DE10054444B4

DE10054444B4 - Brennstoffzellensystem mit einer Brennstoffzelle mit zumindest einem mäanderförmig verlaufenden Kanal sowie Verfahren zu dessen Betrieb

Info

Publication number: DE10054444B4
Application number: DE10054444A
Authority: DE
Inventors: Martin Bielski; Rolf Thomas; Thomas Dr. Hocker
Original assignee: Vaillant GmbH
Current assignee: VAILLANT GMBH, 42859 REMSCHEID, DE
Priority date: 1999-11-03
Filing date: 2000-10-28
Publication date: 2007-10-11
Anticipated expiration: 2020-10-29
Also published as: DE10054444A1; AT407589B; ATA184399A

Abstract

Brennstoffzellensystem mit einer Brennstoffzelle (1) mit mindestens einem mäanderförmig verlaufenden Kanal (4, 8, 9, 11, 12) zur Versorgung eines insbesondere eine Membrane (7) umfassenden Elektrolyten der Brennstoffzelle (1) mit Prozessgas, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Querschnitt des mäanderförmig verlaufenden Kanals (4, 8, 12) von einem Prozessgaseintritt (2), welcher mit einer Vorrichtung zum Beschicken der Brennstoffzelle (1) mit Reformat verbunden ist, zu einem Prozessgasaustritt (3) vergrößert.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Brennstoffzellensystem gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 und ein Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzelle.
Bei bekannten derartigen Brennstoffzellen weisen die mäanderförmig verlaufenden Kanäle einen über deren Länge gleichbleibenden Querschnitt auf. Dadurch ergibt sich jedoch das Problem, dass über die Länge der Kanäle die Wasserstoffkonzentration des Brenngases abnimmt. Dies ist durch den Umstand bedingt, dass Wasserstoff durch die Membrane wandert und die restlichen Gase im Prozessgasstrom unverändert verbleiben. Dadurch kann über die Länge der mäanderförmigen Kanäle immer weniger Wasserstoff umgesetzt werden, was zur Folge hat, dass es zu unterschiedlichen Flächenbelastungen und thermischen sowie mechanischen Spannungen in einer Zelle kommt.
Aus der DE 100 03 682 A1 ist eine Brennstoffzelle bekannt, bei der die Breite der mäanderförmigen Strömungskanäle vom Brennstoffgaseinlass zum Brennstoffgasauslass schrittweise abnimmt. Dies ist vor allem bei sehr hohem Wasserstoffanteil im Brennstoffgas vorteilhaft, da in diesem Fall der Brennstoffgasvolumenstrom im Kanal in Strömungsrichtung aufgrund der Protonenwanderung durch die Membran stark abnimmt. Ein derartiger Verlauf der Breite der Strömungskanäle ist auch aus EP 0 940 868 A2 , EP 0 924 785 A2 und JP 56134473 A bekannt. Eine Veränderung der Strömungskanaltiefe ist aus JP 11016590 A bekannt, wobei vom Eintritt zum Auslass die Tiefe der Kanäle abnimmt.
Bei Strömungskanälen gemäß dem Stand der Technik wird bei Reformaten mit hohem Intertanteil dem Wasserstoff in Strömungsrichtung immer weniger Membranfläche geboten, so dass der Wasserstoffumsatz zurückgeht.
Ziel der Erfindung ist es, die Nachteile des Standes der Technik zu vermeiden und ein Brennstoffzellensystem der eingangs erwähnten Art vorzuschlagen, bei der eine im Wesentlichen gleichmäßige Flächenbelastung erzielbar ist.
Erfindungsgemäß wird dies bei einem Brennstoffzellensystem der eingangs erwähnten Art durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 erreicht.
Durch die vorgeschlagenen Maßnahmen ist es möglich, eine weitgehend gleichmäßige Flächenbelastung der Brennstoffzelle zu erreichen.
Dabei nimmt auf der Anodenseite die Wasserstoffkonzentration ab, da die Wasserstoffprotonen durch die Membrane und die Wasserstoffelektronen über den Stromkreislauf wandern. Mit geringer werdender Wasserstoffkonzentration nimmt die Menge des wandernden Wasserstoffs pro Flächeneinheit ab. Um dies zu kompensieren, wird der Mäanderquerschnitt vergrößert, wodurch die verbrauchte Wasserstoffmenge pro Lauflänge in Strömungsrichtung konstant bleibt.
Durch die Merkmale des Anspruches 2 ergeben sich Vorteile hinsichtlich des fertigungstechnischen Aufwandes, insbesondere bei langen Kanälen. Exponentielle Querschnittserweiterungen bedingen zunächst sehr schmale Kanäle, die später sehr breit werden. Dies bedingt, dass weite Flächen ungenutzt bleiben. Dieser Nachteil lässt sich mit einer linearen Erweiterung der Kanäle leicht vermeiden.
Durch die Merkmale des Anspruches 3 ergibt sich der Vorteil einer sehr guten Anpassung der Fläche zur Wasserstoffkonzentration des durchströmenden Fluids, so dass die Flächenbelastung weitgehend konstant bleibt.
Durch die Merkmale des Anspruches 4 lässt sich de Gesamtfläche sehr gut nutzen und gleichzeitig die Zelle sehr einfach herstellen.
Durch die Merkmale des Anspruches 5 wird dem Umstand Rechnung getragen, dass die Wasserstoffkonzentration insbesondere auf der Anodenseite relevant ist.
Durch die Merkmale des Anspruches 6 ergibt sich eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung eines Brennstoffzellensystems.
Der Verfahrensanspruch 7 schützt ein Verfahren zum Betrieb einer Brennstoffzelle eines Brennstoffzellensystems.
Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen:
1 schematisch eine Brennstoffzelle,
2 und 3 Diagramme der Brenngaszusammensetzung über die Länge der mäanderförmig verlaufenden Kanäle,
4a und 4b Querschnitte durch mäanderförmig verlaufende Kanäle
5 einen Schnitt durch eine Brennstoffzelle mit anoden- und Kathodenseite, und
6 und 7 schematisch, bzw. übertrieben dargestellte weitere Ausführungsformen von mäanderförmig verlaufenden Kanälen.
Gleiche Bezugszeichen bedeuten in allen Figuren gleiche Einzelteile.
Eine Brennstoffzelle 1 nach der 1 weist einen mäanderförmig verlaufenden Kanal 4 auf, bei dem Reformat in den Prozessaseintritt 2 eintritt und zum Prozessgasaustritt 3 strömt.
Wie aus den Diagrammen gemäß den 2 und 3 zu ersehen ist, ändert sich die Zusammensetzung des Prozessgases. Dies ist durch den Umstand bedingt, dass Wasserstoffprotonen durch die Membrane 7 der Brennstoffzelle 1 (5) wandern.
Wie aus der 5 zu ersehen ist, weist die Brennstoffzelle 1 eine Anodenseite 5 und eine Kathodenseite 6 auf, die durch eine Membrane 7 voneinander getrennt sind. In den mäanderförmig verlaufenden Kanälen 8 und 12, die eine Einheit bilden, strömt wasserstoffreiches Prozessgas. In den mäanderförmig verlaufenden Kanälen 9 und 11, die ebenfalls eine Einheit bilden, strömt Luft und Abgas. Dabei verjüngen sich die Kanäle 8 und 9 in Blickrichtung, wogegen sich die Kanäle 11 und 12 in Blickrichtung aufweiten.
Wie aus den 4a und 4b zu ersehen ist, erweitern sich die Kanäle 8, 9, 11, 12 in Strömungsrichtung, wobei die 4a eine lineare Erweiterung und die 4b eine exponentielle Erweiterung des Kanals zeigt.
Die 6 zeigt, übertrieben dargestellt, einen sich linear erweiternden mäanderförmig verlaufenden Kanal 4, wogegen die 7 einen sich stufenweise erweiternden mäanderförmig verlaufenden Kanal 4 zeigt.

