WO2001064004A2 - Brennstoffzelle - Google Patents

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WO2001064004A2
WO2001064004A2 PCT/DE2001/000664 DE0100664W WO0164004A2 WO 2001064004 A2 WO2001064004 A2 WO 2001064004A2 DE 0100664 W DE0100664 W DE 0100664W WO 0164004 A2 WO0164004 A2 WO 0164004A2
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WO
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fuel cell
fuel
delivery device
line
oxidizing agent
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PCT/DE2001/000664
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Karl Eck
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Atecs Mannesmann Ag
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Publication date
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    • Y02T90/00—Enabling technologies or technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02T90/40—Application of hydrogen technology to transportation, e.g. using fuel cells

Definitions

  • the present invention relates to a fuel cell with an anode part which has a supply line and a discharge line for a fuel, a cathode part which has a supply line and a discharge line for an oxidizing agent and a membrane provided between the anode part and the cathode part
  • Fuel cells of the type mentioned have been known for a long time and have gained considerably in importance in the automotive industry in particular in recent years
  • a chemical reaction generates electricity in a fuel cell. Doing so
  • a fuel cell essentially consists of an anode part of a membrane and a cathode part.
  • the membrane consists of porous, electrically conductive material and is arranged between the anode and cathode to exchange ions.
  • an oxidizing agent is supplied on the side of the cathode.
  • Protons or hydrogen ions are generated at the anode by catalytic reactions, which move through the membrane to the cathode.
  • the hydrogen ions react with the oxygen, and water is formed
  • the response at the electrodes is as follows
  • hydrogen as fuel and oxygen or air as oxidizing agent are used as gaseous reactants for the fuel cell
  • the present invention is based on the object of further developing a fuel cell of the type mentioned at the outset in such a way that the disadvantages described above are avoided.
  • a powerful fuel cell is to be provided in which there is still sufficient flow in all parts of the fuel cell and thus a corresponding supply of the membrane with fuel or oxidizing agent is guaranteed
  • the basic idea of the present invention is that at least one delivery device is provided to support the supply of fuel and / or oxidizing agent to the fuel cell.
  • This delivery device enables fuel to flow through the fuel cell and / or oxidizing agent is improved. This ensures that even in the rear part the fuel cell has a sufficiently strong flow of fuel and / or oxidizing agent so that overall the membrane and fuel and / or oxidizing agent are supplied as optimally as possible.
  • the task of the delivery device is to check the flow rate of the supplied fuel and / or oxidizing agent before it occurs to increase in the fuel cell in such a way that good loading with fuel and / or oxidizing agent is ensured over the entire spatial extent of the fuel cell or over the entire surface of the membrane. This prevents the supply of parts of the membrane, especially in the rear Part of the fuel cell, only due to diffusion
  • At least one conveying device is provided. Depending on the need and application, however, several conveying devices can also be advantageous. Such a conveying device can preferably be used either to support the supply and flow through of the fuel cell with fuel, or to support the supply and flow through of the fuel cell
  • Hydrogen is advantageously used as fuel and oxygen, which is obtained from the ambient air, for example, because hydrogen is not in its pure form in nature, so that it can be generated in an upstream module from another energy source, such as methanol or gasoline , Natural gas, methane, coal gas, biogas or another hydrocarbon
  • the invention is not restricted to a specific arrangement of the conveying device with regard to the fuel cell.
  • Various exemplary embodiments for the arrangement of the conveying device are described below.
  • the invention is not restricted to the exemplary embodiments described
  • the delivery device can be provided in the supply line for the fuel and / or the delivery line for the oxidizing agent. Such an arrangement of the delivery device makes it possible to control the entire inflow of fuel and / or oxidizing agent into the fuel cell
  • the inflow rate can be increased to the extent necessary so that each area of the membrane, in particular also the area located in the rear part of the fuel cell, is directly reached by the inflow of fuel and / or oxidizing agent.
  • the at least one conveying device could also be used in the sense of a suction blower in the discharge line the fuel and / or in the derivative for that
  • Oxidizing agents can be provided
  • the delivery device can advantageously be connected via a return line to a valve, in particular a three-way valve, the valve preferably being arranged in the discharge line for the fuel and / or in the discharge line for the oxidizing agent initially possible to control the flow rate of the fuel and / or the oxidizing agent within the fuel cell or its / its derivation from the fuel cell
  • the delivery device can be connected via a directional valve, in particular a three-way valve, to the supply line for the fuel and / or the supply line for the oxidizing agent.
