DE10035232A1 - Method for operating a fuel cell - Google Patents
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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.The invention relates to a low-temperature fuel cell in which the transport of the operating materials is significantly improved by using the centrifugal force. For this purpose, in an advantageous embodiment, the rotationally symmetrical fuel cell is set in rotation. The equipment is fed via the axis of rotation. Water is advantageously removed from the cathode compartment via the non-rotating outer housing.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzelle, insbesondere einer Niedertempe ratur-Brennstoffzelle.The invention relates to a method for operating a fuel cell, especially a low temperature temperature fuel cell.
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.A fuel cell has a cathode, an electric lyte and an anode. The cathode becomes an oxide tion means, e.g. B. air and the anode becomes a focal fabric, e.g. B. supplied hydrogen.
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.Different types of fuel cells are known for example the SOFC fuel cell from the print DE 44 30 958 C1 and the PEM fuel cell from the publication 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.The operating temperature of a PEM fuel cell is at approx. 80 ° C. At the anode of a PEM fuel cell are formed in the presence of the fuel a proton catalyst. The protons pass that Electrolytes and connect on the cathode side with the oxygen coming from the oxidizing agent Water. Electrons are released and elec generates tric energy.
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.Several fuel cells are usually used to educate large electrical power through connecting Elements electrically and mechanically connected the. An example of such a connecting element represents the bipolar plate known from DE 44 10 711 C1 using bipolar plates stacked fuel electrically connected in series cells. This arrangement is ge fuel cell stack 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.Methane or methanol can be used as fuel be provided. The fuels mentioned are through reforming or oxidation u. a. in hydrogen or converted to hydrogen-rich gas.
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.A disadvantage of the known prior art is that the CO 2 produced by the anodic conversion regularly interferes with the transport of the fuel and the water formed on the cathode side with the transport of the oxidizing gas. So far, the electrode spaces have required a kind of minimum spatial size in order to nevertheless ensure the transport of the fuel and the oxidizing gas in the respective 2-phase medium.
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.The object of the invention is to provide a method for operating ben to create a fuel cell, which a allows better distribution of resources and so regularly increases the efficiency of the fuel cell.
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.It is also an object of the invention to provide a more compact one To create low temperature fuel cells with the an improvement in transport and distribution the equipment is possible.
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.The task is solved by a procedure for the recovery ben a fuel cell according to the main claim and by a fuel cell according to the auxiliary claim. before partial embodiments of the method and the Fuel cells are the back-related claims Chen to take.
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.The inventive method for operating a Fuel cell according to claim 1 comprises the step that the fuel cell rotates. Through the rotation centrifugal forces occur which cause the fluids Operating resources inside the fuel cell to the outside be performed. The fluid resources include for example the fuels or the oxidizing agents. In the case of a low temperature fuel cell for example methanol, a methanol-water Mixture or air or oxygen.
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. Due to the centrifugal force, the resources of the Ro center of the station accelerated towards the outside. This Effect can advantageously the transport flow of loading propellant supported within the electrode rooms zen, if the resource supply is advantageous in or close to the center of rotation. This can suitable due to a feed via the axis of rotation will be realized. Spread out through the process the equipment is particularly homogeneous in the electrodes evacuate. In addition, the water that is in the Fuel cell operation is located in the cathode compartment advantageous quickly and almost completely from the Electrode space led to the outside. The disadvantage effects of mixed potential formation at the cathode, like for example with a methanol fuel occur and the disruption of the transport of the Oxidizing agent due to two-phase formation can thus be significantly reduced. this leads to regularly increase the effectiveness of the burning material cell.
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.In an advantageous embodiment of the method the fuel cell rotates perpendicular to a plane, due to the layered structure of anode, elec trolyte and cathode, the so-called electrode Electrolyte unit is formed. That means the The axis of rotation is perpendicular to the electrodes or the associated electrode rooms. That kind, one Operating fuel cells has the advantage that the Lower equipment regularly in the entire level be distributed homogeneously to the axis of rotation. The Water in the cathode compartment is separated by the Rota tion of the fuel cell with centrifugal force to the outside transported to where it was removed at a suitable point becomes.
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.With the method according to the invention can be advantageous also operate an entire fuel cell stack. The equipment is fed via the axis of rotation leads and outside the electrode rooms, for example via a non-rotating housing, at a suitable position len deducted.
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.The low temperature fuel cell according to the next door saying is built up in layers. It typically includes usually an anode, a cathode, an electrolyte membrane as well as bipolar plates, accordingly Adjacent to each other in layers. He also points out Fuel cell according to the invention has an axis of rotation. The fuel cell can be rotated around this. The forced by rotation of the fuel cell Transport flow of resources leaves regularly a more compact design of the electrode compartments than it was previously common in the prior art. About that in addition, those skilled in the art are familiar with this solutions to the problems of storage and the seal against non-rotating parts known in the art.
