DE3503003A1 - Fuel cell for generating electrical energy in the form of direct current, alternating current or three-phase current - Google Patents

Fuel cell for generating electrical energy in the form of direct current, alternating current or three-phase current

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DE3503003A1 DE19853503003 DE3503003A DE3503003A1 DE 3503003 A1 DE3503003 A1 DE 3503003A1 DE 19853503003 DE19853503003 DE 19853503003 DE 3503003 A DE3503003 A DE 3503003A DE 3503003 A1 DE3503003 A1 DE 3503003A1
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Abstract

A novel fuel cell and the associated technology are described. This cell permits the direct generation of direct current, alternating current or three-phase current via the combustion of conventional, gasifiable fuels. This is achieved by the irreversible oxidation processes taking place wholly or partly upstream of the catalyst electrodes, it being possible to expose these to a pulsating gas stream having an oxidant concentration which fluctuates in a contrary sense. Owing to reduced internal resistances, the cell is endowed with an improved efficiency and better power capacity. It is intended to be used both in large-scale industrial fields and for mobile applications.

Description

PATENTBESCHREIBUNG PATENT DESCRIPTION

Brennstoffzelle zur Erzeugung von elektrischer Energie in Form von Gleich-, Wechsel- oder Drehstrom Die erfundene Brennstoffzelle verwandelt vergasbare Brennstoffe durch Oxidation in elektrische Energie. Die irreversible Oxidation des Brennstoffes findet dabei ganz oder teilweise in der beheizbaren Brennkammer vor den Katalysatorelektroden statt. So können je nach Aufbau des Energiesystems Gleich-, Wechsel- oder Drehstrom direkt aus der Zelle erzeugt werden.Fuel cell for generating electrical energy in the form of Direct, alternating or three-phase current The invented fuel cell transforms gasoline Fuels through oxidation into electrical energy. The irreversible oxidation of the Fuel is wholly or partly in the heatable combustion chamber the catalyst electrodes instead. Depending on the structure of the energy system, equal, Alternating or three-phase current can be generated directly from the cell.

Die bisher entwickelten Brennstoffzellen sind Gleichstromerzeuger. Ihre weiteren Hauptnachteile sind das ungünstige Leistungs/Masseverhältnis sowie eine zu geringe Stromdichte an den Katalysatorflächen. Neben diesen Nachteilen führen auch Konstruktionsschwierigkeiten dazu, daß der endgültige Durchbruch der Brennstoffzelle für die Alltagstechnik bisher nicht stattgefunden hat.The fuel cells developed so far are direct current generators. Their other main disadvantages are the unfavorable power / mass ratio as well too low a current density on the catalyst surfaces. Besides these disadvantages lead also design difficulties lead to the ultimate breakthrough of the fuel cell for everyday technology has not yet taken place.

Der Erfindung liegt folgende Aufgabe zugrunde: Konstruktion einer einfach zu bauenden Brennstoffzelle, welche auch bei Einsatz technisch üblicher Brennstoffe bei hohen Stromdichten an den Katalysatorflächen und geringem Gewicht neben Gleichstrom besonders auch Wechselstrom bzw.The invention is based on the following object: Construction of a easy to build fuel cell, which is technically more common even when used Fuels with high current densities on the catalyst surfaces and low weight in addition to direct current, especially alternating current or

Drehstrom erzeugen kann.Can generate three-phase current.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein zur Stromerzeugung notwendiges Partialdruckgefälle von heißem Brenngas zwischen Anoden- und Kathodenraum bzw. Oxidans zwischen Kathoden- und Anodenraum aufrechterhalten wird.This object is achieved according to the invention in that a for electricity generation necessary partial pressure gradient of hot fuel gas between the anode and cathode compartments or oxidant is maintained between the cathode and anode compartment.

