DE60007299T2 - Brennstoffzelle mit kühlsystem basiert auf direkteinspritzung von flüssigem wasser - Google Patents

Brennstoffzelle mit kühlsystem basiert auf direkteinspritzung von flüssigem wasser Download PDF

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  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle, und insbesondere eine Brennstoffzelle, in der eine Polymermembran als Elektrolyt verwendet wird.
  • Brennstoffzellen sind elektrochemische Generatoren elektrischer Energie in Form von Gleichstrom; mit anderen Worten, sie wandeln die freie Reaktionsenergie eines Brennstoffs (zum Beispiel eine gasförmige Mischung, die Sauerstoff oder einen leichten Alkohol wie Methanol oder Ethanol enthält) mit Hilfe eines Oxidationsmittels (zum Beispiel Luft oder Sauerstoff) ohne seine vollständige Zersetzung in thermische Energie um und unterliegen daher nicht den Einschränkungen des Cannot-Prozesses. Um die gewünschte Umwandlung von chemischer Energie in elektrische Energie zu erreichen, wird der Brennstoff an der Anode der Zelle oxidiert, wobei gleichzeitig H+-Ionen freigesetzt werden, während das Oxidationsmittel an der Kathode reduziert wird, wo H+-Ionen verbraucht werden; die beiden Pole des Generators müssen durch einen geeigneten Elektrolyten getrennt werden, so dass ein kontinuierlicher Fluss der H+-Ionen von der Anode zur Kathode gewährleistet und gleichzeitig der Austausch von Elektronen von einem Pol zum anderen unterbunden ist, wodurch die Differenz des elektrischen Potentials zwischen den beiden Elektroden maximiert wird. Diese Potential-Differenz bedeutet in der Tat die treibende Kraft in dem Prozess selber. Die Brennstoffzellen werden als ausgezeichnete Alternative zu den konventionellen Prozessen der Stromgewinnung betrachtet; besonders in Hinblick auf ihre extrem günstige Wirkung auf die Umwelt (frei von belastenden Emissionen und Lärm, Bildung von Wasser als einzigem Nebenprodukt) werden sie sowohl im Bereich der stationären Stromgewinnung in verschiedenen Maßstäben (Kraftwerke zur Erzeugung von Strom, Notstrom-Aggregate etc.) als auch im Bereich mobiler Anwendung (Anwendung im Bereich Elektrofahrzeuge, Erzeugung von Energie für die Fortbewegung oder Hilfsenergie in den Bereichen Weltraum, U-Boote und Marine) eingesetzt.
  • Die Polymermembran-Brennstoffzellen bieten, im Vergleich zu anderen Brennstoffzellen, weitere Vorteile auf Grund ihrer kurzen Anlaufzeit und ihres schnellen Erreichens der optimalen Prozessbedingungen, der hohen Energiedichte, der immanenten Verlässlichkeit auf Grund des Fehlens beweglicher Teile als auch der Abwesenheit von Korrosions-Phänomenen und von belastenden Wärmekreisläufen; in der Tat weisen die Polymermembran-Brennstoffzellen von allen Brennstoffzellen gemäß dem Stand der Technik die niedrigste Gesamt-Betriebstemperatur auf (in der Regel 70 – 100°C).
  • Der für diesen Zweck verwendete Polymer-Elektrolyt ist eine Ionentauscher-Membrane, und insbesondere eine Kationentauscher-Membrane, das heißt ein chemisch inertes Polymer, das teilweise mit Gruppen funktionalisiert ist, die in der Lage sind, eine Säure-Base-Hydrolyse zu durchlaufen, was zu einer Auftrennung elektrischer Ladung führt; diese Hydrolyse umfasst insbesondere die Abgabe positiver Ionen (Kationen) und die Bildung gebundener negativer Ladung auf dem die Membran bildenden Polymer. Auf der Oberfläche der Membran sind poröse Elektroden angebracht, die es den Reaktionsteilnehmern erlauben, hierdurch bis zur Grenzfläche der Membran zu fließen. Ein Katalysator ist an dieser Grenzfläche auf der Elektroden- und /oder Membran-Seite aufgebracht, wie zum Beispiel Platinmohr, welches die entsprechende Teilreaktion der Oxidation des Brennstoffes oder der Reduktion des Oxidationsmittels begünstigt. Diese Anordnung sorgt auch für den kontinuierlichen Kationen-Fluss, sobald das Potential-Gefälle zwischen den beiden Seiten der Membran eingestellt ist und der externe Stromkreis gleichzeitig geschlossen ist; sofern, wie zuvor erwähnt, das H+-Ion das in diesem Fall transportierte Kation ist, verursacht die Potential-Differenz, erzeugt durch die Zufuhr einer Spezies mit einem geringeren elektrochemischen Potential auf der Anodenseite und einer Spezies mit einem höheren elektrochemischen Potential auf der Kathodenseite, eine Protonenleitung, welche einem Elektronen-Fluss (das heißt einem elektrischen Strom) über den externen Stromkreis entspricht, sobald letzterer geschlossen ist.
  • Die Protonenleitung ist eine wesentliche Bedingung für den Betrieb einer Brennstoffzelle und ist einer der entscheidenden Parameter, ihren Wirkungsgrad zu bewerten. Eine unzureichende Protonenleitung verursacht einen merklichen Abfall in der Potential-Differenz zwischen den Polen der Zelle (Spannungsabfall über der Zelle) sobald der Stromkreis über die externe Widerstandslast geschlossen ist, die die produzierte elektrische Ausgangsleistung ausnutzt. Dieses wiederum verursacht eine erhöhte Umwandlung der Reaktionsenergie in thermische Energie und die daraus resultierende Verringerung des Wirkungsgrades der Brennstoff-Umwandlung.
