DE2927682C2 - Elektrochemische Brennstoffzelle - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft eine elektrochemische Brennstoffzelle nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Bei der Konstruktion von Brennstoffzellen und ähnlichen Vorrichtungen zur Erzeugung elektrischer Energie, bei deren Betrieb ein einer elektrochemischen Reaktion unterliegendes Reakanten- oder Produktgas (Verfahrensgas) eine Rolle spielt, hat die Wärmeregelung eine herausragende Bedeutung. Die elektrochemischen Reaktionen in solchen Vorrichtungen sind aufgrund von die Umsetzung begleitenden Entropieänderungen und irreversiblen Vorgängen, welche durch Diffusions- und Aktivierungsüberpotentiale sowie ohmsche Widerstände verursacht werden, zwangsläufig mit einer Wärmeentwicklung oder Wärmeaufnahme verbunden. Es wurden bereits mehrere Methoden zur Erzielung einer angemessenen Wärmeregelung erprobt, von denen sich jedoch keine als völlig zufriedenstellend erwiesen hat.

Die Wärmeregelungstechnik macht sich am zweckmäßigsten die Eigenwärme des Verfahrensgases selbst als Medium für die thermische Kontrolle zu Nutze. Wenn eine Wärmeabfuhr von der Zelle erwünscht ist, kann man somit das zuströmende Verfahrensgas in die Zelle bei einer niedrigeren Temperatur als der Zellenbetriebstemperatur einspeisen, so daß das ausströmende Gas Wärme einfach durch Erhöhung seiner Temperatur während des Durchgangs durch die Zelle abführt Bei dieser Methode stellt man die Verfahrensgas-Strömungsmenge auf einen Wert oberhalb jener Strömungsmenge ein, welche zur Erzeugung eines vorgewählten Ausmaßes an elektrischer Energie benötigt wird; das zusätzliche Verfahrensgas erfüllt dabei die wärmeabführende Funktion. Zu Nachteilen dieser Arbeitsweise gehören unerwünschte Druckabfälle aufgrund des verstärkten Verfahrensgasstromes, zusätzlicher Energieaufwand und Elektrolytverluste durch Verdampfung oder Verschleppung. Unter »zusätzlicher Energie« (Hilfsenergie) sind die Energieanforderungen der Zusatzeinrichtungen zur eigentlichen Brennstoffzelle, ζ. B. der Gaspumpen oder Druckerzeugungssysteme, zu verstehen. Was die Elektrolytverluste betrifft, steht das gesamte Verfahrensgas bei dieser auf der Gaseigenwärme beruhenden Methode bei seinem Durchgang durch die Zelle in Verbindung mit dem Zellelektrolyt, und wenn eine beträchtliche Menge an zusätzlichem Gas für die Wärmeregelung benötigt wird, ist im Elektroiytgas ein sehr hoher Elektrolytverlust aufgrund der Sättigung des Gases mit Elektrolytdampf festzustellen; auf diese Weise ergibt sich eine recht hohe Elektrolyteinbuße.

Bei einer zweiten bekannten Wärmeregelmethode wird versucht, das Temperaturgefälle in Brennstoffzellen durch Anwendung einer bipolaren Platte, welche eine ausgedehnte, außerhalb der Zelle selbst angeordnete Rippe oder dergl. aufweist, zu begrenzen; vgl. die US-PS 36 23 913. Obwohl diese Methode für eine etwas gleichmäßigere Zelltemperatur sorgt, kann ein direkt durch die Zelle verlaufender starker Gasstrom zu einem hohen Elektrolytverlust und erhöhtem Hilfsenergiebedarf führen.

