DE20210508U1

DE20210508U1 - Polymermembran-Brennstoffzelle

Info

Publication number: DE20210508U1
Application number: DE20210508U
Authority: DE
Original assignee: Viessmann Werke GmbH and Co KG
Current assignee: Viessmann Werke GmbH and Co KG
Priority date: 2002-07-05
Filing date: 2002-07-05
Publication date: 2003-11-13
Anticipated expiration: 2012-07-06

Description

-1-

(18 714)

Polymermembran-Brennstoffzelle

Die Erfindung betrifft eine Polymermembran-Brennstoffzelle gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Polymermembran-Brennstoffzellen, sogenannte PEM-Brennstoffzellen, sind beispielsweise aus der DE 697 00 772 T2 oder der DE 196 02 315 C2 bekannt. Jede Brennstoffzelle besteht aus mehreren zu einem sogenannten Stack zusammengefassten Einzelzellen, von denen jede zwei Elektroden (Anode und Kathode) aufweist. Die räumliche Trennung der Reaktionspartner Wasserstoff und Sauerstoff wird durch einen Elektrolyten gewährleistet, und zwar derart, dass der bei der chemischen Reaktion zwischen Wasserstoff und Sauerstoff stattfindende Elektronenaustausch nicht lokal, sondern über einen äusseren Stromkreis abläuft. Bei einer PEM-Brennstoffzelle findet dieser Prozess bei einer Betriebstemperatur von etwa 50⁰C bis 90⁰C statt. Da bei der Reaktion zwischen Wasserstoff und Sauerstoff neben Strom auch noch Wärme anfällt, weisen die Stacks entsprechend geeignet ausgebildete Kühlvorrichtungen auf.

Beim Brennstoffzellenstapel gemäß der DE 697 00 772 T2 (der insbesondere bei mobilen Anwendungen eingesetzt wird) sind sogar zwei Kühlkreisläufe mit unterschiedlichen Kühlflüssigkeiten (bei einer Alternative Wasser und Methanol) vorgesehen, um im Falle des Einfrierens des einen Kühlmittels dieses mit dem anderen wieder auftauen zu können.

Die Brennstoffzelle gemäß der DE 196 02 315 C2 zeichnet sich im Gegensatz dazu u. a. dadurch aus, dass ihr Kühlsystem nach dem sogenannten Heat-Pipe-Prinzip funktioniert, das auch in

der DE 195 39 648 C2 erläutert ist, dort allerdings im Zusammenhang mit der Kühlung einer selektive Oxidationsstufe eines Reformersystems.

Ferner ist es bekannt, Luft als Kühlmedium einzusetzen. Dies hat allerdings den erheblich Nachteil, dass für eine ausreichende Kühlung eine hohe Luftdurchsatzmenge bereitgestellt werden muss. Das hierfür erforderliche Gebläse hat eine hohe elektrische Verbrauchsleistung, was den elektrischen Brennstoff zellensystemwirkungsgrad deutlich reduziert.

Aber auch Wasser ist (neben der bereits erwähnten Frostgefahr) insofern nicht ohne Nachteile, als es einerseits vor dem Betrieb demineralisiert werden muss und sich andererseits, was noch wesentlicher ist, in aller Regel aufgrund der anhaltenden Wärmezufuhr über den Stack ein Temperaturgradient von bis zu 10⁰C einstellt, was unerwünschter Weise zu unterschiedlichen Leistungsdichten innerhalb des Stacks führt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Polymermembran-Brennstoffzelle bereitzustellen, bei der mit einfachen technischen Mitteln eine möglichst gleichmäßige Temperaturverteilung innerhalb des Stacks und in jeder Einzelzelle gewährleistet ist.

Diese Aufgabe ist durch eine Brennstoffzelle der eingangs genannten Art durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 aufgeführten Merkmale gelöst.

Die Erfindung basiert mithin auf der Idee, dass die Temperatur einer verdampfenden Flüssigkeit erst nach vollständiger Verdampfung weiter erhöht werden kann, d. h. solange die Flüssigkeit verdampft, herrscht eine konstante Temperatur. Im Stack

• ·

befindet sich im Betriebszustand somit ein im wesentlichen gerade verdampfendes Kühlmittel, dessen Temperatur im gesamten Stack gleich ist.