  • the fuel cell is in such an embodiment, as is also known Fuel cells are customary, in each case one feed line and one discharge line are provided for the fuel and the oxidizing agent. Due to the directional control valve installed in the feed line for the fuel and / or the oxidizing agent, a partial flow can be branched off from a main flow, which then flows through the delivery device the flow rate of the partial gas flow increases, so that this partial gas flow with increased flow rate is suitable to also reach the rear part of the fuel cell and thus also the rear part of the membrane.
  • the partial gas flow is advantageously fed to the fuel cell via a separate feed line
  • the front part of the fuel cell or membrane is then regulated main gas flow reached
  • the line forming the circuit is generally independent of the main line of the fuel cell
  • the two lines are connected to one another via a connection, for example an appropriately designed directional valve
  • the delivery device can be designed as a pump.
  • the invention is not limited to special pump types, so that any type of pump can be used that is suitable for conveying, transporting or compressing liquids or gases.
  • the pump is advantageous in terms of the delivery rate designed to be adjustable, so that a change in the Flow rate of the medium flowing through the pump can be effected
  • the delivery device can be designed as a propellant pump.
  • the invention is not restricted to certain pumps
  • a jet pump essentially has a tube that narrows conically or in the shape of a nozzle, to which a mixing tube then connects, which can also be designed as an expanding tube. In the mixing tube, part of the pressure energy converted into speed energy can be recovered Such pumps are particularly inexpensive
  • the above-described fuel cell according to the invention can preferably be used in or for a vehicle. Due to the rapid development of fuel cell technology in the vehicle sector, such use currently offers particularly good application possibilities. However, other application options are also conceivable. For example, fuel cells for mobile devices such as computers are worth mentioning here or the like up to stationary facilities such as power plants Here the fuel cell technology is particularly suitable for the decentralized energy supply of houses, industrial plants or the like
  • the present invention is preferably used in connection with fuel cells with polymer membranes (PEM). These fuel cells have a high electrical efficiency, cause only minimal emissions, have an optimal part-load behavior and are essentially free of mechanical wear
  • Figure 1 shows a first embodiment of the fuel cell according to the invention
  • FIG. 2 shows another embodiment of the fuel cell according to the invention 1 shows a fuel cell 10 which has a cathode part 11 and an anode part 14.
  • the cathode part 11 is connected to a feed line 12 and a discharge line 13 for an oxidizing agent.
  • oxygen is used as the oxidizing agent, which is taken from the ambient air
  • the cathode part 14 is with a feed line 15 and a discharge line 16 for one
  • Fuel in the present case hydrogen connected.
  • the cathode part 11 and the anode part 14 are separated from one another by a membrane 17.
  • the chemical reactions mentioned in the description description take place on the membrane 17, which is illustrated schematically in FIG. 1 by a “+” and “-” is
  • a shaping device 19 designed as a jet pump.
  • the delivery device 19 is also connected on the suction side to a valve 20 via a return line 21.
  • the valve 20, which is designed as a three-way valve, is in the discharge line 16 arranged for the fuel
  • Fuel cell 10 thus no longer takes place solely via diffusion. As a result, the performance of fuel cell 10 is significantly increased
  • valve 20 provided in the discharge line 16 it is possible to control the fuel gas stream leaving the fuel cell 10, ie a part of the
  • FIG. 2 shows a fuel cell 10 which, compared to the exemplary embodiment shown in FIG. 1, has an essentially similar basic structure.For this reason, the same components are provided with the same reference numbers. In order to avoid repetitions, the basic structure of the fuel cell 10 is described again waived
  • the fuel cell according to FIG. 2 has a delivery device 19, which is also designed as a jet pump, but not directly in the supply line 15 for the fuel, but via a line 25 with a valve 22, preferably a three-way -Valve, which is connected in this
  • the delivery device 19 is connected to a line 24 which leads into and out of the anode part 14 of the fuel cell 10.
  • the line 24 is designed such that it has a circuit 23 in connection with the delivery device 19 forms for a partial flow of fuel
  • the main gas flow of the fuel is introduced via the feed line 15 into the anode part 14 of the fuel cell 10. If it is desired to feed all of the fuel into the fuel cell 10 via the feed line 15, the valve 22 becomes this way switched that no fuel can get into the delivery device 19 via the line 25
  • valve 22 will be switched so that a partial flow of the fuel is passed via the line 25 into the delivery device 19.