Claims

Brennstoffzellensystem mit einer Brennstoffzelle (1) mit mindestens einem mäanderförmig verlaufenden Kanal (4, 8, 9, 11, 12) zur Versorgung eines insbesondere eine Membrane (7) umfassenden Elektrolyten der Brennstoffzelle (1) mit Prozessgas, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Querschnitt des mäanderförmig verlaufenden Kanals (4, 8, 12) von einem Prozessgaseintritt (2), welcher mit einer Vorrichtung zum Beschicken der Brennstoffzelle (1) mit Reformat verbunden ist, zu einem Prozessgasaustritt (3) vergrößert.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Querschnitt des mäanderförmig verlaufenden Kanals (4, 8, 12) linear erweitert.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Querschnitt des mäanderförmig verlaufenden Kanals (4, 8, 12) exponentiell erweitert.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich der mäanderförmig verlaufende Kanal (4, 8, 12) stufenweise erweitert.
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass sich lediglich der Querschnitt des mäanderförmig verlaufenden Kanals (4, 8, 12) der Brenngasseite der Brennstoffzelle erweitert.
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Querschnitte der mäanderförmig verlaufenden Kanäle (4, 8, 9, 11, 12) der Brenngasseite und der Oxidantenseite erweitern.
Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystem mit einer Brennstoffzelle (1) mit mindestens einem mäanderförmig verlaufenden Kanal (4, 8, 9, 11, 12) zur Versorgung eines insbesondere eine Membrane (7) umfassenden Elektrolyten der Brennstoffzelle (1) mit Prozessgas, dadurch gekennzeichnet, dass ein Reformat dem mindestens einen mäanderförmig verlaufenden Kanal (4, 8, 12), dessen Querschnitt sich von einem Prozessgaseintritt (2), welcher mit einer Vorrichtung zum Beschicken der Brennstoffzelle (1) mit Reformat verbunden ist, zu einem Prozessgasaustritt (3) vergrößert, zugeführt wird.