  • Auf dem Markt sind verschiedene Kationentauscher-Membranen, die günstigste Kenndaten für die Protonenleitung bieten, erhältlich und in industriellen Brennstoffzellen weit verbreitet im Einsatz, so zum Beispiel jene, die unter den Warenzeichen Nafion® von Dupont de Nemours, U.S.A., Gore Select® von Gore, U.S.A., Aciplex® von Asahi Chemicals, Japan in den Handel gebracht werden. Alle diese Membranen haben den Nachteil einer mit ihrem Wirkmechanismus verbundenen immanenten Beschränkung des Prozesses: Da die Trennung elektrischer Ladung, die die Protonenleitung ermöglicht, durch den Hydrolyse-Mechanismus festgelegt wird, entwickeln solche Membranen ihre Leitfähigkeit nur in Anwesenheit von flüssigem Wasser. Obwohl die Bildung von Wasser eine wesentliche Folge der Arbeitsweise einer Brennstoffzelle ist, ist die sich ergebende Menge fast immer ungenügend, den ordnungsgemäßen Befeuchtungsgrad der Membran aufrechtzuerhalten, insbesondere wenn sie mit einer genügend hohen Stromdichte betrieben wird.
  • Der Betrieb mit hoher Stromdichte hat in der Tat eine Abnahme der Investitionskosten bei einer vorgegebenen Ausgangsleistung zur Folge, aber auch eine Abnahme des energetischen Wirkungsgrades und die Erzeugung einer größeren Wärmemenge. Die große Wärmemenge, die in einer mit einer Stromdichte von praktischem Nutzen (zum Beispiel zwischen 150 und 1500 mA/cm2) betriebenen Brennstoffzelle erzeugt wird, muss effizient abgeführt werden, um die Wärmeregelung des Systems zuzulassen, nicht nur mit Blick auf die eingeschränkte thermische Stabilität der üblicherweise für den Einsatz über 100°C untauglichen Ionentauscher-Membrane, sondern auch um die Verdampfung des erzeugten Wassers und seine daraus resultierende Ableitung durch den Strom der Inerten und der nicht umgewandelten Reaktionsteilnehmer aus der Zelle so gering wie möglich zu halten. Außerdem werden, da die Spannung zwischen den Polen einer einzelnen Brennstoffzelle zu klein ist, um eine praktische Anwendung zuzulassen, diese Zellen in der Regel durch bipolare Verbindungen in Reihe geschaltet und in einer Filterpressen-Anordnung montiert, wobei die Reaktionsteilnehmer parallel eingespeist werden, wie im U.S. Patent Nr. 3,012,086 erläutert. In solch einer Brennstoffzellen-Batterie-Anordnung, in der Regel „Stapel" genannt, verstärkt sich das Problem der Wärmeabfuhr im Vergleich zur Einzelzelle, in welcher es möglich ist, den Wärmetransport über die Außenwände auszunutzen. Aus diesem Grund stellen alle Ausführungen von Brennstoffzellen des Standes der Technik angemessene Flüssigkeitskreisläufe für die Wärmeabfuhr mittels Wärmeaustausch mit einer zirkulierenden Flüssigkeit bereit; solch eine Flüssigkeit kann in Serpentinen, die in den Bipolarplatten ausgeformt sind, oder in geeignete, zwischen den damit in elektrischem Kontakt stehenden Einzelzellen interkalierte Abschnitte eingespeist werden; beide Lösungen verkomplizieren die Konstruktion der Stapel, indem sie Gewicht und Volumen erhöhen und dadurch die Stromdichte als einen Parameter, dessen Maximierung in höchstem Maße besonders im Fall der mobilen Anwendungen gefordert wird, herabsetzen.
  • Eine unter diesem Gesichtspunkt weniger aufwändige Lösung wird in der PCT Patentanmeldung Nr. WO 98/28809 beschrieben, worin die Kühlflüssigkeit in einem an die aktive Oberfläche der Zelle angrenzenden peripheren Bereich der Bipolarplatten im Kreislauf geführt wird; indes erhält man auf diesem Wege ein transversales Temperaturprofil, wobei das Zentrum der Membran bei einer höheren Temperatur als der des Randbereiches betrieben wird, wodurch sich ein Temperaturgefälle einstellt, das eine potentiell große Gefahr für die Unversehrtheit der Membran selber darstellt.
  • Selbst wenn das Ausmaß der für das Herabsetzen der Systemtemperatur unter 100°C benötigten Wärmeabfuhr, wenn auch ziemlich schwierig, erreichbar erscheint, bleibt schließlich der gleichzeitige Wasserabfluss von den Brennstoffzellen-Stapeln zu hoch, als dass das erzeugte Wasser eine ausreichende Befeuchtung ausschließlich der Membranen aufrecht erhalten kann; die Stapel-Ausführungen des Standes der Technik haben deshalb ein zweites Hilfssystem zusätzlich zum Kühlsystem eingeführt, das für das Einspritzen der benötigten zusätzlichen Wassermenge in den Generator sorgt. Dieser Kreislauf sorgt generell für das Vor-Befeuchten der Reaktionsteilnehmer am Einlass der Anoden- und der Kathodenkammern der Brennstoffzellen, zum Beispiel durch das Einperlen in flüssiges Wasser oder durch die Diffusion von Wasserdampf durch geeignete Membranen in Hilfszellen. Auch dieser zweite Kreislauf hat eine offensichtliche Zunahme an Gewicht, Volumen und Investitionskosten zur Folge; darüber hinaus muss die dem System zugeführte Wassermenge streng geregelt werden, da ein Überschuss an Flüssigkeit in den Zellkammern in dramatischer Weise die Blockierung des Zugangs der gasförmigen Reaktionsteilnehmer zur Oberfläche der Elektroden zur Folge haben würde. Die einzige Möglichkeit, eine wenn auch indirekte Kalibrierung des durch obiges System zugeführten Wassers zu erreichen, besteht darin, auf die Temperatur des Wassers selber und dadurch auf seinen Dampfdruck einzuwirken. Das wiederum macht eine Temperaturregelung des Befeuchtungssystems der Brennstoffzellen-Stapel dringend erforderlich, was die Konstruktion weiterhin verkompliziert.
