DE10013351A1 - Brennstoffzelle - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Brennstoffzellenstapel, insbesondere einen Niedertemperatur-Brennstoffzellenstapel, bei dem die Einzelzellen derart angeordnet sind, daß jeweils zwei gleiche Elektroden benachbart angeordnet sind. Dadurch lassen sich die sonst für jede Elektrode benötigten Elektrodenräume erheblich reduzieren (fast die Hälfte). Der erfindungsgemäße Brennstoffzellenstapel spart gegenüber dem Stand der Technik Material und Platz ein, ohne Einbußen in der Effizienz der Brennstoffzelle. In einer bevorzugten Ausgestaltung, weist der Brennstoffzellenstapel ein Mittel zur Ableitungdes entstehenden Gases aus dem Anodenraum auf. Dies wirkt sich positiv auf die Strömungsverhältnisse in den Brennstoffleitungen und an den Elektroden aus.

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle, insbeson­ dere eine Direkt-Methanol-Brennstoffzelle (DMFC).

Eine Brennstoffzelle weist eine Kathode, einen Elektro­ lyten sowie eine Anode auf. Der Kathode wird ein Oxida­ tionsmittel, z. B. Luft und der Anode wird ein Brenn­ stoff, z. B. Wasserstoff zugeführt.

Verschiedene Brennstoffzellentypen sind bekannt, so beispielsweise die SOFC-Brennstoffzelle aus der Druck­ schrift DE 44 30 958 C1 sowie die PEM-Brennstoffzelle aus der Druckschrift DE 195 31 852 C1.

Die SOFC-Brennstoffzelle wird auch Hochtemperatur- Brennstoffzelle genannt, da ihre Betriebstemperatur bis zu 1000°C beträgt. An der Kathode einer Hochtemperatur- Brennstoffzelle bilden sich in Anwesenheit des Oxidati­ onsmittels Sauerstoffionen. Die Sauerstoffionen passie­ ren den Elektrolyten und rekombinieren auf der Anoden­ seite mit dem vom Brennstoff stammenden Wasserstoff zu Wasser. Mit der Rekombination werden Elektronen freige­ setzt und so elektrische Energie erzeugt.

Die Betriebstemperatur einer PEM-Brennstoffzelle liegt bei ca. 80°C. An der Anode einer PEM-Brennstoffzelle bilden sich in Anwesenheit des Brennstoffs mittels eines Katalysators Protonen. Elektronen werden dabei freigesetzt und elektrische Energie erzeugt. Die Proto­ nen passieren den Elektrolyten und verbinden sich auf der Kathodenseite mit dem vom Oxidationsmittel stammen­ den Sauerstoff und den Elektronen zu Wasser.

Mehrere Brennstoffzellen werden in der Regel zur Erzie­ lung großer elektrischer Leistungen durch verbindende Elemente elektrisch und mechanisch miteinander verbun­ den. Ein Beispiel für ein solches verbindendes Element stellt die aus DE 44 10 711 C1 bekannte bipolare Platte dar. Mittels bipolarer Platten entstehen übereinander gestapelte, elektrisch in Serie geschaltete Brennstoff­ zellen. Diese Anordnung wird Brennstoffzellenstapel ge­ nannt. Bei Verwendung von bipolaren Platten ist jeder Pluspol einer Einzelzelle in elektrischem und mechani­ schem Kontakt mit dem Minuspol der benachbarten Einzel­ zelle und umgekehrt. Zur Versorgung mit Betriebsmedien verfügt jede Einzelzelle über einen Kathodenraum (Oxi­ dationsmittel) und einen Anodenraum (Brennstoff). Zur Abführung des entstehenden gasförmigen CO₂, zur Abfüh­ rung des kathodenseitigen Produktwassers sowie zur Ver­ meidung von Strömungsverlusten erfordert jeder der ge­ nannten Räume nachteilig eine Mindestgröße, so daß ein genügend großer Bauraum für eine Einzelzelle bereitge­ stellt werden muß.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Brennstoffzellen­ stapel mit guter Effizienz in kompakter, platzsparender und materialsparender Ausführung zu schaffen, der die oben genannten Nachteile nicht aufweist. Es ist wei­ terhin Aufgabe der Erfindung, einen Zellrahmen zur Aufnahme eines solchen Brennstoffzellenstapels zu schaffen.

