DE19835759A1

DE19835759A1 - Fuel cell has obstruction(s) in flow path causing turbulence so that flow field has speed component towards electrode in some sections

Info

Publication number: DE19835759A1
Application number: DE19835759A
Authority: DE
Inventors: Ilona Busenbender
Original assignee: Adam Opel GmbH
Current assignee: Adam Opel GmbH
Priority date: 1998-08-07
Filing date: 1998-08-07
Publication date: 2000-02-17

Abstract

The fuel cell has two porous electrodes (3,4) enclosing an electrolyte (2) between them and two narrow fuel chambers (5,6), each formed by one of the electrodes and a dividing plate (1) at a small distance from the electrode. The fuel is passed from one narrow side of the chamber to the other so that the main flow direction is parallel to the electrode and plate. One or more obstructions in the flow path cause turbulence in the fuel so that the flow field has a speed component (7) towards the electrode in some sections.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Brennstoffzelle mit zwei porösen Elektroden, die zwischen sich einen Elektro lyten einschließen, und mit zwei schmalen Brennstoffkam mern, die jeweils von einer der Elektroden und einer der jeweiligen Elektrode im geringen Abstand gegenüberliegen den Trennplatte gebildet sind, wobei der Brennstoff von der einen zur gegenüberliegenden Schmalseite der Kammer geführt wird, so daß die Hauptströmungsrichtung parallel zur Elektrode bzw. zur Trennplatte liegt.The invention relates to a fuel cell two porous electrodes that have an electro between them Include lyten, and came with two narrow fuel each of one of the electrodes and one of the opposite each other at a short distance the partition plate are formed, the fuel of one to the opposite narrow side of the chamber is guided so that the main flow direction parallel to the electrode or to the separating plate.

Je nachdem um welchen Brennstoffzellentyp es sich handelt - die einzelnen Typen unterscheiden sich im eingesetzten Elekrolyten -, wird in die eine Brennstoffkammer (Anoden kammer) Wasserstoff, Methanol, Methan oder ein anderer Kohlenwasserstoff eingeleitet, während die andere Kammer (Kathodenkammer) mit reinem Sauerstoff oder Luftsauer stoff betrieben wird. Bei einem Polymer-Membran-Elektro lyt werden die Brennstoffkammern mit Wasserstoff als Brenngas und Sauerstoff bzw. Luftsauerstoff als Oxidant beschickt.Depending on the type of fuel cell - The individual types differ in the used Electrolytes - is placed in a fuel chamber (anodes chamber) hydrogen, methanol, methane or another Hydrocarbon introduced while the other chamber (Cathode chamber) with pure oxygen or atmospheric acid is operated. With a polymer membrane electro The fuel chambers are lyt with hydrogen as Fuel gas and oxygen or atmospheric oxygen as an oxidant loaded.

Dabei hat sich herausgestellt, daß insbesondere der Druck in den Kammern einen entscheidenden Einfluß auf den Wir kungsgrad der Brennstoffzelle bzw. den Gesamtwirkungsgrad besitzt. Die Druckverhältnisse bestimmen nämlich die Stoffaustauschrate in der Dreiphasenzone, das ist der Bereich der Elektrode, in dem das Elektrolyt, der Brenn stoff bzw. der Sauerstoff und das Elekrodenmaterial (in der Regel: Nickel in der Anode und Silber oder Aktivkohle in der Kathode), zusammentreffen. Der Stofftransport kann durch eine Druckerhöhung verbessert werden. Insbesondere der Druck in der Kathodenkammer muß sorgfältig bestimmt werden. Zwar vergrößert sich bei einer Erhöhung des Drucks in dieser Brennstoffkammer die Leistung der Brenn stoffzelle. Dies wird aber durch eine erhöhte Leistungs aufnahme des dazu notwendigen Verdichters kompensiert. Außerdem kann die Stoffaustauschrate nicht beliebig und häufig nicht in dem gewünschten Maße durch eine Drucker höhung vergrößert werden.It has been found that pressure in particular in the chambers a decisive influence on the we efficiency of the fuel cell or the overall efficiency owns. The pressure conditions determine that Mass exchange rate in the three-phase zone, that is the Area of the electrode in which the electrolyte, the burner substance or the oxygen and the electrode material (in usually: nickel in the anode and silver or activated carbon in the cathode). The mass transport can can be improved by increasing the pressure. In particular the pressure in the cathode chamber must be carefully determined become. Although increases with an increase in Pressure in this fuel chamber the performance of the combustion fabric cell. But this is due to increased performance recording of the compressor required for this is compensated. In addition, the mass transfer rate can not be arbitrary and often not to the extent required by a printer increase can be increased.

Diese Zusammenhänge sind ausführlich dargestellt in K. Straßer, Brennstoffzellen für Elektrotraktion, VDI Be richt Nr. 912, 1992, Seite 125 bis 145.These relationships are described in detail in K. Straßer, fuel cells for electrical traction, VDI Be dir. No. 912, 1992, pages 125 to 145.

