DE19853911A1 - Fuel cell with operating medium feed via perforated plate has electrolyte with electrodes on both sides; at least one electrode is separated from bounding channel or vol. by perforated plate - Google Patents
Fuel cell with operating medium feed via perforated plate has electrolyte with electrodes on both sides; at least one electrode is separated from bounding channel or vol. by perforated plateInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle, bestehend aus einem Elektrolyten und beidseitig hieran angrenzenden Elektroden. Wenigstens eine Elektrode ist von einem angrenzenden Kanal oder Raum durch eine gelochte Platte getrennt. Über den angrenzenden Raum oder Kanal wird ein Betriebsmittel zu- und abgeführt. Insbesondere durch Variation der Größe der Löcher in der Platte wird eine dosierte Zu- und Abführung von Betriebsmitteln ermöglicht. Die Leistungsfähigkeit einer Brennstoffzelle wird so gefördert.The invention relates to a fuel cell consisting of an electrolyte and electrodes adjoining it on both sides. At least one electrode is separated from an adjacent channel or space by a perforated plate. Equipment is fed in and out via the adjacent room or duct. In particular, by varying the size of the holes in the plate, metered supply and discharge of equipment is made possible. The performance of a fuel cell is promoted in this way.
Description
Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle.The invention relates to a fuel cell.
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. In einen an die Kathode angrenzenden Kanal oder Raum wird ein Oxidationsmittel (z. B. Luft) und in einen an die Anode angrenzenden Kanal oder Raum wird Brennstoff (z. B. Wasserstoff) zugeführt.From the publication DE 44 30 958 C1 and from the Document DE 195 31 852 C1 are fuel cells knows the one cathode, one electrolyte and one Have anode. In one adjacent to the cathode Channel or room becomes an oxidizing agent (e.g. air) and into a channel or space adjacent to the anode fuel (e.g. hydrogen) is added.
Der deutschen Patentanmeldung 197 15 256.2-45 ist zu entnehmen, in den vorgenannten Kanälen oder Räumen Ver teilerstrukturen vorzusehen. Die Verteilerstrukturen sind kammartig ausgestaltet. Sie sollen eine Gleichver teilung der Betriebsmittel im jeweiligen Raum bewirken.The German patent application 197 15 256.2-45 is too remove, in the aforementioned channels or rooms Ver to provide divider structures. The distribution structures are designed like a comb. You should compare effect division of resources in the respective room.
Die Betriebsmittel gelangen zu den Elektroden und ver brauchen sich währenddessen. Anschließend treten die dann verbrauchten, mit anderen Worten abgereicherten Betriebsmittel wieder aus und werden aus der Brenn stoffzelle herausgeleitet.The resources reach the electrodes and ver need each other during that. Then the kick then consumed, in other words depleted Operating resources out again and are out of the burning led out fabric cell.
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. On the cathode of the document DE 44 30 958 C1 known high temperature fuel cells form in Presence of the oxidizing agent oxygen ions. The Oxygen ions pass through the solid electrolyte and right combine on the anode side with that of the fuel derived hydrogen to water. With recombination electrons are released and so electrical energies generated.
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.On the anode of the PEM known from DE 195 31 852 C1 Fuel cells are formed in the presence of the burner protons using a catalyst. The proto pass through the electrolyte membrane and connect on the cathode side with that of the oxidizing agent derived oxygen to water. Be on the anode Electrons released and consumed at the cathode and so produces electrical energy.
Zur Erzielung guter Wirkungsgrade müssen die Betriebs mittel räumlich gleichmäßig in einer Brennstoffzelle verteilt werden.To achieve good efficiencies, the operating medium spatially uniform in a fuel cell be distributed.
Durchströmen die Betriebsmittel die Brennstoffzelle, so sind Druckverluste zu vermeiden bzw. gering zu halten. Druckverluste haben Leistungsverluste zur Folge.If the equipment flows through the fuel cell, see above pressure losses must be avoided or kept low. Pressure losses result in performance losses.