Die Aufgabe wird gelöst durch einen Brennstoffzellen­ stapel gemäß Hauptanspruch sowie durch einen Zellrahmen gemäß Nebenanspruch. Vorteilhafte Ausführungsformen er­ geben sich aus den rückbezogenen Unteransprüchen.

Der erfindungsgemäße Brennstoffzellenstapel nach An­ spruch 1 umfaßt wenigstens zwei Einzelzellen, wobei jede Einzelzelle aus einer Membran-Elektroden-Einheit und zwei daran angrenzenden Stromleitern bestehen. Im Unterschied zu herkömmlichen Brennstoffzellenstapeln werden bei dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 1 die zwei Einzelzellen spiegelbildlich angeordnet, so daß zwei gleiche Elektroden, Anoden oder Kathoden benachbart angeordnet sind. Zwischen diesen gleichen Elektroden befindet sich ein Raum zur Zu- oder Abführung eines Betriebsmittels. Werden also zwei Kathoden benachbart angeordnet, so bildet der dazwi­ schen liegende Raum den Kathodenraum, in den regelmäßig das Oxidationsmittel zu- oder abgeführt wird. Umgekehrt bildet bei zwei benachbart angeordneten Anoden der da­ zwischen liegende Raum den Anodenraum. Diese erfin­ dungsgemäße Anordnung von zwei Einzelzellen hat den Vorteil, daß nicht jede Elektrode einen eigenen Elek­ trodenraum benötigt, sondern daß bei benachbart ange­ ordneten gleichen Elektroden ein einziger Raum für je­ weils zwei Elektroden ausreicht. Dadurch kann wenig­ stens auf einen Elektrodenraum pro erfindungsgemäßem Brennstoffzellenstapel verzichtet werden. Dies spart Material und Raum, da die erfindungsgemäßen Räume für den Zwischenraum zwischen zwei gleichen Elektroden bau­ lich deutlich kleiner ausfallen können, als wenn ent­ sprechend zwei Einzelräume für unterschiedliche Elek­ troden benötigt werden.

In einer vorteilhaften Ausführungsform nach Anspruch 2 beträgt der Abstand zwischen zwei gleichen Elektroden weniger als 8 mm. So lassen sich bei gleichem Raumbedarf mehr Brennstoffzellen als beim Stand der Technik anordnen, ohne daß sich Strömungsverhältnisse innerhalb des Zwischenraumes deutlich verändern.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung gemäß Anspruch 3 sind zwei Anoden benachbart angeordnet. Da der Anodenraum regelmäßig von einem Flüssig/Gasgemisch durchströmt wird, z. B. bei der Methanol-Brennstoff­ zelle von einem Methanol-Wassergemisch, welches zu­ sätzlich das entstehende CO₂-Gas mitreißt, darf gerade der Anodenraum unter strömungstechnischen Gesichtspunk­ ten einen bestimmten Strömungsquerschnitt in Bezug auf die überströmte Elektrode nicht unterschreiten. Wird nun erfindungsgemäß ein Anodenraum für zwei Anoden genutzt, so wirkt sich die Platzersparnis besonders vorteilhaft aus.

In einer Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 4 wird die elektrische Kontaktierung über externe Strom­ abgriffe realisiert.

Ein Zellrahmen nach Anspruch 5 ist für die Aufnahme wenigstens eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellen­ stapels vorgesehen. Er besteht typischerweise aus einem elektrisch isolierenden Material.

Der Zellrahmen nach Anspruch 6 weist Mittel zur Zu- oder Abführung eines Betriebsmittels auf, die das Be­ triebsmittel in den Zwischenraum leiten, der zwischen zwei gleichen Elektroden gebildet wird.

Vorteilhaft wird die Zu- oder Abführung des Betriebs­ mittels gemäß Anspruch 7 von unten her in den Zwischen­ raum realisiert.

