Kompakte Brennstoffzellenanordnung Compact fuel cell arrangement
Die Erfindung betrifft eine Brennstoffcellenanordnung mit mindestens einer Brennstoffzelle, welche eine von einem Brenngas anströmbare Anode und eine von einem Kathodengas anstrombare Kathode enthält, zwischen denen eine Elektrolytmatrix angeordnet ist, wobei die den Brennstoff bzw. den Oxidant fuhrenden Kanäle wenigstens teilweise durch strukturierte Blechlagen gebildet sind.The invention relates to a fuel cell arrangement with at least one fuel cell which contains an anode which can be flowed with by a fuel gas and a cathode which can be flowed with by a cathode gas, between which an electrolyte matrix is arranged, the channels leading the fuel or the oxidant being formed at least partially by structured sheet metal layers ,
Brennstoffzellen sind elektrochemische Zellen, die chemische Energie in elektrische Energie umwandeln. Sie bestehen im wesentlichen aus drei Komponenten einer Anode, einer Kathode und einer dazwischen liegenden elektrolytischen Schicht. Zum Betrieb einer Brennstoffzelle müssen kontinuierlich von außen den Elektroden Brennstoffe zugeführt werden, die an den Elektroden elektrochemisch umgesetzt werden, wobei die Umsetzung bei verschiedenen Temperaturen, insbesondere im Fall einer kalten Verbrennung bei Temperaturen unter 100°C, stattfinden kann.Fuel cells are electrochemical cells that convert chemical energy into electrical energy. They essentially consist of three components, an anode, a cathode and an electrolytic layer between them. To operate a fuel cell, fuels have to be fed continuously from the outside to the electrodes, which are converted electrochemically on the electrodes, the conversion being able to take place at different temperatures, in particular in the case of cold combustion at temperatures below 100 ° C.
Brennstoffzellen finden zunehmend in unterschiedlichen Bereichen Anwendung, wo eine Unabhängigkeit vom bestehenden Elektrizitätsnetz gewünscht oder erforderlich ist. Neben dem Gebrauch von Brennstoffzellen im stationären Betrieb wie z. B. in Krankenhäusern, liegt ein großes Potential der Brennstoffzellen bei An- Wendungen in der Nerkehrstechnik (z.B. in Automobilen) oder aber auch bei Anwendungen in portablen Kleinelektrogeräten (z. B. in Laptops).Fuel cells are increasingly used in different areas where independence from the existing electricity network is desired or required. In addition to the use of fuel cells in stationary operation such. B. in hospitals, there is great potential for fuel cells in applications in traffic technology (e.g. in automobiles) or also in applications in portable small electrical appliances (e.g. in laptops).
Gerade bei mobilen Anwendungen spielt die erzielbare elektrische Leistungsdichte, d. h. die elektrische Leistung, die bezogen auf das Volumen der Brennstoffzel- le von der Brennstoffzelle erzeugt werden kann, eine wesentliche Rolle. Die Bestrebungen sind groß, Brennstoffzellen, die eine ausreichend große Leistung liefern können, möglichst kompakt zu bauen. Hierbei versucht man, Brennstoffzel-
len teils seriell zum Erreichen einer großen elektrischen Spannung teils parallel zum Erreichen von großen elektrischen Strömen zu verschalten. Durch Bündelung von Brennstoffzellen zu Brennstoffzellenanordnungen wird der notwendige Platzbedarf eines solchen Energieerzeugers minimiert. Eine Brennstoffzellenanordnung enthält mindestens eine Brennstoffzelle und Brennstoff bzw. den Oxidant und / oder Kühlmittel führende Kanäle, die wenigstens teilweise durch strukturierte Blechlagen gebildet sind.Especially in mobile applications, the achievable electrical power density, ie the electrical power that can be generated by the fuel cell in relation to the volume of the fuel cell, plays an important role. Efforts are being made to build fuel cells that can deliver a sufficiently large output as compactly as possible. Here you try to len partly to be connected in series to achieve a large electrical voltage and partly in parallel to achieve large electrical currents. By bundling fuel cells into fuel cell arrangements, the space requirement of such an energy generator is minimized. A fuel cell arrangement contains at least one fuel cell and fuel or channels carrying the oxidant and / or coolant, which are at least partially formed by structured sheet metal layers.
