DE19905564C2 - Brennstoffzellenstapel mit Zuführungs- und/oder Abführungskanälen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle.

Aus der Druckschrift DE 44 30 958 C1 sowie aus der Druckschrift DE 195 31 852 C1 sind Brennstoffzellen be­ kannt, die eine Kathode, einen Elektrolyten sowie eine Anode aufweisen. Über einen an die Kathode angrenzenden Kanal oder Raum wird ein Oxidationsmittel (z. B. Luft) und über einen an die Anode angrenzenden Kanal oder Raum wird Brennstoff (z. B. Wasserstoff) zugeführt.

Die Betriebsmittel gelangen zu den Elektroden und verbrauchen sich währenddessen. Anschließend treten die dann verbrauchten (mit anderen Worten: abgereicherten) Betriebsmittel wieder aus und werden aus der Brenn­ stoffzelle herausgeleitet.

An der Kathode der aus der Druckschrift DE 44 30 958 C1 bekannten Hochtemperaturbrennstoffzelle bilden sich in Anwesenheit des Oxidationsmittels Sauerstoffionen. Die Sauerstoffionen passieren den Festelektrolyten und re­ kombinieren auf der Anodenseite mit dem vom Brennstoff stammenden Wasserstoff zu Wasser. Mit der Rekombination werden Elektronen freigesetzt und so elektrische Ener­ gie erzeugt.

An der Anode der aus DE 195 31 852 C1 bekannten PEM- Brennstoffzelle bilden sich in Anwesenheit des Brenn­ stoffs mittels eines Katalysators Protonen. Die Proto­ nen passieren die Elektrolytmembran und verbinden sich auf der Kathodenseite mit dem vom Oxidationsmittel stammenden Sauerstoff zu Wasser. An der Anode werden Elektronen freigesetzt und an der Kathode verbraucht und so elektrische Energie erzeugt.

Mehrere Brennstoffzellen werden in der Regel zur Erzie­ lung großer elektrischer Leistungen durch verbindende Elemente elektrisch und mechanisch miteinander verbun­ den. Ein Beispiel für ein solches verbindendes Element stellt die aus DE 44 10 711 C1 bekannte bipolare Platte dar. Mittels bipolarer Platten entstehen übereinander gestapelte, elektrisch in Serie geschaltete Brennstoff­ zellen. Diese Anordnung wird Brennstoffzellenstapel ge­ nannt.

Einem Brennstoffzellenstapel werden Betriebsmittel über einen Zuleitungskanal zugeführt. Von diesem zweigen Ka­ näle ab, die das betreffende Betriebsmittel den einzel­ nen Brennstoffzellen zuführen. Entsprechend können ab­ gereicherte Betriebsmittel über einen Ableitungskanal abgeleitet werden.

Zur Erzielung guter Wirkungsgrade müssen die Betriebs­ mittel räumlich gleichmäßig in einem Brennstoffzellen­ stapel verteilt werden. Der Druckschrift "U. Reus, Ma­ thematische Simulation einer Hochtemperaturbrennstoff­ zelle, Dissertation, Forschungszentrum Jülich GmbH, Jül-3297, 1996" ist zu entnehmen, daß die Betriebsmit­ tel nicht gleichmäßig auf die einzelnen Brennstoffzel­ len eines Brennstoffzellenstapels verteilt werden.

Der Luftstrom, der in Basissimulationen einen Luftüber­ schuß von λ = 7 aufweist, variiert je nach Stromfüh­ rungsart aufgrund der zunehmenden Druckverluste inner­ halb des Brennstoffzellenstapels zwischen λ = 2,54 und λ = 24,8. Das Verhältnis der Luftvolumenströme von obe­ rer zu unterer Zelle beträgt z. B. (dV_max/dt)/(dV_min/dt) = 1.66. Die Zellen werden so mit unterschiedlichen Brenngas- und/oder Luftvolumenströmen beaufschlagt, woraus Wirkungsgradeinbußen resultieren. Gerade in Anbetracht der Tatsache, daß weitere Entwicklungen in Richtung einer Luftüberschußreduktion tendieren, kann somit eine Unterversorgung einzelner Zellen nicht ausgeschlossen werden, woraus wiederum starke Wirkungsgradeinbußen resultieren.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Brenn­ stoffzellenstapels mit guten Wirkungsgraden.