  • the flow rate of the fuel is increased so that the fuel flowing through the line 24 is compared with the fuel
  • Fuel 15 flowing through feed line 15 enters the fuel cell 10 at an increased flow rate.
  • the partial flow of fuel at the increased speed is preferably conducted into the rear region 18 of the fuel cell so that it comes into contact with the membrane 17. In this way, the membrane 17 is supplied with fuel over its entire longitudinal extent
  • a partial exhaust gas flow of the fuel is derived via line 24 from the anode part 14 of the fuel cell 10. As far as unused fuel is still contained in the derived partial exhaust gas flow, this is fed via line 24 into the Conveyor 19 and from this fed back into the fuel cell 10. It is also possible, but not shown in the present exemplary embodiment, that the line 24 at the outlet end of the fuel cell 10 is connected to the discharge line 16 for the fuel via a suitable valve. In this way, it becomes possible, if necessary, to also discharge the partial exhaust gas flow of the fuel directly from the fuel cell 10.
  • FIGS. 1 and 2 only one delivery device 19 has been shown, which is provided in connection with the fuel feed line 15. However, it is also possible to equip such a conveying device in an equivalent manner only in relation to the
  • a corresponding delivery device 19 can be used both for the fuel feed line and for the oxidant feed line.

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Abstract

Es wird eine Brennstoffzelle beschrieben, die einen Anodenteil mit einer Zuleitung und einer Ableitung für einen Brennstoff, sowie einen Kathodenteil mit einer Zuleitung und einer Ableitung für ein Oxidationsmittel aufweist. Zwischen dem Anodenteil und dem Kathodenteil ist eine Membran vorgesehen. Üblicherweise tritt im in Strömungsrichtung hinteren Teil der Brennstoffzelle kaum Strömung auf, so daß die Versorgung der Membran mit dem Brennstoff und/oder dem Oxidationsmittel nur über Diffusion erfolgt. Um die dadurch entstehende geringere Leistungsdichte der Brennstoffzelle zu kompensieren, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß wenigsten eine Fördereinrichtung - beispielsweise eine Strahlpumpe - zur Unterstützung der Zuführung und Durchströmung der Brennstoffzelle mit Brennstoff und/oder Oxidationsmittel vorgesehen ist. Über die Fördereinrichtung kann auch der hintere Bereich der Brennstoffzelle beziehungsweise der Membran direkt von Brennstoff und/oder Oxidationsmittel erreicht werden.

Description

Brennstoffzelle
Beschreibung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle, mit einem Anodenteil, der eine Zuleitung und eine Ableitung für einen Brennstoff aufweist, einem Kathodenteil, der eine Zuleitung und eine Ableitung für ein Oxidationsmittel aufweist und einer zwischen dem Anodenteil und dem Kathodenteil vorgesehenen Membran
Brennstoffzellen der genannten Art sind bereits seit langem bekannt und haben insbesondere im Bereich der Automobilindustπe in den letzten Jahren erheblich an Bedeutung gewonnen
In einer Brennstoffzelle wird durch eine chemische Reaktion Strom erzeugt. Dabei wird
Brennstoff und Sauerstoff in elektrische Energie und Wasser als Reaktionsprodukt umgewandelt Eine Brennstoffzelle besteht im wesentlichen aus einem Anodenteil einer Membran und einem Kathodenteil Die Membran besteht aus porösem, elektrisch leitfahigem Material und ist zwischen der Anode und Kathode angeordnet um Ionen auszutauschen Auf der Seite der Anode wird ein Brennstoff zugeführt, wahrend auf der Seite der Kathode ein Oxidationsmittel zugeführt wird An der Anode werden durch katalytische Reaktionen Protonen beziehungsweise Wasserstoffionen erzeugt, die sich durch die Membran zur Kathode bewegen An der Kathode reagieren die Wasserstoffionen mit dem Sauerstoff, und es bildet sich Wasser
Die Reaktion an den Elektroden ist wie folgt