Dies wird erreicht, wenn in der Brennkammer vor der Anode eine Verbrennung mit Brenngasüberschuß stattfindet, während in der Brennkammer vor der Kathode eine Verbrennung mit Oxidansüberschuß gefahren wird (siehe Abb. 1). Mit dieser Verbrennung wird gleichzeitig auch die Energie zur Beheizung und Reformierung erzeugt. Bei pulsierenden Gasströmen mit wechselnder Oxidanskonzentration erreicht man eine gegenläufige, ständig wechselnde Änderung des Partialdruckes in den Elektrodenräumen. Die Pulsierfrequenz des Gasstromes entspricht dann genau der Frequenz des erzeugten Wechselstromes und kann für die Leistungskapazität der Zelle optimiert werden (siehe Abb. 2). Durch kombination mehrerer solcher Zellen mit den entsprechend pulsierenden Gasströmen kann Drehstrom erzeugt werden. Bei dieser Wechselstromtechnik ist der durchgehende Transport von Ionen durch den Elektrolyten von einer Elektrode zur anderen nicht mehr erforderlich. Daher kann der Elektrolyt und die darauf liegende Katalysatorelektrode in sehr geringer Schichtdicke auf ein beliebiges Leitungsmetall aufgetragen werden. Dadurch werden die inneren Widerstände der Zelle stark verringert und deren Wirkungsgrad und die Leistungskapazität entsprechend erhöht.This is achieved when there is a combustion in the combustion chamber in front of the anode takes place with excess fuel gas, while in the combustion chamber in front of the cathode a Combustion is carried out with excess oxidant (see Fig. 1). With this burn is also the energy for heating at the same time and reforming generated. Achieved with pulsating gas flows with changing oxidant concentration there is an opposing, constantly changing change in the partial pressure in the electrode spaces. The pulsation frequency of the gas flow then corresponds exactly to the frequency of the generated one Alternating current and can be optimized for the power capacity of the cell (see Fig. 2). By combining several such cells with the correspondingly pulsating ones Three-phase current can be generated for gas flows. With this alternating current technology, the continuous transport of ions through the electrolyte from one electrode to the others no longer required. Hence, the electrolyte and the one lying on it Catalyst electrode in a very thin layer on any conductive metal be applied. This greatly reduces the internal resistance of the cell and their efficiency and power capacity are increased accordingly.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile sind folgende: 1. Die irreversiblen Oxidationsprozelle zur Stromerzeugung sowie Reformierung und Heizung finden in einer offenen, möglichst kleinen Brennkammer vor der entsprechenden Elektrode statt. Dies bewirkt eine einfache, auch für sehr hohe Temperaturen technisch mögliche Bauweise der Brennstoffzelle.The advantages achieved with the invention are as follows: 1. The irreversible ones Oxidation processes for power generation as well as reforming and heating take place in one open, as small as possible combustion chamber in front of the corresponding electrode. this causes a simple design that is technically possible even for very high temperatures the fuel cell.

2. Die Brennstoffzelle kann direkt den technisch wichtigen Wechsel- bzw. Drehstrom erzeugen.2. The fuel cell can directly handle the technically important or generate three-phase current.

3. Bei der erwähnten Wechselstromtechnik müssen die beiden Elektroden nicht direkt durch den Elektrolyten verbunden sein, da der durchgehende Ionentransport im Elektrolyten zwischen den Elektroden nicht mehr erforderlich ist. Es ist daher möglich, den Elektrolyten in sehr geringer Schichtdicke auf eine Metallfläche aufzutragen. Dadurch werden die inneren Widerstände der Zelle stark verringert und deren Wirkungsgrad entsprechend erhöht.3. With the alternating current technology mentioned, the two electrodes not be directly connected by the electrolyte because of the continuous ion transport is no longer required in the electrolyte between the electrodes. It is therefore possible to apply the electrolyte in a very thin layer on a metal surface. This greatly reduces the internal resistance of the cell and its efficiency increased accordingly.

4. Schließlich ergeben alle Verbesserungen zusammen die Möglichkeit für den Bau einer relativ kleinen Brennstoffzelle mit hoher Leistungsdichte und gutem Wirkungsgrad.4. Ultimately, all the improvements taken together make the opportunity for the construction of a relatively small fuel cell with high power density and good efficiency.

Sie kann sowohl für mobile Zwecke als auch in großtechnischen Anlagen zur Erzeugung von elektrischer Energie eingesetzt werden. It can be used for mobile purposes as well as in large-scale systems can be used to generate electrical energy.