  • Eine vorteilhaftere Lösung, eine ausreichende Wasserversorgung für den Strom der Reaktionsteilnehmer sicherzustellen, wird in der Europäischen Patent Veröffentlichung Nr. 316 626 beschrieben, worin man diesen Fluss durch Einspritzung zerstäubten Wassers befeuchtet, zum Beispiel mit Hilfe eines Ultraschall-Aerosol-Generators. Diese Lösung mindert teilweise das Erfordernis, den Stapel durch einen aufwändigen zusätzlichen Wärmetauscher-Kreislauf zu kühlen, da ein Teil des zugeführten Wassers innerhalb der Zelle verdampft wird, wodurch eine beträchtliche Wärmemenge abgeführt wird. Das System indes weist einen grundsätzlichen Nachteil auf, begründet in der Komplexität der Konstruktion bedingt durch den Aerosol-Erzeuger, welcher, außer teuer zu sein, einen gewissen Anteil der durch die Brennstoffzelle erzeugten elektrischen Ausgangsleistung verbraucht.
  • Darüber hinaus ist die Verweildauer des Wassers in der Zelle zu kurz, um gleichzeitig die Befeuchtung der Membran und die Kühlung des Stapels sicherzustellen, ohne auf Zusatzkreisläufe zurückzugreifen, besonders bei einer hohen Stromdichte und mit eine große Anzahl von Zellen umfassenden Stapeln. Ferner kann die Befeuchtung der Reaktionsteilnehmer oder die Zugabe zerstäubten Wassers vor dem Einspeisen dieser Reaktionsteilnehmer in die Einlass-Verteilerleitung ein gewisses Auskondensieren von Wasser oder Tröpfchenbildung darin verursachen, das die Einspeisung einer überschüssigen Wassermenge in einige Zellen des Stapels (typischenweise diejenigen näher am Einlass der Reaktionsteilnehmer), und eine ungenügende Wassermenge in einigen anderen Zellen (typischerweise diejenigen weiter entfernt vom Einlass der Reaktionsteilnehmer) zur Folge hat.
  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen Brennstoffzellen-Stapel mit einem netzartigen, elektrisch und thermisch leitfähigen Material, angeordnet zwischen der Bipolarplatte und der Elektroden-Oberfläche, wie zum Beispiel im U.S. Patent Nr. 5,482,792 beschrieben, worin man die Befeuchtung der Reaktionsteilnehmer und die Wärmeregelung durch eine Einzelkreislauf-Direkteinspritzung eines geeigneten Wasserflusses erreicht, welcher teilweise innerhalb des netzartigen Materials verdampft, indem dessen große Oberfläche und dessen thermische Leitfähigkeit ausgenutzt werden, was eine effiziente Wärmegewinnung aus den Elektroden erlaubt.
  • In einer Ausführungsform der Erfindung ist der Einspritzpunkt des Wassers in den Gasfluss stromabwärts von der Verteilerleitung für den Einlass der Reaktionsteilnehmer angeordnet.
  • In einer anderen Ausführungsform ist dieser Einspritzpunkt in der Peripherie des netzartigen Materials und räumlich von den Bereichen, in die die Reaktionsteilnehmer eingespeist werden, getrennt angeordnet.
  • In einer anderen Ausführungsform wird Wasser in die in dem netzartigen Material gebildeten Vertiefungen eingespritzt.
  • In einer anderen Ausführungsform wird Wasser in die serpentinenförmigen Vertiefungen, mit denen das netzartige Material innen versehen ist, eingespritzt und läuft entlang dessen gesamter Oberfläche.
  • In einer anderen Ausführungsform wird Wasser in die Vertiefungen in der Form zweier versetzter Kämme, mit denen das netzartige Material innen versehen ist, eingespritzt.
  • Die Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Figuren beschrieben, wobei:
  • 1 eine allgemeine schematische Darstellung eines in Form einer Filterpresse angeordneten Stapels aus Membran-Brennstoffzellen gemäß der Erfindung zeigt.
  • 2A eine allgemeine schematische Darstellung eines in Form einer Filterpresse angeordneten Stapels aus Membran-Brennstoffzellen des Standes der Technik zeigt; 2B zeigt eine Bipolarplatte des Standes der Technik.
  • 3, 4, 5 und 6 verschiedene Dichtungsarten für Brennstoffzellen zeigen.
  • 7, 8, 9 und 10 verschiedene Arten netzartiger Elemente für die Verteilung von Flüssigkeiten und die Verbindung zwischen den Bipolarplatten und den Elektroden innerhalb des Brennstoffzellen-Stapels zeigen.
  • Mit Bezug auf 1 umfasst jede Elementarzelle (1), welche die Wiederholungseinheit der Filterpressen-Anordnung in Modulbauweise darstellt, von innen nach außen betrachtet, eine Ionentauscher-Membran (2), ein Paar poröser Elektroden (3), ein Paar an der Grenzfläche zwischen der Membran (2) und jeder der beiden Elektroden (3) gebildeter katalytischer Schichten (4), ein Paar elektrisch leitfähiger netzartiger Elemente (5), ein Paar Dichtungen (6) für die Abdichtung nach außen, ein Paar Bipolarplatten (7), die den Bereich der Elementarzelle (1) abgrenzen. Die netzartigen Elemente (5) haben eine Mindestporosität von 50% und übernehmen die Aufgaben, die Bipolarplatten (7) mit den Elektroden (3) elektrisch zu verbinden und die gasförmigen Reaktionsteilnehmer und das Wasser zur Befeuchtung zu verteilen, wobei das letztere über die gesamte Stärke des netzartigen Elementes (5) fein verteilt wird und so die Verdampfung innerhalb des gesamten durch die Bipolarplatte (7) und die Elektrode (3) begrenzten Kammervolumens begünstigt wird. Geeignete Öffnungen in dem Randbereich der Bipolarplatten (7) und der der Dichtungen (6) bilden, angrenzend an die oben genannten Komponenten, die beiden oberen Verteilerleitungen (8), von denen nur eine in der Figur gezeigt wird und die benutzt werden können, um die Reaktionsteilnehmer einzuspeisen, und die beiden unteren Verteilerleitungen (9), die für das Ableiten des erzeugten Wassers, der gasförmigen Inerte und des nicht umgesetzten Anteils der Reaktionsteilnehmer benutzt werden können und von denen nur eine in der Figur gezeigt wird.
