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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Elektrodenelement zur elektrochemischen
Umsetzung eines Brennstoffgases in einer Brennstoffzelle mit den Merkmalen
des Oberbegriffes des Patentanspruchs 1, wobei in einem eingebauten
Zustand das Brennstoffgas entlang eines Strömungsweges über
das Elektrodenelement strömt, das Elektrodenelement mit
einem Katalysator versehen ist. Die Erfindung betrifft ebenfalls
eine Brennstoffzelle gemäß dem Oberbegriff des
Anspruches 6 mit wenigstens zwei Elektrodenelementen und einem Membranelement,
wobei das Membranelement zwischen den zwei Elektrodenelementen angeordnet
ist, bei einer elektrochemischen Umsetzung wenigstens ein Brennstoffgas entlang
zumindest eines Strömungsweges über wenigstens
ein Elektrodenelement strömt, wenigstens eines der Elektrodenelemente
mit einem Katalysator versehen ist.
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Stand der Technik
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Bekannte
Brennstoffzellen dienen zur Umwandlung von Wasserstoff in nutzbare
elektrische Energie. Um diese elektrochemische Reaktion durchzuführen,
weist die Brennstoffzelle zwei Elektroden auf, denen zwei Reaktanden,
wie etwa Wasserstoff und Sauerstoff, zugeführt werden.
Der an einer Elektrode – der Anode – zugeführte
Wasserstoff spaltet sich unter Abgabe von Elektronen in H+-Ionen auf. Während die Elektronen über
einen externen Stromkreislauf zur Energiegewinnung genutzt werden
können, diffundieren die Protonen durch ein Membranelement
zur zweiten Elektrode – der Kathode. An der Kathode kann
im Anschluss eine Reaktion der Protonen mit Sauerstoff geschehen,
so dass als Ergebnis Wasser entsteht. Die beiden Elektroden bilden
mit dem Membranelement eine Membran-Elektroden-Einheit (MEA – Membrane
Electrode Assembly). Eine Strömungsfeldplatte dient dazu,
die Reaktanden über eine aktive Fläche der Elektrode
zu verteilen und dabei für eine mechanische Stabilität
zu sorgen. Um dieses zu ermöglichen, weisen bekannte Strömungsfeldplatten
Strömungskanäle auf. Zwischen der Membran-Elektroden-Einheit
und der Strömungsfeldplatte ist je eine Gasdiffusionsschicht
aufgebaut. Diese Gasdiffusionsschicht hat die Funktion, die Brennstoffe – auch
als Reaktanden bezeichnet – Wasserstoff oder Sauerstoff
gleichmäßig über die gesamte Fläche der
Elektroden zu verteilen und die Reaktionsprodukte Strom, Wärme
und Wasser von den Elektroden abzuführen.
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Bei
bekannten Brennstoffzellen, insbesondere PEM Brennstoffzellen, kommen
Edelmetallkatalysatoren wie Platin zum Einsatz, um die elektrochemische
Umsetzung des Wasserstoffes und des Sauerstoffes zu katalysieren.
Dabei stellt die Verwendung von Edelmetallkatalysatoren einen wesentlichen Kostenfaktor
bei der Herstellung der Brennstoffzelle dar. Als nachteilig hat
es sich herausgestellt, dass die bekannten Katalysatoren durch das
im Brennstoffgas enthaltene Kohlenmonoxid (CO) vergiftet werden können.
Das Kohlenmonoxid wird vorzugsweise an den Reaktionszentren des
Platins absorbiert und schädigt den Katalysator dabei irreversibel
bei typischen Betriebstemperaturen von T < 120°C und bei Anodenpotentialen
von ca. 0 V gegenüber RHE (Reference Hydrogen Electrode).
Durch die Vergiftung des Katalysators wird die Effizienz der elektrochemischen
Reaktion wesentlich verschlechtert. Zusätzlich kann bei
stärkerer Vergiftung die Langzeitstabilität der
Brennstoffzelle beeinträchtigt werden. Für zurzeit im
Betrieb befindliche PEM Brennstoffzellen hat sich herausgestellt,
dass die Kohlenmonoxidkonzentration im Brennstoff weniger als 100
ppm betragen darf, wenn die Brennstoffzelle mit einer Betriebstemperatur
von weniger als 150°C betrieben wird. Um so geringe Kohlenmonoxidkonzentration
innerhalb des als Brennstoff verwendeten Wasserstoffes sicherzustellen,
bedarf es sehr umfangreicher Produktionsschritte – Dampfreformierung,
Wasserschift-Reaktion und/oder selektiver CO Oxidation – um
auch aus fossilen Brennstoffen erzeugtes Wasserstoff in Brennstoffzellen
einsetzen zu können. Darüber hinaus ist es aus
der
US 4,910,099 bekannt,
Sauerstoff in den Bereich des Brennstoffstromes einzuführen,
um durch eine auftretende Oxidation das im Brennstofffluss vorhandene
Kohlenmonoxid zu oxidieren. Allerdings hat sich diese Vorgehensweise
als technisch komplex und kostenintensiv herausgestellt. Zusätzlich
wird die Menge des für die elektrochemische Reaktion bereitstehenden
Wasserstoffes reduziert.