Ausgehend hiervon ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Brenn- stoffzellenanordnung anzugeben, die neben einer hohen Leistungsdichte eine hohe Kompaktheit in ihrem Aufbau aufweist.Proceeding from this, it is the object of the present invention to specify a fuel cell arrangement which, in addition to a high power density, has a high degree of compactness in its construction.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Die Unteransprüche zeigen vorteilhafte Weiterbildungen auf.This object is achieved by the features of claim 1. The subclaims show advantageous developments.
Erfindungsgemäß wird somit vorgeschlagen, in einer Brennstoffzellenanordnung Blechlagen zu verwenden, die eine Blechstärke von 0,02 bis 1,1 mm, vorzugsweise 0,03 bis 0,08 mm, aufweisen. Erfindungswesentlich ist somit die Verwendung von besonders dünnen Blechen, welches eine besonders kompakte Bauweise er- möglicht. Die Anordnung der Brennstoffzellen kann auf verschiedene Weisen erfolgen, z. B. als sogenanntes Brennstoffzellenstack, wie es in der US 4,175,165 beschrieben wird, oder als Streifenmembran, wie sie in der WO 96/18217 beschrieben wird. Durch die Verwendung von Blechen mit geringen Blechstärken können die Brennstoff, den Oxidant bzw. ein Kühlmittel führenden Kanäle beson- ders flach konzipiert werden. Darüber hinaus wird das Gewicht der Brennstoffzellenanordnung reduziert.It is therefore proposed according to the invention to use sheet metal layers in a fuel cell arrangement which have a sheet thickness of 0.02 to 1.1 mm, preferably 0.03 to 0.08 mm. Essential to the invention is therefore the use of particularly thin metal sheets, which enables a particularly compact construction. The arrangement of the fuel cells can be done in different ways, e.g. B. as a so-called fuel cell stack, as described in US 4,175,165, or as a strip membrane, as described in WO 96/18217. The use of sheets with low sheet thicknesses allows the fuel, the oxidant or a coolant-carrying channels to be designed particularly flat. In addition, the weight of the fuel cell arrangement is reduced.
Maßnahmen zur Wärmeabfuhr, welche erforderlich werden, wenn die bei der e- lektrochemischen Reaktion unvermeidbar entstehende Wärme, insbesondere im Falle von Brennstoffzellen mit hoher Leistung, abgeführt werden muß, lassen sich durch kleinere Strukturen besser realisieren. Das Problem der mit zunehmender
Verkleinerung der Stiαikturen zunehmend störenden Freisetzung von Wärme kann durch den Bau von kompakten KüUstrukturen vermieden werden. Durch die Verwendung von geringeren Blechdicken können kompaktere Kühlstrukturen konstruiert werden, die in der Lage sind, entstehende Wärme effizient abzuführen.Measures for heat dissipation, which are necessary when the heat unavoidably generated in the electrochemical reaction, in particular in the case of high-performance fuel cells, must be dissipated, can be better implemented by smaller structures. The problem of increasing Reduction of the stiαictures increasingly disruptive release of heat can be avoided by building compact kitchen structures. By using smaller sheet thicknesses, more compact cooling structures can be constructed that are able to efficiently dissipate the heat generated.
Nach einer Ausgestaltung der Brennstoffzellenanordnung ist die Welligkeit der strukturierten Blechlagen gegeben durch das Verhältnis der Amplitude zur Wellenlänge von 1 : 2. Bei dieser Ausgestaltung sind die durch die Welligkeit entstehenden Kanäle besonders durchlässig für einen strömenden Brennstoff, Oxidant oder ein strömendes Kühlmittel, da so das Kanalquerschnittsflächen / Kanalquer- schnittsumfang- Verhältnis maximiert ist.According to an embodiment of the fuel cell arrangement, the ripple of the structured sheet metal layers is given by the ratio of the amplitude to the wavelength of 1: 2. In this embodiment, the channels created by the ripple are particularly permeable to a flowing fuel, oxidant or a flowing coolant, since this means that Channel cross-sectional area / channel cross-sectional circumference ratio is maximized.