Dies hat insbesondere in dem Fall, daß es sich bei dem Zwischenraum um einen Anodenraum handelt, den besonde­ ren Vorteil, daß sich das während der Umsetzung des Brennstoffes an den Anoden gebildete Gas, z. B. CO₂, an der höchsten Stelle des Zwischenraumes ansammelt, und nur wenig mitgeführtes Gas in dem Flüssig/Gasgemisch durch Zu- oder Abführungen von einer Zelle in die benachbarte Zelle geführt werden muß.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Zell­ rahmens nach Anspruch 8 weist der erfindungsgemäße Zellrahmen zusätzlich ein Mittel zur Abführung des gebildeten Gases auf. Dieses kann im einfachsten Fall aus einer zusätzlichen Leitung bestehen, die vorteil­ hafterweise nach Anspruch 9 am oberen Ende des Zwi­ schenraumes angebracht ist oder auch nach Anspruch 10 aus einer Abführung, die zum Zwischenraum hin durch eine gasdurchlässige Membran abgetrennt ist. Diese Abführung muß dann beispielsweise nicht am oberen Ende des Zwischenraumes angeordnet sein.

Das Austragen des entstehenden Gases, z. B. CO₂, hat dabei folgende Vorteile. Dadurch, daß der Gasanteil in dem Anodenraum und den entsprechenden Leitungen verrin­ gert wird, können sowohl die Leitungen als auch der Anodenraum in ihren Abmessungen deutlich verringert werden. Die Reduzierung des Anodenraumes führt dabei zu einer weiteren Platzeinsparung. Gleichzeitig wird der Stofftransport des Brennmittels an die Elektroden nicht mehr in dem Maße durch Gasblasen gehemmt, was zu einer Effektivitätssteigerung der Leistung der Brennstoff­ zelle unter sonst gleichen Bedingungen führen kann.

Vorteilhaft weist der erfindungsgemäße Zellrahmen­ stapel, bestehend aus wenigstens zwei Zellrahmen in einer Ausführungsform nach Anspruch 11 zusätzlich Mittel zur Verbindung mehrerer Zellrahmen auf. Dadurch läßt sich ein Brennstoffzellenstapel mit mehr als zwei Einzelzellen realisieren. Die Mittel zur Verbindung mehrerer Zellrahmen umfassen insbesondere die Verbin­ dung der entsprechenden Zu- und Abführungen der Betriebsmittel.

In einer konkreten Ausgestaltung weist die Ausführungs­ form nach Anspruch 12 einen Zellrahmen mit wenigstens einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapel auf, wobei die Anoden benachbart angeordnet sind und Mittel zur Zu- oder Abführung eines Methanol/Wassergemisches in den dazwischen liegenden Anodenraum vorhanden sind.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Fig. 1 näher erläutert.

Es zeigt die Fig. 1 eine Schemazeichnung durch einen Brennstoffzellenstapel, bestehend aus mehreren hinter­ einander geschalteten Zellrahmen, die wiederum jeweils zwei Einzelzellen umfassen. Die Einzelzellen ihrerseits umfassen jeweils eine Membran-Elektroden-Einheit und zwei angrenzende Stromleiter. Jeweils zwei Einzelzellen sind spiegelbildlich in einem Zellrahmen angeordnet, so daß zwei gleiche Elektroden benachbart zueinander liegen. In dem gezeigten Beispiel bilden zwei benach­ barte Anoden einen dazwischen liegenden gemeinsamen Anodenraum. Durch Zu- bzw. Abführungen wird das Metha­ nol/Wassergemisch von unten in die jeweiligen Anoden­ räume zu- bzw. abgeführt. Das während der Umsetzung an der Anode entstehende CO₂ sammelt sich im oberen Be­ reich der Anodenräume und wird dort durch eine Abfüh­ rung abgezogen. Durch die Zu- und Abführungskanäle zwi­ schen den Zellrahmen wird so überwiegend nur Flüssig­ keit geleitet. Damit können sowohl diese Leitungen, als auch der zur Verfügung stehende Zwischenraum zwischen zwei Anoden (ausgedrückt in dem Abstand dieser beiden Elektroden) aus strömungstechnischen Gründen deutlich kleiner ausfallen, als nach dem Stand der Technik er­ forderlich wäre. Gleichzeitig wird zwischen den einzel­ nen Zellrahmen das Oxidationsmittel zugeführt. Da auch hier nur ein Kathodenraum für zwei Kathoden benötigt wird, ergibt sich auch hieraus eine deutliche Platzer­ sparnis. Die Fig. 1 zeigt die Luftführung durch den Brennstoffzellenstapel, d. h. durch die Kathodenräume, die sich zwischen den einzelnen Zellrahmen befinden. Durch einen Saugventilator wird die Luft noch oben durch eine perforierte Deckplatte abgesaugt.