Eine dritte Wärmeregelmethode beruht auf der Eigenwärme einer dielektrischen Flüssigkeit, Diese Methode erfordert eine wesentlich geringere Hilfsenergie als die ein gasförmiges Wärmeübertragungsmedium anwendende Technik, benötigt jedoch einen gesonderten Wärmeübertragungskreislauf und ein elektrisch isoliertes Leitungssystem. Um Nebenschlußströme zwischen übereinandergestapelten Zellen zu vermeiden, wurden als Hitzeübertragungsmedien gemäß herkömmlicher Praxis dielektrische Flüssigkeiten, wie Fluorkohlenstoff- oder Silikonöle, verwendet. Da das Katalysatormaterial selbst durch Spurenanteile dieser dielektrischen Fluide stark vergiftet werden kann, können geringfügige Austritte aus dem Wärmeübertragungskreislauf verhängnisvolle Auswirkungen auf die Zelle haben. Dielektrische Flüssigkeiten sind ferner entflammbar und bilden toxische Reaktionsprodukte. Eine derartige Brennstoffzelle ist aus der DE-PS 12 93271 bekannt, von der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 ausgegangen wird.

Eine vierte bekannte Methode zur Wärmeregelung beruht auf der latenten Wärme von Flüssigkeiten. Flüssigkeiten mit latenter Wärme (vgl. die US-PS 37 61 316 und 39 69 145) können eine Wärmeübertragung bei nahezu gleichmäßiger Temperatur bewerkstelligen, obwohl bestimmte Temperaturgradienten in der Stapelrichtung auftreten können, wenn die Wärmeübertragungsplatte zwischen einer Gruppe von Zellen angeordnet ist. Es wird von einem extrem geringen Hilfsenergiebedarf ausgegangen. Geeignete dielektri-

sehe Flüssigkeiten mit Siedepunkten im Bereich der te Beschreibung und die Zeichnungen, in welchen

Zellbetriebstemperatur können verwendet werden; es gleiche Bezugszahlen jeweils gleiche Teile bezeichnen,

muß jedoch auch in diesem Falle mit den Nachteilen näher erläutert. Von den Zeichnungen zeigt

gerechnet werden, die bei der Methode auftreten, F i g. 1 einen Querschnitt nach I-I von F i g. 2 durch

welche auf der Eigenwärme einer Flüssigkeit beruht 5 eine beispielhafte Ausführungsform einer elektrochemi-

Um diese Mangel zu überwinden, kann man nicht-dielek- sehen Zelle;

trische Medien, wie Wasser, einsetzen Bei Verwendung F i g. 2 eine Seitenansicht der Zelle von F i g. 1;

von Wasser kann Dampf mit geeigneter Qualität zur F i g. 3 eine perspektivische Ansicht der in der Zelle

Verwendung in anderen Teilen der Anlage erzeugt von F i g. 1 und 2 verwendeten Trennplatte;

werden. Ein äußerer Wärmeaustausch wird aufgrund io F ig. 4 und 5 perspektivische Ansichten von bipolaren

der hohen Wärmeübertragungskoeffizienien ebenfalls Trennplatten;

als wirksam angesehen. Bei Verwendung einer nicht- Fig.6 einen Querschnitt durch einen Brennstotfzel-

dielektrischen Flüssigkeit sind jedoch aufwendige len-Stapel;und

KorrosionsschutzmaEnahmen (US-PS 39 69 145, Fig.7(a)—(d) schematische Ansichten anderer Aus-

39 23 546 und 3940285) und/oder die Verwendung 15 führungsformen der Trennplatten.

einer Flüssigkeit mit extrem geringer Leitfähigkeit Gemäß F i g. 1 und 2 enthält die Brennstoffzelle 10

erlforderlich. Während des Betriebs kann die Leitfähig- Elektroden (Anode und Kathode) 12 und 14 vom

keit ansteigen, so daß außerdem Maßnahmen zur Gasdiffusionstyp und eine dazwischen befindliche

Wiederherstellung der geringen Leitfähigkeit notwen- Elektrolytmatrix oder -schicht 16. Eine Trennplatte 18

dig werden können. Wenn der Kühlkreislauf unter 20 ist so konstruiert, daß sie Strömungswege 18a für die