In einer weiteren Ausgestaltung werden die gewellten oder strukturierten Blechla- gen wenigstens teilweise aus korrosionsfestem Material, insbesondere aus elekt- rokorrosionsfestem Material, hergestellt. Dieses ist besonders wichtig, um eine Korrosion der Strukturen zu vermeiden.In a further embodiment, the corrugated or structured sheet metal layers are at least partially made from corrosion-resistant material, in particular from electro-corrosion-resistant material. This is particularly important in order to avoid corrosion of the structures.
Vorteilhafterweise werden Blechlagen vorzugsweise einseitig, wenigstens teilweise beschichtet. Insbesondere bei Brennstoffzellenanordnungen mit Streifenmemb- ran sind elektrische Isolationsschichten notwendig. Durch die Beschichtung der Bleche entfallt das zusätzliche Einbringen einer Isolationsschicht, beispielsweise in Form einer Folie.Sheet metal layers are advantageously coated on one side, at least partially. Electrical insulation layers are necessary in particular in the case of fuel cell arrangements with a strip membrane. The coating of the metal sheets eliminates the additional introduction of an insulation layer, for example in the form of a film.
Nach einer weiteren Ausgestaltung besteht die Isolationsschicht aus oxidischem Material. Solche Isolationsschichten sind besonders einfach und preisgünstig herstellbar.According to a further embodiment, the insulation layer consists of oxidic material. Such insulation layers are particularly simple and inexpensive to manufacture.
Nach einer noch weiteren Ausgestaltung besteht die Isolationsschicht aus einem Washcoat.
Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorzüge der Erfindung ergeben sich anhand der folgenden Zeichnungen.According to a further embodiment, the insulation layer consists of a wash coat. Further features, details and advantages of the invention will become apparent from the following drawings.
Hierbei zeigen schematisch in perspektivischer Ansicht:Here schematically show in perspective view:
Fig. 1 eine Brennstoffzelle;1 shows a fuel cell;
Fig. 2 einen Brennstoffzellenstapel;2 shows a fuel cell stack;
Fig. 3 eine Brennstoffzelle mit einer Streifenmembran;3 shows a fuel cell with a strip membrane;
Fig. 4 eine Brennstoffzellenanordnung mit Streifenmembran.Fig. 4 shows a fuel cell arrangement with a strip membrane.
Fig. 1 zeigt eine Brennstoffzelle mit einer oberen Deckplatte 1, einem Elektroly- ten 2 und einer unteren Deckplatte 3. Die obere Deckplatte 1 dient als Anode und die untere Deckplatte 3 als Kathode. Der Brennstoff wird in einem kathodenseiti- gen Kanal 5 der Kathode zugeführt, die hier als untere Deckplatte 3 ausgebildet ist. Das Oxidationsmittel wird in einem anodenseitigen Kanal 4 der Anode zugeführt, die hier als obere Deckplatte 1 dargestellt ist. Alternativ können die obere bzw. untere Deckplatte 1, 3 aus elektrisch nicht leitendem Material gefertigt sein und der anodenseitige bzw. kathodenseitige Kanal 4, 5 als Anode bzw. Kathode fungieren. Die anöden- bzw. kathodenseitigen Kanäle 4, 5 sind aus struktxirierten Blechlagen gebildet, wobei die Blechlagen eine Blechstärke von 0,02 bis 1,1 mm, vorzugsweise 0,03 bis 0,08 mm, aufweisen. Vorzugsweise weisen die Blechlagen eine Welligkeit auf, so daß in den durch die Welligkeit entstehenden Hohlräumen Kanäle entstehen, entlang derer der Brennstoff bzw. das Oxidationsmittel geleitet werden kann. Vorteilhaft ist eine Welligkeit, bei der das Verhältnis aus Amplitude A zu der Wellenlänge L durch A/L = 1 : 2 gegeben ist. Durch ein solches Verhältnis werden die Strömungseigenschaften eines Fluids durch die Kanäle positiv beeinflußt. Geeigneterweise weisen die Blechlagen zusätzlich Öffnungen auf, so daß der Brennstoff bzw. das Oxidationsmittel von der einen Seite der Blechlage