In einem Elektrodenraum einer Brennstoffzelle (Raum, in dem sich die Elektrode befindet) liegt in der Regel ein Gemisch aus Gasen und/oder Flüssigkeiten vor. Es kann sich um mit Inertgasen verdünnte Brenngase handeln. Durch Reformierung oder Oxidation eines Brennstoffs wie einem Methanol-Wasser-Gemisch können im betreffenden Elektrodenraum weitere Inertgase wie CO2 auftreten. Der Kathode wird regelmäßig Luft und damit auch das Inert gas Stickstoff zugeführt.A mixture of gases and / or liquids is usually present in an electrode space of a fuel cell (space in which the electrode is located). It can be fuel gases diluted with inert gases. By reforming or oxidizing a fuel such as a methanol-water mixture, further inert gases such as CO 2 can occur in the relevant electrode space. Air and thus also the inert gas nitrogen are regularly fed to the cathode.
Die an den jeweiligen Elektroden befindlichen Gase oder Flüssigkeiten sollten homogen durchmischt vorliegen, um zu guten Leistungen zu gelangen.The gases or on the respective electrodes Liquids should be mixed homogeneously to to perform well.
Sollen unbefeuchtete Gase, das heißt, nicht separat in Befeuchtungseinrichtungen befeuchtete Gase in eine PEM- Brennstoffzelle eingeleitet werden, so sind die Elek trodenflächen besonders gleichmäßig mit Betriebsmitteln zu versorgen. Andernfalls droht verstärkt ein lokales Austrocknen einer Elektrode und ggf. einer Elektrolyt membran. Lokales Austrocknen hat Leistungsverluste zur Folge und kann Schäden verursachen.Should not be humidified gases, that is, not separately in Humidifiers humidified gases into a PEM Fuel cell are introduced, so are the elec tread surfaces particularly evenly with equipment to supply. Otherwise there is a risk of a local one Drying out of an electrode and possibly an electrolyte membrane. Local dehydration has reduced performance Consequence and can cause damage.
Strömen Betriebsmittel parallel zu den Elektroden über längere Bereiche hinweg, so verbrauchen sie sich zuneh mend. Entsprechend unterscheiden sich die ablaufenden Reaktionen ortsabhängig in quantitativer Hinsicht.Equipment overflows in parallel to the electrodes longer areas, so they consume more mend. The expiries differ accordingly Reactions depending on the location in quantitative terms.
Gute elektrische Kontakte zu den Elektroden müssen in einer Brennstoffzelle sichergestellt sein. Thermische Gradienten sind zu vermeiden, da sich diese schädigend auswirken können.Good electrical contacts to the electrodes must be made a fuel cell. Thermal Gradients should be avoided as they are damaging can impact.
Gemäß der deutschen Patentanmeldung mit dem amtlichen Aktenzeichen 198 08 331.9-45 werden zur Lösung der vor genannten Probleme eine Mehrzahl an Zuführungskanälen und hieran angrenzende Abführungskanäle vorgesehen. Zu führungs- und Abführungskanäle weisen Löcher auf, die an die Elektrode der Brennstoffzelle angrenzen. Die Be triebsmittel durchströmen die Löcher und gelangen so senkrecht zur Elektrode sowie zur Grenzfläche zwischen Elektrolyt und Elektrode. In gleicher Weise strömen sie senkrecht wieder ab.According to the German patent application with the official Case number 198 08 331.9-45 are used to solve the before mentioned problems a plurality of feed channels and adjacent drainage channels are provided. To guide and discharge channels have holes that adjoin the electrode of the fuel cell. The Be propellants flow through the holes and get there perpendicular to the electrode and to the interface between Electrolyte and electrode. They flow in the same way vertically again.
Es werden ferner unterschiedlich große Löcher vorgese hen, um so eine Gleichverteilung der Gase entlang der Elektrodenfläche zu erzielen.There are also different sized holes hen in order to ensure an even distribution of the gases along the To achieve electrode area.