  • Alternativ können die unteren Verteilerleitungen (9) als Zufuhr-Leitungen und die oberen Verteilerleitungen (8) als Abfluss-Leitungen genutzt werden. Auch ist es möglich, einen der beiden Reaktionsteilnehmer über eine der oberen Verteilerleitungen (8) zuzuführen und dabei die korrespondierende untere Verteilerleitung (9) als Auslass zu benutzen, während man den anderen Reaktionsteilnehmer über die andere untere Verteilerleitung (9) zuführt und dabei die korrespondierende obere Verteilerleitung (8) als Auslass benutzt.
  • Außerhalb der Elementarzellen(1)-Konstruktion in einer Filterpressen-Anordnung gibt es zwei Endplatten (10), von denen eine mit Armaturen für die hydraulische Verbindung mit den Verteilerleitungen (8) und (9), die nicht in der Figur gezeigt werden, ausgestattet ist, und von denen beide mit für die zum Zusammenhalten des gesamten Stapels benötigten Streben geeigneten Bohrungen ausgestattet sind, die ebenfalls in der Zeichnung nicht gezeigt sind. Mit Bezug auf die 2A und 2B umfasst jede Elementarzelle (1'), die die sich wiederholende Einheit der Modulbauweise der Filterpressen-Anordnung ausmacht, von innen nach außen vorgehend, eine Ionentauscher-Membran (2'), ein Paar poröser Elektroden (3'), ein Paar katalytischer Schichten (4') gebildet an der Grenzfläche zwischen der Membran (2') und jeder der beiden Elektroden (3'), ein Paar ebener Dichtungen (6') für die hydraulische Abdichtung, ein Paar Bipolarplatten (7'), die den Bereich der Elementarzelle (1) abgrenzen. Die Bipolarplatten (7') haben ein Rippenprofil (11), dessen vorstehender Teil die elektrische Kontinuität durch den Stapel sicherstellt, während der vertiefte Teil die Zirkulation von Gasen und Wasser ermöglicht. Geeignete Öffnungen im Randbereich der Bipolarplatten (7') bilden, angrenzend an die oben genannten Komponenten, die beiden oberen Verteilerleitungen (8'), von denen nur eine in der Figur gezeigt wird und die benutzt werden können, um die Reaktionsteilnehmer einzuspeisen, und die beiden unteren Verteilerleitungen (9'), die für das Ableiten des erzeugten Wassers, der gasförmigen Inerte und des nicht umgesetzten Anteils der Reaktionsteilnehmer benutzt werden können, und von denen nur eine in der Figur gezeigt wird.
  • Auch in diesem Fall ist es möglich, die Funktion der unteren und der oberen Verteilerleitungen umzukehren.
  • Außerhalb der Elementarzellen(1')-Konstruktion in einer Filterpressen-Anordnung gibt es zwei Endplatten (10'), von denen eine mit Armaturen für die hydraulische Verbindung mit den Verteilerleitungen (8') und (9'), die nicht in der Figur gezeigt werden, ausgestattet ist, und von denen beide mit für die Streben, die zum Zusammenhalten des gesamten Stapels gebraucht werden, geeigneten Bohrungen ausgestattet sind, die ebenfalls in der Zeichnung nicht gezeigt werden.
  • Mit Bezug auf die 3, 4, 5 und 6 werden einige Ausführungsformen von Dichtungen (6) mit einem oberen Loch (12), das die obere Verteilerleitung (8) durch Nebeneinanderstellung in einer Filterpressen-Anordnung bildet, einem unteren Loch (13), das die untere Verteilerleitung (9) durch Nebeneinanderstellung in einer Filterpressen-Anordnung bildet, dem Gehäuse (14) für das netzartige Element (5) und, wahlweise, einen oder mehrere Kanäle für die Wassereinspritzung (15) gezeigt.
  • Mit Bezug auf 7A wird eine Ausführungsform des netzartigen Elementes (5) aus einem flachen Streckmetall mit rhomboidischen Maschen gezeigt; in 7B wird ein ebenes feines Netz mit quadratischen Maschen gezeigt.
  • Mit Bezug auf die 8, 9 und 10 werden einige Ausführungsformen netzartiger Elemente (5) aus einem verformbaren metallischen Material, wie zum Beispiel einem Metallschaum, gezeigt; in den Ausführungsformen gemäß 9 und 10 werden Vertiefungen (16) innerhalb diesen metallischen Materials gebildet, zum Beispiel durch Kaltpressen, welche als bevorzugte Kanäle zur Wasser-Einspritzung fungieren.
  • Beispiel 1
  • Zwei Stapel, einer aus 15 und einer aus 30 Elementarzellen (1), wurden gemäß dem Schema der 1 gefertigt und mit den folgenden Komponenten ausgestattet:
    • – Ionentauscher-Membranen (2) Nafion® 115, vertrieben von Dupont de Nemours
    • – Elektroden (3), vertrieben von E-Tek, Inc. unter dem Warenzeichen ELAT®, aktiviert durch eine katalytische Schicht (4) aus Platinpartikeln auf dem Trägermaterial Aktivkohle mit einer aktiven Oberfläche von 200 cm2
    • – Netzartige Elemente (5) aus Nickelschaum, wie in 8 gezeigt, mit einer Porengröße von 1 bis 3 mm
    • – Dichtungen (6) gemäß dem Schema in 3
    • – Bipolarplatten (7) aus einem 2 mm starken Edelstahl-Blech
    • – Aluminium-Endplatten (10), elektrisch verbunden mit den Bipolarplatten (7) der Außenzellen, ausgestattet mit Stromabnehmeranschlüssen, die mit einer veränderlichen Widerstandslast verbunden sind.
