DE102004015601B4

DE102004015601B4 - Brennstoffzelle

Info

Publication number: DE102004015601B4
Application number: DE102004015601A
Authority: DE
Inventors: Helmut Dr. Lessing; Günther Prof. Dr. Borchardt; Frank Prof. Dr. Endres; Volker Prof. Dr. Wesling
Original assignee: Wilhelm Karmann GmbH
Current assignee: Wilhelm Karmann GmbH
Priority date: 2004-03-30
Filing date: 2004-03-30
Publication date: 2009-01-29
Anticipated expiration: 2024-03-31
Also published as: DE102004015601A1

Abstract

Brennstoffzelle (11) mit einer Vielzahl übereinander gestapelter Einzelzellen, die aus einer Anoden- und einer Kathoden-Kontaktplatte (1a, 1b) mit einem durch eine Membran (8) unterteilten Hohlraum gebildet sind, wobei die Kontaktplatten (1a, 1b) spiegelsymmetrisch mit einem Abschlusssteg (2) an dem Außenumfang sind, die an sich spiegelsymmetrischen Kontaktplatten um eine Achse senkrecht zur Plattenebene verdreht angeordnet sind und Bohrungen (3) für den Gaseinlass und Gasauslass jeweils in der Anzahl 2ⁿ mit n = 2 bis 6 haben, die symmetrisch derart angeordnet sind, dass jeweils zwei Gaseinlass-(3a) und Gasauslassbohrungen (3b) gegenüber liegen können, dass Membranstege (5) auf der Fläche der Kontaktplatten (1a, 1b) im Hohlraum derart symmetrisch angeordnet sind, dass die Membranstege (5) übereinanderliegender Anoden- und Kathoden-Kontaktplatten (1a, 1b) exakt gegenüberliegend positioniert sind, und dass jede Einzelzelle eine Membran (8) zwischen den Membranstegen (5) der Anoden- und der Kathoden-Kontaktplatten (1a, 1b) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass sich durch Gaseinlass-/auslassbohrungen (3a, 3b) hindurch Gewindebolzen...

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle mit einer Vielzahl übereinander gestapelter Einzelzellen, die aus einer Anoden- und einer Kathoden-Kontaktplatte mit einem durch eine Membran unterteilten Hohlraum gebildet sind, insbesondere eine Brennstoffzelle auf der Basis ionischer Flüssigkeiten. Die Kontaktplatten sind spiegelsymmetrisch mit einem Abschlusssteg an dem Außenumfang. Die an sich spiegelsymmetrischen Kontaktplatten sind um eine Achse senkrecht zur Plattenebene verdreht angeordnet und haben Gaseinlass- und Gasauslassbohrungen jeweils in der Anzahl 2ⁿ mit n = 2 bis 6, die symmetrisch derart angeordnet sind, dass jeweils zwei Gaseinlass- und Gasauslassbohrungen gegenüber liegen können. Membranstege sind auf der Fläche der Kontaktplatten im Hohlraum derart symmetrisch angeordnet und die Membranstege übereinanderliegender Anoden- und Kathoden-Kontaktplatten sind exakt gegenüberliegend positioniert. Jede Einzelzelle weist eine Membran zwischen den Membranstegen der Anoden- und der Kathoden-Kontaktplatte auf.
Das Prinzip der Brennstoffzellen ist hinreichend bekannt und basiert auf der Erkenntnis, dass die chemische Energie der Knallgasreaktion mit einem sehr einfachen elektrochemischen Aufbau in elektrische Energie umgewandelt werden kann. Sie weisen gu te Gesamtwirkungsgrade und vorteilhafte Schadstoffemissionen auf, da im günstigsten Falle nur Wasserdampf entsteht.
Es sind Niedertemperatur-Brennstoffzellen bekannt, die in der Regel als Poly merelektrolytsystem oder als Methanol-Brennstoffzelle ausgeführt sind. Typische Arbeitstemperaturen liegen je nach technischer Realisierung zwischen 25 und ca. 100°C, wobei Leistungen von 50 KW und mehr erreicht werden können. Die Vorteile von Niedertemperatur-Brennstoffzellen sind niedrige Arbeitstemperaturen, einfache Handhabbarkeit, kurze Vorwärmzeiten und ein minimaler Schadstoffausstoß. Nachteilig sind teure Edelmetallkatalysatoren notwendig. Zudem besteht die Gefahr der Katalysatorenvergiftung durch Kohlenmonoxid, wenn nicht ausschließlich Wasserstoff und Sauerstoff als Arbeitsgase verwendet werden. Zudem ist die Membran teuer und durchlässig für Methanol. Als Brennstoffe sind gegenwärtig nur Wasserstoff und Methanol geeignet.
