anfällt.

Durch die zusätzliche Umwälzung im Kathodenraum wird eine Gleichverteilung des Sauerstoffpartialdrucks sowie ein Wasseraustrag verbessert bzw. eine Verstopfung durch Produktwasser vermieden. Einer Verarmung des Sauerstoffpartialdrucks vom Lufteinlaß zum Luftauslaß, welcher insbesondere bei kleinen Luftzahlen stattfindet, und hiermit einhergehende inhomogene Leistungen der Brennstoffzelle werden so entgegengewirkt.

Es ist dadurch möglich, auch bei kleinen Luftzahlen bzw. geringem Druck im Kathodenraum gute Leistungen zu erzielen. Kann die Brennstoffzelle bei kleinen Luftzahlen wirtschaftlich sinnvoll betrieben werden, so müssen keine hohen Pumpleistungen erbracht werden.

Verluste von nutzbarer Energie werden so im Vergleich zum vorgenannten Stand der Technik vermieden, obwohl eine zusätzliche Umwälzung durchgeführt wird.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist im Umwälzkreislauf ein Wasserabscheider angeordnet. Durch den Wasserabscheider wird umgewälztes Oxidationsmittel von mitgeführtem überschüssigen Produktwasser befreit. Verstopfungen durch Produktwasser werden so weiter vermieden.

Bevorzugt wird die anspruchsgemäße Brennstoffzelle bei Luftzahlen bis zu λ = 2 betrieben. Die Luftzahl λ charakterisiert die Luftmenge, die im Verhältnis zur benötigten stöchiometrisch erforderlichen Mindestluftmenge n_{Luft,stöchiometrisch} bereitgestellt wird. λ = 1 bedeutet, daß gerade die Luftmenge vorhanden ist, um die gewünschten Reaktionen im Kathodenraum durchzuführen. Es gilt λ = n_Luft/n_{Luft,stöchiometrisch}.

Der Umwälzkreislauf kann ständig, intermittierend oder in Abhängigkeit vom Betriebszustand der Brennstoffzelle zugeschaltet oder abgeschaltet werden. Es kann dem Fachmann überlassen bleiben, den Betrieb des Umwälzkreislaufes optimal zu gestalten, um die Leistungsfähigkeit der Brennstoffzelle zu optimieren.

Ergänzend kann ein anspruchsgemäßer Umwälzkreislauf auch auf der Anodenseite vorgesehen sein, um die Leistung zu optimieren.

Anhand der Figur wird die Erfindung näher verdeutlicht.

Skizziert wird eine Brennstoffzelle, die aus einer Anode 1, einer Membran 2 und einer Kathode 3 besteht.

An die Anode 1 grenzt ein Anodenraum 4. Durch den Anodenraum 4 wird der Brennstoff geleitet. Der Kathodenraum 5 grenzt an die Kathode 3. Über einen Einlass 6 wird Luft in den Kathodenraum 5 geleitet. Die abgereicherte Luft gelangt nach Passieren des Kathodenraums 5 zu einem Auslass 7 und verläßt hierüber die Brennstoffzelle. Zusätzlich wird die Luft durch einen Kreislauf 8 umgewälzt. Für die Durchführung der Umwälzung ist ein Gebläse 9 vorgesehen. Kreislauf 8 und Gebläse 9 sind so an den Kathodenraum angeschlossen, daß abgereicherte Luft nahe beim Auslass 7 zurück zum Einlass 6 geführt werden. Innerhalb des Kreislaufes 8 ist ein Wasserabscheider 10 angeordnet. Überschüssiges Produktwasser wird mit Hilfe des Wasserabscheiders 10 aus der Luft entfernt.

Bevorzugt wird die Kathodenseite bei Luftzahlen von bis zu 2 betrieben. Die bei dieser Luftzahl auftretenden Drücke sind relativ gering. Es müssen daher keine großen Pumpleistungen erbracht werden.

Claims (5)

1. Brennstoffzelle mit einer Kathode (3), einem Elektrolyten (2) sowie einer Anode (1), einem Mittel zur Zu- und Abführung eines Oxidationsmittels sowie mit zusätzlichen Mitteln (8, 9) zur Führung von Oxidationsmittel in einem Kreislauf, wobei der Kathodenraum (5) Teil des Kreislaufs ist.

2. Brennstoffzelle nach Anspruch 1 mit einem im Kreislauf angeordneten Gebläse (9).

3. Brennstoffzelle nach Anspruch 1 oder 2, bei der der Kreislauf eine oder mehrere Leitungen umfaßt, die mit dem Ein- und Ausgang des zugehörigen Kathodenraums verbunden sind.

4. Brennstoffzelle nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, bei der im Kreislauf (8) ein Wasserabscheider (10) angeordnet ist.

5. Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Oxidationsmittel dem Kathodenraum (5) während des Betriebs in einer solchen Menge zugeführt wird, daß die Luftzahl λ bis zu λ = 2 beträgt und das Oxidationsmittel zumindest teilweise über einen Kreislauf (8) umgewälzt wird.