Die Erfindung beruht auf der Aufgabe, die Leistungsfähig keit der Brennstoffzelle zu vergrößern, ohne daß dazu eine erhöhte Leistungsaufnahme der Peripherie notwendig wird.The invention is based on the task of being powerful speed of the fuel cell without increasing an increased power consumption of the periphery is necessary becomes.

Es wird daher vorgeschlagen, daß im Strömungsweg der Brennstoffe innerhalb der Brennstoffkammern ein oder meh rere Hindernisse vorhanden sind, die eine Verwirbelung des Brennstoffs derart bewirken, daß das Strömungsfeld abschnittsweise eine Geschwindigkeitskomponente in Rich tung auf die jeweilige Elektrode erfährt.It is therefore proposed that in the flow path Fuels within the fuel chambers one or more There are more obstacles that can cause turbulence of the fuel cause the flow field a speed component in sections in Rich experience on the respective electrode.

Wegen der Hindernisse kommt es zu lokalen Druckerhöhun gen, die eine verbesserte Aufnahme der Brenngase in die porösen Elektroden bewirken: Da aber gleichzeitig der Ge samtdruck in der Brennstoffkammer nicht vergrößert wird, ergibt sich keine erhöhte Leistungsaufnahme des ange schlossenen Verdichters. Außerdem werden Stofftransport hemmungen in der Elektrode bzw. in deren Reaktionszonen minimiert.Local pressure increases due to the obstacles gene, the improved absorption of the fuel gases in the effect porous electrodes: But since the Ge total pressure in the fuel chamber is not increased, there is no increased power consumption of the ange closed compressor. In addition, mass transport inhibitions in the electrode or in its reaction zones minimized.

Aus der EP 0 397 072 A1 ist eine Brennstoffzelle mit ei ner Trennplatte bekannt, die in Form eines Eierkartons zu beiden Seiten hin ausgebeult ist, wobei die Spitzen der jeweiligen Erhebungen die Elektroden kontaktieren. Die Ausbeulungen haben die Aufgabe, eine elektrische Verbin dung zwischen der jeweiligen Elektrode und der Trennplat te herzustellen, die hier als bipolare Platte fungiert. Es fehlt die Lehre, diese Ausbeulungen gezielt im Hin blick auf eine verbesserte Absorption des Brenngases bzw. des Oxidanten in den Elektroden zu gestalten und zu nut zen.EP 0 397 072 A1 describes a fuel cell with an egg ner separating plate known in the form of an egg carton is bulged on both sides, with the tips of the contact the respective elevations. The Bulges have the task of an electrical connector between the respective electrode and the separating plate te, which acts here as a bipolar plate. There is a lack of teaching that these bulges are targeted in the rear view of an improved absorption of the fuel gas or of the oxidant in the electrodes and to groove Zen.

Die Hindernisse können verschiedenartig ausgestaltet sein: Zum einen kann es sich um quer zur Hauptströmungs richtung verlaufende langgestreckte Erhebungen handeln, so daß eine waschbrettartige Struktur entsteht, zum ande ren können aber auch tellerartige Erhebungen vorgesehen werden.The obstacles can be designed in different ways On the one hand, it can be transverse to the main flow act in the direction of elongated surveys, so that a washboard-like structure arises, on the other Ren can also provide plate-like surveys become.

Für den zweiten Fall wird vorgeschlagen, daß die Erhebun gen zweier aufeinanderfolgender Reihen in Anströmungs richtung versetzt zueinander angeordnet sind.In the second case, it is proposed that the survey towards two successive rows in the inflow are arranged offset to each other.

Für die verbesserte Brennstoffaufnahme ist es wichtig, das Querschnittsprofil der Hindernisse optimal zu gestal ten. Als Grundstruktur wird ein Querschnittprofil vorge schlagen, das einer Halbsinuswelle entspricht. Die Stei gung kann dabei an der Anströmungsflanke etwas größer sein als an der Abströmungsflanke. For improved fuel absorption it is important to optimally shape the cross-sectional profile of the obstacles A cross-sectional profile is provided as the basic structure beat that corresponds to a half sine wave. The Stei supply can be somewhat larger on the inflow flank than on the downstream flank.