Weiterhin sind Hochtemperatur-Brennstoffzellen bekannt, die bei Temperaturen zwischen 650 und 1000°C betrieben werden. Diese erfordern keine teuren Edelmetallkatalysatoren und der Betrieb kann mit Erdgas, prinzipiell aber mit allen Kohlenwasserstoffen, z. B. auch mit speziellen Benzinen erfolgen. Es stehen auch geeignete hochtemperaturfeste Materialien zur Verfügung. Nachteilig sind lange Aufwärmzeiten, eine erforderliche umfangreiche thermische Isolierung und ein gegenüber Niedertemperatur-Brennstoffzellen relativ großer Raumbedarf bei vergleichbarer Leistung. Auch die mangelnde Betriebsfestigkeit der Elektrodenstapel ist nachteilig. Dabei spielt die Abdichtung der Zellelemente auf Grund der verschiedenen Ausdehnungskoeffizienten der in der Hochtemperatur-Brennstoffzelle verwendeten Materialien eine wichtige Rolle. Für Blockheizkraftwerke mit Röhrentechnik sind bereits Anlagen von 100 KW und mehr realisiert, die jedoch einen erheblichen Raumbedarf haben.
In der WO 02/47802 A1 sind Membranen für Brennstoffzellen beschrieben, die mit einer ionischen Flüssigkeit infiltriert sind. Die hohe thermische Stabilität, die gute ionische Leitfähigkeit sowie die weitgehende Unmischbarkeit einer ionischen Flüssigkeiten mit Wasser und einer Vielzahl organischer Lösungsmittel, wie z. B. Methanol, eröffnen neue Perspektiven für Niedertemperatur- Brennstoffzellen, bei denen Protonen leitende Polymermembranen als Elektrolyt eingesetzt werden, die bereits bei Raumtemperatur eine Leitfähigkeit für Protonen aufweisen. Die hohe Protonenleitfähigkeit derartiger Membrane ist jedoch an einen hohen Wassergehalt in der Membran gebunden, sodass der Temperaturbereich auf Werte zwischen 0 und maximal 80°C begrenzt ist. Bei höheren Temperaturen trocknet die Membran nämlich aus und der Wirkungsgrad nimmt wegen der Ohm'schen Spannungsverluste drastisch ab. Andererseits wären höhere Temperaturen im Hinblick auf die Geschwindigkeit der elektrochemischen Reaktionen, die Vergiftung der Katalysatoren sowie für die Leitfähigkeit der Membranen von großer Bedeutung.
In der DE 102 16 306 A1 sind Anoden- und Kathoden-Kontaktplatten beschrieben, die zur preiswerten Massenfertigung in Spritzgusstechnik hergestellt werden sollen. Die Kontaktplatten sind symmetrisch aufgebaut, sodass die Brennstoff- und Gaszufuhr über Gaseinlass- und Gasauslassbohrungen durch den Plattenstapel hindurch erfolgen kann.
Die DE 103 37 233 A1 zeigt eine Brennstoffzelle mit symmetrisch aufgebauten Kathoden- und Anoden-Kontaktplatten, die jeweils vier Bohrungen für sauerstoffhaltiges Gas, Kühlmittel und Brennstoffgas haben. Diese sind über den Umfang der Kontaktplatten herum verteilt angeordnet.
Ausgehend hiervon ist es Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte Brennstoffzelle zu schaffen, die einfach aufgebaut ist, billig zu fertigen ist, gut abgedichtet werden kann und einen Betrieb bei höheren Temperaturen mit optimal geschützter Membran und optimierter Brennstoffverteilung gewährleistet.
Die Aufgabe wird mit der gattungsgemäßen Brennstoffzelle erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass sich durch Gaseinlass-/auslassbohrungen hindurch Gewin debolzen erstrecken und Spannmuttern auf dem Gewindebolzen zum Verspannen der gestapelten Einzelzellen zu einer abgedichteten Brennstoffzelle vorgesehen sind.
Durch die sich gegenüberliegenden Gaseinlassbohrungen bzw. sich gegenüberliegenden Gasauslassbohrungen wird ein optimierter Gasstrom in dem Hohlraum einer Einzelzelle erreicht, der durch die Membranstützstege zudem gleichmäßig auf der Oberfläche der jeweiligen Kontaktplatte verteilt wird. Die Membranstege sorgen zudem dafür, dass die Membran gleichmäßig abgestützt und damit vor schädlichem Einfluss geschützt wird. Die Membranstege dienen auch dazu, das elektrische Potential an der Anode und Kathode von der Membran abzunehmen und weiterzuleiten.
