WO2001069708A2 - Brennstoffzellenstapel - Google Patents

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    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the invention relates to a fuel cell, in particular a direct methanol fuel cell (DMFC).
  • DMFC direct methanol fuel cell
  • a fuel cell has a cathode, an electrolyte and an anode.
  • the cathode becomes an oxidizing agent, e.g. B. air and the anode becomes a fuel, e.g. B. supplied hydrogen.
  • the SOFC fuel cell is also called high-temperature fuel cell because its operating temperature is up to 1000 ° C.
  • oxygen ions form on the cathode of a high-temperature fuel cell.
  • the oxygen ions pass through the electrolyte and recombine on the anode side with the hydrogen from the fuel to form water.
  • the recombination releases electrons and thus generates electrical energy.
  • the operating temperature of a PEM fuel cell is around 80 ° C.
  • Protons are formed on the anode of a PEM fuel cell in the presence of the fuel using a catalyst. Electrons are released and electrical energy is generated.
  • the protons pass the electrolyte and combine on the cathode side with the oxygen from the oxidizing agent and the electrons to form water.
  • Several fuel cells are usually electrically and mechanically connected to one another by connecting elements to achieve high electrical outputs.
  • An example of such a connecting element is the bipolar plate known from DE 44 10 711 C1.
  • bipolar plates fuel cells stacked one above the other and electrically connected in series are produced. This arrangement is called a fuel cell stack.
  • each positive pole of an individual cell is in electrical and mechanical contact with the negative pole of the neighboring individual cell and vice versa.
  • Each individual cell has a cathode compartment (oxidizing agent) and an anode compartment (fuel) for the supply of operating media.
  • To discharge the resulting gaseous C0 2 to discharge the product water on the cathode and to avoid flow losses, each of the spaces mentioned disadvantageously requires a minimum size, so that a sufficiently large installation space must be provided for a single cell.
  • the object of the invention is to provide a fuel cell stack with good efficiency in a compact, space-saving and material-saving design which does not have the disadvantages mentioned above. It is a further object of the invention to provide a cell frame for receiving such a fuel cell stack.
  • the object is achieved by a fuel cell stack according to the main claim and by a cell frame according to the secondary claim.
  • Advantageous embodiments result from the subordinate claims.
  • the fuel cell stack according to the invention as claimed in claim 1 comprises at least two individual cells, each individual cell consisting of a membrane electrode unit and two adjoining current conductors.
  • the two individual cells are arranged in mirror image in the fuel cell stack according to the invention, so that two identical electrodes, anodes or cathodes are arranged adjacent. Between these same electrodes there is a space for supplying or removing equipment. If two cathodes are arranged adjacent to one another, the space in between forms the cathode space into which the oxidizing agent is regularly fed or removed.
  • the space in between forms the anode space.
  • This arrangement of two individual cells according to the invention has the advantage that not every electrode requires its own electrode space, but that in the case of the same electrodes arranged adjacent, a single space is sufficient for two electrodes each.
  • at least one electrode space per fuel cell stack according to the invention can be dispensed with. This saves material and space, since the spaces according to the invention for the space between two identical electrodes can be structurally significantly smaller than if two individual spaces are accordingly required for different electrodes.
  • the distance between two identical electrodes is less than 8 mm. So with the same space requires more fuel cells than in the prior art, without significantly changing the flow conditions within the space.
  • Claim 3 two anodes are arranged adjacent. Since a liquid / gas mixture flows through the anode compartment regularly, e.g. B. in the methanol fuel cell from a methanol-water mixture, which also entrains the resulting C0 2 ⁇ gas, the anode space must not fall below a certain flow cross-section with respect to the overflowed electrode from a fluidic point of view. If an anode space for two anodes is now used according to the invention, the space saving has a particularly advantageous effect.
  • the electrical contacting is implemented via external current taps.
  • a cell frame according to claim 5 is provided for receiving at least one fuel cell stack according to the invention. It typically consists of an electrically insulating material.