Anode H2 → 2H* + 2e
Kathode V2 02 + 2H* + 2e → H20 Die bei der Reaktion abgegebenen Elektronen lassen sich als elektrischer Strom durch einen Verbraucher leiten, beispielsweise den Elektromotor eines Automobils
Als gasformige Reaktionspartner für die Brennstoffzelle werden beispielsweise Wasserstoff als Brennstoff und Sauerstoff oder Luft als Oxidationsmittel verwendet
Will man die Brennstoffzelle mit einem leicht verfugbaren oder zu speichernden Brennstoff wie Erdgas, Methanol oder dergleichen betreiben, muß man diese Kohlenwasserstoffe zunächst in ein wasserstoffreiches Gas umwandeln
Bei Brennstoffzellen, die mit reinem Wasserstoff betrieben werden, besteht jedoch, weil die H-Ionen von der Anodenseite durch die Membran auf die Kathodenseite überwechseln, das Problem, daß im in Stromungsrichtung hinteren Teil der Brennstoffzelle kaum Strömung auftritt und somit die Versorgung der Membran mit Brennstoff dort weitgehend nur über Diffusion erfolgt. Dies bedeutet jedoch eine geringere Leistungsdichte der Brennstoffzelle
Ausgehend vom genannten Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Brennstoffzelle der eingangs genannten Art derart weiterzubilden, daß die oben beschriebenen Nachteile vermieden werden Insbesondere soll eine leistungsstarke Brennstoffzelle bereitgestellt werden, bei der möglichst in allen Teilen der Brennstoffzelle noch eine ausreichende Strömung und damit eine entsprechende Versorgung der Membran mit Brennstoff beziehungsweise Oxidationsmittel gewährleistet ist
Diese Aufgabe wird durch eine Weiterbildung der eingangs genannten Brennstoffzelle gelost, die erfmdungsgemaß dadurch gekennzeichnet ist, daß wenigstens eine Fordereinrichtung zur Unterstützung der Zufuhrung und Durchstromung der Brennstoffzelle mit Brennstoff und/oder Oxidationsmittel vorgesehen ist
Hierdurch wird eine besonders leistungsfähige Brennstoffzelle bereitgestellt Dabei egt der Grundgedanke der vorliegenden Erfindung dann, daß zur Unterstützung der Zufuhrung von Brennstoff und/oder Oxidationsmittel in die Brennstoffzelle wenigstens eine Fordereinrichtung vorgesehen ist Mit Hilfe dieser Fordereinrichtung wird es ermöglicht, daß die Durchstromung der Brennstoffzelle mit Brennstoff und/oder Oxidationsmittel verbessert wird Dadurch wird gewahrleistet, daß auch im hinteren Teil der Brennstoffzelle eine ausreichend starke Strömung an Brennstoff und/oder Oxidationsmittel vorhanden ist, so daß insgesamt eine möglichst optimale Versorgung der Membran mit Brennstoff und/oder Oxidationsmittel gegeben ist Dabei hat die Fordereinrichtung die Aufgabe, die Stromungsgeschwindigkeit des zugefuhrten Brennstoffs und/oder Oxidationsmittels vor Eintritt in die Brennstoffzelle derart zu erhohen, daß über die gesamte räumliche Ausdehnung der Brennstoffzelle beziehungsweise über die gesamte Oberflache der Membran eine gute Beschickung mit Brennstoff und/oder Oxidationsmittel sichergestellt ist Auf diese Weise wird verhindert, daß die Versorgung von Teilbereichen der Membran, insbesondere im hinteren Teil der Brennstoffzelle, nur auf Grund von Diffusion erfolgt
Grundsätzlich ist die Erfindung nicht auf bestimmte Arten von Fordereinrichtungen beschrankt Im weiteren Verlauf der Beschreibung werden einige Beispiele für geeignete Fordereinrichtungen beschrieben
Es ist wenigstens eine Fordereinrichtung vorgesehen Je nach Bedarf und Anwendungsfall können jedoch auch mehrere Fordereinrichtungen von Vorteil sein Vorzugsweise kann eine solche Fördereinrichtung entweder zur Unterstützung der Zufuhrung und Durchstromung der Brennstoffzelle mit Brennstoff, oder aber zur Unterstützung der Zufuhrung und Durchstromung der Brennstoffzelle mit
Oxidationsmittel verwendet werden Besonders vorteilhaft ist es, für den Brennstoff und das Oxidationsmittel jeweils eine Fordereinrichtung zur Unterstützung der Zufuhrung und Durchstromung der Brennstoffzelle vorzusehen
