DE10035232A1

DE10035232A1 - Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzelle

Info

Publication number: DE10035232A1
Application number: DE10035232A
Authority: DE
Inventors: Hendrik Dohle; Thomas Bewer
Original assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH
Priority date: 2000-07-20
Filing date: 2000-07-20
Publication date: 2002-02-07
Also published as: WO2002009217A3; WO2002009217A2

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Niedertemperatur-Brennstoffzelle, bei der durch Ausnutzung der Fliehkraft der Transport der Betriebsmittel deutlich verbessert wird. Dazu wird in einer vorteilhaften Ausführungsform die rotationssymmetrisch aufgebaute Brennstoffzelle in Rotation versetzt. Die Betriebsmittel werden über die Rotationsachse zugeführt. Die Abführung von Wasser aus dem Kathodenraum erfolgt vorteilhaft über das nicht rotierende äußere Gehäuse.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzelle, insbesondere einer Niedertempe ratur-Brennstoffzelle.

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 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. Die Protonen passieren den Elektrolyten und verbinden sich auf der Kathodenseite mit dem vom Oxidationsmittel stammenden Sauerstoff zu Wasser. Elektronen werden dabei freigesetzt und elek trische Energie erzeugt.

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.

Als Brennstoff kann unter anderem Methan oder Methanol vorgesehen werden. Die genannten Brennstoffe werden durch Reformierung oder Oxidation u. a. in Wasserstoff oder wasserstoffreiches Gas umgewandelt.

Nachteilig beim bekannten Stand der Technik ist es, daß das durch die anodische Umsetzung entstehende CO₂ den Transport des Brennstoffes, bzw. das kathodenseitig entstehende Wasser den Transport des Oxidationsgases regelmäßig stört. Bislang benötigen die Elektrodenräume eine Art räumliche Mindestgröße, um den Transport des Brennstoffes und des Oxidationsgases in dem jeweiligen 2-Phasenmedium dennoch zu gewährleisten.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Betrei ben einer Brennstoffzelle zu schaffen, welches eine bessere Verteilung der Betriebsmittel ermöglicht und so regelmäßig den Wirkungsgrad der Brennstoffzelle erhöht.

Ferner ist es Aufgabe der Erfindung, eine kompaktere Niedertemperatur-Brennstoffzelle zu schaffen, mit der eine Verbesserung des Transportes und der Verteilung der Betriebsmittel möglich ist.

Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zum Betrei ben einer Brennstoffzelle gemäß Hauptanspruch sowie durch eine Brennstoffzelle gemäß Nebenanspruch. Vor teilhafte Ausführungsformen des Verfahrens sowie der Brennstoffzelle sind den jeweils rückbezogenen Ansprü chen zu entnehmen.

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzelle gemäß Anspruch 1 umfaßt den Schritt, daß die Brennstoffzelle rotiert. Durch die Rotation treten Fliehkräfte auf, die bewirken, daß die fluiden Betriebsmittel innerhalb der Brennstoffzelle nach außen geführt werden. Zu den fluiden Betriebsmitteln gehören zum Beispiel die Brennstoffe oder die Oxidationsmittel. Im Fall einer Niedertemperatur-Brennstoffzelle können dies beispielsweise Methanol, ein Methanol-Wasser- Gemisch oder auch Luft oder Sauerstoff sein.

Durch die Fliehkraft werden die Betriebsmittel vom Ro tationsmittelpunkt nach außen hin beschleunigt. Dieser Effekt kann vorteilhaft die Transportströmung der Be triebsmittel innerhalb der Elektrodenräume unterstüt zen, sofern die Betriebsmittelzuführung vorteilhaft im oder nahe beim Rotationsmittelpunkt erfolgt. Dies kann geeignet durch eine Zuführung über die Rotationsachse realisiert werden. Durch das Verfahren verteilen sich die Betriebsmittel besonders homogen in den Elektroden räumen. Zusätzlich wird das Wasser, welches sich im Brennstoffzellenbetrieb in dem Kathodenraum befindet, vorteilhaft schnell und nahezu vollständig aus dem Elektrodenraum nach außen hin abgeführt. Die nachteili gen Effekte der Mischpotentialbildung an der Kathode, wie sie beispielsweise bei einer Methanol-Brennstoff zelle auftreten, und die Störung des Transportes des Oxidationsmittels aufgrund einer Zwei-Phasenbildung können somit deutlich vermindert werden. Dies führt regelmäßig zu einer erhöhten Effektivität der Brenn stoffzelle.

In einer vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens rotiert die Brennstoffzelle senkrecht zu einer Ebene, die durch den schichtförmigen Aufbau von Anode, Elek trolyt und Kathode, der sogenannten Elektroden- Elektrolyt-Einheit gebildet wird. Das bedeutet, die Rotationsachse steht senkrecht auf den Elektroden bzw. den dazugehörigen Elektrodenräumen. Diese Art, eine Brennstoffzelle zu betreiben, hat den Vorteil, daß die Betriebsmittel regelmäßig in der gesamten Ebene senk recht zur Rotationsachse homogen verteilt werden. Das im Kathodenraum befindliche Wasser wird durch die Rota tion der Brennstoffzelle fliehkraftverstärkt nach außen hin transportiert, wo es an geeigneter Stelle abgeführt wird.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren läßt sich vorteil haft auch ein ganzer Brennstoffzellenstapel betreiben. Die Betriebsmittel werden über die Rotationsachse zuge führt und außerhalb der Elektrodenräume, zum Beispiel über ein nicht rotierendes Gehäuse, an geeigneten Stel len abgezogen.