  • the cell frame according to claim 6 has means for supplying or removing an operating medium, which guide the operating medium into the intermediate space which is formed between two identical electrodes.
  • the supply or discharge of the equipment is advantageously realized from below into the intermediate space.
  • the intermediate space is an anode space
  • the gas formed on the anodes during the conversion of the fuel e.g. B. C0 2
  • the cell frame according to the invention additionally has a means for removing the gas formed.
  • this can consist of an additional line which is advantageously attached according to claim 9 at the upper end of the intermediate space or also according to claim 10 of a discharge which is separated from the intermediate space by a gas-permeable membrane.
  • the discharge of the resulting gas has the following advantages. Because the proportion of gas in the anode compartment and the corresponding lines is reduced, both the lines and the anode compartment can be significantly reduced in their dimensions. The reduction of the anode space leads to a further saving of space. At the same time the
  • Mass transport of the fuel to the electrodes is not more inhibited to the extent by gas bubbles, which can lead to an increase in efficiency of the performance of the fuel cell under otherwise identical conditions-
  • the cell frame stack according to the invention consisting of at least two cell frames in one embodiment according to claim 11, advantageously also has means for connecting a plurality of cell frames. This enables a fuel cell stack with more than two individual cells to be realized.
  • the means for connecting a plurality of cell frames include in particular the connection of the corresponding inlets and outlets of the equipment.
  • the embodiment according to claim 12 has a cell frame with at least one fuel cell stack according to the invention, the anodes being arranged adjacent and means for supplying or removing a methanol / water mixture into the anode space located therebetween.
  • FIG. 1 shows a schematic drawing through a fuel cell stack, consisting of a plurality of cell frames connected in series, each of which in turn comprises two individual cells.
  • the individual cells in turn each comprise a membrane electrode unit and two adjacent current conductors.
  • Two individual cells are arranged in mirror image in a cell frame, so that two identical electrodes are adjacent to one another lie.
  • two adjacent anodes form a common anode space between them.
  • the methanol / water mixture is fed into and out of the respective anode compartments from below by means of inlets and outlets.
  • the C0 2 formed on the anode during the reaction collects in the upper area of the anode compartments and is drawn off there by a discharge.
  • FIG. 1 shows the air flow through the fuel cell stack, ie through the cathode spaces that are located between the individual cell frames. The air is sucked off through a perforated cover plate by a suction fan.
  • the idea of the invention manifests itself in a fuel cell stack, in particular a low-temperature fuel cell stack, in which the individual fuel cells are arranged such that two identical electrodes are arranged adjacent to each other. As a result, the electrode spaces otherwise required for each electrode can be reduced to almost half (in the optimal case, one anode and one cathode space for two) Single cells).
  • the fuel cell stack according to the invention saves both material and space compared to the known from the prior art, without there being regular losses in the efficiency of the fuel cells.
  • the fuel cell stack additionally has a means for discharging the resulting gas from the anode compartment. This has a positive effect on the flow conditions in the fuel lines and on the electrodes, so that even an increase in efficiency is possible with this configuration.

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Abstract

Ein Brennstoffzellenstrapel, insbesondere ein Niedertemperatur-Brennstoffzellenstapel, bei dem die Einzelzellen derart angeordnet sind, dass jeweils zwei gleiche Elektroden benachbart angeordnet sind. Dadurch lassen sich die sonst für jede Elektrode benötigten Elektrodenräume erheblich reduzieren (fast die Hälfte). Der erfindungsgemässe Brennstoffzellenstapel spart gegenüber dem Stand der Technik Material und Platz ein, ohne Einbussen in der Effizienz der Brennstoffzelle. In einer bevorzugten Ausgestaltung weist der Brennstoffzellenstapel ein Mittel zur Ableitung des entstehenden Gases aus dem Anodenraum auf. Dies wirkt sich positiv auf die Strömungsverhältnisse in den Brennstoffleitungen und an den Elektroden aus.