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Aufgabe und Vorteile der Erfindung
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, ein Elektrodenelement und/oder
eine Brennstoffzelle bereitzustellen, welche die oben genannten
Nachteile überwindet, insbesondere auch bei hoher Kohlenmonoxidkonzentration
betrieben werden kann, ohne dass eine Vergiftung des Katalysators
auftritt.
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Diese
Aufgabe wird durch das Elektrodenelement mit den Merkmalen des Anspruches
1 in vorteilhafter Weise gelöst. Darüber hinaus
wird die Aufgabe durch die Brennstoffzelle mit den Merkmalen des
Anspruches 6 in vorteilhafter Weise gelöst. Weitere vorteilhafte
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ergeben sich
aus den jeweiligen Unteransprüchen. Merkmale und Details,
die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen
Elektrodenelement beschrieben sind, gelten dabei selbstverständlich
auch im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen
Brennstoffzelle und jeweils umgekehrt. Dabei können die
in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten
Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination
erfindungswesentlich sein.
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Das
erfindungsgemäße Elektrodenelement zeichnet sich
dadurch aus, dass eine Dichte des Katalysators entlang des Strömungsweges
zunimmt, um eine Vergiftung des Katalysators mit inaktivierenden
Substanzen zu verhindern.
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Die
Erfindung basiert auf der überraschenden Erkenntnis, dass
mit dem Brenngas in die Brennstoffzelle eingetragene inaktivierende
Substanzen lokal unterschiedlich stark konzentriert an den Katalysator
gelangen. Im Rahmen der Erfindung werden als inaktivierende Substanzen
all jene Bestandteile des Brenngases bezeichnet, die den Katalysator
derart schädigen, dass dieser nicht mehr für die
Katalyse der in die Brennstoffzelle gelangenden Edukte genutzt werden
kann. So ist es bekannt, dass insbesondere Kohlenmonoxid (CO) und/oder
Schwefelverbindungen zu nachhaltigen Schädigungen des Platinkatalysators
führen können. Da das Brenngas innerhalb der Brennstoffzelle
möglichst effizient elektrochemisch umgesetzt werden soll,
wird das Brenngas mit einer geringen Strömungsgeschwindigkeit
in die Brennstoffzelle eingebracht. Es hat sich herausgestellt,
dass die Menge der inaktivierenden Substanzen bei geringen Strömungsgeschwindigkeiten
entlang des Strömungsweges abnehmen. Dieses kann sich daraus
ergeben, dass bei niedrigen Strömungsgeschwindigkeiten
die inaktivierende Substanz in die Gasdiffusionslage diffundiert.
Somit nimmt die Belastung der inaktivierenden Substanz entlang des
Strömungsweges des Gases über die aktive Fläche
des Elektrodenelementes ab. Im Gegensatz dazu führen höhere
Volumenströme und damit größere Strömungsgeschwindigkeiten
zu einer Reduzierung des Eindiffundierens der inaktivierenden Substanz
in die Gasdiffusionslage. Gleichzeitig wird die mögliche Kontaktzeit
der inaktivierenden Substanz mit dem Katalysator geringer, so dass
eine über dem Strömungsweg betrachtete geringere
Absorption zu erwarten ist. Damit sinkt die Reduktion der inaktivierenden
Substanz über den Strömungsweg bei hohen Strömungsgeschwindigkeiten.
Um allerdings eine hohe Effizienz der Brennstoffzelle zu erreichen,
wird eine möglichst niedrige Strömungsgeschwindigkeit der
Brennstoffgase angestrebt. Auf Basis dieser Erkenntnis ist erfindungsgemäß vorgesehen,
dass die Dichte des Katalysators entlang des Strömungsweges
steigt. Somit ist die Dichte des Katalysators angepasst und reziprok
zur Menge der inaktivierenden Substanz in dem Brennstoffgas. Dadurch
wird sichergestellt, dass eine Vergiftung des Katalysators durch die
inaktivierende Substanz deutlich verringert und zum Teil sogar ausgeschlossen
ist. Im Rahmen der Erfindung bedeutet die Aussage, dass eine Vergiftung
des Katalysators mit inaktivierenden Substanzen verhindert wird
somit, dass gegenüber dem Stand der Technik signifikant
weniger Katalysator durch inaktivierende Substanzen vergiftet wird.