Durch die Gaseinlass-/Gasauslassbohrungen hindurch erstrecken sich Gewindebolzen, wobei Spannmuttern auf den Gewindebolzen zum Verspannen der gestapelten Einzelzelle zu einer abgedichteten Brennstoffzelle vorgesehen sind. Dies hat den Vorteil, dass insbesondere bei gleichmäßig auf der Kreisbahn verteilt angeordneten Durchgangsrohrstücken der Gaseinlass- und Gasauslassbohrungen die Brennstoffzelle über den gesamten Umfang gleichmäßig verspannt und damit bei Ausdehnung durch Temperatureinfluss zuverlässig abgedichtet wird.
Vorteilhaft sind auf der Kreisbahn verteilt abwechselnd Gaseinlassbohrungen und Gasauslassbohrungen verteilt. Damit ist eine gleichmäßige Luft- und Brenngaszufuhr sowie Luft- und Brenngasabfuhr gewährleistet.
Die Gaseinlassbohrungen und Gasauslassbohrungen haben vorzugsweise zylinderförmige Durchgangsrohrstücke, die an die Durchgangsrohrstücke der angren zenden Kontaktplatte anstoßen. Eines von jeweils zwei aneinander angrenzenden Durchgangsrohrstücken hat dabei eine in den Hohlraum gerichtete Fase, um Luft oder Brenngas in den Hohlraum ein- oder aus dem Hohlraum abzuleiten. Die Fase ist vorzugsweise an den Durchgangsrohrstücken der Kontaktplatte einer Einzelzelle vorgesehen, die in der Vorzugsströmungsrichtung gesehen oberhalb liegt.
Zur Abdichtung der Einzelzellen sind soweit erforderlich vorzugsweise Ringdichtungselemente zwischen den angrenzenden Durchgangsrohrstücken vorgesehen, um einen kontrollierten Gaseintritt bzw. Gasaustritt nur durch die Fase sicherzustellen.
Weiterhin sollte ein Ringdichtungselement an dem Abschlusssteg zwischen den aneinander angrenzenden Kontaktplatten vorgesehen sein.
Die Ringdichtungselemente sollten ausreichend temperaturbeständig sein und sind hierzu vorzugsweise teflonhaltig.
Die Gewindebolzen sind vorzugsweise leitend mit entweder der obersten Kontaktplatte oder der untersten Kontaktplatte der Brennstoffzelle verbunden und isoliert zu den übrigen Kontaktplatten angebracht. Damit können die Gewindebolzen als Spannungsabgriff genutzt werden.
Wenn die Einzelzellen unisoliert übereinander gestapelt sind und der Spannungsabgriff an der obersten und untersten Kontaktplatte der Brennstoffzelle erfolgt, sind die Einzelzellen seriell geschaltet.
Alternativ hierzu besteht auch die Möglichkeit der Parallelschaltung durch Isolatoren einzelner Einzelzellen, die ihrerseits durch nicht isoliertes Übereinandersta peln in seriell geschaltete Teilstapel zusammengefasst werden können. Die oberste und unterste Kontaktplatte dieser Teilstapel oder Einzelzellen werden dann jeweils parallel zusammengeschaltet, um im Vergleich zu der Serienschaltung eine geringere Spannung, jedoch einen höheren Strom bei gleicher Leistung bereitzustellen.
Die Kontaktplatten können beispielsweise polyeder- oder kreisförmig sein.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
1 – Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Kontaktplatte;
2 – Querschnittsansicht im Schnitt A-A der Kontaktplatte aus 1;
3 – Querschnittsansicht im Schnitt B-B der Kontaktplatte aus 1;
4 – Draufsicht auf eine Detailansicht der erfindungsgemäßen Kontaktplatte aus 1;
5 – Querschnittsansicht einer Brennstoffzelle mit gestapelten Einzelzellen;
6 – im Winkel zum Querschnitt aus 5 versetzte Querschnittsansicht der Brennstoffzelle aus 5;
7 – schematische Darstellung einer Einzelzelle mit zwei um 45° zueinander gedrehten Anoden- und Kathoden-Kontaktplatten und der elektrochemischen Abläufe in der Einzelzelle;
8 – Skizze einer Brennstoffzelle mit einer Darstellung zur Versorgung der Ebenen der Anoden-Kontaktplatten mit Brennstoff;
9 – Skizze einer Brennstoffzelle mit einer Darstellung zur Versorgung der Ebenen der Kathoden-Kontaktplatten mit Sauerstoff;
10 – Darstellung des Aufbaus einer Brennstoffzelle in der Aufsicht und im Querschnitt.