Druck steht, sind gute Dichtungen erforderlich. Wenn Zufuhr von Verfahrensgas zur Anode 12 aufweist, wobei

sich aufgrund von durch Korrosion oder Zerstörung von sämtliche Strömungswege in Fließverbindung mit dem

Dichtungen hervorgerufenen Nadellöchern während Elektrolyt stehen. Eine Trennplatte 20 vom unipolaren

der Einsatzzeit des Stapels ein Leck bildet, kann dieses Typ weist erste Strömungswege 20a für die Zufuhr von

das gesamte System außer Betrieb setzen. Aufgrund der 25 Verfahrensgas zur Kathode 14 auf. Aufgrund des

Korrosionsschutzerfordernisse und des komplizierten Gasdiffusionscharakters der Elektroden 12 und 14

Leitungssystems können die Kosten des auf Basis eines stehen die Strömungswege 18a und 20a mit dem

dielektrischen Kühlmittels arbeitenden Wärmeübertra- Elektrolyt in Verbindung.

gungs-Nebensystems beträchtliche Ausmaße anneh- Die zweiten Strömungswege 206 der Trennplatte 20

men. 3° kommen nicht in Berührung mit der Kathode 14, da die

Die DE-OS 29 27 656 beschreibt eine grundsätzlich Begrenzungswände 20c; 2Od und 2Oe der Strömungswe-

verschiedene Methode zur Wärmeregelung von Brenn- ge im wesentlichen gasundurchlässig sind, während die

Stoffzellen, bei welcher für eine Ergänzung des Stromes Wand 20c/ die Elektrode 14 berührt Die Platte 20/ ist

des Verfahrensgases durch eine elektrochemische Zelle angrenzend an die Strömungswege 206 angeordnet, um

gesorgt wird, und zwar in einem für die Wärmeregelung 35 diese zu schließen. Demgemäß sind die Strömungswege

durch die Eigenwärme des Verfahrensgases erforderli- 206 gegenüber dem Elektrolyt 16 isoliert und das den

chen Ausmaß und in einer Weise, daß sowohl ein Strömungswegen 20f> zugeführte Verfahrensgas kann

Elektrolytverlust als auch eine Erhöhung des Druckab- durch die Brennstoffzelle zur Wärmeregelung geleitet

falls über die Zelle vermieden werden. Im Rahmen werden, ohne daß es zum Elektrolytverlust oder einer

dieser auf der Eigenwärme des Verfahrensgases 40 Blockierung beiträgt. Im Gegensatz dazu ergeben die

beruhenden Methode sieht die der vorgenannten durch die Strömungswege 18a und 20a geleiteten

Patentanmeldung zugrunde liegende Erfindung zusatz- Verfahrensgase ein Abgas, welches zwangsläufig

lieh zu dem üblichen, mit dem Zellelektrolyt in teilweise mit Elektrolytdampf gesättigt ist Bei der

Verbindung stehenden Verfahrensgasdurchgang einen dargestellten Ausführungsform sind die Strömungswe-

weiteren Verfahrensgasdurchgang in der Zelle vor, 45 ge 20a und 206 alternierend nacheinander in einer

welcher vom Zellelektrolyt isoliert ist und mit einer gemeinsamen Ebene angeordnet wenn man über die

hitzeerzeugenden Oberfläche der Zelle in thermischer Oberfläche der Elektrode 14 vorschreitet, welche an die

Verbindung steht Der mit dem Elektrolyt in Verbin- Spitzenbereiche 2Od der vom Elektrolyt isolierten

dung stehende Durchgang und der vom Elektrolyt Strömungswepe 206 angrenzt.