zur anderen gelangen kann. Es ist von Vorteil, wenn die Welligkeit des anodensei- tigen Kanals 4 senkrecht zur Welligkeit des kathodenseitigen Kanals 5 steht, da dann ein Anschließen der Kanäle an Brennstoff- bzw. Oxidationsmittel führende Zuleitung besonders einfach ist. Die gewellten oder strukturierten Blechlagen be- stehen vorzugsweise aus (elektro-) korrosionsfestem Material, damit eine Korrosion der Blechlagen vermieden wird.1 shows a fuel cell with an upper cover plate 1, an electrolyte 2 and a lower cover plate 3. The upper cover plate 1 serves as an anode and the lower cover plate 3 as a cathode. The fuel is fed into the cathode-side channel 5 of the cathode, which is designed here as a lower cover plate 3. The oxidizing agent is fed to the anode in a channel 4 on the anode side, which is shown here as the upper cover plate 1. Alternatively, the upper or lower cover plate 1, 3 can be made of electrically non-conductive material and the anode-side or cathode-side channel 4, 5 act as an anode or cathode. The channels 4, 5 on the anode or cathode side are formed from sheet metal layers which have been structure-structured, the sheet metal layers having a sheet thickness of 0.02 to 1.1 mm, preferably 0.03 to 0.08 mm. The sheet metal layers preferably have a ripple, so that channels are formed in the cavities formed by the ripple, along which the fuel or the oxidizing agent can be passed. A ripple in which the ratio of amplitude A to wavelength L is given by A / L = 1: 2 is advantageous. Such a ratio has a positive influence on the flow properties of a fluid through the channels. Suitably, the sheet metal layers additionally have openings so that the fuel or the oxidizing agent from one side of the sheet metal layer can get to the other. It is advantageous if the ripple of the anode-side channel 4 is perpendicular to the ripple of the cathode-side channel 5, since then connecting the channels to the supply line carrying fuel or oxidizing agent is particularly simple. The corrugated or structured sheet metal layers preferably consist of (electro) corrosion-resistant material, so that corrosion of the sheet metal layers is avoided.
Fig. 2 zeigt eine Brennstoffzellenanordnung, die durch Überlagerung von einzelnen Brennstoffeellen nach Fig. 1 zusammengesetzt werden kann. Durch Überlage- rung zahlreicher Brennstoffeellen wird eine hohe Leistung bei geringem Volumen erzeugt. Hierbei zeigen sich die Vorteile der Verwendung von strukturierten Blechlagen, die eine geringe Blechstärke aufweisen, da somit die Oberfläche der Anode bzw. Kathode deutlich erhöht werden kann, ohne zusätzlich Raum zu benötigen. Das Problem der bei der elektrochemischen Reaktion entstehenden Wär- me kann ebenso durch geeignet konstruierte Kühlkanäle aus gewellten und/oder strukturierten Blechlagen gelöst werden, die von einer Kühlflüssigkeit wie z.B. Wasser durchströmt werden. Eine Bipolarplatte 10 stellt den elektrischen bzw. mechanischen Kontakt der Anode bzw. der Kathode zweier angrenzender Brennstoffzellen her.FIG. 2 shows a fuel cell arrangement which can be assembled by superimposing individual fuel cells according to FIG. 1. By superimposing numerous fuel cells, high performance is achieved with a small volume. This shows the advantages of using structured sheet metal layers which have a low sheet thickness, since the surface of the anode or cathode can thus be increased significantly without requiring additional space. The problem of the heat generated during the electrochemical reaction can also be solved by suitably designed cooling channels made of corrugated and / or structured sheet metal layers that are exposed to a cooling liquid such as e.g. Water flow. A bipolar plate 10 establishes the electrical or mechanical contact of the anode or the cathode of two adjacent fuel cells.