Die 1 lässt eine Draufsicht auf eine kreisförmige Kontaktplatte 1 mit einem Abschlusssteg 2 an dem Außenumfang erkennen. Neben dem Abschlusssteg 2 sind auf einer Kreisbahn verteilt abwechselnd Bohrungen 3 mit zylinderförmigen Durchgangswandungen mit auf die Ebene der Kontaktplatte 1 hin geschlossenem Stutzenteil S und mit auf die Ebene der Kontaktplatte 1 hin geöffnetem Durchlassteil D vorgesehen. Die Bohrungen sind symmetrisch so angeordnet, dass sich jeweils zwei Gaseinlassbohrungen 3a oder zwei Gasauslassbohrungen 3b gegenüberliegen.
Die 2 lässt die Kontaktplatte 1 aus der 1 im Querschnitt A-A erkennen. Es wird deutlich, dass die zylinderförmigen Durchgangsrohrstücke der Bohrungen 3, d. h. die Durchlassteile D jeweils Fasen 4 als Gasdurchtrittsöffnungen haben, um das durch die Gaseinlass- bzw. Gasauslassbohrungen strömende Gas G in einen Hohlraum zwischen übereinander gestapelten Anoden- und Kathoden-Kontaktplatten 1 zu leiten. In dem dargestellten Beispiel strömt Gas durch die Durchlassteile D in den Hohlraum, so dass die Bohrungen als Gaseinlassbohrungen 3a genutzt werden.
Weiterhin sind entlang der Verbindungsachse zwischen den sich gegenüberliegenden Bohrungen 3 eine Vielzahl von im Abstand voneinander angeordneten Membranstegen 5 vorgesehen. Diese dienen zum Tragen einer auf die Kontaktplatte 1 aufgelegten Membran und zur optimalen Verteilung der Gasströme im Hohlraum einer Einzelzelle. Die Membranstege 5 dienen weiterhin zur Abnahme und Weiterleitung des elektrischen Potentials an der Anode und Kathode der Membran.
Weiterhin sind Ringdichtelemente 6 auf den zylinderförmigen Durchgangswandungen sowie ein Ringdichtungselement 7 an dem Abschlusssteg 2 zwischen aneinander angrenzenden Kontaktplatten 1 vorgesehen. Die Ringdichtelemente 6, 7 sind vorzugsweise teflonhaltig.
Die 4 lässt eine Draufsicht auf eine Kontaktplatte mit den durch die Membranstege 5 und die gegenüberliegende Anordnung der Gaseinlassbohrungen 3a und Gasauslassbohrungen 3b verursachten Gasströmen erkennen. Es wird deutlich, dass von einer Gaseinlassbohrung 3a das Gas in Richtung Zentrum der Kontaktplatte 1 diagonal rechts und links in Richtung der Gasauslassbohrungen 3b verteilt wird, deren Verbindungsachse A-A um 90° versetzt zu der Verbindungsachse der Gaseinlassbohrungen 3a ist.
Insgesamt sind vier Paare von Bohrungen 3 vorgesehen, die im Winkel von 45° zueinander versetzt auf der Kreisbahn neben dem Abschlusssteg 2 verteilt angeordnet sind.
Die 5 lässt eine Querschnittsansicht im Schnitt C-C erkennen. Es wird deutlich, dass beispielsweise drei aus jeweils einer Anoden-Kontaktplatte 1a und einer Kathoden-Kontaktplatte 1b gebildete Einzelzellen übereinander gestapelt sind. Dabei sind die Anoden- und Kathoden-Kontaktplatten 1a und 1b so aufeinander gelegt, dass die Membranstege 5 zueinander weisen und eine zwischen die Anoden- und Kathoden-Kontaktplatte 1a, 1b einer Einzelzelle angeordnete Membran 8 halten und kontaktieren. Die Anoden-Kontaktplatte 1a ist gegenüber der Kathoden-Kontaktplatte 1b um 45° gedreht, so dass das zylinderförmige Durchgangsrohrstück ohne Fase auf einem zylinderförmigen Durchgangsrohrstück mit Fase 4 aufliegt.
Die Anoden-Kontaktplatte 1a und Kathoden-Kontaktplatte 1b von angrenzenden Einzelzellen sind ohne Isolierung aufeinander gelegt, so dass die Einzelzellen in Reihe geschaltet sind.