Description

B e s chr e ibun g
Brennstoffzelle
Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle, insbesondere eine Direkt-Methanol-Brennstoffzelle (DMFC) .
Eine Brennstoffzelle weist eine Kathode, einen Elektrolyten sowie eine Anode auf . Der Kathode wird ein Oxida- tionsmittel, z. B. Luft und der Anode wird ein Brennstoff, z. B. Wasserstoff zugeführt.
Verschiedene Brennstoffzellentypen sind bekannt, so beispielsweise die SOFC-Brennstoffzelle aus der Druckschrift DE 44 30 958 Cl sowie die PEM-Brennstoffzelle aus der Druckschrift DE 195 31 852 Cl .
Die SOFC-Brennstoffzelle wird auch Hochtemperatur- Brennstoffzelle genannt, da ihre Betriebstemperatur bis zu 1000°C beträgt. An der Kathode einer Hochtemperatur- Brennstoffzelle bilden sich in Anwesenheit des Oxidati- onsmittels Sauerstoffionen. Die Sauerstoffionen passieren den Elektrolyten und rekombinieren auf der Anodenseite mit dem vom Brennstoff stammenden Wasserstoff zu Wasser. Mit der Rekombination werden Elektronen freigesetzt und so elektrische Energie erzeugt. 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. Elektronen werden dabei freigesetzt und elektrische Energie erzeugt. Die Proto- nen passieren den Elektrolyten und verbinden sich auf der Kathodenseite mit dem vom Oxidationsmittel stammenden Sauerstoff und den Elektronen zu Wasser. Mehrere Brennstoffzellen werden in der Regel zur Erzielung großer elektrischer Leistungen durch verbindende Elemente elektrisch und mechanisch miteinander verbunden. Ein Beispiel für ein solches verbindendes Element stellt die aus DE 44 10 711 Cl bekannte bipolare Platte dar. Mittels bipolarer Platten entstehen übereinander gestapelte, elektrisch in Serie geschaltete Brennstoffzellen. Diese Anordnung wird Brennstoffzellenstapel genannt. Bei Verwendung von bipolaren Platten ist jeder Pluspol einer Einzelzelle in elektrischem und mechanischem Kontakt mit dem Minuspol der benachbarten Einzel- zelle und umgekehrt . Zur Versorgung mit Betriebsmedien verfügt jede Einzelzelle über einen Kathodenraum (Oxi- dationsmittel) und einen Anodenraum (Brennstoff) . Zur Abführung des entstehenden gasförmigen C02, zur Abführung des kathodenseitigen Produktwassers sowie zur Vermeidung von Strömungsverlusten erfordert jeder der genannten Räume nachteilig eine Mindestgröße, so daß ein genügend großer Bauraum für eine Einzelzelle bereitge- stellt werden muß.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Brennstoffzellenstapel mit guter Effizienz in kompakter, platzsparender und materialsparender Ausführung zu schaffen, der die oben genannten Nachteile nicht aufweist. Es ist weiterhin Aufgabe der Erfindung, einen Zellrahmen zur Aufnahme eines solchen Brennstoffzellenstapels zu schaffen.