Anspruchsgemäß wird die Aufgabe durch einen Brennstoff­ zellenstapel mit den Merkmalen des ersten Anspruchs ge­ löst.

Der Brennstoffzellenstapel weist einen Zu- und/oder Ableitungskanal (Zuführungs- oder Abführungskanal) für das Oxidationsmittel oder den Brennstoff auf. Von die­ sem Kanal zweigen mehrere Kanäle ab, die zu Kathoden- oder Anodenräumen des Brennstoffzellenstapels führen und die im folgenden Abzweigungskanäle genannt werden.

Die Durchmesser der anspruchsgemäßen Kanäle (Zufüh­ rungs-, Abführungs- und/oder Abzweigungskanäle) vari­ ieren so, daß der Brennstoff und/oder das Oxidations­ mittel, also wenigstens ein Betriebsmittel, in die Ab­ zweigungskanäle räumlich gleichverteilt eintritt. Unter räumlicher Gleichverteilung wird verstanden, daß je­ weils im wesentlichen eine gleiche Menge (Volu­ men/Masse) des betreffenden Betriebsmittels in einen jeden der Abzweigungskanäle hineingelangt. Diese Gleichverteilung wird durch die Schaffung eines in Strömungsrichtung weitgehend konstanten dynamischen Druckes erreicht. Durch die Verbesserung wird der Wirkungsgrad gesteigert.

Handelt es sich bei dem Kanal um einen Zuführungskanal, so nehmen von dem Betriebsmittel zu durchströmende Ka­ naldurchmesser im Zuführungskanal ab, je länger der Strömungsweg des Betriebsmittels im Zuleitungskanal ist. Umgekehrt verhält es sich bei einem Ableitungska­ nal.

Im folgenden wird die Hydrodynamik im Zuführungskanal exemplarisch erörtert.

Mit zunehmendem Strömungsweg im Zuleitungskanal bleibt der Strömungsdruck durch Vorsehen von abnehmenden Durchmessern des Zuleitungskanals im wesentlichen kon­ stant. Dies wird erreicht, indem einer Geschwindig­ keitsabnahme im Zuführungskanal (aufgrund der in die Abzweigungskanäle entweichenden Massenströme) gezielt durch eine Strömungsquerschnittverengung entgegenge­ wirkt wird. Der konstante dynamische Druck hat eine gleichmäßigere Verteilung des Betriebsmittels auf die einzelnen Abzweigungskanäle eines Brennstoffzellensta­ pels zur Folge. Der Wirkungsgrad wird so gesteigert. Nimmt der Massenstrom im Abführungskanal in Strömungs­ richtung zu, ist dessen Querschnitt in Strömungsrich­ tung entsprechend zu vergrößern.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wer­ den die Anfänge und/oder die Enden der Abzweigungskanä­ le durch eine oder mehrere gelochte Platten gebildet. Vom Zuleitungskanal aus gesehen nehmen die Lochdurch­ messer mit zunehmendem Strömungsweg im Zuleitungskanal derart zu, so daß der Strömungswiderstand abnimmt. Eine Steuerung der in die Abzweigungskanäle gelangenden Mas­ senströme ist somit gezielt möglich. Diese Ausführungsform kann besonders einfach gefertigt werden. Die ge­ wünschte Gleichverteilung kann so herbeigeführt werden.

In einer besonders einfachen Ausführungsform wird nur beim Zuleitungskanal eine gelochte Platte mit den vor­ hergehenden Merkmalen vorgesehen. Der Zweck wird hier­ durch erfüllt. Eine weitere Platte oder sonstige Maß­ nahmen, die den konstruktiven Aufwand erhöhen, werden so vermieden.

Die gelochte Platte sollte bei einem Brennstoffzellen­ stapel, in denen die Gasströme horizontal in den Zel­ len verlaufen, vertikal zu den jeweiligen Abzweigungs­ kanälen angebracht sein. Die Größe der Öffnungen und/­ oder deren einzelne Abstände zueinander variieren vor­ zugsweise um mindestens 5%.

In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist eine gelochte anspruchsgemäße Platte als Abdeck­ platte für einen Brennstoffzellenstapel ausgeführt. Die Größe der Löcher nimmt im oben genannten Sinne zu, wobei die Größe der Öffnungen und deren Abstände zu­ einander in horizontaler Ebene (x-y Ebene) konstant bleiben können.