  • Die Stapel waren durch geeignete Armaturen auf eine der Endplatten (10) montiert und mit der Einspeisung der gasförmigen Reaktionsteilnehmer und mit einem externen Kreislauf, in dem entsalztes, mittels eines Wärmetauschers auf die gewünschte Temperatur geregeltes Wasser umgewälzt wurde, verbunden. Durch diese Verbindungen wurden die Stapel mit einer Mischung aus 70% Wasserstoff am negativen Pol (auf der Anodenseite) und mit Luft am positiven Pol (auf der Kathodenseite) gespeist, und mittels der oberen Verteilerleitung (8), erhalten durch die Nebeneinanderstellung der oberen Löcher (12) und der entsprechenden Öffnungen in den Bipolarplatten (7) in einer Filterpressen-Gestaltung. Denselben Verteilerleitungen (8) wurde ein Strom entsalzten Wassers aus dem entsprechenden Kreislauf zugeführt, dessen Durchflussrate nach Bedarf dem dynamischen Ansprechverhalten des Systems angepasst wurde.
  • Die Stapel waren nicht mit einer Zusatzkühlung in Ergänzung zu der durch die Verdunstung des in die Verteilerleitungen (8) eingespritzten Wassers ausgestattet.
  • Die Stapel wurden 12 Stunden mit einer Stromdichte von 300 mA/cm2 betrieben, wobei die Zellentemperatur auf 70°C geregelt und die Spannung der einzelnen Zellen überwacht wurde. Die Wasser-Durchflussrate wurde manuell so eingestellt, dass die Spannung der einzelnen Zellen maximiert wurde. Am Ende der manuellen Einstellung wurde eine Spannung von 715 bis 745 mV an jeder Zelle der beiden Stapel ermittelt. In dem 30-Zellen-Stapel waren die Zellen mit den geringsten Spannungswerten statistisch verteilt weiter entfernt von der mit den Einlässen für die Reaktionsteilnehmer und das Wasser verbundenen Endplatte (am Ende befindliche Zellen); nach der ersten Betriebsstunde neigte die Spannung der einzelnen Zellen dazu, ungefähr konstant zu bleiben.
  • Die an den Endplatten (10) angebrachte Widerstandslast wurde dann verändert, um eine Stromdichte von 600 mA/cm2 aus den beiden Stapeln zu ziehen; der 15-Zellen-Stapel hielt einen stabilen Betriebszustand aufrecht, mit Einzelzellen-Spannungen von 600 bis 670 mV, wobei die niedrigsten Werte statistisch unter den am Ende befindlichen Zellen verteilt waren; der 30-Zellen-Stapel wurde nach ungefähr einer Stunde außer Betrieb genommen, da die an den Endzellen ermittelten Spannungen kontinuierlich sanken, höchstwahrscheinlich auf Grund lokaler Überhitzung.
  • Die gleichen Tests wurden wiederholt, wobei Wasser mit einem Ultraschall-Aerosol-Generators zerstäubt wurde, bevor dasselbe Wasser in die oberen Verteilerleitungen (8) eingespritzt wurde. In allen Fällen wurde keine Veränderung der Arbeitsleistung beobachtet.
  • Vergleichsbeispiel 1
  • Ein 15-Zellen-Stapel wurde entsprechend der Lehre des Standes der Technik nach dem in 2 dargestellten Schema hergestellt.
  • Der Stapel war mit den folgenden Komponenten ausgestattet:
    • – Nafion® 115 Ionentauscher-Membranen (2'), vertrieben von Dupont de Nemours
    • – ELAT® Elektroden (3'), vertrieben von E-Tek Inc., aktiviert von einer katalytischen Schicht (4') aus Platinpartikeln auf dem Trägermaterial Aktivkohle mit einer aktiven Oberfläche von 200 cm2
    • – Ebene Dichtungen (6') von der gleichen Stärke wie die Elektroden (3')
    • – Bipolarplatten (7') aus einer gerippten Graphit-Platte mit einer Stärke von 5 mm
    • – Kupfer-Endplatten (10'), elektrisch verbunden mit den Bipolarplatten (7') der Außenzellen, ausgestattet mit Stromabnehmeranschlüssen, die mit einer veränderlichen Widerstandslast verbunden sind.
  • Ähnlich zu dem vorangegangenen Experiment, war der Stapel durch geeignete Armaturen auf eine der Endplatten (10') montiert und mit dem Zufuhrkreislauf der gasförmigen Reaktionsteilnehmer und mit einem externen Kreislauf, in dem entsalztes, mittels eines Wärmetauschers auf die gewünschte Temperatur geregeltes Wasser umgewälzt wurde, verbunden. Durch diese Verbindungen wurden die Stapel mit einer Mischung aus 70% Wasserstoff am negativen Pol (auf der Anodenseite) und mit Luft am positiven Pol (auf der Kathodenseite) über die obere Verteilerleitung (8') gespeist; ein Strom entsalzten Wassers wurde aus dem entsprechenden Kreislauf in dieselben Verteilerleitungen (8') eingespeist. Die Stapel waren nicht mit einer Zusatzkühlung in Ergänzung zu der durch die Verdunstung des in die Verteilerleitungen (8') eingespritzten Wassers ausgestattet. Ungeachtet aller Bemühungen, die Wasser-Durchflussrate auf die gleiche, wie für die vorangegangenen Versuche beschriebenen Art zu regeln, war es nicht möglich, eine Stromdichte von 300 mA/cm2 zu erreichen, da die Spannungen einiger – zufällig verteilter – Zellen dazu neigten, mit der Zeit auf Grund von Überhitzung abzunehmen. Durch Absenken der Stromdichte war es möglich, einen stabilen Betrieb bei 70 mA/cm2 zu erhalten; bei einem solchen Wert waren die Spannungen der einzelnen Zellen in einem Bereich von 800 bis 550 mV verteilt; es war möglich, die Stromdichte bis auf 100 mA/cm2 zu erhöhen, als Wasser mit dem Ultraschall-Aerosol-Generator aus dem vorherigen Beispiel zerstäubt wurde, dagegen war es nicht möglich, die Stromabgabe weiter zu erhöhen. Das Ergebnis dieser Tests ließ eine knappe Übereinstimmung bezüglich der Wassereinspritzung unter den verschiedenen Zellen des Stapels und, innerhalb der einzelnen Zellen, die ungleichmäßige Wasserverteilung innerhalb der Rippenstruktur erkennen; stromaufwärts mildert die Wasserzerstäubung das Problem etwas, ohne die gleiche Effektivität der feinen, durch das netzartige Element des vorangegangenen Beispiels erzeugten Fragmentierung über das gesamte Volumen der Zelle aufzuweisen.