Die Aufgabe wird gelöst durch einen Brennstoffzellenstapel gemäß Hauptanspruch sowie durch einen Zellrahmen gemäß Nebenanspruch. Vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den rückbezogenen Unteransprüchen. Der erfindungsgemäße Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 1 umfaßt wenigstens zwei Einzelzellen, wobei jede Einzelzelle aus einer Membran-Elektroden-Einheit und zwei daran angrenzenden Stromleitern bestehen. Im Unterschied zu herkömmlichen Brennstoffzellenstapeln werden bei dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 1 die zwei Einzelzellen spiegelbildlich angeordnet, so daß zwei gleiche Elektroden, Anoden oder Kathoden benachbart angeordnet sind. Zwischen diesen gleichen Elektroden befindet sich ein Raum zur Zu- oder Abführung eines Betriebsmittels. Werden also zwei Kathoden benachbart angeordnet, so bildet der dazwischen liegende Raum den Kathodenraum, in den regelmäßig das Oxidations ittel zu- oder abgeführt wird. Umgekehrt bildet bei zwei benachbart angeordneten Anoden der dazwischen liegende Raum den Anodenraum. Diese erfindungsgemäße Anordnung von zwei Einzelzellen hat den Vorteil, daß nicht jede Elektrode einen eigenen Elektrodenraum benötigt, sondern daß bei benachbart ange- ordneten gleichen Elektroden ein einziger Raum für jeweils zwei Elektroden ausreicht. Dadurch kann wenigstens auf einen Elektrodenraum pro erfindungsgemäßem Brennstoffzellenstapel verzichtet werden. Dies spart Material und Raum, da die erfindungsgemäßen Räume für den Zwischenraum zwischen zwei gleichen Elektroden baulich deutlich kleiner ausfallen können, als wenn entsprechend zwei Einzelräume für unterschiedliche Elektroden benötigt werden.
In einer vorteilhaften Ausführungsform nach Anspruch 2 beträgt der Abstand zwischen zwei gleichen Elektroden weniger als 8 mm. So lassen sich bei gleichem Raum- bedarf mehr Brennstoffzellen als beim Stand der Technik anordnen, ohne daß sich Strömungsverhältnisse innerhalb des Zwischenraumes deutlich verändern.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung gemäß
Anspruch 3 sind zwei Anoden benachbart angeordnet. Da der Anodenraum regelmäßig von einem Flüssig/Gasgemisch durchströmt wird, z. B. bei der Methanol-Brennstoffzelle von einem Methanol-Wassergemisch, welches zu- sätzlich das entstehende C02~Gas mitreißt, darf gerade der Anodenraum unter strömungstechnischen Gesichtspunkten einen bestimmten Strömungsquerschnitt in Bezug auf die überströmte Elektrode nicht unterschreiten. Wird nun erfindungsgemäß ein Anodenraum für zwei Anoden genutzt, so wirkt sich die Platzersparnis besonders vorteilhaft aus.
In einer Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 4 wird die elektrische Kontaktierung über externe Strom- abgriffe realisiert.
Ein Zellrahmen nach Anspruch 5 ist für die Aufnahme wenigstens eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellen- stapels vorgesehen. Er besteht typischerweise aus einem elektrisch isolierenden Material.
Der Zellrahmen nach Anspruch 6 weist Mittel zur Zu- oder Abführung eines Betriebsmittels auf, die das Betriebsmittel in den Zwischenraum leiten, der zwischen zwei gleichen Elektroden gebildet wird. Vorteilhaft wird die Zu- oder Abführung des Betriebsmittels gemäß Anspruch 7 von unten her in den Zwischenraum realisiert.
Dies hat insbesondere in dem Fall, daß es sich bei dem Zwischenraum um einen Anodenraum handelt, den besonderen Vorteil, daß sich das während der Umsetzung des Brennstoffes an den Anoden gebildete Gas, z. B. C02, an der höchsten Stelle des Zwischenraumes ansammelt, und nur wenig mitgeführtes Gas in dem Flüssig/Gasgemisch durch Zu- oder Abführungen von einer Zelle in die benachbarte Zelle geführt werden muß.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Zellrahmens nach Anspruch 8 weist der erfindungsgemäße Zellrahmen zusätzlich ein Mittel zur Abführung des gebildeten Gases auf. Dieses kann im einfachsten Fall aus einer zusätzlichen Leitung bestehen, die vorteilhafterweise nach Anspruch 9 am oberen Ende des Zwischenraumes angebracht ist oder auch nach Anspruch 10 aus einer Abführung, die zum Zwischenraum hin durch eine gasdurchlässige Membran abgetrennt ist. Diese
Abführung muß dann beispielsweise nicht am oberen Ende des Zwischenraumes angeordnet sein.