Durch die Bohrungen 3 hindurch erstrecken sich Gewindestangen 9, die mit Spannmuttern 10 auf den Gewindestangen 9 für ein Verspannen der Anoden- und Kathoden-Kontaktplatten 1a, 1b zu einer abgedichteten Brennstoffzelle 11 sorgen.
Zwischen Spannmutter 10 und unterster Kathoden-Kontaktplatte 1b der Brennstoffzelle sind Gaseinlassstutzen 12 und an der obersten Anoden-Kontaktplatte 1a der Brennstoffzelle Abdichtelemente 13 vorgesehen, die mit den Spannmuttern 10 auf eine Bohrung 3 gepresst werden. Einer der Gaseinlassstutzen 12 ist elektrisch isoliert (offener Kreis) und der andere Gaseinlassstutzen 12 ist elektrisch leitend (geschlossener Kreis) mit der untersten Kathoden-Kontaktplatte der Brennstoffzelle 11 verbunden. Auf der anderen Seite ist das Abdichtelement 13 der Gewindestange 9 mit isoliert angebrachten Gaseinlassstutzen 12 elektrisch leitend mit der obersten Anoden-Kontaktplatte 1a der Brennstoffzelle 11 verbunden, so dass diese Gewindestange 9 als positiver Spannungsabgriff an der Anode der seriell geschalteten Brennstoffzelle 11 genutzt werden kann. Die andere Gewindestange 9 mit elektrisch leitend angebrachten Gaseinlassstutzen 12 hat ein isoliert auf die oberste Anoden-Kontaktplatte 1a der Brennstoffzelle aufgelegtes Abdichtelement 13, so dass diese Gewindestange 9 als negativer Spannungsabgriff für die Kathode der seriell geschalteten Brennstoffzelle 11 genutzt werden kann.
Die 6 lässt eine Querschnittsansicht im Schnitt A-A erkennen. Es wird deutlich, das auch durch die für den Gasauslass genutzten Bohrungen 3 Gewindestangen 9 geführt sind, die mit Hilfe von Spannmuttern 10 für ein abgedichtetes Verspannen der Anoden- und Kathoden-Kontaktplatten 1a, 1b sorgen.
Es wird deutlich, dass nunmehr Gasauslassstutzen 14 auf der obersten Anoden-Kontaktplatte 1a der seriell geschalteten Brennstoffzelle aufgebracht sind und die Abdichtelemente 13 an der untersten Kathoden-Kontaktplatte 1b der Brennstoffzelle 11 vorgesehen sind.
Der Gasauslassstutzen 14 der linken Gewindestange 9 ist mit der obersten Anoden-Kontaktplatte 1a verbunden, so dass diese Gewindestange als positiver Spannungsabgriff der Anode der Brennstoffzelle 11 genutzt werden kann. Auf der anderen Seite ist der Gasauslassstutzen 14 der rechten Gewindestange 9 isoliert auf der obersten Anoden-Kontaktplatte 1a angeordnet und das Abdichtelement 13 auf der unteren Kathoden-Kontaktplatte 1b elektrisch leitend mit dieser verbunden, so dass die rechte Gewindestange 9 als negativer Spannungsabgriff für die Kathode der Brennstoffzelle 11 genutzt werden kann.
Auch durch die anderen nicht näher erläuterten Bohrungen 3 werden entsprechende Gewindestangen 9 mit Gaseinassstutzen 12 bzw. Gasauslassstutzen 14 und Abdichtelementen 13 gesteckt, die mit Spannmuttern 10 die Brennstoffzelle 11 dicht verspannen. Durch die symmetrische Anordnung der Bohrungen 3 verteilt über die Kreisbahn ist sichergestellt, dass sich die Brennstoffzelle 11 auch bei starker Erwärmung nicht verzieht und fest verspannt bleibt.
Durch die spiegelsymmetrische Ausbildung der Membranstege 5 opponieren diese beim Zusammenlegen der scheibenförmigen Kontaktplatten 1a, 1b auch dann exakt, wenn die obere Kontaktplatte 1a um 180° in der Horizontalen und um 45° um die Vertikale gedreht worden ist. Daher ist beim Fertigungsprozess eine Spiegelsymmetrie der Membranstege 5 an der waagerechten Achse (Schnittebene B-B) durch zwei gegenüberliegende Bohrungen und gleichzeitig eine Spiegelsymmetrie hierzu um 45° um den Mittelpunkt gedreht (Schnittebene A-A) vorgesehen.