Die Niedertemperatur-Brennstoffzelle gemäß Nebenan spruch ist schichtförmig aufgebaut. Sie umfaßt typi scherweise eine Anode, eine Kathode, eine Elektrolyt membran sowie bipolare Platten, die entsprechend schichtförmig aneinandergrenzen. Ferner weist die er findungsgemäße Brennstoffzelle eine Rotationsachse auf. Um diese kann die Brennstoffzelle gedreht werden. Die durch eine Rotation der Brennstoffzelle erzwungene Transportströmung der Betriebsmittel läßt regelmäßig eine kompaktere Bauweise der Elektrodenräume zu, als sie bislang beim Stand der Technik üblich war. Darüber hinaus sind einem Fachmann die in diesem Zusammenhang auftretenden Lösungen zur Problematik der Lagerung und der Abdichtung gegenüber nicht rotierenden Teilen aus dem Stand der Technik bekannt.

In einer vorteilhaften Ausführungsform der Niedertempe ratur-Brennstoffzelle ist die Rotationsachse senkrecht zur Schichtebene angeordnet. Damit können die durch eine Rotation auftretenden Fliehkräfte die Betriebsmit tel vorteilhaft exzentrisch innerhalb der Elektroden räume verteilen.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die Zuführung wenigstens eines Betriebsmittels innerhalb der Rotationsachse vorgesehen.

Eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle offenbart einen rotationssymmetrischen Aufbau der Brennstoffzelle. Darunter ist beispielsweise zu verstehen, daß die Anode, die Kathode und die Elek trolytmembran jeweils in einer kreisförmigen Anordnung vorliegen. Dadurch kann z. B. eine solche Brennstoff zelle relativ leicht und ohne Abdichtungsprobleme in ein äußeres, nicht rotierendes Gehäuse eingebaut wer den.

Vorteilhaft weist eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle ein Mittel zur Abfüh rung des Wassers aus dem Kathodenraum auf. Ein dazu ge eignetes Mittel ist beispielsweise eine Anordnung außerhalb der Brennstoffzelle und innerhalb eines äußeren Gehäuses, die Wasser und Oxidationsmittel ge trennt abzuführen vermag. Diese kann beispielsweise durch geeignet angeordnete Kanäle realisiert werden, in denen eine Trennung von Wasser und Oxidationsmittel durch eine Membran erfolgt. Durch ein solches Mittel kann auf eine Methanol/Wasser-Umwälzpumpe, wie sie bei Brennstoffzellen gemäß Stand der Technik üblich sind, verzichtet werden. Die erfindungsgemäße Brennstoffzelle selbst wirkt wie eine Zentrifugalpumpe und entfernt das entstehende Wasser nahezu vollständig aus dem Kathoden raum.

Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der erfin dungsgemäßen Brennstoffzelle weist Mittel zur Abführung von CO₂ aus dem Anodenraum auf. Die bei der Umsetzung an der Anode entstehenden CO₂-Gasblasen stören den Transport des Brennstoffes, der bei einer Direkt- Methanol-Brennstoffzelle regelmäßig flüssig vorliegt. Durch eine effektive Entfernung des CO₂ kann der Elek trodenraum vorteilhaft kompakter ausgestaltet werden. Dazu sind beispielsweise ebenfalls geeignet angelegte Kanäle in einem äußeren Gehäuse vorgesehen.

Im folgenden wird die Erfindung unter anderem auch an hand von drei Figuren näher erläutert.

Bekannte Direkt-Methanol-Brennstoffzellen-(DMFC)-Stapel bestehen aus einer Hintereinanderschaltung von Einzel zellen. Die einzelnen Zellen sind durch bipolare Plat ten hintereinandergeschaltet. Zur Versorgung mit Be triebsmitteln verfügt jede Einzelzelle über einen Ka thodenraum (Oxidationsmittel) und einen Anodenraum (Brennstoff). Zur Abführung der im Anodenraum entstehenden CO₂-Gasblasen und zur Vermeidung von Strömungs verlusten erfordert jeder der genannten Elektrodenräume eine Mindestgröße. Daher ist die Bereitstellung von ge nügend Bauraum erforderlich. Zusätzlich tritt bei den bekannten Direkt-Methanol-Brennstoffzellen das Problem auf, das kathodenseitig Wasser entsteht und auch Wasser von der Anodenseite her durch Elektroosmose durch den Elektrolyten übertritt. Dieses Wasser verstopft die Ka näle auf der Kathodenseite, so daß auch dort Transport hemmungen hinsichtlich des Sauerstoffes auftreten. Bei de Effekte beeinflussen die Leistung und den Wirkungs grad der Brennstoffzelle negativ.