  • Beispiel 2
  • Die beiden Stapel des Beispiels 1 wurden mit den gasförmigen Reaktionsteilnehmern und mit Wasser durch die unteren Verteilerleitungen (9) gespeist, wobei die oberen Verteilerleitungen (8) als Abfluss benutzt wurden. Unter diesen Bedingungen war es möglich, auch den 30-Zellen-Stapel mit 600 mA/cm2 zu betreiben, auch wenn die Spannungen der fünf am Ende befindlichen Zellen unter 600 mV blieben. Bei der gleichen Stromdichte waren die Spannungen des 15-Zellen-Stapels in einem Bereich von 650 bis 670 mV verteilt; obwohl die Maximalwerte dicht an den Bezugswerten des vorhergehenden Tests lagen, in denen die Einspritzung durch die oberen Verteilerleitungen vorgenommen wurde, fiel die Werte-Verteilung der Zell-Spannungen sehr viel einheitlicher aus. Die Erklärung hierfür liefert die Tatsache, dass es möglich ist, wenn eine Vielzahl von Zellen parallel aus einer auf einem höheren Niveau gelegenen Verteilerleitung gespeist wird, dass sich ein Teil des Wassers auf dem Boden der Verteilerleitung selber sammelt und anschließend durch den Einlass der dem Wasser-Einspritzpunkt näher liegenden Gruppe von Zellen fällt. Im Falle der Wassereinspritzung von unten fällt Wasser nicht in die Zellen, sondern wird stattdessen von dem einströmenden Gas angesaugt, wodurch für einen gleichmäßigeren Durchfluss in jeder Zelle gesorgt wird.
  • Beispiel 3
  • Die Tests der Beispiele 1 und 2 wurden wiederholt, wobei reiner Wasserstoff als Brennstoff zugeführt, die Auslass-Verteilerleitung auf den Anodenseite verschlossen und Wasser nur durch die Verteilerleitung für den Luft-Einlass eingespritzt wurde. In beiden Fällen wurde beobachtet, dass die Arbeitsleistung der Stapel im Wesentlichen die gleiche wie in den vorangegangenen Fällen war, wobei die festgestellten leichten Erhöhungen der Zellspannungen auf den höheren molaren Anteil des Brennstoffes zurückzuführen sind. Darüber hinaus wurde festgestellt, dass es im Falle eines vollständigen Verbrauchs des reinen Kraftstoffes an der Anode (Dead-End-Betrieb) ausreicht, nur den Oxidationsmittel-Strom zu befeuchten.
  • In diesem Fall erzielte die vorgeschaltete Wasserzerstäubung mit dem Ultraschall-Aerosol-Generator keinerlei positive Wirkung.
  • Beispiel 4
  • Der 30-Zellen-Stapel der vorangegangenen Beispiele wurde 35° um seine Hauptachse gedreht, so dass für jede seiner mit Luft gespeisten Dichtungen (6) das untere Loch (13) auf einem tieferen Niveau bezüglich seiner ursprünglichen Position zu liegen kam, und daraus folgend befand sich die gesamte untere Verteilerleitung (9) auf der Luftseite auf einem niedrigeren Niveau bezüglich seines ursprünglichen Niveaus. Der Stapel wurde dann mit Luft aus der entsprechenden unteren Verteilerleitung (9) gespeist, wobei Wasser wie in den vorangegangenen Beispielen eingespritzt wurde. Reiner Wasserstoff wurde durch die entsprechende untere Verteilerleitung (9) bis zum vollständigen Verbrauch ohne irgendwelche Befeuchtung eingespeist, und es wurde die relevante obere Verteilerleitung (8) geschlossen, entsprechend einer Dead-End-Betriebsweise.
  • Beispiel 5
  • Ein 45-Brennstoffzellen-Stapel wurde entsprechend der Lehre des Standes der Technik nach dem Schema der 1 gefertigt und mit den folgenden Komponenten ausgestattet:
    • – Ionentauscher-Membranen (2), vertrieben von Gore, U.S.A. unter dem Warenzeichen Gore Select® 115
    • – Elektroden (3), vertrieben von E-Tek, Inc. unter dem Warenzeichen ELAT®, aktiviert mit einer katalytischen Schicht (4) aus Platinpartikeln auf Aktivkohle als Trägermaterial mit einer aktiven Oberfläche von 900 cm2
    • – Netzartige Elemente (5) hergestellt durch Gegeneinandersetzen eines flachen Streckmetall mit rhomboidischen Maschen mit einer Seitenlänge von 3 mm, wie in 7A gezeigt, gegen die Bipolarplatte (7) und eines ebenen feinen Netzes mit quadratischen Maschen mit einer Seitenlänge von 1 mm, wie in 7B gezeigt, gegen die Elektrode (3); sowohl das ausgedehnte Blech als auch das ebene Netz waren aus Edelstahl AISI 316L.
    • – Dichtungen (6) gemäß dem Schema in 4
    • – Bipolarplatten (7) aus einem 2 mm starken Edelstahl-Blech
    • – Aluminium-Endplatten (10), elektrisch verbunden mit den Bipolarplatten (7) an jedem Ende des Stapels, ausgestattet mit Stromabnehmeranschlüssen, die mit einer veränderlichen Widerstandslast verbunden sind.