isolierte Durchgang sind gemeinsam über ein Leitungs- 50 Gemäß der obengenannten DE-OS 29 27 656 werden

system an eine Druckzufuhreinrichtung für das Verfah- unipolare Trennplatten (wie die Platte 18) verwendet,

rensgas angeschlossen. Die Strömungsanteile in den welche an jede der Zellelektroden einer Brennstoffzelle

betreffenden Durchgängen werden individuell mit Hilfe angrenzen. Das durch die vom Elektrolyt isolierten

von Durchgangsparametern so eingestellt, daß sowohl Strömungswege zu leitende ergänzende Verfahrensgas

für die gewünschte Leistungsabgabe der Zelle an 55 für die Wärmeregelung strömt durch Leitungen

elektrischer Energie als auch für die gewünschte weiterer Platten, welche durch die unipolaren Trenn-

Wärmeabfuhr gesorgt wird. platten im Abstand von den Elektroden gehalten

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine werden. Bei der dort speziell offenbarten Ausführungs-

verbesserte elektrochemische Brennstoffzelle zu schaf- form werden solche leitungsbegrenzenden weiteren

fen, in der die vorgenannte Wärmeregelmethode, 60 Platten in einer Zelle innerhalb eines Stapels aus

welche auf der Eigenwärme des Verfahrensgases aufeinanderfolgenden Zellen angewendet Da die

beruht, durchgeführt werden kann. Wärmeabfuhr somit durch die Eigenwärme des

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden ergänzenden Verfahrensgases an in gewissem Abstand

Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. voneinander befindlichen Stellen beeinflußt wird,

Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind 65 besteht die Möglichkeit daß Wärmegradienten in

Gegenstand der Unteransprüche. beträchtlichem Ausmaß auftreten. Dieser Nachteil wird

Die Torgenannten und andere Ziele und Merkmale durch die hier beschriebenen Arbeitsweisen und

der Erfindung werden durch die nachfolgende detaillier- Vorrichtungen überwunden; bei diesen sind die

Wärmegradienten vermindert, da nach Bedarf eine Wärmeabfuhr von der hitzeerzeugenden Oberfläche jeder Zelle erfolgen kann.

Die unipolare Ausführungsform der Trennplatte 20 ist leicht herstellbar, indem man ein zusammenhängendes Blatt- bzw. Folienmaterial verwendet und dieses Material wellt, wobei Kanäle entstehen, welche die jeweiligen verschiedenen Strömungswege begrenzen. Obwohl die Strömungswege in den F i g. 1 bis 3 symmetrisch dargestellt sind, können sie so vorgebildet werden, daß sie verschiedene Querschnittsflächen aufweisen, welche auf das zur Erzielung der gewünschten Wärmeabfuhr und elektrischen Leistungsabgabe erforderliche Verhältnis der durch die Strömungskanäle verlaufenden Strömungen abgestimmt ist Typischerweise ist der Strom durch die vom Elektrolyt isolierten Strömungswege fünfmal so groß wie der Strom durch die mit dem Elektrolyt in Verbindung stehenden Strömungswege. Die gewünschten Strömungen in den betreffenden Strömungswegen können z. B. dadurch erzielt werden, daß man die Größe und geometrischen Dimensionen der Strömungswege variiert und/oder in einem Strömungsweg oder in beiden Strömungswegen fixierte oder variabel einstellbare Verengungen anbringt Wie in F i g. 3 beispielhaft dargestellt ist, kann man im Strömungsweg 20a eine Teil-Endwand 20# ausbilden oder darin ein blockartiges Hindernis 22 anbringen.

Die F i g. 4 und 5 veranschaulichen bipolare Platten. Bei beiden derartigen Platten verlaufen längliche Strömungswege in der Längsrichtung mit den entgegengesetzten Oberflächen der Platten. Gemäß Fig.4 beinhaltet die bipolare Platte 24 ein gewelltes Blattbzw. Folienelement 26, das oberhalb der Platte 28 angeordnet ist, welche die Strömungswege 28a für das Verfahrensgas begrenzt, und die genannten Strömungswege öffnen sich in die untere Plattenoberfläche. Das Element 26 weist erste Strömungswege 26a (mit dem Elektrolyt in Verbindung stehend), die sich in die obere Plattenoberfläche öffnen, und zweite Strömungswege 266 (vom Elektrolyt isoliert), die parallel zu den ersten Strömungswegen 26a verlaufen, auf. Eine solche der Fig.4 entsprechende Platte ist beim Stapeleinsatz in dem in Fig.6 dargestellten Brennstoffzellenstapel gezeigt.