Nachteilhaft ist der beschriebene Aufbau aufgrund der Vielzahl der Kanäle relativ aufwendig. Erwünschte Durchmischungen sind relativ gering.The construction described is disadvantageous because of the Large number of channels relatively expensive. Desired Mixing is relatively low.
Insbesondere bei Auftreten lokaler, reaktionsbedingter Temperaturgradienten ist die geringe Durchmischung von Nachteil. Ein Temperaturunterschied bewirkt einen ge ringeren Wirkungsgrad, da die Betriebstemperatur lokal von einem Temperaturoptimum abweicht. Especially when local, reaction-related occurs Temperature gradient is the low mixing of Disadvantage. A temperature difference causes a ge lower efficiency since the operating temperature is local deviates from a temperature optimum.
Nachteilhaft hat der Aufbau mit den getrennten Zu- und Abführungskanälen grundsätzlich eine Halbierung der Fä chen zur Folge, durch die die Betriebsmittel in die Brennstoffzelle oder einen Stapel von Brennstoffzellen eintreten. Dieser Nachteil kann zwar durch einen höhe ren Durchsatz ausgeglichen werden. Ein höherer Durch satz hat jedoch einen höheren Druckverlust und damit einen schlechteren Wirkungsgrad zur Folge.The construction with the separate feed and has a disadvantage Drainage channels basically halve the thread by means of which the equipment is transported into the Fuel cell or a stack of fuel cells enter. This disadvantage can be caused by a height throughput. A higher through However, sentence has a higher pressure loss and thus result in poorer efficiency.
Vergleichbares gilt für die Flächen, durch die die ab gereicherten Betriebsmittel aus der Brennstoffzelle oder Brennstoffzellenstapel austreten.The same applies to the areas through which the enriched resources from the fuel cell or leak fuel cell stack.
Zwar können bei einer Brennstoffzelle die Stege zwi schen getrennten Zu- und Abführungskanälen sehr klein gehalten werden, um so zu großen Eintritts- und Aus trittsflächen zu gelangen. Hierdurch würde sich jedoch der elektrische Kontakt zwischen den Brennstoffzellen eines Brennstoffzellenstapels und damit der Wirkungs grad verschlechtern.In a fuel cell, the webs can be between separate feed and discharge channels very small are held, so too large entry and exit treads. This would, however the electrical contact between the fuel cells a fuel cell stack and thus the effect just worsen.
Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer Brenn stoffzelle mit einer verbesserten Führung der Betriebs mittel.The object of the invention is to create a burner fabric cell with improved operational management medium.
Anspruchsgemäß wird die Aufgabe durch eine Brennstoff zelle gelöst, bei der eine Elektrode von einem an die Elektrodenoberfläche angrenzenden Kanal oder Raum durch eine gelochte Platte getrennt ist. Eine gelochte Platte ist ein flächiges, mit Löchern versehenes Element. Sie ist parallel zu den Schichten der Brennstoffzelle (Elektroden- und Elektrolytschichten) angeordnet. Über den angrenzenden Raum oder Kanal wird das entsprechende Betriebsmittel zu- und abgeführt. Die Löcher bzw. Öff nungen in der Platte sind makroskopisch groß, also mit bloßem Auge sichtbar.According to the claim, the task is performed by a fuel cell, in which an electrode from one to the Electrode surface adjacent channel or space through a perforated plate is separated. A perforated plate is a flat element with holes. she is parallel to the layers of the fuel cell (Electrode and electrolyte layers) arranged. about the adjacent room or channel becomes the corresponding one Operating supplies fed and discharged. The holes or opening openings in the plate are macroscopically large, i.e. with visible to the naked eye.
Im Unterschied zum eingangs genannten Stand der Technik mit den getrennten Kanälen ist hier die Gaszuführung zugleich die Gasableitung. In Strömungsrichtung des Ga ses nimmt die Dichte und/oder der Durchmesser der Lö cher insbesondere zu.In contrast to the prior art mentioned at the beginning with the separate channels here is the gas supply at the same time the gas discharge. In the direction of flow of the Ga It takes the density and / or the diameter of the solution cher especially to.