Der Erfindungsgedanke offenbart sich in einem Brenn­ stoffzellenstapel, insbesondere einem Niedertemperatur- Brennstoffzellenstapel, bei dem die Brennstoffeinzel­ zellen derart angeordnet sind, daß jeweils zwei gleiche Elektroden benachbart angeordnet sind. Dadurch lassen sich die sonst für jede Elektrode benötigten Elektro­ denräume auf fast die Hälfte reduzieren (im optimalen Fall jeweils einen Anoden- und Kathodenraum für zwei Einzelzellen). Der erfindungsgemäße Brennstoffzellen­ stapel spart gegenüber dem aus dem Stand der Technik bekannten sowohl Material als auch Platz ein, ohne daß es regelmäßig zu Einbußen in der Effizienz der Brenn­ stoffzellen kommt. In einer bevorzugten Ausgestaltung weist der Brennstoffzellenstapel zusätzlich ein Mittel zur Ableitung des entstehenden Gases aus dem Anodenraum auf. Dies wirkt sich positiv auf die Strömungsverhält­ nisse in den Brennstoffleitungen und an den Elektroden aus, so daß bei dieser Ausgestaltung sogar eine Steige­ rung der Effizienz möglich ist.

Claims (12)

1. Brennstoffzellenstapel, umfassend wenigstens zwei Einzelzellen, die jeweils eine Membran-Elektroden- Einheit sowie zwei angrenzende Stromleiter aufwei­ sen, dadurch gekennzeichnet, daß

• - zwei gleiche Elektroden zweier Einzelzellen be­ nachbart angeordnet sind, und
• - zwischen diesen gleichen Elektroden der zwei Ein­ zelzellen nur ein Raum zur Zu- oder Abführung eines Betriebsmittels vorgesehen ist.

2. Brennstoffzellenstapel nach vorhergehendem Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen den gleichen Elektroden weniger als 8 mm beträgt.

3. Brennstoffzellenstapel nach vorhergehendem Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Anoden benachbart angeordnet sind und zwischen ihnen nur ein Anodenraum vorgesehen ist.

4. Brennstoffzellenstapel nach einem der vorhergehen­ den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Kontaktierung der Einzelzel­ len über externe Stromabgriffe erfolgt.

5. Zellrahmen zur Aufnahme wenigstens eines Brenn­ stoffzellenstapels nach einem der vorhergehenden Ansprüche.

6. Zellrahmen nach vorhergehendem Anspruch, gekennzeichnet durch Mittel zum Zu- oder Ab­ führen eines Betriebsmittels in den zwischen den gleichen Elektroden vorgesehenen Raum.

7. Zellrahmen nach vorhergehendem Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß die Zu- und Abführungen von unten in den zwi­ schen den gleichen Elektroden vorgesehenen Raum vorgesehen ist.

8. Zellrahmen nach einem der vorhergehendem Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein Mittel zur Abführung eines Gases aus dem zwischen den gleichen Elektroden vorgesehenen Raum vorgesehen ist.

9. Zellrahmen nach vorhergehendem Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß das Mittel zur Abführung eines Gases eine gas­ durchlässige Membran aufweist.

10. Zellrahmen nach einem der vorhergehenden Ansprüche 8 bis 9, bei dem das Mittel zur Abführung eines Gases an der oberen Seite des Zellrahmens angeord­ net ist.

11. Zellrahmenstapel, umfassend wenigstens zwei Zell­ rahmen nach einem der vorhergehenden Ansprüche 5 bis 10, gekennzeichnet durch Mittel zum Verbinden mehrerer Zellrahmen, insbesondere zum Verbinden der Mittel für die Zu- und Abführung eines Betriebsmit­ tels.

12. Zellrahmen nach einem der vorhergehenden Ansprüche 5 bis 10, mit wenigstens einem Brennstoffzellensta­ pel nach einem der Ansprüche 3 bis 4, gekennzeichnet durch Mittel zum Zu- oder Ab­ führen eines Methanol/Wassergemisches in dem zwi­ schen zwei Anoden befindlichen Anodenraum.