  • Der Stapel war durch geeignete Armaturen auf eine der Endplatten (10) montiert und mit dem Einspeisungskreislauf der gasförmigen Reaktionsteilnehmer und mit einem externen Kreislauf, in dem entsalztes, mittels eines Wärmetauschers auf die gewünschte Temperatur geregeltes Wasser umgewälzt wurde, verbunden. Durch diese Verbindungen wurden die Stapel mit reinem Wasserstoff am negativen Pol (auf der Anodenseite) und mit Luft am positiven Pol (auf der Kathodenseite), mittels der oberen Verteilerleitungen (9), erhalten durch die Nebeneinanderstellung der unteren Löcher (13) und der entsprechenden Öffnungen in den Bipolarplatten (7) in einer Filterpressen-Anordnung, gespeist. Ein Strom entsalzten Wassers, dessen Durchfluss entsprechend den dynamischen Antworten des Systems nach Bedarf angepasst wurde, wurde von dem einschlägigen Kreislauf an den Einspritzkanälen (15) zur Verfügung gestellt. Der Stapel war nicht mit einer Zusatzkühlung in Ergänzung zu der durch die Verdunstung des in die Einspritzkanäle (15) eingespeisten Wassers ausgestattet.
  • Der Stapel wurde 12 Stunden mit einer Stromdichte von 700 mA/cm2 betrieben, wobei die Zellentemperatur auf 75°C geregelt und die Spannungen der einzelnen Zellen überwacht wurden. Die Wasser-Durchflussrate wurde manuell so eingestellt, dass die Spannungen der einzelnen Zellen maximiert wurden. Am Ende dieser manuellen Einstellung zeigten alle Zellen des Stapels eine Spannung von 680 bis 700 mV, die über den Zeitraum stabil blieb. Dieser Test erlaubte zu bestätigen, dass, verglichen mit der in den vorangegangenen Versuchen verwendeten Dichtungsart, die das Mischen von Gas und Wasser in der Einlass-Verteilerleitung bestimmte, der Einsatz der in 4 gezeigten Dichtung, worin das Mischen der beiden Fluide innerhalb eines kleineren Kanals stromabwärts der Einlass-Verteilerleitung eintritt, vorteilhafter ist.
  • Auch in diesem Fall ist bestätigt worden, dass die Zerstäubung des von in einen die Kanäle (15) versorgenden Luftstrom eingespritzten Wasser keinen vorteilhaften Effekt erzielt.
  • Beispiel 6
  • Ein 45-Brennstoffzellen-Stapel wurde ähnlich dem aus dem vorigen Beispiel montiert, mit der einzigen Abweichung der Dichtungen, die denen in 5 entsprachen. Diese Art der Ausführung stellt eine separate Einspeisung der Gas- und Wasser-Ströme, die erst nach der Einleitung in das netzartige Element (5) gemischt werden, in zueinander parallelen Richtungen zur Verfügung, wobei eine noch gleichmäßigere Wasserverteilung innerhalb der einzelnen Zellen gewährleistet wird. Dieser Stapel, der bei 700 mA/cm2 unter den gleichen Betriebsbedingungen wie in Beispiel 5 betrieben wurde, zeigte Zellspannungswerte zwischen 700 und 715 mV.
  • Beispiel 7
  • Ein 45-Brennstoffzellen-Stapel wurde ähnlich dem aus dem vorigen Beispiel montiert, mit den einzigen Abweichungen der Dichtungen, die denen in 6 entsprachen, und des netzartigen Elementes (5), das aus einem Nickelschaum ähnlich dem aus Beispiel 1 gefertigt war. Der Stapel war so angeschlossen, dass die Reaktionsteilnehmer über die oberen Verteilerleitungen (8) zugeführt und über die unteren Verteilerleitungen (9) abgeführt wurden. Mit dieser Dichtungsausführung mischen sich die eingespritzten Gas- und Wasser-Ströme in zueinander senkrechten Richtungen, überdies bleiben sie bis nach der Einleitung in das netzartige Element (5) getrennt. Um eine ausreichende Befeuchtung des oberen Bereiches des netzartigen Elementes (5) zu gewährleisten, wurde in diesem Fall der Wasserstrom aufgeteilt, so dass ein großer Anteil in die Kanäle (15) und ein kleiner Anteil in die oberen, die Zellen speisenden Verteilerleitungen (8) eintrat. Der Anteil des in die Kanäle (15) eingespritzten Wassers war festgelegt auf ungefähr 90% und in keinem Fall unter 80 % des gesamten Wasserstromes. Dieser Stapel, der mit 700 mA/cm2 unter den gleichen Betriebsbedingungen wie in den Beispielen 5 und 6 betrieben wurde, zeigte Zellspannungswerte zwischen 710 und 730 mV.
  • Beispiel 8
  • Ein 45-Brennstoffzellen-Stapel wurde ähnlich dem aus Beispiel 6 montiert, mit der einzigen Abweichung des netzartigen Elementes (5), das aus einem Nickelschaum, wie in 9 gezeigt, gefertigt war. In diesem Fall wurde die Verformbarkeit des Metallschaums ausgenutzt, um zwei kleine Kanäle oder Vertiefungen (16) für die bevorzugte Wasserverteilung in einer im Wesentlichen parallelen Richtung in Bezug auf den Gasstrom zu erhalten; diese Kanäle waren in der Form von Serpentinen, die die gesamte Oberfläche des Schaums überzogen. Um die Vertiefungen (16) zu formen, reicht es aus, einen Metalldraht gewünschter Dicke in einen Metallschaum kaltzupressen. In diesem Fall wurden 3 mm breite Serpentinen durch Kaltpressen eines Stahldrahtes derselben Dicke erhalten. Es ist offensichtlich möglich, eine einzelne Serpentine (16) zu formen, um von einem einzelnen Kanal (15) gespeist zu werden, oder auch mehr als zwei Serpentinen. Dieser Stapel, der mit 700 mA/cm2 unter den gleichen Betriebsbedingungen wie in den Beispielen 5, 6 und 7 betrieben wurde, zeigte Zellspannungswerte von 715 bis 730 mV.