Im folgenden wird als Beispiel die Funktionsweise der Brennstoffzelle beschrieben: Um eine Zelle in Bereitschaft zu halten, werden die beiden Räume mit den Elektroden durch Verbrennung von gasförmigem Brennstoff direkt beheizt. Dabei sind die beiden Brenner so eingestellt, daß eine totale Verbrennung stattfindet. Der Wasserstoffpartialdruck in beiden Räumen ist somit gleich.The following is an example of how the fuel cell works described: In order to keep a cell in readiness, the two rooms are with the electrodes are heated directly by burning gaseous fuel. Included the two burners are set so that total combustion takes place. The hydrogen partial pressure in both rooms is therefore the same.

Dies bewirkt wiederum, daß die Wasserstoffionenkonzentration an beiden Elektroden im Elektrolyten gleich ist. Es herrscht somit überall Gleichgewicht, und es entwickelt sich an den Elektroden kein gerichteter Stromfluß.This in turn causes the hydrogen ion concentration at both Electrodes in the electrolyte is the same. So there is equilibrium everywhere and no directional current flow develops across the electrodes.

Soll die Zelle Leistung bringen, so wird die Gasmenge für den Anodenraum so geregelt, daß bei gleicher Heizleistung der Partialdruck an Wasserstoff steigt. Der erhöhte Partialdruck an der Gasseite der Anode bewirkt einen Anstieg der Wasserstoffionenkonzentration an der Elektrolytenseite der Anode.If the cell is to provide power, the amount of gas for the anode compartment is regulated in such a way that the partial pressure of hydrogen increases with the same heating output. The increased partial pressure on the gas side of the anode causes the hydrogen ion concentration to rise on the electrolyte side of the anode.

Das nun entstehende Konzentrationsgefälle im Elektrolyten sucht sich durch Diffusion und Feldkräfte auszugleichen.The now resulting concentration gradient in the electrolyte is looking for itself to be balanced by diffusion and field forces.

Hierbei kommt es auch zu einer Konzentrationserhöhung der Wasserstoffionen an der Kathode. Dort wird aber der Wasserstoffpartialdruck gasseitig durch Uberschuß an Oxidans stark gesenkt, so daß die Wasserstoffionen verstärkt über den Metallkatalysator under Aufnahme von Elektronen als Wasserstoff in den Gasraum treten. Dort ist jetzt der Sauerstoffpartialdruck so geregelt, daß der austretende Wasserstoff sofort oxidiert und abgeführt wird. (Der gleiche Vorgang kann sich unter anderen Bedingungen mit dem Oxidans vollziehen.) Sind Anode und Kathode über einen Arbeitswiderstand leitend verbunden, entspricht der Elektronenfluß genau dem Ionenfluß im Elektrolyten. Er kann allein durch die Oxidation des Wasserstoffs im Kathodenraum aufrechterhalten werden.This also leads to an increase in the concentration of the hydrogen ions at the cathode. There, however, the hydrogen partial pressure on the gas side is reduced by excess greatly reduced in oxidant, so that the hydrogen ions intensified over the metal catalyst under absorption of electrons enter the gas space as hydrogen. There is now the oxygen partial pressure is regulated so that the escaping hydrogen oxidizes immediately and is discharged. (The same process can occur under other conditions with the oxidant.) Are the anode and cathode conductive via a working resistor connected, the electron flow corresponds exactly to the ion flow in the electrolyte. He can only be maintained by the oxidation of the hydrogen in the cathode compartment will.

Bei starker Belastung begrenzt die erhöhte Wasserstoffionenkonzentration an der Anode unter anderem den Stromfluß. Um die Leistungskapazität dieser Zelle nun wesentlich zu steigern, muß die Konzentrationspolarität unterdrückt werden. Dies geschieht, indem man in den beiden Elektrodenräumen gasseitig den Wasserstoffpartialdruck permanent ändert, und zwar gegenläufig mit einer für jeden Zellentyp zu optimierenden Frequenz.The increased hydrogen ion concentration limits the exposure to heavy loads at the anode, among other things, the current flow. To the power capacity of this cell Now to increase it significantly, the concentration polarity must be suppressed. This is done by setting the hydrogen partial pressure in the two electrode spaces on the gas side changes permanently, in opposite directions with one to be optimized for each cell type Frequency.

