DE20210508U1 - Polymer membrane fuel cell has stack of individual cells and uses coolant for holding fuel cells at working temperature with evaporation temperature corresponding to fuel cell working temperature - Google Patents
Polymer membrane fuel cell has stack of individual cells and uses coolant for holding fuel cells at working temperature with evaporation temperature corresponding to fuel cell working temperatureInfo
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Abstract
Description
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(18 714)(18 714)
Die Erfindung betrifft eine Polymermembran-Brennstoffzelle gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a polymer membrane fuel cell according to the preamble of claim 1.
Polymermembran-Brennstoffzellen, sogenannte PEM-Brennstoffzellen, sind beispielsweise aus der DE 697 00 772 T2 oder der DE 196 02 315 C2 bekannt. Jede Brennstoffzelle besteht aus mehreren zu einem sogenannten Stack zusammengefassten Einzelzellen, von denen jede zwei Elektroden (Anode und Kathode) aufweist. Die räumliche Trennung der Reaktionspartner Wasserstoff und Sauerstoff wird durch einen Elektrolyten gewährleistet, und zwar derart, dass der bei der chemischen Reaktion zwischen Wasserstoff und Sauerstoff stattfindende Elektronenaustausch nicht lokal, sondern über einen äusseren Stromkreis abläuft. Bei einer PEM-Brennstoffzelle findet dieser Prozess bei einer Betriebstemperatur von etwa 500C bis 900C statt. Da bei der Reaktion zwischen Wasserstoff und Sauerstoff neben Strom auch noch Wärme anfällt, weisen die Stacks entsprechend geeignet ausgebildete Kühlvorrichtungen auf.Polymer membrane fuel cells, so-called PEM fuel cells, are known, for example, from DE 697 00 772 T2 or DE 196 02 315 C2. Each fuel cell consists of several individual cells combined to form a so-called stack, each of which has two electrodes (anode and cathode). The spatial separation of the reaction partners hydrogen and oxygen is ensured by an electrolyte in such a way that the electron exchange that takes place during the chemical reaction between hydrogen and oxygen does not take place locally, but via an external circuit. In a PEM fuel cell, this process takes place at an operating temperature of around 50 0 C to 90 0 C. Since the reaction between hydrogen and oxygen generates heat as well as electricity, the stacks have appropriately designed cooling devices.
Beim Brennstoffzellenstapel gemäß der DE 697 00 772 T2 (der insbesondere bei mobilen Anwendungen eingesetzt wird) sind sogar zwei Kühlkreisläufe mit unterschiedlichen Kühlflüssigkeiten (bei einer Alternative Wasser und Methanol) vorgesehen, um im Falle des Einfrierens des einen Kühlmittels dieses mit dem anderen wieder auftauen zu können.In the fuel cell stack according to DE 697 00 772 T2 (which is used in particular in mobile applications), two cooling circuits with different cooling liquids (one alternative being water and methanol) are provided so that in the event of one coolant freezing, it can be thawed again with the other.
Die Brennstoffzelle gemäß der DE 196 02 315 C2 zeichnet sich im Gegensatz dazu u. a. dadurch aus, dass ihr Kühlsystem nach dem sogenannten Heat-Pipe-Prinzip funktioniert, das auch inIn contrast, the fuel cell according to DE 196 02 315 C2 is characterized by the fact that its cooling system works according to the so-called heat pipe principle, which is also used in
der DE 195 39 648 C2 erläutert ist, dort allerdings im Zusammenhang mit der Kühlung einer selektive Oxidationsstufe eines Reformersystems.DE 195 39 648 C2, but there in connection with the cooling of a selective oxidation stage of a reformer system.