Die erfindungsgemäße Anordnung des Katalysators
verringert und/oder vermeidet und/oder vermindert somit eine Vergiftung
großer Teile des Katalysators. Somit wird eine Vergiftung
des Katalysators gegenüber dem Stand der Technik signifikant
reduziert und/oder sogar vollständig vermieden.
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Eine
vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen
Elektrodenelementes zeichnet sich dadurch aus, dass das Elektrodenelement
ein Oxidationselement aufweist, um die inaktivierenden Substanzen
zu oxidieren. Im Gegensatz zum Katalysator der zur elektrochemischen
Umsetzung des Brennstoffgases dient, ist es Aufgabe des Oxidationselementes
die inaktivierenden Substanzen derart umzusetzen, dass diese den
Katalysator nicht nachhaltig schädigen können.
Handelt es sich bei dem Brennstoffgas um Wasserstoff, ist die vorrangig
auftretende inaktivierende Substanz Kohlenmonoxid. Um Kohlenmonoxid
zu katalysieren, bietet sich folgende Reaktionsgleichung an: CO + H2O ⇒ CO2 + H2 2CO + O2 ⇒ 2CO2
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Das
Oxidationselement dient dazu gemäß den oben genannten
Reaktionsgleichungen Kohlenmonoxid zu Kohlendioxid zu katalysieren.
Dieses kann insbesondere dadurch entstehen, dass an dem Oxidationselement
Kohlenmonoxid und Wasser und/oder Sauerstoff absorbiert werden.
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Es
hat sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn eine Dichte des Oxidationselementes
entlang des Strömungsweges abnimmt. Das Oxidationselement
kann folglich eine Dichte aufweisen, die in jenem Maß abnimmt,
wie die Dichte des Katalysators entlang des Strömungsweges
zunimmt. Das Oxidationselement setzt folglich die inaktivierenden
Substanzen entlang des Strömungsweges um, so dass keine
Vergiftung des Katalysators zu befürchten ist und dessen
Dichte damit entlang des Strömungsweges zunehmen kann.
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Auf
den beiden Seiten der Membran-Elektroden-Einheit können
Gasdiffusionsschichten (gas diffusion layer, GDL) angebracht werden.
Die Gasdiffusionsschichten bestehen gewöhnlich aus Kohlefaserpapier
oder Kohlefasergewebe und ermöglichen einen guten Zugang
der Brennstoffe zu den Reaktionsschichten und eine gute Ableitung
des Zellenstroms und des sich bildenden Wassers. Die Brennstoffe – auch
als Reaktanden bezeichnet –, wie beispielsweise Wasserstoff
und Sauerstoff, und das Reaktionsprodukt Wasser strömen
durch den Strömungskanal – auch Strömungsweg – der
Strömungsfeldplatte. Die Reaktanden dienen vorrangig der
elektrochemischen Erzeugung einer elektrischen Energie. Da es sich
bei dieser elektrochemischen Reaktion um eine exotherme Reaktion
handelt, werden die Fluide gleichzeitig zur Abführung von überschüssiger
Reaktionswärme genutzt. Als vorteilhaft hat es sich deshalb
herausgestellt, wenn die Strömungswege auf der Außenfläche der
Strömungsfeldplatte eine mäanderförmige
Struktur aufweisen. In dieser Anordnung bedecken die Strömungswege
einen großen Anteil der Fläche der Strömungsfeldplatte.
Das Elektrodenelement und die Strömungsfeldplatte stehen
im Wesentlichen parallel zueinander, was bedeutet, dass die Ebenen,
welche durch das Elektrodenelement bzw. die Strömungsfeldplatte
aufgespannt werden, sich nicht oder nur unter einem Winkel von weniger
als 10° schneiden. Der Begriff der Dichte bezeichnet im
Rahmen des Patents eine Menge des Katalysators, die mit dem eingenommenen
Volumen im Verhältnis gesetzt ist.
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Erfindungsgemäß nimmt
die Dichte des Katalysators entlang des Strömungsweges
zu. Wird eine Strömungsfeldplatte verwendet, so strömt
der Brennstoff mäanderförmig über das
Elektrodenelement hinweg. In diesem Falle kann die Dichte des Katalysators
entlang des Strömungsweges der Strömungsfeldplatte
zunehmen. Denkbar ist es auch, dass für jede Mäanderschleife
eine gleichbleibende Dichte des Katalysators vorgesehen ist, aber
die Dichte des Katalysators von einer Oberseite eine Außenfläche
der Strömungsfeldplatte zur Unterseite hin zunimmt.