Gase gelangen durch die Löcher zur angrenzenden Elek trode. Die Gase strömen regelmäßig nicht unmittelbar durch ein benachbartes Loch wieder ab. Es treten im Vergleich zu einer Brennstoffzelle mit getrennten Zu- und Abführungskanälen große Durchmischungen (Verwirbe lungen) auf. Temperaturgradienten werden so vermieden.Gases pass through the holes to the adjacent electronics trode. The gases do not regularly flow directly through an adjacent hole. It occurs in Comparison to a fuel cell with separate additions and discharge channels large intermingling (swirls lungs). This avoids temperature gradients.
Insbesondere bei Brennstoffzellen, bei denen eine in terne Reformierung oder Oxidationsreaktion abläuft, treten Temperaturgradienten auf. Die sehr schnell ab laufende Reformierungsreaktion beschränkt sich in einer Brennstoffzelle regelmäßig lokal auf wenige Millimeter. Die Reaktion ist stark endotherm. Daher sind insbeson dere im Fall der internen Reformierung große Durch mischungen zur Steigerung des Wirkungsgrades von Vor teil.Particularly in the case of fuel cells in which one in internal reforming or oxidation reaction takes place, temperature gradients occur. The very quickly ongoing reforming reaction is limited to one Fuel cells regularly locally to a few millimeters. The reaction is very endothermic. Therefore, in particular great success in the case of internal reform mixtures to increase the efficiency of pre part.
Bei der anspruchsgemäßen Brennstoffzelle werden eine Vielzahl von getrennten Kanälen vermieden. Der kon struktive Aufwand ist somit gering. Es muß lediglich z. B. ein perforiertes Blech zwischen einem verbindenden Element der Brennstoffzelle und der angrenzenden Elek trode vorgesehen werden.In the fuel cell according to the claims, one Avoid large number of separate channels. The con structural effort is therefore low. It just has to e.g. B. a perforated sheet between a connecting Element of the fuel cell and the adjacent elec trode can be provided.
Durchtrittsfläche wird im folgenden die Fläche genannt, durch die ein Betriebsmittel durch die gelochte Platte hindurchströmt. Sie stellt also eine Summe von Flächen der Löcher in der anspruchsgemäßen Platte dar. Passage area is referred to below as the area through which a resource through the perforated plate flows through. So it represents a sum of areas of the holes in the demanding plate.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung nimmt die Durchtrittsfläche in Strömungsrichtung um we nigstens 10%, vorzugsweise um wenigstens 100% zu. Die Durchtrittsfläche der anspruchsgemäßen Platte im Ein trittsbereich der Betriebsmittel in die Brennstoffzelle ist also um wenigstens 10% kleiner im Vergleich zu den Verhältnissen beim Austrittsbereich. Betrachtet werden dabei Durchtrittsflächen, die sich auf gleich große Teile der Platte im Eingangs- und Austrittsbereich be ziehen.In an advantageous embodiment of the invention increases the passage area in the flow direction at least 10%, preferably by at least 100%. The Passage area of the demanding plate in one area where the equipment enters the fuel cell is at least 10% smaller than the Conditions at the exit area. To be viewed as thereby passageways that are of equal size Be parts of the plate in the entrance and exit area pull.