Vorteilhaft wird als Brennstoff Wasserstoff und als Oxidationsmittel Sauerstoff, der beispielsweise aus der Umgebungsluft bezogen wird, verwendet Da Wasserstoff in der Natur nicht in Reinform vorliegt, kann dieser in einer vorgeschalteten Baugruppe zunächst aus einem anderen Energieträger erzeugt werden, wie zum Beispiel aus Methanol, Benzin, Erdgas, Methan, Kohlegas Biogas oder einem anderen Kohlenwasserstoff
Die Erfindung ist nicht auf eine bestimmte Anordnung der Fordereinrichtung im Hinblick auf die Brennstoffzelle beschrankt Nachfolgend werden verschiedene Ausfuhrungsbeispiele für die Anordnung der Fordereinrichtung beschrieben Die Erfindung ist jedoch nicht auf die beschriebenen Ausfuhrungsbeispiele beschrankt Vorteilhaft kann die Fordereinrichtung in der Zuleitung für den Brennstoff und/oder der Zuleitung für das Oxidationsmittel vorgesehen sein Durch eine solche Anordnung der Fordereinrichtung wird es möglich, den gesamten Zustrom an Brennstoff und/oder Oxidationsmittel in die Brennstoffzelle zu steuern Über die Fordereinrichtung kann die
Zustromgeschwindigkeit im erforderlichen Maß erhöht werden, so daß jeder Bereich der Membran insbesondere auch der im hinteren Teil der Brennstoffzelle liegende Bereich über die Zustromung direkt von Brennstoff und/oder Oxidationsmittel erreicht wird Alternativ konnte die wenigstens eine Fordereinrichtung auch im Sinne eines Sauggeblases in der Ableitung für den Brennstoff und/oder in der Ableitung für das
Oxidationsmittel vorgesehen sein
Vorteilhaft kann die Fordereinrichtung über eine Ruckfuhrleitung mit einem Ventil insbesondere einem Drei-Wege-Ventil, verbunden sein wobei das Ventil vorzugsweise in der Ableitung für den Brennstoff und/oder in der Ableitung für das Oxidationsmittel angeordnet ist Über das in der Ableitung befindliche Ventil wird es zunächst möglich, die Stromungsgeschwindigkeit des Brennstoffs und/oder des Oxidationsmittels innerhalb der Brennstoffzelle beziehungsweise dessen/deren Ableitung aus der Brennstoffzelle zu steuern
Wenn der Brennstoff und/oder das Oxidationsmittel durch die Fordereinrichtung mit erhöhter Stromungsgeschwindigkeit in die Brennstoffzelle eintritt beziehungsweise diese durchströmt, ist es möglich, daß unverbrauchter Brennstoff beziehungsweise unverbrauchtes Oxidationsmittel aus der Brennstoffzelle austreten Diese Gase können über die Ruckfuhrleitung, mit der die Fordereinrichtung mit dem Ventil verbunden ist im Sinne einer Abgasruckfuhrung zurück zur Fordereinrichtung gefuhrt und über diese erneut in die Brennstoffzelle eingespeist werden Durch eine solche Ausgestaltung der Brennstoffzelle wird ein Kreislauf (vorzugsweise für den Brennstoff) geschaffen der über eine entsprechende Stellung des Ventils sowie eine entsprechende Steuerung der Fordereinrichtung einstellbar ist
Gemäß einer anderen Ausfuhrungsform der Erfindung kann die Fordereinrichtung über ein Wegeventil insbesondere ein Drei-Wege-Ventil mit der Zuleitung für den Brennstoff und/oder der Zuleitung für das Oxidationsmittel verbunden sein In einer solchen Ausgestaltungsform der Brennstoffzelle sind, wie dies auch bei bekannten Brennstoffzellen üblich ist, jeweils eine Zuleitung und eine Ableitung für den Brennstoff und das Oxidationsmittel vorgesehen Durch das in der Zuleitung für den Brennstoff und/oder das Oxidationsmittel eingebaute Wegeventil laßt sich ein Teilstrom von einem Hauptstrom abzweigen, der dann die Fordereinrichtung durchströmt Durch die Fördereinrichtung wird die Stromungsgeschwindigkeit des Teil-Gasstroms erhöht, so daß dieser Teil-Gasstrom mit erhöhter Stromungsgeschwindigkeit geeignet ist, auch den hinteren Teil der Brennstoffzelle und somit auch den hinteren Teil der Membran zu erreichen Der Teil-Gasstrom wird der Brennstoffzelle vorteilhaft über eine separate Zuleitung zugeführt Bei einer solchen Ausgestaltung ist es möglich, den durch die Fordereinrichtung geleiteten Teil-Gasstrom gezielt und direkt in den von der Strömung schwerer erreichbaren hinteren Teilbereich der Brennstoffzelle zu leiten Der vordere Teil der Brennstoffzelle beziehungsweise Membran wird dann vom regulären Haupt- Gasstrom erreicht