Im Rahmen der Erfindung wurde gefunden, daß diese Nach teile durch eine rotierende Brennstoffzelle, bzw. ein rotierender Brennstoffzellenstapel, überwunden werden können. Durch die Rotation wirkt auf jedes Volumenele ment des Stapels, insbesondere auf die Betriebsmittel, eine Zentrifugalkraft nach außen hin. Vorgesehen ist eine Betriebsmittelzuführung über die Mittel- bzw. Ro tationsachse. Die Rotation führt zu einer Zwangsströ mung der Betriebsmittel und insbesondere auch der stö renden kathodenseitig auftretenden Wasseranteile nach außen hin. Durch den Wasseraustrag wird die Kathoden leistung verbessert. Ein weiterer Vorteil dieser Bau weise ist, daß auf die sonst übliche Methanol/Wasser- Umwälzpumpe verzichtet werden kann, da die Brennstoff zelle selbst eine Zentrifugalpumpe darstellt.

Es zeigen:

Fig. 1 Längsschnitt durch eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle

Fig. 2 Detailausschnitt von Fig. 1 mit dem An oden/Elektrolyt/Kathodenbereich

Fig. 3 Querschnitt durch eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle

Die Fig. 1 zeigt eine Ausführungsform der erfindungs gemäßen Brennstoffzelle im Längsschnitt. Neben der Ro tationsachse 5, die senkrecht auf dem schichtförmigen Aufbau der Brennstoffzelle, bestehend aus Anode 2, Elektrolyt 3 und Kathode 4 sowie den bipolaren Platten 1 fest verbunden ist, ist auch das äußere mehrwandige Gehäuse eingezeichnet, welches einen Anodensammelkanal 6 und einen Kathodensammelkanal 7 aufweist. Zur Verein fachung ist nur 1 Brennstoffzelle eingezeichnet. Der Raum 8 kann mehrere Brennstoffzellen aufnehmen (Brenn stoffzellenstapel).

Die Fig. 2 verdeutlicht die Abmessungen der Elektro den-Elektrolyt-Einheit der erfindungsgemäßen Brenn stoffzelle. Während die Durchmesser der kreisförmig ausgestalteten bipolaren Platten 1, der Anode 2 und des Elektrolyten 3 dem inneren Durchmesser der Gehäusewand entsprechen, ist der Durchmesser der kreisförmigen Ka thode 4 größer gewählt. Die Kathode ragt somit in eine Aussparung der Gehäusewand bis in den Kathodensammelka nal 7 hinein.

Im Querschnitt sind in der Fig. 3 die Versorgungskanä le für die Kathode 9 und die Anode 10 eingezeichnet, wobei der Anodenversorgungskanal eine Abführungsbohrung 11 aufweist. Es bedeuten in den Figuren:
1 Bipolare Platte
2 Anode
3 Elektrolyt
4 Kathode
5 Rotationsachse
6 Anodensammelkanal
7 Kathodensammelkanal
8 Brennstoffzellenstapel
9 Kathodenversorgungskanal
10 Anodenversorgungskanal
11 Abführungsbohrung

Claims

1. Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzelle mit einer schichtförmigen Elektroden-Elektrolyt- Einheit, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoffzelle um eine Rotationsachse rotiert.

2. Verfahren nach vorhergehendem Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotationsachse senkrecht zur schichtför migen Elektroden-Elektrolyt-Einheit angeordnet ist.

3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei Umdrehungszahlen der Brennstoffzelle im Be reich von 20 U/min bis 2000 U/min, insbesondere im Bereich von 50 U/min bis 500 U/min, eingestellt werden.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Betriebsmittel über die Rota tionsachse zugeführt wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Kathodenraum befindliches Wasser vollstän dig aus dem Kathodenraum abgeführt wird.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Niedertemperatur-Brennstoffzelle einge setzt wird.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Direkt-Methanol-Brennstoffzelle einge setzt wird.

8. Niedertemperatur-Brennstoffzelle, umfassend eine schichtförmige Elektroden-Elektrolyt-Einheit, gekennzeichnet durch Mittel zur Rotation der Brennstoffzelle um eine Rotationsachse.

9. Niedertemperatur-Brennstoffzelle nach vorhergehen dem Anspruch, wobei die Rotationsachse senkrecht zur Elektroden-Elektrolyt-Einheit angeordnet ist.

10. Niedertemperatur-Brennstoffzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche 8 bis 9, gekennzeichnet durch Mittel zur Zuführung wenigstens eines Betriebsmittels über die Rotati onsachse.

11. Niedertemperatur-Brennstoffzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche 8 bis 10, gekennzeichnet durch einen rotationssymme trischen Aufbau der Brennstoffzelle.

12. Niedertemperatur-Brennstoffzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche 8 bis 11, gekennzeichnet durch Mittel zur Abführung des Wassers aus dem Kathodenraum.

13. Niedertemperatur-Brennstoffzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche 8 bis 12, gekennzeichnet durch Mittel zur Abführung des CO₂ aus dem Anodenraum.

14. Brennstoffzellenstapel, umfassend wenigstens eine Niedertemperatur-Brennstoffzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche 8 bis 13.