Die Platte kann auch gebogen sein.

Je nach Einspritzung der Betriebsmittel in den Brenn­ stoffzellenstapel können die Abstände und/oder die Größe der Öffnungen in horizontaler und vertikaler Richtung variieren. Des weiteren kann durch eine Schrägstellung der Platte eine verdichtende Wirkung der eingespeisten Gase erzielt werden.

Das Material der Platte ist hochwarmfest zu wählen, wenn es in einer Hochtemperaturbrennstoffzelle ein­ gesetzt wird. Die Konstruktion kann durch Verschweißen an den Behälter eines Hochtemperaturbrennstoff­ zellenstapels fixiert werden.

Die Erfindung kann selbstverständlich auch bei ande­ ren Brennstoffzellentypen vorteilhaft verwendet wer­ den.

Die Fig. 1a und 1b verdeutlichen eine Ausführungs­ form mit gelochter Platte. In Fig. 2 wird eine Ausfüh­ rungsform mit variierendem Strömungsdurchmesser im Zu- oder Ableitungskanal gezeigt.

Fig. 1 zeigt einen aus Brennstoffzellen 1 bestehenden Brennstoffzellenstapel. Über einen Zuführungskanal 2 wird ein erstes Betriebsmittel zugeführt und die abge­ reicherten Betriebsmittel über einen Abführungskanal (Ableitungskanal) 3 abgeleitet. Vom Zuführungskanal zweigen Abzweigungskanäle 4 ab. Über die Abzweigungska­ näle werden Betriebsmittel zu den entsprechenden Elek­ troden geleitet. Die Abzweigungskanäle 4 münden in den Abführungskanal 3. Eine gelochte Platte trennt den Zu­ führungskanal 2 von den Abzweigungskanälen 4. Die Durchmesser der Löcher in der gelochten Platte 5 nehmen in Strömungsrichtung, die durch Pfeile angedeutet wird, zu (siehe insbesondere Fig. 1b). Der Strömungswider­ stand wird so geeignet eingestellt, um der gewünschten Gleichverteilung der Betriebsmittel nahe zu kommen.

Fig. 2 zeigt einen Schnitt durch einen Brennstoffzel­ lenstapel mit angrenzendem Zu- und Ableitungskanal. Die Durchmesser in dem Zu- bzw. Ableitungskanal variiert erfindungsgemäß.

Claims (3)

1. Brennstoffzellenstapel mit einem Zuführungs- (2) und/oder Abführungskanal (3) für das Oxidationsmit­ tel oder den Brennstoff, mit Abzweigungskanälen (4), die von dem Zuführungs- oder Abführungskanal jeweils zu einem Kathoden- oder Anodenraum des Brennstoffzellenstapels führen, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchmesser der Zuführungs- und/oder Abführungskanäle in Längsrichtung der Kanäle so variieren, daß wenigstens ein Betriebsmittel mengenmäßig gleich verteilt in die Abzweigungska­ näle einströmt.

2. Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 1,

• - mit abnehmenden Kanaldurchmessern im Zuführungska­ nal, je länger der Strömungsweg des Betriebsmittels im Zuführungskanal ist, und/oder
• - mit zunehmenden Kanaldurchmessern im Abführungska­ nal, je länger der Strömungsweg des Betriebsmittels im Abführungskanal ist, und/oder
• - mit zunehmenden Kanaldurchmessern von Abzweigungs­ kanälen, je länger der Strömungsweg des Betriebsmit­ tels im Zuführungskanal ist.

3. Brennstoffzellenstapel mit einem Zuführungs- (2) und/oder Abführungskanal (3) für das Oxidationsmit­ tel oder den Brennstoff, mit Abzweigungskanälen (4), die von dem Zuführungs- oder Abführungskanal jeweils zu einem Kathoden- oder Anodenraum des Brennstoffzellenstapels führen, gekennzeichnet durch eine gelochten Platte, die den Anfang oder das Ende der Zuführungs- und/oder der Abzweigungskanäle bil­ det, wobei die Durchmesser der Löcher in der Platte so variieren, daß wenigstens ein Betriebsmittel mengenmäßig gleich verteilt in die Abzweigungska­ näle einströmt.