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 an advantageous embodiment of the low temperature ratur fuel cell, the axis of rotation is vertical arranged to the layer level. So that through a rotation occurring centrifugal forces with tel advantageously eccentric within the electrodes distribute rooms.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die Zuführung wenigstens eines Betriebsmittels innerhalb der Rotationsachse vorgesehen.In a further advantageous embodiment, the Supply of at least one item of equipment within the axis of rotation provided.
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.Another embodiment of the invention Fuel cell reveals a rotationally symmetrical Structure of the fuel cell. Among them is, for example to understand that the anode, the cathode and the elec trolyte membrane each in a circular arrangement available. This can, for. B. such a fuel cell relatively light and without sealing problems in an outer, non-rotating housing installed the.
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.Another embodiment of FIG fuel cell according to the invention a means for removal tion of the water from the cathode compartment. A ge a suitable means is, for example, an arrangement outside the fuel cell and inside one outer housing, the ge water and oxidizer can separate. This can, for example can be realized by suitably arranged channels, in which a separation of water and oxidant through a membrane. By such means can on a methanol / water circulation pump, as in Fuel cells according to the prior art are common, to be dispensed with. The fuel cell according to the invention itself acts like a centrifugal pump and removes that water generated almost completely from the cathode room.
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.A further advantageous embodiment of the fuel cell according to the invention has means for removing CO 2 from the anode compartment. The CO 2 gas bubbles formed at the anode during the reaction disrupt the transport of the fuel, which is regularly present in liquid form in a direct methanol fuel cell. By effectively removing the CO 2 , the electrode space can advantageously be made more compact. For this purpose, for example, suitably designed channels are also provided in an outer housing.
Im folgenden wird die Erfindung unter anderem auch an hand von drei Figuren näher erläutert.In the following, the invention is also among others hand explained in more detail by three figures.
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.Known direct methanol fuel cell (DMFC) stacks consist of a series connection of individual cells. The individual cells are connected in series by bipolar plates. Each individual cell has a cathode compartment (oxidizing agent) and an anode compartment (fuel) for the supply of operating fluids. To remove the CO 2 gas bubbles generated in the anode compartment and to avoid flow losses, each of the electrode compartments mentioned requires a minimum size. Therefore, the provision of ge enough space is required. In addition, with the known direct methanol fuel cells, the problem arises that water is formed on the cathode side and water also passes through the electrolyte from the anode side by electro-osmosis. This water clogs the channels on the cathode side, so that transport inhibitions with regard to oxygen also occur there. The effects and performance of the fuel cell adversely affect the effects.
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.In the context of the invention it was found that this after divide by a rotating fuel cell, respectively rotating fuel cell stack to be overcome can. The rotation affects every volume element ment of the stack, especially on the equipment, a centrifugal force to the outside. Is provided a supply of resources via the medium or Ro tationsachse. The rotation leads to a forced flow of the equipment and in particular of the interference water content that occurs on the cathode side outside. Due to the water discharge, the cathodes performance improved. Another advantage of this construction is wise that the usual methanol / water Circulation pump can be dispensed with because of the fuel cell itself represents a centrifugal pump.
Es zeigen:Show it:
Fig. 1 Längsschnitt durch eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle Fig. 1 longitudinal section through an embodiment of the fuel cell according to the invention
Fig. 2 Detailausschnitt von Fig. 1 mit dem An oden/Elektrolyt/Kathodenbereich Fig. 2 detail of Fig. 1 with the anode / electrolyte / cathode area
Fig. 3 Querschnitt durch eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle Fig. 3 cross section through an embodiment of the fuel cell according to the invention
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). Fig. 1 shows an embodiment of the fuel cell according to the Invention in longitudinal section. In addition to the axis of rotation 5 , which is firmly connected perpendicular to the layered structure of the fuel cell, consisting of anode 2 , electrolyte 3 and cathode 4 and the bipolar plates 1 , the outer multi-walled housing is also shown, which has an anode collecting channel 6 and a cathode collecting channel 7 having. For simplification, only 1 fuel cell is shown. The room 8 can accommodate several fuel cells (fuel cell stack).
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. Fig. 2 illustrates the dimensions of the electro-electrolyte unit of the fuel cell according to the invention. While the diameter of the circular bipolar plates 1 , the anode 2 and the electrolyte 3 correspond to the inner diameter of the housing wall, the diameter of the circular Ka method 4 is chosen larger. The cathode thus projects into a recess in the housing wall into the channel 7 into the cathode collector.
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
The supply channels for the cathode 9 and the anode 10 are shown in cross section in FIG. 3, the anode supply channel having a discharge bore 11 . In the figures:
1 bipolar plate
2 anode
3 electrolyte
4 cathode
5 axis of rotation
6 anode collecting channel
7 cathode collecting channel
8 fuel cell stacks
9 cathode supply channel
10 anode supply channel
11 drain hole
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