Vorteilhaft kann die Fördereinrichtung in einem Kreislauf angeordnet sein Auf diese
Weise wird erreicht, daß in denjenigen Bereich der Brennstoffzelle beziehungsweise der Membran, in den der Teil-Gasstrom über die Fordereinrichtung geleitet wird, möglichst genau soviel Brennstoff und/oder Oxidationsmittel gefordert wird, wie tatsächlich benotigt wird Der nicht verbrauchte Brennstoff beziehungsweise (im Bedarfsfall) das nicht verbrauchte Oxidationsmittel werden über eine den Kreislauf bildende Leitung aus der Brennstoffzelle abgeleitet und zur Fordereinrichtung zurucktransportiert Nunmehr kann der Teil-Gasstrom erneut in die Brennstoffzelle eingeleitet werden Bei dieser Ausfuhrungsform ist die den Kreislauf bildende Leitung in der Regel unabhängig von der Haupt-Ableitung aus der Brennstoffzelle ausgebildet Es ist jedoch auch denkbar, daß die beiden Leitungen über eine Verbindung beispielsweise ein entsprechend ausgebildetes Wegeventil, miteinander verbunden sind
Vorteilhaft kann die Fordereinrichtung als Pumpe ausgebildet sein Hierbei ist die Erfindung nicht auf spezielle Pumpentypen beschrankt, so daß jede Art von Pumpen verwendet werden kann, die zum Fordern, Transportieren oder Verdichten von Flüssigkeiten oder Gasen geeignet ist Vorteilhaft ist die Pumpe in bezug auf die Förderleistung regulierbar ausgebildet, so daß über eine entsprechende Ansteuerung beziehungsweise Regelung der Pumpe eine Veränderung der Stromungsgeschwindigkeit des die Pumpe durchströmenden Mediums bewirkt werden kann
In weiterer Ausgestaltung kann die Fordereinrichtung als Treibmittelpumpe ausgebildet sein Auch hier ist die Erfindung nicht auf bestimmte Pumpen beschrankt
Besonders vorteilhaft ist eine Ausbildung der Fordereinrichtung als Strahlpumpe Eine Strahlpumpe weist im wesentlichen ein sich konisch oder dusenformig verengendes Rohr auf an das sich dann ein Mischrohr anschließt das auch als sich erweiterndes Rohr ausgebildet sein kann Im Mischrohr kann ein Teil der in Geschwindigkeitsenergie umgewandelten Druckenergie zurückgewonnen werden Solche Pumpen sind besonders kostengünstig
Die vorstehend beschriebene erfindungsgemaße Brennstoffzelle kann bevorzugt in einem oder für ein Fahrzeug verwendet werden Auf Grund der rasanten Entwicklung der Brennstoffzellentechnologie im Fahrzeugsektor bietet eine solche Verwendung zur Zeit besonders gute Einsatzmoglichkeiten Dennoch sind auch andere Einsatzmoglichkeiten denkbar Zu nennen sind hier beispielsweise Brennstoffzellen für mobile Gerate wie Computer oder dergleichen bis hin zu stationären Einrichtungen wie Kraftwerksanlagen Hier eignet sich die Brennstoffzellentechnik besonders für die dezentrale Energieversorgung von Hausern Industrieanlagen oder dergleichen
In bevorzugter Weise wird die vorliegende Erfindung in Verbindung mit Brennstoffzellen mit Polymermembranen (PEM) verwendet Diese Brennstoffzellen haben einen hohen elektrischen Wirkungsgrad verursachen nur minimale Emissionen weisen ein optimales Teillastverhalten auf und sind im wesentlichen frei von mechanischem Verschleiß
Die Erfindung wird nun auf exemplarische Weise an Hand von Ausfuhrungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung naher erläutert Es zeigen
Figur 1 eine erste Ausfuhrungsform der erfindungsgemaßen Brennstoffzelleund