Ferner ist es bekannt, Luft als Kühlmedium einzusetzen. Dies hat allerdings den erheblich Nachteil, dass für eine ausreichende Kühlung eine hohe Luftdurchsatzmenge bereitgestellt werden muss. Das hierfür erforderliche Gebläse hat eine hohe elektrische Verbrauchsleistung, was den elektrischen Brennstoff zellensystemwirkungsgrad deutlich reduziert.It is also known to use air as a cooling medium. However, this has the significant disadvantage that a high air flow rate must be provided for sufficient cooling. The fan required for this has a high electrical consumption, which significantly reduces the electrical fuel cell system efficiency.
Aber auch Wasser ist (neben der bereits erwähnten Frostgefahr) insofern nicht ohne Nachteile, als es einerseits vor dem Betrieb demineralisiert werden muss und sich andererseits, was noch wesentlicher ist, in aller Regel aufgrund der anhaltenden Wärmezufuhr über den Stack ein Temperaturgradient von bis zu 100C einstellt, was unerwünschter Weise zu unterschiedlichen Leistungsdichten innerhalb des Stacks führt.But water is also not without disadvantages (besides the risk of frost already mentioned) in that on the one hand it has to be demineralized before operation and on the other hand, and what is even more important, a temperature gradient of up to 10 0 C usually occurs due to the continuous heat supply via the stack, which undesirably leads to different power densities within the stack.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Polymermembran-Brennstoffzelle bereitzustellen, bei der mit einfachen technischen Mitteln eine möglichst gleichmäßige Temperaturverteilung innerhalb des Stacks und in jeder Einzelzelle gewährleistet ist.The invention is based on the object of providing a polymer membrane fuel cell in which the most uniform temperature distribution possible within the stack and in each individual cell is ensured using simple technical means.
Diese Aufgabe ist durch eine Brennstoffzelle der eingangs genannten Art durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 aufgeführten Merkmale gelöst.This object is achieved by a fuel cell of the type mentioned at the outset by the features listed in the characterising part of claim 1.
Die Erfindung basiert mithin auf der Idee, dass die Temperatur einer verdampfenden Flüssigkeit erst nach vollständiger Verdampfung weiter erhöht werden kann, d. h. solange die Flüssigkeit verdampft, herrscht eine konstante Temperatur. Im StackThe invention is therefore based on the idea that the temperature of an evaporating liquid can only be increased further after complete evaporation, i.e. as long as the liquid evaporates, a constant temperature prevails. In the stack
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befindet sich im Betriebszustand somit ein im wesentlichen gerade verdampfendes Kühlmittel, dessen Temperatur im gesamten Stack gleich ist.In the operating state, there is essentially a coolant that is just evaporating and whose temperature is the same throughout the stack.
Vorzugsweise wird dabei als Kühlmittel Methanol eingesetzt, dass eine Verdampfungstemperatur von etwa 680C hat und darüber hinaus eine hohe Verdampfungsenthalpie von etwa 1100 KJ/kg aufweist, was insofern günstig ist, als das Methanol eine vergleichsweise große Menge an Wärme aufnehmen kann, bevor es vollständig verdampft ist, d. h. der Zeitraum zwischen Beginn und Ende der Verdampfung ist recht lang, so dass sich die angestrebte gleichmäßige Temperaturverteilung im Stack praktisch zwangsläufig ergibt.Preferably, methanol is used as the coolant, which has an evaporation temperature of about 68 0 C and also has a high evaporation enthalpy of about 1100 KJ/kg, which is advantageous in that the methanol can absorb a comparatively large amount of heat before it has completely evaporated, ie the period between the start and end of the evaporation is quite long, so that the desired uniform temperature distribution in the stack is practically inevitable.
Damit das verdampfte Kühlmittel nach Passage eines Kühlmittelkreislaufes wieder Wärme aufnehmen kann, wird es vorzugsweise mittels eines mit der Kühlmittelführung der Brennstoffzelle hydraulisch verbundenen Kondensators kondensiert.In order for the evaporated coolant to be able to absorb heat again after passing through a coolant circuit, it is preferably condensed by means of a condenser that is hydraulically connected to the coolant line of the fuel cell.