Durch Vorsehen einer zunehmenden Durchtrittsfläche wird erreicht, daß nicht bereits im Eingangsbereich ein Be triebsmittel vollständig in den entsprechenden Elektro denraum eintritt und somit lediglich im Eingangsbereich die in einer Brennstoffzelle ablaufenden chemischen Re aktionen bevorzugt stattfinden. Es kann so eine Gleich verteilung der in der Elektrode ablaufenden Reformie rungsreaktion herbeigeführt werden. Die elektrochemi schen Reaktionen an der Grenzfläche Elektrode-Elektrolyt können in gleicher Weise so gesteuert wer den, daß diese örtlich gleichmäßig verteilt stattfin den.By providing an increasing passage area achieved that a loading is not already in the entrance area fully in the corresponding electrical equipment the room enters and thus only in the entrance area the chemical Re running in a fuel cell actions take place preferentially. It can be an equal distribution of the reformie running in the electrode tion reaction can be brought about. The electrochemical reactions at the electrode-electrolyte interface can be controlled in the same way the fact that this takes place evenly distributed locally the.
Eine Zunahme von wenigsten 100% gewährleistet im Ver gleich zur Zunahme um 10% regelmäßig in verbesserter Weise die gewünschte örtliche Gleichverteilung.An increase of at least 100% guaranteed in ver equal to the 10% increase regularly in improved Way the desired local uniform distribution.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Er findung wird eine Hochtemperaturbrennstoffzelle vorge sehen, bei der die gelochte Platte aus einem hochle gierten warmfesten Stahl (z. B. X8 CrNiMoNb 16 16) oder einer elektrisch leitfähigen Keramik (z. B. La(Sr,Ca)CrO3) besteht. Diese Materialien eignen sich für den Einsatz in einer Hochtemperaturbrennstoffzelle, da sie warmfest und korrosionsbeständig sind. In a further advantageous embodiment of the invention, he will see a high-temperature fuel cell, in which the perforated plate is made of a high-alloy heat-resistant steel (e.g. X8 CrNiMoNb 16 16) or an electrically conductive ceramic (e.g. La (Sr, Ca ) CrO 3 ) exists. These materials are suitable for use in a high-temperature fuel cell because they are heat-resistant and corrosion-resistant.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Er findung ist die Durchtrittsfläche einer gelochten Plat te wenigestens zweimal so groß wie die Austrittsfläche. Betriebsmittel treten dann im nennenswerten Umfang durch die Durchtrittsfläche hindurch, statt lediglich durch die Austrittsfläche zu entweichen. Unter Austrittsflä che ist die Fläche der Austrittsöffnung aus der Brenn stoffzelle heraus zu verstehen.In a further advantageous embodiment of the Er is the passage area of a perforated plate te at least twice as large as the exit area. Equipment then passes through to a significant extent through the passage area instead of just through to escape the exit surface. Under exit area che is the area of the outlet opening from the furnace to understand the fabric cell.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird das aus der Brennstoffzelle austretende Brenngas einer nächsten Brennstoffzelle zugeführt oder derselben Brennstoffzelle wieder zugeleitet.In an advantageous embodiment of the invention the fuel gas emerging from the fuel cell next fuel cell supplied or the same Fuel cell supplied again.
Es findet dann eine Restnutzung von unverbrauchtem Brennstoff statt.It then finds a residual use of unused Fuel instead.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Er findung bildet ein gelochtes Blech die anspruchsgemäße Platte. Das Blech ist an das verbindende Element ge schweißt.In a further advantageous embodiment of the Er a perforated sheet forms the most demanding Plate. The sheet is ge to the connecting element welds.
Dieser Aufbau ist einfach und preiswert herzustellen.This structure is simple and inexpensive to manufacture.
Ferner kann das verbindende Element zusammen mit der gelochten Platte aus einem Werkstück hergestellt wer den.Furthermore, the connecting element together with the perforated plate made from a workpiece the.
Hierfür werden in einen Metallblock Löcher gebohrt, die parallel zum Metallblock verlaufen. Diese dienen der Zuführung eines Betriebsmittels in das Innere eines Brennstoffzellenstapels. Senkrecht hierzu werden Löcher so gebohrt, daß ein Betriebsmittel von den parallel verlaufenden Löchern zu einer noch anzubringenden Elek trode gelangen können. Auf der gegenüberliegenden Seite zur vorgenannten Elektrode werden Rillen in das Werk stück gefräst. Über die Rillen wird ein Betriebsmittel zur Gegenelektrode geleitet. For this purpose holes are drilled in a metal block run parallel to the metal block. These serve the Feeding an item of equipment into the interior of a Fuel cell stack. Holes are perpendicular to this drilled so that an asset of the parallel running holes to an Elek trode can get. On the opposite side grooves are made in the factory for the aforementioned electrode piece milled. A resource is created over the grooves passed to the counter electrode.