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Um
eine effiziente Umsetzung des Brennstoffes und/oder der inaktivierenden
Substanzen zu ermöglichen, hat es sich als vorteilhaft
erwiesen, wenn der Katalysator und/oder das Oxidationselement wenigstens
einen der beiden folgenden Bestandteile aufweist: ein Element der
Platin Gruppe, wie insbesondere Platin, Palladium, Ruthenium, Indium,
oder ein Element der Kupfer-Gruppe, wie insbesondere Kupfer oder
Gold. Die Platinkatalysatoren dienen vorrangig zur Umsetzung des
Brennstoffgases in der Brennstoffzelle. Gleichzeitig können
sie aber auch zur Oxidation der inaktivierenden Substanzen genutzt
werden. Für Oxidationselement hat es sich aber als besonders
vorteilhaft und preiswert herausgestellt, die Elemente der Kupfergruppe
zu verwenden.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsvariante ist vorgesehen,
dass der Katalysator zwei Katalysatorelemente aufweist. Dabei ist
das erste Katalysatorelement vorrangig in einem Bereich hoher Konzentration
von inaktivierenden Substanzen angeordnet, während das
zweite Katalysatorelement in Richtung des Strömungsweges
versetzt angeordnet ist und vorrangig zur elektrochemischen Umsetzung des
Brennstoffgases dient. Dabei hat es sich als vorteilhaft herausgestellt,
wenn in einem Einströmbereich des Strömungsweges
der Katalysator und/oder das erste Katalysatorelement platinfrei
sind. Ein platinfreier Katalysator bzw. erstes Katalysatorelement hat
den Vorteil, dass dieses nicht von der Problematik der irreversiblen
Adsorption der inaktivierenden Substanzen im Betriebstemperaturbereich
betroffen ist. Als besonders vorteilhaft hat es sich herausgestellt, wenn
der Katalysator und/oder das erste Katalysatorelement und/oder das
Oxidationselement wenigstens einen der folgenden Bestandteile aufweisen:
Metalloporphyrine, insbesondere Co-Porphyrine.
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Als
vorteilhaft hat es sich herausgestellt, wenn das Elektrodenelement
ein kohlenstoffgeträgertes Platin (Pt/C) aufweist. Dabei
wird Platin auf Kohlenstoffpartikel aufgebracht, welche im Anschluss
per Siebdruck oder Sputtern auf die Membran aufgebracht werden.
Dabei ist die Konzentration des Katalysators in Abhängigkeit
von einer Dicke bzw. Tiefe des Elektrodenelementes unabhängig. Dadurch
ist sichergestellt, dass auch in tieferen Schichten des Elektrodenelementes
hinreichend Katalysator vorhanden ist, um die elektrochemische Reaktion
der beiden Reaktanden innerhalb der Brennstoffzelle auszuführen.
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Die
erfindungsgemäße Aufgabe wird ebenfalls gelöst
durch eine Brennstoffzelle mit wenigstens zwei Elektrodenelementen
und einem Membranelement, wobei das Membranelement zwischen den zwei
Elektrodenelementen angeordnet ist, bei einer elektrochemischen
Umsetzung wenigstens ein Brennstoffgas entlang zumindest eines Strömungsweges über
wenigstens ein Elektrodenelement strömt, wenigstens eines
der Elektrodenelemente mit einem Katalysator versehen ist. Erfindungsgemäß ist dabei
vorgesehen, dass eine Dichte des Katalysators entlang des Strömungsweges
zunimmt, um eine Vergiftung des Katalysators mit inaktivierenden
Substanzen zu verhindern. Die erfindungsgemäße
Brennstoffzelle zeichnet sich durch die Verwendung des erfindungsgemäßen
Elektrodenelementes aus. Dadurch ist sichergestellt, dass inaktivierende
Substanzen die mittels des Brennstoffstromes in die Brennstoffzelle
gelangen, nicht durch den Katalysator absorbiert werden und diesen
vergiften. Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem Elektrodenelement
aufgeführt werden, gelten dabei selbstverständlich
auch für das Elektrodenelement und umgekehrt.