ίο Bei der bipolaren Platte 30 von Fig.5 stützt die rückseitige Trägerplatte 32 die gewellten Blatt- bzw. Folienelemente 34 und 36 und schließt deren vom Elektrolyt isolierte Strömungswege 34b und 36b. Die kreuzweise verlaufenden, mit dem Elektrolyt in Verbindung stehenden Strömungswege 34a und 36a versorgen die an sie angrenzenden (nicht gezeigten) Elektroden mit Verfahrensgas.

Die Erfindung kann generell in jeder beliebigen, mit einem Reaktantengas arbeitenden elektrochemischen Zelle verwirklicht werden. Besonders gut eignet sich die Erfindung zur Anwendung in Brennstoffzellen, wie Phosphorsäure-Brennstoffzellen, mit denen das auch zur Wärmeregelung verwendete Verfahrensgas das Kathodengas und/oder ein wasserstoffreiches Anodengas ist, und in mit geschmolzenem Carbonat arbeitenden Brennstoffzellen, in denen das auch zur Wärmeregelung verwendete Verfahrensgas ein Luft/Kohlendioxid-Kathodengasgemisch und/oder ein wasserstoffreiches Anodengasgemisch ist.

Die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen können in verschiedener Weise abgewandelt werden. So kann man die geometrischen Dimensionen der Durchgänge stark variieren, wie anhand der in den Fig.7(a)—(d) schematisch dargestellten, gewellten

Blatt- bzw. Folienelemente 38 bis 44 gezeigt wird.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

1. Patentansprüche:

   i. Elektrochemische Brennstoffzelle mit einem Elektrolyten, den Elektrolyten berührende Elektroden und einer Trennplatte, die erste mit dem s Elektrolyten und einer der Elektroden in Verbindung stehende Strömungswege aufweist, dadurch gekennzeichnet,

   daß die Trennplatte (20; 24; 30) ein gewelltes dünnes Blechteil (26; 34) aufweist, das die ersten, zur Elektrode (14) hin offene Strömungswege begrenzt, und alternierend zu den ersten Strömungswegen (20a; 26a; 34a; zweite Strömungswege (206; 266 34b) für die Aufnahme des Verfahrensgasas, das der Wärmeregulierung dient, bildet und einen die zweite Strömungswege gegen die Elektrode (14) abgrenzenden vorstehenden Bereich (20c/} aufweist und
   daß die Trennplatte (20; 24; 30) eine Platte (20/; 28; 32) enthält, die die vorstehenden, die ersten Strömungswege abgrenzenden Bereiche des Blechteils (26; 34) berührt und die zweiten Strömungswege abschließt
2. 2. Brennstoffzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß diejenige Oberfläche der Platte (28), die der die ersten Strömungswege verschließenden Seite gegenüberliegt, Strömungswege (2Sa) für das Betriebsgas der nächsten Brennstoffzelle aufweist.
3. 3. Brennstoffzelle nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein weiteres gewelltes, dünnes Blechteil (36), das an der ebenen Seite der Platte (32) angrenzt und Strömungswege (36a) für das Betriebsgas der nächsten Brennstoffzelle bildet
4. 4. Brennstoffzelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungswege (2Sa) der Platte (28) kreuzweise zu den ersten (26a,) und zweiten (26^ Strömungswegen angeordnet sind.
5. 5. Brennstoffzelle nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungswege (36a, 3Sb), die durch das weitere Blechteil (36) gebildet werden, kreuzweise zu den ersten (34a) und zweiten (34b) Strömungswegen verlaufen.