Die Funktion der Einzelzellen und verdrehte Anordnung der Anoden- und Kathoden-Kontaktplatten 1a, 1b ist in der 7 erkennbar.
Die Einströmung der Brenngase H₂ erfolgt in diesem Falle über zwei Gaseinlassbohrungen 3a in die obere Ebene der Einzelzelle (Anode). Die Gase G strömen in die Fläche der oberen Anoden-Kontaktplatte 1a gegeneinander, werden umgelenkt und verwirbeln und reagieren über der Membran 8 in gewünschter Weise, bevor ihre Rest- oder Reaktionsbestandteile über die zwei senkrecht zum Einlass angeordneten Gasauslassbohrungen 3b abgeführt werden. Aufgrund dieser Anordnung ist eine hohe Durchmischung und aufgrund der redundanten Ausführung eines sichere Gasführung gewährleistet.
Ringdichtungselemente 6, 7 aus Polytetrafluoretylen (Teflon PTFE) sorgen für einen sicheren Verschluss des Hohlraums einer Einzelzelle. Unter Umständen wirkt aber auch schon die Membran 8 auf den planen Dichtflächen der Bohrungen 3 und der Abschlussstege 2 selbst schon hinreichend dichtend. Dabei ist zu berücksichtigen, dass ein Kurzschluss zwischen der Anode und Kathode die einzelne Einzelzelle funktionsuntüchtig machen würde. Dieser kann eintreten, wenn die Metall-Membranstege 5 die dünne Membran 8 (ca. 200 μm) durchstoßen oder indem der geringe Abstand der isolierenden Membran 8 zwischen Anode und Kathode im Bereich des Abschlusssteges 2 und auf den Innenseiten der zylinderförmigen Durchgangswandungen der Bohrungen 3 durch elektrisch leitende Produkte und durch leitende Substanzen aus begleitenden Prozessen (z. B. kondensiertes Wasser, Kohlenstoff etc.) überbrückt wird. Es ist daher vorteilhaft, wenn diese Flächen vor Inbetriebnahme mit einer nicht leitenden, stabilen Schicht überzogen werden (z. B. Oxid oder aufgesintertes PTFE).
Die Membran ist aus einem protonenleitenden Polymer, z. B. einem sulforierten Tetrafluorethylen-Polymer (NAFION^®) gefertigt und wird z. B. durch Heißpressen auf beiden Seiten mit einer dünnen Schicht eines Katalysators belegt. Diese Schichten werden elektrisch kontaktiert und über einen Leitungsnehmer verbunden. Für eine Brennstoffzelle, bei der nur Wasserstoff und Sauerstoff zugeführt wird, kommt für die Anode und Kathode der Membran 8 in der Regel nanokristallines Platin zum Einsatz. Wasserstoff H₂ wird an der Anode oxidiert und die entstehenden Protonen wandern durch die Membran 8 zur Kathode, wo sie mit dem Sauerstoff O₂ und den durch einen Stromkreis geleiteten Elektronen zu Wasser H₂O reagieren. Wenn CO-haltiges Reformatgas oder Methanol eingesetzt wird, besteht die Anode aus einer nanokristallinen Platin-Ruthenium-Legierung.
Methanol wird in einem Schritt zu CO, Protonen und Elektronen umgesetzt. Wie zuvor beschrieben, wandern die Protonen durch die Membran 8 und bilden an der Kathode mit dem Sauerstoff und den Elektronen aus dem Stromkreis Wasser H₂O, während CO zunächst am Katalysator absorbiert wird.
Mit ebenfalls am Katalysator adsorbiertem Wasser H₂O reagiert CO nun zu CO₂ und Protonen, die wiederum durch die Membran 8 wandern und an der Kathode mit Sauerstoff O₂ und den Elektronen aus dem Stromkreis zu Wasser H₂O abreagieren. Nur in der Gegenwart von Ruthenium und von Wasser H₂O bei niedrigen Temperaturen ist die Oxidation von CO zu CO₂ möglich.
Reines Platin wird durch CO „vergiftet", und der Wirkungsgrad fällt beträchtlich. Ein weiteres Problem ist, dass Methanol im beträchtlichen Maße durch Diffusion und Elektroosmose durch die Membran 8 tritt und an der Kathode sich deutlich niedrigere Mischpotenziale einstellen, die den Wirkungsgrad der Brennstoffzelle 11 drastisch vermindern können.