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Auch
für die erfindungsgemäße Brennstoffzelle
hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn diese ein Oxidationselement
aufweist, um die inaktivierenden Substanzen zu oxidieren. Dabei
ist vorteilhafterweise vorgesehen, dass die Dichte des Oxidationselementes
entlang des Strömungsweges des Brennstoffes abnimmt. In
einer ersten Variante ist das Oxidationselement an dem Elektrodenelement
angeordnet, wobei die Menge des Oxidationselementes an die Konzentration
der inaktivierenden Substanz angepasst ist. Da diese – wie
oben beschrieben – im Verlauf des Brennstoffflusses abnimmt,
kann auch die Dichte des Oxidationselementes entlang des Strömungsweges
abnehmen.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsvariante ist das
Oxidationselement an einer Gasdiffusionsschicht angeordnet. Die
Gasdiffusionsschicht ist zwischen dem Elektrodenelement und der
Strömungsfeldplatte angeordnet und dient dazu, das Brennstoffgas
gleichmäßig über die gesamte Fläche des
Elektrodenelementes zu verteilen und die Reaktionsprodukte von dem
Elektrodenelement abzuführen. Wie oben beschrieben, dringt
ein Teil der inaktivierenden Substanzen in die Gasdiffusionslage
ein. Deshalb ist es vorteilhaft, wenn das Oxidationselement zumindest
teilweise in der Gasdiffusionsschicht angeordnet ist. So kann eine
schnelle und effektive Umsetzung der inaktivierenden Substanzen
geschehen.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist die Brennstoffzelle
ein Zuflusselement auf. Mittels des Zuflusselementes ist das Brennstoffgas
an das Elektrodenelement führbar. Der Brennstoff zum Betrieb
der Brennstoffzelle wird im Allgemeinen einem Speicherbehälter
entnommen und fließt durch das Zuflusselement in die Brennstoffzelle
ein. Dabei kann das Zuflusselement derart angeordnet sein, dass
der Brennstoff aus dem Zuflusselement in einen Einströmbereich
der Strömungsfeldplatte hineinströmt. Das Zuflusselement
sorgt folglich dafür, dass der Brennstoff in die Brennstoffzelle
eingeführt wird, um dort elektrochemisch umgesetzt werden
zu können.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung ist das Oxidationselement zur
Umsetzung der inaktivierenden Substanzen in und/oder an dem Zuflusselement angeordnet.
Folglich wird schon während des Zuflusses und noch vor
der elektrochemischen Umsetzung das Oxidationselement dazu genutzt,
die inaktivierenden Substanzen zu oxidieren. Dadurch nimmt die Menge
der inaktivierenden Substanzen in dem Brennstofffluss ab, so dass
die Wahrscheinlichkeit für eine Vergiftung des Katalysators
reduziert wird.
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Als
besonders vorteilhaft hat es sich herausgestellt, wenn in und/oder
an dem Zuflusselement ein Wasser (H2O) adsorbierendes
Adsorptionsmittel angeordnet ist. Dieses Adsorptionsmittel dient
als Katalysator für die Umsetzung von Kohlenmonoxid. Die Elektrooxidation
des Kohlenmonoxides mit Wasser gemäß einer der
oben beschriebenen Reaktionen wird bevorzugt genutzt, da diese ohne
Zuführung von sauerstoffhaltigem Gas wie beispielsweise
Luft geschehen kann und so der Aufwand für die Ausgestaltung
der Brennstoffzelle reduziert wird.
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Eine
weitere vorteilhafte Ausführungsvariante zeichnet sich
dadurch aus, dass in und/oder an dem Zuflusselement eine Fangschicht
angeordnet ist, wobei die Fangschicht zur Oxidation der inaktivierenden
Substanzen dient. Erfindungsgemäß ist dabei vorgesehen,
dass das Oxidationselement mit der Fangschicht zusammenwirkt, um
so die Wahrscheinlichkeit der Belastung des Katalysators mit Kohlenmonoxid
weiter abzusenken. Dabei wird bevorzugt die oben beschriebene Reaktion
verwendet, bei der Kohlenmonoxid unter zur Hilfenahme von Wasser
in Kohlendioxid umgesetzt wird. Da das Brenngas in der Regel befeuchtet
wird, steht Wasser als Oxidationsmittel zur Verfügung.
Als besonders vorteilhaft hat es sich herausgestellt, wenn die Fangschicht
aus einer Membran aufgebaut ist, wobei die Membran mit dem Oxidationselement
versehen ist. Die Fangschicht kann insbesondere aus einem Ionomer
bestehen, die mit einem entsprechenden Oxidationselement beschichtet
ist, wobei zur Aufbringung des Oxidationselementes Techniken wie
z. B. Imprägnierungen, Siebdruck, etc angewendet werden
können. Neben einer Anordnung in dem Zuflusselement hat es
sich auch als vorteilhaft herausgestellt, wenn die Fangschicht im
Bereich des Elektrodenelementes angeordnet ist.