Fig. 3 zeigt eine Brennstoffzelle mit einer Streifenmembran, die sich dadurch auszeichnet, daß eine Vielfalt von Brennstoffzellen in einer Ebene in Reihe geschaltet werden, so daß sich die einzelnen Spannungen der jeweiligen Brennstoffzellen aufsummieren und sicheine besonders hohe Gesamtspannung ergibt. Abgegriffen wird die Spannung zwischen der Anode 6 an der linken Seite der Streifenmembran 12 und der Kathode 7 an der rechten Seite der Streifenmembran 12. Wichtig hierbei ist, daß die Kanäle 5, 4 elektrisch isolierend sind und wenigstens teilweise mit einer elektrischen Isolationsschicht versehen sind.Fig. 3 shows a fuel cell with a strip membrane, which is characterized in that a variety of fuel cells are connected in series in one plane, so that the individual voltages of the respective fuel cells add up and a particularly high total voltage results. The voltage is tapped between the anode 6 on the left side of the strip membrane 12 and the cathode 7 on the right side of the strip membrane 12. It is important here that the channels 5, 4 are electrically insulating and are at least partially provided with an electrical insulation layer.
Fig. 4 zeigt eine Anordnung von Brennstoffzellen mit einer Streifenmembran nach Fig. 3, wobei die Streifenmembran 12 nach Fig. 3 alternierend um 180° ge-
dreht auf dem Kopf stehend aufeinander geschichtet werden und entsprechend elektrisch verschaltet werden. Hierdurch wird eine Bipolarplatte 10, wie sie in Fig. 2 gezeigt ist, vermieden und es ist nur eine strukturierte Blechlage zwischen zwei angrenzenden Streifenmembranen 12 notwendig. In dieser Anordnung wird die Spannung zwischen der Kathode 6 an der linken Seite der untersten Streifenmembran 12 und der Anode 7 an der rechten Seite der obersten Streifenmembran abgegriffen werden. Die Isolationsschicht der Blechlagen besteht vorteilhafterweise aus oxidischem Material. Geeigneterweise wird hierzu ein Washcoat verwendet.FIG. 4 shows an arrangement of fuel cells with a strip membrane according to FIG. 3, the strip membrane 12 according to FIG. 3 alternating by 180 °. turns upside down are stacked on top of each other and electrically connected accordingly. This avoids a bipolar plate 10, as shown in FIG. 2, and only a structured sheet-metal layer between two adjacent strip membranes 12 is necessary. In this arrangement, the voltage between the cathode 6 on the left side of the lowermost strip membrane 12 and the anode 7 on the right side of the uppermost strip membrane will be tapped. The insulation layer of the sheet metal layers advantageously consists of oxidic material. A washcoat is suitably used for this.
Es wird eine Brennstoffzellenanordnung mit mindestens einer Brennstoffzelle beschrieben, welche eine von einem Brenngas anströmbare Anode und eine von einem Kathodengas anströmbare Kathode enthält, zwischen denen eine Elektrolytmatrix angeordnet ist, wobei die den Brennstoff bzw. den Oxidant führenden Kanäle wenigstens teilweise durch strukturierte Blechlagen gebildet sind, wobei die Blechlagen eine Blechstärke von 0,02 bis 1,1 mm, vorzugsweise 0,03 bis 0,08 mm, aufweisen. Der Vorteil dieser Anordnung ist, daß ein besonders kompakter Aufbau erzielt werden kann, der hohe elektrische Leistungen bei geringem Platzbedarf erzeugen kann.
A fuel cell arrangement with at least one fuel cell is described, which contains an anode that can be flowed with by a fuel gas and a cathode that can be flowed with by a cathode gas, between which an electrolyte matrix is arranged, the channels carrying the fuel or the oxidant being at least partially formed by structured sheet metal layers , wherein the sheet layers have a sheet thickness of 0.02 to 1.1 mm, preferably 0.03 to 0.08 mm. The advantage of this arrangement is that a particularly compact structure can be achieved, which can generate high electrical outputs in a small space.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
1 obere Deckplatte1 top cover plate
2 Elektrolytmatrix2 electrolyte matrix
3 untere Deckplatte3 lower cover plate
4 anodenseitiger Kanal4 anode-side channel
5 kathodenseitiger Kanal5 channel on the cathode side
6 Kathode6 cathode
7 Anode7 anode
8 Brennstoffzelle8 fuel cell
10 Bipolarplatte10 bipolar plate
13 Streifenmembran13 strip membrane
L WellenlängeL wavelength
A Amplitude
A amplitude