Das Austragen des entstehenden Gases, z. B. C02, hat dabei folgende Vorteile. Dadurch, daß der Gasanteil in dem Anodenraum und den entsprechenden Leitungen verringert wird, können sowohl die Leitungen als auch der Anodenraum in ihren Abmessungen deutlich verringert werden. Die Reduzierung des Anodenraumes führt dabei zu einer weiteren Platzeinsparung. Gleichzeitig wird der
Stofftransport des Brennmittels an die Elektroden nicht mehr in dem Maße durch Gasblasen gehemmt, was zu einer Effektivitätssteigerung der Leistung der Brennstoffzelle unter sonst gleichen Bedingungen führen kann-
Vorteilhaft weist der erfindungsgemäße Zellrahmenstapel, bestehend aus wenigstens zwei Zellrahmen in einer Ausführungsform nach Anspruch 11 zusätzlich Mittel zur Verbindung mehrerer Zellrahmen auf. Dadurch läßt sich ein Brennstoffzellenstapel mit mehr als zwei Einzelzellen realisieren. Die Mittel zur Verbindung mehrerer Zellrahmen umfassen insbesondere die Verbindung der entsprechenden Zu- und Abführungen der Betriebsmittel .
In einer konkreten Ausgestaltung weist die Ausführungsform nach Anspruch 12 einen Zellrahmen mit wenigstens einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapel auf, wobei die Anoden benachbart angeordnet sind und Mittel zur Zu- oder Abführung eines Methanol/Wassergemisches in den dazwischen liegenden Anodenraum vorhanden sind.
Im folgenden wird die Erfindung anhand von Figur 1 näher erläutert.
Es zeigt die Figur 1 eine Schemazeichnung durch einen Brennstoffzellenstapel, bestehend aus mehreren hintereinander geschalteten Zellrahmen, die wiederum jeweils zwei Einzelzellen umfassen. Die Einzelzellen ihrerseits umfassen jeweils eine Membran-Elektroden-Einheit und zwei angrenzende Stromleiter. Jeweils zwei Einzelzellen sind spiegelbildlich in einem Zellrahmen angeordnet, so daß zwei gleiche Elektroden benachbart zueinander liegen. In dem gezeigten Beispiel bilden zwei benachbarte Anoden einen dazwischen liegenden gemeinsamen Anodenraum. Durch Zu- bzw. Abführungen wird das Methanol/Wassergemisch von unten in die jeweiligen Anoden- räume zu- bzw. abgeführt. Das während der Umsetzung an der Anode entstehende C02 sammelt sich im oberen Bereich der Anodenräume und wird dort durch eine Abführung abgezogen. Durch die Zu- und A führungskanäle zwischen den Zellrahmen wird so überwiegend nur Flüssig- keit geleitet. Damit können sowohl diese Leitungen, als auch der zur Verfügung stehende Zwischenraum zwischen zwei Anoden (ausgedrückt in dem Abstand dieser beiden Elektroden) aus strömungstechnischen Gründen deutlich kleiner ausfallen, als nach dem Stand der Technik er- forderlich wäre. Gleichzeitig wird zwischen den einzelnen Zellrahmen das Oxidationsmittel zugeführt. Da auch hier nur ein Kathodenraum für zwei Kathoden benötigt wird, ergibt sich auch hieraus eine deutliche Platzersparnis. Die Figur 1 zeigt die Luftführung durch den Brennstoffzellenstapel, d. h. durch die Kathodenräume, die sich zwischen den einzelnen Zellrahmen befinden. Durch einen Saugventilator wird die Luft noch oben durch eine perforierte Deckplatte abgesaugt.