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Die
erfindungsgemäß beschriebene Brennstoffzelle kann
auch in einem Brennstoffzellensystem angeordnet werden. Innerhalb
des Brennstoffzellensystems ist dann wenigstens eine der beschriebenen Brennstoffzellen
integriert. Weiterhin hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn
die Brennstoffzelle ein Elektrodenelement aufweist, welches die
oben beschriebenen Merkmale besitzt.
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Ausführungsbeispiele
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Weitere
Vorteile, Merkmale oder Einzelheiten der Erfindung sind in der nachfolgenden
Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele
der Erfindung im Einzelnen erläutert werden, beschrieben.
Dabei können die in den Ansprüchen und in der
Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für
sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein. Es zeigen:
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1 ein
erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem,
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2 eine
Strömungsfeldplatte,
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3 zwei
Verteilungen von inaktivierenden Substanzen innerhalb eines Zuflusselementes
einer erfindungsgemäßen Brennstoffzelle,
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4 ein
Schnitt durch ein Elektrodenelement und die Strömungsfeldplatte
aus 2,
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5 eine
Verteilung eines Katalysators auf einem erfindungsgemäßen
Elektrodenelement,
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6 eine
weitere Ausgestaltung des Katalysators auf dem Elektrodenelement
und
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7 ein
weiteres Ausführungsbeispiel für das erfindungsgemäße
Elektrodenelement.
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In 1 ist
ein Brennstoffzellensystem 100 dargestellt, welches hier
zwei Brennstoffzellen 110 aufweist. Diese Brennstoffzellen 110 sind
angrenzend zueinander in einem Gehäuse 120 angeordnet. Jede
der Brennstoffzellen 110 weist zwei Elektrodenelemente 10, 10' auf,
die an einem Membranelement 30 angeordnet sind. Durch eine
Beaufschlagung der Elektrodenelemente 10, 10' mit
zwei unterschiedlichen Brennstoffen – auch als Reaktanden
bezeichnet – wird durch eine elektrochemische Reaktion
ein elektrischer Strom erzeugt. Die beiden Reaktanden werden häufig
in Form verschiedener Fluide bereitgestellt. Ein Beispiel für
die zwei korrespondierenden Elektrodenreaktionen sind die folgenden: H2 ⇒ 2H+ + 2e– (Anodenreaktion) 2H+ + 2e– + ½O2 ⇒ H2O
(Kathodenreaktion).
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Der
gewonnene elektrische Strom kann in einem Lastelement verbraucht
werden. Der Recktand Sauerstoff kann in Form von Umgebungsluft der Brennstoffzelle 110 zugeführt
werden. Durch die serielle Verknüpfung der verschiedenen
Brennstoffzellen 110 mittels eines Leitungselementes ist
es möglich, eine hohe Spannung zu erreichen, welche dem Lastelement,
wie etwa einem Elektromotor zur Verfügung gestellt werden
kann. Um eine gleichmäßige Verteilung der Reaktanden
auf den Elektrodenelementen 10, 10' zu erreichen,
weist die Brennstoffzelle 110 eine Strömungsfeldplatte 40 auf.
Die beiden Edukte fließen über die Zuflusselemente 130, 131 in das
Innere der Brennstoffzelle ein. Dabei wird durch das Zuflusselement 130 ein
Brennstoff wie Wasserstoff der Brennstoffzelle 110 zugeführt.
Durch das Zuflusselement 131 fließt das Oxidationsmittel
in die Brennstoffzelle ein. Um eine gleichmäßige
Verteilung des Brennstoffes über die gesamte Fläche
des Elektrodenelementes 10, 10' zu erreichen sind
in der Brennstoffzelle 110 zwei Strömungsfeldplatten 40 angeordnet.
Zwischen dem Elektrodenelement 10, 10' und der
jeweiligen Strömungsfeldplatte 40 entsteht ein
Raum, in dem eine Gasdiffusionsschicht 70 angeordnet ist.
Diese Gasdiffusionsschicht 70 besteht im Allgemeinen aus
einem gepressten Kohlenstoffflies.
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In 2 ist
eine Strömungsfeldplatte 40 dargestellt. Die Strömungsfeldplatte 40 dient
dazu, die Reaktanden über die aktive Fläche des
Elektrodenelementes 10, 10' zu verteilen und dabei
für eine mechanische Stabilität zu sorgen. Um
dieses zu ermöglichen, weist die Strömungsfeldplatte 40 in
der dargestellten Ausführungsvariante zwei Strömungswege 42, 42' auf.