  • Beispiel 9
  • Ein 45-Brennstoffzellen-Stapel wurde ähnlich dem aus Beispiel 7 montiert, mit den einzigen Abweichungen der Dichtungen (6), die denen in 6 entsprachen, und des netzartigen Elementes (5), das aus dem in 10 veranschaulichten Nickelschaum gefertigt war. Auch in diesem Fall wurde die bleibende Verformbarkeit des Metallschaums ausgenutzt, um zwei kleine Kanäle für die bevorzugte Wasserverteilung zu erhalten; in diesem Fall wurde indes eine der Form von zwei versetzten Kämmen entsprechenden Geometrie gewählt, um eine Reihe paralleler Kanäle zu schaffen, die mit Wasser in einer im Wesentlichen senkrechten Richtung bezogen auf die Richtung des Gasstroms gespeist wurden. Das erhöht den Gesamt-Druckabfall in dem netzartigen Element (5) und zwingt die gasförmigen Reaktionsteilnehmer, gewundeneren Wegen zu folgen, wobei dieselben entlang der gesamten aktiven Oberfläche der Zelle verteilt und Stau- und Verarmungsbereiche vermieden werden. Dieser Stapel, der mit 700 mA/cm2 unter den gleichen Betriebsbedingungen wie in den Beispielen 5, 6 und 7 betrieben wurde, zeigte Zellspannungswerte von 730 bis 740 mV.
  • Obwohl die Erfindung mit Hinweis auf spezielle Ausführungen beschrieben worden ist, sind die letzteren nicht bestimmt, die Erfindung einzuschränken, dessen Anwendungsbereich in den folgenden beigefügten Ansprüchen definiert ist.

Claims (20)

  1. Stapel aus mit gasförmigen Reaktionsteilnehmern versorgten Polymermembran-Brennstoffzellen, wobei die Membran eine Anodenkammer von einer Kathodenkammer trennt, mit Bipolarplatten, gegebenenfalls mit Kanälen zur Zufuhr und Ableitung von Fluiden versehenen Dichtungen, porösen Elektroden, zwischen den Membranen und den Elektroden angeordneten katalytischen Schichten, Verteilungsleitungen zur Zufuhr des Strom der Reaktionsteilnehmer, Sammelleitungen zur Ableitung von nicht umgewandelten Teilen der Reaktionsteilnehmer, von Inerten und von dem erzeugten Wasser; und mit wenigsten einem Einspritzpunkt, der einen hydraulischen Kreislauf zum Einspritzen eines Wasserstroms in wenigstens eine Kammer der Zellen verbindet, wobei der Wasserstrom gleichzeitig für die Befeuchtung der Membranen und die Ableitung der erzeugten Wärme sorgt, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Kammer der mit Reaktionsteilnehmern und mit von dem Einspritzpunkt kommendem Wasser versorgten Zellen ein elektrisch und thermisch leitfähiges, netzartiges Element umfasst, das zwischen den Elektroden und den Bipolarplatten angeordnet ist, welches den Wasserstrom in dem gesamten von den gasförmigen Reaktionsteilnehmern ausgefüllten Volumen verteilt.
  2. Stapel gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Einspritzpunkt des Wassers außerhalb der wenigstens einen Kammer angeordnet ist.
  3. Stapel gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Einspritzpunkt des Wassers an dem Einlass der Verteilerleitung zur Zufuhr des Stroms an Reaktionsteilnehmern angeordnet ist.
  4. Stapel gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Verteilungsleitung zur Zufuhr des Stroms an Reaktionsteilnehmern eine untere Leitung ist.
  5. Stapel gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Stapel bezüglich seiner Hauptachse rotiert ist und sich die Verteilungsleitung in der tiefsten Position befindet.
  6. Stapel gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nur eine der Kammern der Zellen mit Wasser versorgt wird.
  7. Stapel gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die eine mit Wasser versorgte Kammer die Kathodenkammer ist.
  8. Stapel gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Einspritzpunkt des Wassers in, in den Dichtungen gebildeten Kanälen stromabwärts von der Verteilungsleitung zur Zufuhr des Stroms an Reaktionsteilnehmern angeordnet ist.
  9. Stapel gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Einspritzpunkt des Wassers im Inneren der Zellen angeordnet ist.
  10. Stapel gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Orientierung des Einspritzen des Wassers im Wesentlichen parallel zur Richtung des Stroms an Reaktionsteilnehmern ist.
  11. Stapel gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Orientierung des Einspritzen des Wassers im Wesentlichen senkrecht zur Richtung des Stroms an Reaktionsteilnehmern ist.
  12. Stapel gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das netzartige Element durch Kaltpressen verformbar ist.
  13. Stapel gemäß Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das durch Kaltpressen verformbare netzartige Element ein Metallschaum ist.
  14. Stapel gemäß Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Metallschaum Nickel enthält.
  15. Stapel gemäß Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das netzartige Element wenigstens eine Vertiefung zur Wasserverteilung aufweist.
  16. Stapel gemäß Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass man die wenigstens eine Vertiefung durch Kaltpressen erhält.
  17. Stapel gemäß Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Orientierung der wenigstens einen Vertiefung im Wesentlichen parallel zur Richtung des Reaktionsteilnehmerstroms ist.
  18. Stapel gemäß Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Vertiefungen die Form einer Serpentine aufweisen.
  19. Stapel gemäß Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Orientierung der wenigstens einen Vertiefung im Wesentlichen senkrecht zur Richtung des Reaktionsteilnehmerstroms ist.
  20. Stapel gemäß Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Vertiefungen entsprechend einer Geometrie angeordnet sind, die der Form von zwei versetzten Kämmen entspricht.
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