Der Erfindungsgedanke offenbart sich in einem Brennstoffzellenstapel, insbesondere einem Niedertemperatur- Brennstoffzellenstapel, bei dem die Brennstoffeinzelzellen derart angeordnet sind, daß jeweils zwei gleiche Elektroden benachbart angeordnet sind. Dadurch lassen sich die sonst für jede Elektrode benötigten Elektrodenräume auf fast die Hälfte reduzieren (im optimalen Fall jeweils einen Anoden- und Kathodenraum für zwei Einzelzellen) . Der erfindungsgemäße Brennstoffzellenstapel spart gegenüber dem aus dem Stand der Technik bekannten sowohl Material als auch Platz ein, ohne daß es regelmäßig zu Einbußen in der Effizienz der Brenn- stoffzellen kommt. In einer bevorzugten Ausgestaltung weist der Brennstoffzellenstapel zusätzlich ein Mittel zur Ableitung des entstehenden Gases aus dem Anodenraum auf. Dies wirkt sich positiv auf die Strömungsverhältnisse in den Brennstoffleitungen und an den Elektroden aus, so daß bei dieser Ausgestaltung sogar eine Steigerung der Effizienz möglich ist.

Claims

P a t ent an sp rü ch e
1. Brennstoffzellenstapel, umfassend wenigstens zwei Einzelzellen, die jeweils eine Membran-Elektroden- Einheit sowie zwei angrenzende Stromleiter aufwei- sen, dadurch gekennzeichnet, daß
- zwei gleiche Elektroden zweier Einzelzellen benachbart angeordnet sind, und
- zwischen diesen gleichen Elektroden der zwei Ein- zelzellen nur ein Raum zur Zu- oder Abführung eines Betriebsmittels vorgesehen ist.
2. Brennstoffzellenstapel nach vorhergehendem Anspruch, dadurch gekennzeichnet , daß der Abstand zwischen den gleichen Elektroden weniger als 8 mm beträgt.
3. Brennstoffzellenstapel nach vorhergehendem Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Anoden benachbart angeordnet sind und zwischen ihnen nur ein Anodenraum vorgesehen ist.
4. Brennstoffzellenstapel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Kontaktierung der Einzelzellen über externe Stromabgriffe erfolgt.
5. Zellrahmen zur Aufnahme wenigstens eines BrennstoffZellenstapels nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
6. Zellrahmen nach vorhergehendem Anspruch, gekennzeichnet durch Mittel zum Zu- oder Abführen eines Betriebsmittels in den zwischen den gleichen Elektroden vorgesehenen Raum.
7. Zellrahmen nach vorhergehendem Anspruch, dadurch gekennzeichnet , daß die Zu- und Abführungen von unten in den zwischen den gleichen Elektroden vorgesehenen Raum vorgesehen ist.
8. Zellrahmen nach einem der vorhergehendem Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet , daß ein Mittel zur Abführung eines Gases aus dem zwischen den gleichen Elektroden vorgesehenen Raum vorgesehen ist.
9. Zellrahmen nach vorhergehendem Anspruch, dadurch gekennzeichnet , daß das Mittel zur Abführung eines Gases eine gasdurchlässige Membran aufweist.
10. Zellrahmen nach einem der vorhergehenden Ansprüche 8 bis 9, bei dem das Mittel zur Abführung eines Gases an der oberen Seite des Zellrahmens angeordnet ist.
11. Zellrahmenstapel, umfassend wenigstens zwei Zellrahmen nach einem der vorhergehenden Ansprüche 5 bis 10, gekennzeichnet durch Mittel zum Verbinden mehrerer Zellrahmen, insbesondere zum Verbinden der
Mittel für die Zu- und Abführung eines Betriebsmittels.
12. Zellrahmen nach einem der vorhergehenden Ansprüche 5 bis 10, mit wenigstens einem Brennstoffzellensta- pel nach einem der Ansprüche 3 bis 4, gekennzeichnet durch Mittel zum Zu- oder Abführen eines Methanol/Wassergemisches in dem zwischen zwei Anoden befindlichen Anodenraum.
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