Es liegt nun ein einstückig gefertigtes verbindendes Element (bipolare Platte) vor, welches eine Platte im Sinne des Anspruchs aufweist.There is now a one-piece connecting Element (bipolar plate), which is a plate in the Has sense of the claim.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Er findung sind die Zuführungs- bzw. Abführungskanäle für Luft und Brennstoff parallel und flächig nebeneinander angeordnet. Diese Anordnung der Kanäle befindet sich z. B. innerhalb eines einstückigen Bauelementes. Das einstückige Bauelement besteht vorzugsweise aus einer hochwarmfesten Legierung. Bohrungen in dem Bauelement bilden die Kanäle. Vom Luftkanal (Kanal, in den das Oxidationsmittel, wie zum Beispiel Luft, während des Betriebes der Brennstoffzelle eingeleitet wird) in Richtung der Kathode und vom Brennstoffkanal (Kanal, in den der Brennstoff während des Betriebes der Brenn stoffzelle eingeleitet wird) in Richtung der Anode ins besondere senkrecht verlaufende Bohrungen sind vorgese hen.In a further advantageous embodiment of the Er are the supply and discharge channels for Air and fuel parallel and flat next to each other arranged. This arrangement of the channels is located e.g. B. within a one-piece component. The one-piece component preferably consists of a high-temperature alloy. Bores in the component form the channels. From the air duct (duct into which the Oxidizing agents, such as air, during the Operation of the fuel cell is initiated) in Direction of the cathode and from the fuel channel (channel, in which the fuel during the operation of the Brenn is introduced into the direction of the anode special vertical bores are provided hen.
Die bipolare Platte mit den Kanälen ist dann sehr kom pakt. Das Volumen und das Gewicht eines Stapels von Brennstoffzellen kann so gering gehalten werden.The bipolar plate with the channels is then very com pact. The volume and weight of a stack of Fuel cells can be kept as low as possible.
Fig. 1 zeigt eine gelochte Platte in Aufsicht (oben) und in einer Seitenansicht (unten). Ein zur Brennstoff zelle strömendes Betriebsmittel gelangt zuerst zu dem Bereich mit den kleinen Löchern und zuletzt zu dem Be reich mit den großen Rechtecken. Durch Vorsehen der un terschiedlich großen Durchtrittsflächen wird der Zu tritt zur Elektrode geeignet gesteuert. Fig. 1 shows a perforated plate in top view (top) and in a side view (bottom). Operating fluid flowing to the fuel cell first reaches the area with the small holes and finally to the area with the large rectangles. The passage to the electrode is suitably controlled by providing the differently large passage areas.
Fig. 2 zeigt eine Seitenansicht einer bipolare Platte, in die gelochte Platten im Sinne der Erfindung inte griert sind. Gezeigt werden Bohrungen, in die die Be triebsmittel eingeleitet werden. Von den Bohrungen zweigen senkrechte Bohrungen ab, die durch die gestri chelten Linien angedeutet werden. Wiederum unterschei den sich im Eintrittsbereich die senkrecht abzweigenden Bohrungen von denen im Austrittsbereich analog zur in Fig. 1 gezeigten Weise. Fig. 2 shows a side view of a bipolar plate, the perforated plates are inte grated in the sense of the invention. Holes are shown, into which the equipment is introduced. Vertical holes branch off from the holes, which are indicated by the dashed lines. Again, the vertically branching holes in the entry area differ from those in the exit area analogously to the manner shown in FIG. 1.
Claims (4)
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