Die meisten protonenleitenden Membranen, wie z. B. Nafion, können nur bei Temperaturen zwischen 0 und ca. 80°C betrieben werden. Ursache ist, dass die Protonenleitfähigkeit von einem hohen Wassergehalt in der Membran 8 abhängig ist. Ab etwa 80°C trocknet die Membran 8 mehr und mehr aus, was eine beträchtliche Abnahme der Leitfähigkeit und damit des Wirkungsgrades zur Folge hat. Bei Temperaturen unter 0°C gefriert das Wasser in der Membran 8, was ebenfalls drastische Leistungsverluste zur Folge hat. Prinzipiell wären aber hohe Temperaturen für die elektrochemische Kinetik sowie für die Leitfähigkeit günstig. Des weiteren ist die „Vergiftung" der Katalysatoren durch CO bei höheren Temperaturen tendenziell geringer.
Das Problem des Austrocknens von Nafion lässt sich beträchtlich reduzieren, wenn die Membran mit einer ionischen Flüssigkeit getränkt wird. Hierzu kommt zum Tragen, dass es ionische Flüssigkeiten gibt, die bei Temperaturen bis 350°C chemisch stabil sind und keinen messbaren Dampfdruck aufweisen.
Die 8 und 9 lassen die erfindungsgemäße Brennstoffzelle 11 im Querschnitt mit Draufsicht auf die Kontaktplatten 1 im Gasströmungsbereich erkennen.
Aus der linken Skizze der 8 ist erkennbar, dass über jeweils zwei Gaseinlassbohrungen 3a das Brenngas, z. B. Wasserstoff H₂ von unten in die Brennstoffzelle 11 geleitet wird. Die Abschlussdichtungen 13 am oberen Ende der Brennstoffzelle 11 erzwingen die Durchströmung der anodenseitigen oberen Ebenen der Einzelzellen, d. h. der Anoden-Kontaktplatten 1a, da die Reaktionsprodukte und die nicht verbrauchten Brenngase H₂ nur über die zwei anderen Gasauslassbohrungen 3b, die im rechten Winkel zu den Gaseinlassbohrungen 3a angeordnet sind, das System verlassen können.
Dies ist in der rechten Skizze der 8 skizziert.
Ebenso, nur um 45° versetzt von oben nach unten erfolgt die Zu- und Abführung des Luftsauerstoffs O₂ kathodenseitig über die unteren Ebenen der Einzelzellen, d. h. die Kathodenkontaktplatten 1b.
Dadurch wird grundsätzlich das einströmende Brenngas H₂ anodenseitig und die einströmende Luft kathodenseitig jeweils in ihre Ebenen der metallischen Anoden- und Kathoden-Kontaktplatten 1a, 1b gezwungen, bevor sie nach der gewünschten Membran-Reaktion über die zwei alternierenden Gasauslassbohrungen 3b die Reaktionsebenen wieder verlassen können.
Aufgrund der im Betrieb auftretenden Exergie von 30% bis 50% der zugeführten chemischen Energie je nach elektrischem Wirkungsgrad des Gesamtsystems erscheint eine Durchströmung von Brenngas H₂ und Luftsauerstoff O₂ im Gegenstrom durch das System nützlich, da hierdurch homogenere Temperturgradienten in der gestapelten Brennstoffzelle erreicht werden können. Dies ist insbesondere beim Anfahren der Brennstoffzelle 11 und beim Herunterfahren vorteilhaft. Eine Durchströmung des Sauerstoffs O₂ durch die Brennstoffzelle 11 von oben nach unten, wie in der 9 gezeigt, hat ferner den Vorteil, dass Produktwasser H₂O, welches in nicht unerheblicher Menge anfallen sollte, aus der Brennstoffzelle 11 mit der Schwerkraft und dem Gasstrom gleichermaßen ausgetragen werden kann. Die Problematik ergibt sich insbesondere bei tieferen Temperaturen von weniger als 100°C während Standzeiten oder während des An- und Abfahrens.
Die Sauerstoffversorgung erfolgt über die Spülung der kathodischen Ebenen der Brennstoffzelle mit Luftsauerstoff O₂. Diese Spülungen sollten ständig im Überschuss geführt werden, um die Wärmeenergie von ca. 30 bis 40% (Exergie) abzuleiten und um die Temperatur im System regulieren zu können. Diese Situation ist komfortabel, da die eigentlichen Reaktionen mit Produktbildungen in den kathodischen Ebenen stattfinden, wo der Gasstrom immer hoch genug sein kann, um alle Reaktionsprodukte austragen zu können. Als zweite Regelgröße steht effektiv noch der Brennstoff selbst zur Verfügung. Dieser kann knapp oder hinreichend angeboten werden und über eine gedrosselte Leistungsabgabe helfen, das optimale Temperaturniveau nicht zu verlassen. Somit kann die Steuerung und Regulation der Brennstoffzelle auf ein Temperaturmanagement und eine der Brennstoffzelle 11 angepassten, geregelten Brennstoffzufuhr reduziert werden.