Die beiden Strömungswege 42, 42' verlaufen
etwa mäanderförmig über eine Außenfläche 41 der
Strömungsfeldplatte 40. Der Recktand wird in die
Strömungswege 42, 42' eingeleitet, was
auch die Bewegungspfeile 44 verdeutlichen sollen. Der durch die
Strömungswege 42, 42' fließende
Recktand soll anschließend elektrochemisch mit einem Katalysator 60 reagieren
und so Elektronen und Ionen erzeugen, damit die Brennstoffzelle 110 einen
Strom generieren kann. Die Menge an Recktand, welche in die Strömungswege 42, 42' eingebracht
werden, sind im Allgemeinen größer als der elektrochemisch
umgesetzte Teil. Somit strömen aus den Strömungswegen 42, 42' noch
Teile des Reaktanden aus, was durch die beiden Pfeile 45 verdeutlicht
werden soll. Der ausfließende Reaktand dient gleichzeitig
zur Kühlung der durch die exotherme Reaktion aufgeheizten
Strömungsfeldplatte 40.
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In
der 3 sind zwei Adsorptionsdiagramme dargestellt.
Aufgetragen ist auf der X-Achse (Abszisse) die Position 210 innerhalb
des Zuflusselementes 130, 131. Auf der Y-Achse
(Ordinate) ist die orthogonale Entfernung 220 von dem Mittelpunkt
des Zuflusselementes 130, 131 dargestellt. Bei
der Herstellung von Brennstoffen wie Wasserstoff entsteht ein gewisser
Anteil von Kohlenmonoxid, der zu einer Vergiftung des Katalysators
führen kann. Nach einem Kontakt des Katalysators mit Kohlenmonoxid
kann dieser nicht mehr für eine katalytische Umsetzung der
Brennstoffgase genutzt werden. Wie die 3 verdeutlicht
hängt die Konzentration des Kohlenmonoxides von der Position
in dem Zuflusselement 130 sowie von einer Strömungsgeschwindigkeit 211, 211' ab.
Um eine möglichst gleichmäßige Verteilung
des Brennstoffes auf der Strömungsfeldplatte 40 zu
erreichen, wird der Brennstoff mit einer geringen Strömungsgeschwindigkeit 211 durch
das Zuflusselement 130, 131 geführt.
In der oberen Hälfte der Abbildung der 3 beträgt
die Strömungsgeschwindigkeit 211 etwa 1 cm3/min. Dabei strömt der Brennstoff in
eine Richtung, die durch den Pfeil der Strömungsgeschwindigkeit 211 angegebenen
ist. Wie zu erkennen ist, wird eine besonders große Menge
Kohlenmonoxid im Anfangsbereich adsorbiert 200. Dadurch sinkt
die Menge des im Brennstoffgas vorhandenen Kohlenmonoxids entlang
der Position 210 innerhalb des Zuflusselementes 130, 131.
Wird im Gegensatz dazu eine höhere Strömungsgeschwindigkeit 211' gewählt – hier
3 cm3/min – ist die Adsorption 200' geringer,
wie die untere Hälfte der 3 verdeutlicht. Folglich
verbleibt wesentlich mehr Kohlenmonoxid innerhalb des Brennstoffgases.
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Die
inaktivierende Substanz – wie Kohlenmonoxid, H2S,
oder sonstige Schwefelverbindungen – führt zu
einer Vergiftung des Katalysators. Nach seiner Vergiftung kann der
Katalysator nicht mehr dazu eingesetzt werden um aus den Edukten,
die der Brennstoffzelle zugeführt werden, elektrochemisch einen
Strom zu erzeugen. Mit diesem Wissen sowie der oben beschriebenen
Charakteristik der Verteilung der inaktivierenden Substanzen wird
ein erfindungsgemäß ausgestaltetes Elektrodenelement 10, 10' vorgeschlagen.
Ziel dieses Elektrodenelementes 10 ist es, dass eine Vergiftung
des Katalysators vermieden wird. Die 4 verdeutlicht
den Aufbau des erfindungsgemäßen Elektrodenelementes 10.