Vorzugsweise wird dabei als Kühlmittel Methanol eingesetzt, dass eine Verdampfungstemperatur von etwa 68⁰C hat und darüber hinaus eine hohe Verdampfungsenthalpie von etwa 1100 KJ/kg aufweist, was insofern günstig ist, als das Methanol eine vergleichsweise große Menge an Wärme aufnehmen kann, bevor es vollständig verdampft ist, d. h. der Zeitraum zwischen Beginn und Ende der Verdampfung ist recht lang, so dass sich die angestrebte gleichmäßige Temperaturverteilung im Stack praktisch zwangsläufig ergibt.

Damit das verdampfte Kühlmittel nach Passage eines Kühlmittelkreislaufes wieder Wärme aufnehmen kann, wird es vorzugsweise mittels eines mit der Kühlmittelführung der Brennstoffzelle hydraulisch verbundenen Kondensators kondensiert.

Die erfindungsgemäße Brennstoffzelle einschließlich ihrer vorteilhaften Weiterbildungen gemäß der abhängigen Ansprüche wird nachfolgend anhand der zeichnerischen Darstellung eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.

Die einzige Figur zeigt eine Polymermembran-Brennstoffzelle, die einen aus mehreren Einzelzellen 1 gebildeten Stack 2 umfasst. Die Einzelzellen 1 sind aus einer protonenleitenden Elektrolyt-Membran 3, aus beidseitig neben der Membran 3 angeordneten Elektro-Katalygatoren 4, aus porösen Elektroden 5 zur Zuführung von Wasserstoff und Sauerstoff und zur Abführung von Strom, Wärme und Wasser und aus Bipolarplatten 6 zur Trennung der Einzelzellen 1 voneinander und insbesondere zur Strömungsführung eines die Brennstoffzelle auf Betriebstemperatur

-A-

haltenden Kühlmittels gebildet; die dargestellte PEM-Zelle weist somit einen ganz typischen Aufbau auf.

Wesentlich für die erfindungsgemäße Brennstoffzelle ist nun, dass das Kühlmittel eine Verdampfungstemperatur aufweist, die der optimalen Betriebstemperatur der Brennstoffzelle entspricht. Hierdurch ist, wie erläutert, gewährleistet, dass die Temperatur im gesamten Stack, insbesondere an den Bipolarplatten im wesentlichen gleich ist, da sich die Temperatur während der Verdampfungsphase des Kühlmittels praktisch nicht ändert, wobei die eine Pumpe 8 aufweisende Kühlmittelführung 9 natürlich so ausgelegt ist, dass gerade soviel, aber auch nicht weniger Kühlmittel gefördert wird, wie für einen kontinuierlich gleichbleibenden Dampfgehalt im Stack erforderlich ist.

Bezüglich des Kühlmittels ist dabei ferner vorzugsweise vorgesehen, dass dieses eine hohe Verdampfungsenthalpie, vorzugsweise mindestens 1100 KJ/kg, aufweist, wobei sich insbesondere Methanol als geeignet erwiesen hat.

_N Zum Abkühlen des Kühlmittels ist schließlich vorgesehen, dass außerhalb der Brennstoffzelle ein mit dieser hydraulisch verbundener Wärmetauscher 7, vorzugsweise ein Kondensator, angeordnet ist.

t • ·

(18 714)

Bezugszeichenliste

1	Einzelzelle
2	Stack
3	Membran
4	Katalysator
5	Elektrode
6	Bipolarplatte
7	Kondensator
8	Pumpe
9	Kühlmittelführung

Claims

1. Polymermembran-Brennstoffzelle, umfassend einen aus mehreren $inzelzellen (1) gebildeten Stack (2), wobei die Einzelzellen (1) aus einer protonenleitenden Elektrolyt-Membran (3), aus beidseitig neben der Membran (3) angeordneten Elektro-Katalysatoren (4), aus porösen Elektroden (5) zur Zuführung von Wasserstoff und Sauerstoff und zur Abführung von Strom, Wärme und Wasser und aus Bipolarplatten (6) zur Trennung der Einzelzellen (1) voneinander und insbesondere zur Strömungsführung eines die Brennstoffzelle auf Betriebstemperatur haltenden Kühlmittels gebildet sind, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmittel eine Verdampfungstemperatur aufweist, die der Betriebstemperatur der Brennstoffzelle entspricht.

2. Polymermembran-Brennstoffzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmittel eine hohe Verdampfungsenthalpie, vorzugsweise mindestens 1100 KJ/kg, aufweist.

3. Polymermembran-Brennstoffzelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmittel Methanol ist.

4. Polymermembran-Brennstoffzelle dadurch gekennzeichnet, dass zum Abkühlen des Kühlmittels außerhalb der Brennstoffzelle ein mit dieser hydraulisch verbundener Wärmetauscher (7), vorzugsweise ein Kondensator, angeordnet ist.