Die 10 lässt eine Darstellung einer Brennstoffzelle 11 bestehend aus neun Einzelzellen in Aufsicht und im Querschnitt erkennen. Der Zusammenbau der Brennstoffzelle 11 geschieht, indem die Einzelzellen über die Gewindestangen 9 gestapelt werden. Hierbei ist darauf zu achten, dass Anoden und Kathoden nicht vertauscht werden. Sofern eine Parallelschaltung aufgebaut werden soll, sind die Einzelzellen mit einer elektrisch isolierenden Folie zu trennen.
Die Gewindestangen 9 setzen endständig auf Abschlussdichtungen 13 oder Gaszuleitungs-12 bzw. Gasableitungsstutzen 14 auf, die wiederum die endständige Kathode oder Anode berühren und gegen die endständige Anode oder Kathode elektrisch isoliert zu montieren sind, da anderenfalls über die Gewindestange 9 ein Kurzschluss auftreten würde. Der Stapel der Einzelzellen ist nach seiner exakten Ausrichtung über die Gewindestangen 9 fest zu verspannen.

Claims

Brennstoffzelle (11) mit einer Vielzahl übereinander gestapelter Einzelzellen, die aus einer Anoden- und einer Kathoden-Kontaktplatte (1a, 1b) mit einem durch eine Membran (8) unterteilten Hohlraum gebildet sind, wobei die Kontaktplatten (1a, 1b) spiegelsymmetrisch mit einem Abschlusssteg (2) an dem Außenumfang sind, die an sich spiegelsymmetrischen Kontaktplatten um eine Achse senkrecht zur Plattenebene verdreht angeordnet sind und Bohrungen (3) für den Gaseinlass und Gasauslass jeweils in der Anzahl 2ⁿ mit n = 2 bis 6 haben, die symmetrisch derart angeordnet sind, dass jeweils zwei Gaseinlass-(3a) und Gasauslassbohrungen (3b) gegenüber liegen können, dass Membranstege (5) auf der Fläche der Kontaktplatten (1a, 1b) im Hohlraum derart symmetrisch angeordnet sind, dass die Membranstege (5) übereinanderliegender Anoden- und Kathoden-Kontaktplatten (1a, 1b) exakt gegenüberliegend positioniert sind, und dass jede Einzelzelle eine Membran (8) zwischen den Membranstegen (5) der Anoden- und der Kathoden-Kontaktplatten (1a, 1b) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass sich durch Gaseinlass-/auslassbohrungen (3a, 3b) hindurch Gewindebolzen (9) erstrecken und Spannmuttern (10) auf dem Gewindebolzen (9) zum Verspannen der gestapelten Einzelzellen zu einer abgedichteten Brennstoffzelle (11) vorgesehen sind.
Brennstoffzelle (11) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Gewindebolzen (9) leitend mit entweder der obersten Kontaktplatte (1a) oder der untersten Kontaktplatte (1b) der Brennstoffzelle (11) verbunden und isoliert zu den übrigen Kontaktplatten (1a, 1b) angebracht sind.
Brennstoffzelle (11) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass auf einer Kreisbahn verteilt abwechselnd Gaseinlässe und Gasauslässe angeordnet sind.
Brennstoffzelle (11) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bohrungen (3) zylinderförmige Durchgangsrohrstücke haben, die an die Durchgangsrohrstücke der angrenzenden Kontaktplatte (1a, 1b) angrenzen und eines von zwei aneinander angrenzenden Durchgangsrohrstücken eine in den Hohlraum gerichtete Fase (4) hat.
Brennstoffzelle (11) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Ringdichtungselemente (6) zwischen den angrenzenden Durchgangsrohrstücken.
Brennstoffzelle (11) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein Ringdichtungselement (7) an dem Abschlusssteg (2) zwischen einander angrenzenden Kontaktplatten (1a, 1b).
Brennstoffzelle (11) nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Ringdichtungselemente (6, 7) Polytetrafluorethylen enthalten.
Brennstoffzelle (11) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Einzelzellen oder Teilstapel seriell geschalteter gestapelter Einzelzellen isoliert voneinander übereinander gestapelt und parallel geschaltet sind.
Brennstoffzelle (11) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktplatten (1) polyeder- oder kreisförmig sind.