Diese ständige Partialdruckänderung wird durch pulsierende Gasströme erzeugt. Wenn sich die eine Elektrode in einer Wasserstoffatmosphäre befindet, herrscht bei der Gegenelektrode oxidierende Atmosphäre vor, und umgekehrt. In demselben Sinne ändert sich auch dauernd die Stromrichtung (siehe Abb. 2).This constant change in partial pressure is caused by pulsating gas flows generated. When one electrode is in a hydrogen atmosphere, there is at the counter electrode there is an oxidizing atmosphere, and vice versa. In the same sense the direction of the current also changes continuously (see Fig. 2).

Man erzeugt also Wechselstrom. Durch eine Anordnung von drei und mehr Elektroden kann man auch Drehstrom erzeugen. Je nach Randbedingungen der Zelle kann nun deren Leistungskapazität mit wachsender Pulsierfrequenz des Gases vervielfacht werden.So you generate alternating current. By an arrangement of three and more Electrodes can also be generated three-phase current. Depending on the boundary conditions of the cell, now their power capacity multiplied with increasing pulsation frequency of the gas will.

Es ist mit der Erfindung auch möglich, Wechselstrom zu erzeugen, wenn bei der Brennstoffzelle nur eine Brennkammer und Katalysatorelektrode vorhanden ist und die durch den Elektrolyten verbundene Gegenelektrode aus einem beliebigen Leiter besteht (siehe Abb. 3).It is also possible with the invention to generate alternating current, if the fuel cell has only one combustion chamber and catalyst electrode and the counter electrode connected by the electrolyte is made of any Conductor (see Fig. 3).

Claims (4)

Patentansprüche: 1. Brennstoffzelle zur Erzeugung von elektrischer Energie aus vergasbaren Brennstoffen, dadurch gekennzeichnet, daß das zur Stromerzeugung notwendige Partialdruckgefälle von Brenngas bzw. Oxidans zwischen Anoden-und Kathodenraum dadurch aufrechterhalten wird, daß im Anodenraum eine kontinuierliche Verbrennung mit Brennstofüberschuß, während im Kathodenraum eine kontinuierliche Verbrennung mit Oxidansüberschuß stattfindet, wobei gleichzeitig die erzielte Verbrennungswärme in den Elektrodenräumen zur Beheizung der Elektroden und, soweit erforderlich, zur Reformierung des Brenngases dient.Claims: 1. Fuel cell for generating electrical Energy from gasifiable fuels, characterized in that it is used to generate electricity necessary partial pressure gradient of fuel gas or oxidant between the anode and cathode compartments is maintained in that a continuous combustion in the anode compartment with excess fuel, while continuous combustion in the cathode compartment takes place with excess oxidant, at the same time the heat of combustion achieved in the electrode chambers for heating the electrodes and, if necessary, for Reforming the fuel gas is used. 2. Brennstoffzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Katalysatorelektroden jeweils gegenläufig von einem pulsierenden Gasstrom mit wechselnder Oxidanskonzentration umströmt werden, so daß sich das Partialdruckgefälle des Brenngases zwischen den Elektroden ständig ändertund Wechselstrom bzw. Drehstrom erzeugt wird.2. Fuel cell according to claim 1, characterized in that the Catalyst electrodes in opposite directions from a pulsating gas flow with alternating Oxidant concentration are flowed around, so that the partial pressure gradient of the fuel gas constantly changes between the electrodes and alternating current or three-phase current is generated. 3. Brennstoffzelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der pulsierende Gasstrom nur in einer Brennkammer auf eine Katalysatorelektrode trifft, während die Gegenelektrode vom Gasstrom und den Verbrennungsprozessen unbeeinfluß bleibt.3. Fuel cell according to claim 2, characterized in that the pulsating gas flow only hits a catalyst electrode in one combustion chamber, while the counter electrode is unaffected by the gas flow and the combustion processes remain. 4. Brennstoffzelle nach Anspruch 1, 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß man mehrere der beschriebenen Zellen parallel oder in Reihen schaltet.4. Fuel cell according to claim 1, 2 and 3, characterized in that that one switches several of the cells described in parallel or in series.
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE19519123A1 (en) * 1994-05-17 1996-01-11 Reinhart Dr Radebold Electricity generation from wood, straw etc.
WO1997048144A1 (en) * 1996-06-13 1997-12-18 Keele University Fuel cell power generating system
EP1279940A3 (en) * 2001-07-26 2005-11-30 Honda Giken Kogyo Kabushiki Kaisha Gas leak detection method for fuel cell

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