Die erfindungsgemäße Brennstoffzelle einschließlich ihrer vorteilhaften Weiterbildungen gemäß der abhängigen Ansprüche wird nachfolgend anhand der zeichnerischen Darstellung eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.The fuel cell according to the invention, including its advantageous developments according to the dependent claims, is explained in more detail below with reference to the drawing of an embodiment.
Die einzige Figur zeigt eine Polymermembran-Brennstoffzelle, die einen aus mehreren Einzelzellen 1 gebildeten Stack 2 umfasst. Die Einzelzellen 1 sind aus einer protonenleitenden Elektrolyt-Membran 3, aus beidseitig neben der Membran 3 angeordneten Elektro-Katalygatoren 4, aus porösen Elektroden 5 zur Zuführung von Wasserstoff und Sauerstoff und zur Abführung von Strom, Wärme und Wasser und aus Bipolarplatten 6 zur Trennung der Einzelzellen 1 voneinander und insbesondere zur Strömungsführung eines die Brennstoffzelle auf BetriebstemperaturThe single figure shows a polymer membrane fuel cell which comprises a stack 2 formed from several individual cells 1. The individual cells 1 are made of a proton-conducting electrolyte membrane 3, of electrocatalysts 4 arranged on both sides of the membrane 3, of porous electrodes 5 for supplying hydrogen and oxygen and for dissipating electricity, heat and water, and of bipolar plates 6 for separating the individual cells 1 from one another and in particular for guiding the flow of a fuel cell to operating temperature.
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haltenden Kühlmittels gebildet; die dargestellte PEM-Zelle weist somit einen ganz typischen Aufbau auf.holding coolant; the PEM cell shown thus has a very typical structure.
Wesentlich für die erfindungsgemäße Brennstoffzelle ist nun, dass das Kühlmittel eine Verdampfungstemperatur aufweist, die der optimalen Betriebstemperatur der Brennstoffzelle entspricht. Hierdurch ist, wie erläutert, gewährleistet, dass die Temperatur im gesamten Stack, insbesondere an den Bipolarplatten im wesentlichen gleich ist, da sich die Temperatur während der Verdampfungsphase des Kühlmittels praktisch nicht ändert, wobei die eine Pumpe 8 aufweisende Kühlmittelführung 9 natürlich so ausgelegt ist, dass gerade soviel, aber auch nicht weniger Kühlmittel gefördert wird, wie für einen kontinuierlich gleichbleibenden Dampfgehalt im Stack erforderlich ist.It is now essential for the fuel cell according to the invention that the coolant has an evaporation temperature that corresponds to the optimal operating temperature of the fuel cell. As explained, this ensures that the temperature in the entire stack, in particular on the bipolar plates, is essentially the same, since the temperature practically does not change during the evaporation phase of the coolant, whereby the coolant guide 9, which has a pump 8, is of course designed in such a way that just as much coolant is delivered, but also not less, as is required for a continuously constant vapor content in the stack.
Bezüglich des Kühlmittels ist dabei ferner vorzugsweise vorgesehen, dass dieses eine hohe Verdampfungsenthalpie, vorzugsweise mindestens 1100 KJ/kg, aufweist, wobei sich insbesondere Methanol als geeignet erwiesen hat.With regard to the coolant, it is further preferably provided that it has a high evaporation enthalpy, preferably at least 1100 KJ/kg, with methanol in particular having proven to be suitable.
N Zum Abkühlen des Kühlmittels ist schließlich vorgesehen, dass außerhalb der Brennstoffzelle ein mit dieser hydraulisch verbundener Wärmetauscher 7, vorzugsweise ein Kondensator, angeordnet ist. N Finally, in order to cool the coolant, a heat exchanger 7, preferably a condenser, is arranged outside the fuel cell and is hydraulically connected thereto.
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(18 714)(18 714)
Claims (4)
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