Figur 2 eine weitere Ausfuhrungsform der erfindungsgemaßen Brennstoffzelle In Figur 1 ist eine Brennstoffzelle 10 dargestellt, die einen Kathodenteil 1 1 und einen Anodenteil 14 aufweist Der Kathodenteil 1 1 ist mit einer Zuleitung 12 sowie einer Ableitung 13 für ein Oxidationsmittel verbunden Im vorliegenden Fall wird als Oxidationsmittel Sauerstoff verwendet, der aus der Umgebungsluft entnommen wird Der Kathodenteil 14 ist mit einer Zuleitung 15 sowie einer Ableitung 16 für einen
Brennstoff, im vorliegenden Fall Wasserstoff verbunden Der Kathodenteil 1 1 und der Anodenteil 14 sind über eine Membran 17 voneinander getrennt An der Membran 17 finden die in der Beschreibungsemleitung genannten chemischen Reaktionen statt was in Figur 1 schematisch durch ein "+" und "-" veranschaulicht ist
In der Zuleitung 15 für den Brennstoff ist eine als Strahlpumpe ausgebildete Forαereinπchtung 19 vorgesehen Die Fordereinrichtung 19 ist weiterhin saugseitig über eine Ruckfuhrleitung 21 mit einem Ventil 20 verbunden Im vorliegenden Ausfuhrungsbeispiel ist das Ventil 20, das als Drei-Wege-Ventil ausgebildet ist in der Ableitung 16 für den Brennstoff angeordnet
Nachfolgend wird nun die Funktionsweise der Brennstoffzelle 10 beschrieben Um zu gewährleisten, daß die Membran 17 auch im hinteren Bereich 18 der Brennstoffzelle 10 ausreichend mit Brennstoff versorgt wird wird der die Zuleitung 15 durchströmende Brennstoff durch die Fördereinrichtung 19 hindurchgeleitet, wodurch sich die
Stromungsgeschwindigkeit des Brennstoffs erhöht Durch die Erhöhung der Stromungsgeschwindigkeit wird erreicht daß nach dem Eintritt des Brennstoffs in die Brennstoffzelle 10 auch in deren hinterem Bereich 18 noch eine ausreichende Strömung des Brennstoffs vorhanden ist so daß dieser auch dort die Membran 17 direkt erreichen kann Die Versorgung der Membran 17 im hinteren Bereich 18 der
Brennstoffzelle 10 erfolgt somit nicht mehr allein über Diffusion Dadurch wird die Leistungsfähigkeit der Brennstoffzelle 10 deutlich erhöht
Über das in der Ableitung 16 vorgesehene Ventil 20 ist es möglich den die Brennstoffzelle 10 verlassenden Brenngasstrom zu steuern d h einen Teil des
Brennstoffs (Anodenabgas) wieder zum Eingang der Brennstoffzelle 10 zurückzuführen um trotz der erhöhten Stromungsgeschwindigkeit in der Brennstoffzelle 10 eine sehr gute Brennstoffnutzung zu gewährleisten In Figur 2 ist eine Brennstoffzelle 10 dargestellt, die im Vergleich zu dem in Figur 1 dargestellten Ausfuhrungsbeispiel einen im wesentlichen gleichartigen Grundaufbau hat Aus diesem Grund sind gleiche Bauelemente mit gleichen Bezugsziffern versehen Weiterhin wird zur Vermeidung von Wiederholungen auf eine erneute Beschreibung des Grundaufbaus der Brennstoffzelle 10 verzichtet
Im Gegensatz zu Figur 1 weist die Brennstoffzelle gemäß Figur 2 eine Fordereinrichtung 19 auf, die zwar ebenfalls als Strahlpumpe ausgebildet ist, aber nicht direkt in der Zuleitung 15 für den Brennstoff, sondern über eine Leitung 25 mit einem Ventil 22, vorzugsweise einem Drei-Wege-Ventil, verbunden ist, das in diesem
Fall in der Zuleitung 15 angeordnet ist Die Fordereinrichtung 19 ist mit einer Leitung 24 verbunden, die in den Anodenteil 14 der Brennstoffzelle 10 hinein- und aus diesem wieder herausfuhrt Die Leitung 24 ist derart ausgebildet, daß sie in Verbindung mit der Fordereinrichtung 19 einen Kreislauf 23 für einen Teilstrom des Brennstoffs bildet
Beim Betrieb der Brennstoffzelle 10 gemäß Figur 2 wird der Haupt-Gasstrom des Brennstoffs über die Zuleitung 15 in den Anodenteil 14 der Brennstoffzelle 10 eingeleitet Wenn es erwünscht ist, den gesamten Brennstoff über die Zuleitung 15 in die Brennstoffzelle 10 einzuleiten, wird das Ventil 22 derart geschaltet, daß kein Brennstoff über die Leitung 25 in die Fordereinrichtung 19 gelangen kann
Im Normalfall wird das Ventil 22 jedoch so geschaltet sein, daß ein Teilstrom des Brennstoffs über die Leitung 25 in die Fordereinrichtung 19 geleitet wird In der Fordereinrichtung 19 wird die Stromungsgeschwindigkeit des Brennstoffs erhöht so daß der die Leitung 24 durchströmende Brennstoff mit einer im Vergleich zum die