Das Elektrodenelement 10 dient zur elektrochemischen Umsetzung
eines Brennstoffgases in der Brennstoffzelle 110, wobei
in einem eingebauten Zustand das Brennstoffgas durch ein Zuflusselement 130, 131 in die
Brennstoffzelle 110 eingeführt wird. Dabei strömt das
Brennstoffgas entlang eines Strömungsweges 42 über
die Strömungsfeldplatte 40. Begrenzt werden die
Strömungswege 42 durch Stege 43. Wie
die 4 verdeutlicht ist, ist zwischen der Strömungsfelsplatte 40 und
dem erfindungsgemäß ausgestalteten Elektrodenelement 10 die
Gasdiffusionsschicht 70 angeordnet. Um eine elektrochemische
Umsetzung des Brennstoffgases zu erreichen ist das Elektronenelement 10 mit
einem Katalysator 60 versehen. Wie in 3 gezeigt,
sinkt die Konzentration des Katalysators inaktivierenden Kohlenmonoxids entlang
des Strömungsweges 42. Somit ist erfindungsgemäß vorgesehen,
dass eine Dichte 61 des Katalysators 60 entlang
des Strömungsweges 42 zunimmt, um so eine Vergiftung
des Katalysators 60 mit der inaktivierenden Substanz zu
verhindern. In 4 nimmt die Menge des in das
Elektrodenelement eingebrachten Katalysators 60 von dem
Zuflusselement 130 aus gesehen in Richtung des Abflusses 132 hin zu.
Wie in 2 verdeutlicht, kann der Strömungsweg 42 mäanderförmig
angeordnet sein. In diesem Falle ergeben sich zwei Möglichkeiten
für die Verteilung des Katalysators auf dem Elektrodenelement 10.
Zum einen kann die Dichte 61 des Katalysators – wie
in 4 angedeutet – gleichmäßig
vertikal abnehmen. In diesem Falle ist die Dichte 61 für
Teile des Strömungsweges 42 jeweils konstant.
Erst wenn der Strömungsweg 42 in eine weitere
Mäanderschleife läuft, sinkt die Dichte 61 des
Katalysators 60. Denkbar ist es auch, dass der Katalysator 60 derart angebracht
ist, dass er im Einklang mit der mäanderförmigen
Struktur des Strömungsweges 42 angeordnet ist.
Folglich weist auch die Dichte 61 des Katalysators 60 auf
dem Elektrodenelement 10 eine mäanderförmige
Anordnung auf.
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In 5 ist
das aus 4 gezeigte Elektrodenelement 10 als
Teil einer Membranelektrodeneinheit (MEA) dargestellt. Die MEA weist
die Membran 30 auf, die von beiden Seiten mit einem Elektrodenelement 10, 10' versehen
ist. Das Elektrodenelement 10' dient dabei zur Umsetzung
des als Oxidationsmittels dienenden Brennstoffes. Da das Oxidationsmittel etwaige
inaktivierende Substanzen sofort oxidiert muss die Dichte 61 des
Katalysators 60 nicht angepasst werden. Im Gegensatz dazu
ist bei dem Elektrodenelement 10 die erfindungsgemäße
Zunahme der Dichte 61 des Katalysators 60 zu erkennen.
Der Strömungspfeil 140 soll dabei die Strömungsrichtung des
Brennstoffes verdeutlichen.
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In 6 ist
eine weitere Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen
Elektrodenelementes 10 dargestellt. Dieses Elektrodenelement 10 ist
mit einem Oxidationselement 80 versehen. Das Oxidationselement 80 dient
dazu, die inaktivierenden Substanzen zu oxidieren. Es handelt sich
folglich um eine Art Katalysator der ausschließlich dazu
dient, die inaktivierenden Substanzen in Substanzen umzuwandeln,
die nicht den Katalysator 60 vergiften. Da die Menge der
inaktivierenden Substanz entlang des Strömungsweges 42 abnimmt
ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass eine Dichte 81 des
Oxidationselementes 80 entlang des Strömungsweges
reduziert wird.
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In 7 ist
eine weitere erfindungsgemäße Ausgestaltung der
Brennstoffzelle 110 dargestellt. Entgegen der Ausgestaltung
die in 6 gezeigt ist, wurde das Oxidationselement 80 in
die Gasdiffusionsschicht 70 integriert. Der Brennstoff
mit den inaktivierenden Substanzen fließt in Richtung des
Strömungspfeiles 140 aus dem Zuflusselement 130 in
die Brennstoffzelle 110 ein. Ein Teil der inaktivierenden Substanzen
strömt dabei ebenfalls in die Gasdiffusionsschicht 70 ein.
Das Oxidationselement 80 sorgt dafür, dass die
inaktivierenden Substanzen oxidiert werden, bevor diese den Katalysator 60 erreichen können.
Somit ist sichergestellt, dass der Katalysator 60 nicht
durch die inaktivierenden Substanzen vergiftet wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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