Zuleitung 15 durchströmenden Brennstoff erhöhten Stromungsgeschwindigkeit in die Brennstoffzelle 10 eintritt Der Teilstrom des Brennstoffs mit der erhöhten Gescnwindigkeit wird vorzugsweise in den hinteren Bereich 18 der Brennstoffzelle geleitet so daß er dort mit der Membran 17 in Kontakt tritt Auf diese Weise wird erreicht, daß die Membran 17 über ihre gesamte Langsausdehnung mit Brennstoff versorgt wird
Ein Teil-Abgasstrom des Brennstoffs wird über die Leitung 24 aus dem Anodenteil 14 der Brennstoffzelle 10 abgeleitet Soweit im abgeleiteten Teil-Abgasstrom noch unverbrauchter Brennstoff enthalten ist, wird dieser über die Leitung 24 in die Fördereinrichtung 19 und von dieser erneut in die Brennstoffzelle 10 eingespeist. Es ist auch möglich, jedoch im vorliegenden Ausführungsbeispiel nicht dargestellt, daß die Leitung 24 am Austrittsende der Brennstoffzelle 10 über ein geeignetes Ventil mit der Ableitung 16 für den Brennstoff verbunden ist. Auf diese Weise wird es möglich, bei Bedarf auch den Teil-Abgasstrom des Brennstoffsdirekt aus der Brennstoffzelle 10 abzuführen.
In den Figuren 1 und 2 ist jeweils nur eine Fördereinrichtung 19 dargestellt worden, die in Verbindung mit der Brennstoffzuleitung 15 vorgesehen ist. Es ist jedoch auch möglich, eine solche Fordereinrichtung in äquivalenter Weise nur in Beziehung auf die
Oxidationsmittelzuleitung vorzusehen. Außerdem kann eine entsprechende Fordereinrichtung 19 sowohl für die Brennstoffzuleitung als auch für die Oxidationsmittelzuleitung verwendet werden.
Bezugszeichenliste
10 = Brennstoffzelle
1 1 = Kathodenteil
12 = Zuleitung Oxidationsmittel
13 = Ableitung Oxidationsmittel
14 = Anodenteil
15 = Zuleitung Brennstoff
16 = Ableitung Brennstoff
17 = Membran
18 = hinterer Bereich der Brennstoffzelle
19 = Fordereinrichtung (Strahlpumpe)
20 = Ventil
21 = Rückführleitung
22 = Ventil
23 = Kreislauf
24 = Leitung
25 = Leitung

Claims

Patentansprüche:
Brennstoffzelle, mit einem Anodenteil (14), der eine Zuleitung (15) und eine Ableitung (16) für einen Brennstoff aufweist, einem Kathodenteil (1 1 ) der eine Zuleitung (12) und eine Ableitung (13) für ein Oxidationsmittel aufweist und einer zwischen dem Anodenteil (14) und dem Kathodenteil (15) vorgesehenen Membran (17), dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine Fordereinrichtung (19) zur Unterstützung der Zufuhrung und Durchstromung der Brennstoffzelle (10) mit Brennstoff und/oder Oxidationsmittel vorgesehen ist
Brennstoffzelle nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die Fördereinrichtung (19) in der Zuleitung (15) für den Brennstoff und/oder der Zuleitung (12) für das Oxidationsmittel vorgesehen ist
Brennstoffzelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Fordereinrichtung (19) über eine Ruckfuhrleitung (21 ) mit einem
Wegeventil (20), insbesondere einem Drei-Wege-Ventil verbunden ist
Brennstoffzelle nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Wegeventil (20) in der Ableitung (16) für den Brennstoff und/oder in der
Ableitung (13) für das Oxidationsmittel angeordnet ist
Brennstoffzelle nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die Fordereinrichtung (19) über ein Wegeventil (22) insbesondere ein Drei-
Wege-Ventil, mit der Zuleitung (15) für den Brennstoff und/oder der Zuleitung
(12) für das Oxidationsmittel verbunden ist Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Fordereinrichtung (19) in einem Kreislauf (23) angeordnet ist
Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Fordereinrichtung (19) als Pumpe ausgebildet ist
Brennstoffzelle nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Fördereinrichtung (19) als Strahlpumpe ausgebildet ist
Fahrzeug mit einer Brennstoffzelle (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 8
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