In vorteilhafter Weise werden die Hindernisse an der je weiligen Trennplatte ausgebildet. Vorzugsweise sind sie einstückig mit der Trennplatte ausgeführt. Wie in der schon erwähnten europäischen Patentanmeldung kann auch hier die Trennplatte als bipolare Platte ausgebildet wer den, die in einer elektrisch leitenden Verbindung zu den Elektroden steht, wobei die bipolare Platte die Trenn platte der an ihr angrenzenden Brennstoffkammern bildet. Die Hindernisse werden durch Verformungen der Platte er zeugt, wobei die Hindernisstruktur auf der einen Seite der Trennplatte komplementär ist zur Hindernisstruktur auf der anderen Seite.Advantageously, the obstacles on the ever formed parting plate. They are preferably made in one piece with the partition plate. Like in the European patent application already mentioned can also here the partition plate is designed as a bipolar plate those that are in an electrically conductive connection to the Electrodes stands, with the bipolar plate separating plate forms the adjoining fuel chambers. The obstacles are caused by deformation of the plate testifies, the obstacle structure on one side the partition plate is complementary to the obstacle structure on the other hand.

Im folgenden soll die Erfindung anhand eines Ausführungs beispiels näher erläutert werden. Es zeigen:In the following, the invention is intended to be based on an embodiment example are explained in more detail. Show it:

Fig. 1: den Querschnitt durch eine Brennstoffzelle; FIG. 1 shows the cross section through a fuel cell;

Fig. 2 und 3: verschiedenartige Strukturen einer Trenn platte.Plate-like structures a different separation: Fig. 2 and 3.

Fig. 1 zeigt einen Ausschnitt aus einem Brennstoffzel lenblock, der mehrere Zellen enthält. Dargestellt ist eine Trennplatte 1 zwischen zwei Elektrolyt-Elektroden- Einheiten. Diese bestehen jeweils aus einer Anode 3, 3', einer Kathode 4, 4' und einem Polymerelektrolyt 2, 2'. An den jeweils außen dargestellten Elektroden 3, 4' schlies sen sich weitere Trennplatten (gestrichelt dargestellt) an. Die Kathodenkammer 5 zwischen der Kathode 4 und der Trennplatte 1 wird bei einer Polymer-Elektrolyt-Membran Brennstoffzelle (DEM BZ) mit reinem Sauerstoff bzw. Luft beschickt, wobei das Gas mittels eines nicht dargestell ten Verdichters einen Druck etwa zwischen 2 bis 4 bar er hält. Die Anodenkammer 6 wird mit einem Brenngas, z. B. einem Reformatgas (Wasserstoff) beschickt. Fig. 1 shows a section of a fuel cell lenblock, which contains several cells. A separating plate 1 between two electrolyte electrode units is shown. These each consist of an anode 3 , 3 ', a cathode 4 , 4 ' and a polymer electrolyte 2 , 2 '. Further separating plates (shown in broken lines) are connected to the electrodes 3 , 4 'shown on the outside. The cathode chamber 5 between the cathode 4 and the separating plate 1 is charged in a polymer electrolyte membrane fuel cell (DEM BZ) with pure oxygen or air, the gas using a compressor, not shown, a pressure of approximately between 2 and 4 bar holds. The anode chamber 6 is filled with a fuel gas, e.g. B. fed a reformate gas (hydrogen).

Sauerstoff und Brenngas treten in die Anode 3 bzw. in die Kathode 4 ein und werden dort katalytisch aufgebrochen, wobei ein Ionenaustausch über die Polymer-Elektrolyt-Mem bran 2 und ein Elektronenaustausch über einen äußeren Stromkreis erfolgt.Oxygen and fuel gas enter the anode 3 or the cathode 4 and are broken up there catalytically, an ion exchange taking place via the polymer electrolyte membrane 2 and an electron exchange taking place via an external circuit.

Typischerweise sind die einzelnen Brennstoffzellen qua dratisch, wobei die Durchströmung der Brennstoffkammern im Kreuzstromprinzip erfolgt. Lediglich zur Veranschauli chung des erfindungsgemäßen Verwirbelungsprinzips ist in Fig. 1 eine Parallelströmung dargestellt. Entscheidend für die Erfindung ist, daß der jeweiligen Hauptströmung Hindernisse entgegengesetzt werden, die eine Verwirbelung entsprechend der dargestellten Pfeile 7 des jeweiligen Gases bewirken. Die Hindernisse werden in bekannter Weise durch Ausbeulungen der Trennplatte 1 dargestellt, die da durch, wie Fig. 1 zeigt, eine wellenförmige Struktur er hält.Typically, the individual fuel cells are quadratic, with the flow through the fuel chambers using the cross-flow principle. A parallel flow is only shown in FIG. 1 to illustrate the swirling principle according to the invention. It is crucial for the invention that the respective main flow is opposed to obstacles which cause a swirl according to the arrows 7 shown for the respective gas. The obstacles are shown in a known manner by bulges of the partition plate 1 , which, as shown in FIG. 1, he holds a wavy structure.

Fig. 2 zeigt eine mögliche Ausführung dieser Hindernis se. Es handelt sich jeweils um langgestreckte Erhebungen 8, 8', deren Querschnitte quer zur Hauptströmungsrichtung betrachtet in etwa halbsinusförmig sind. Die Hindernisse können sich über die gesamte Breite der Trennplatte er strecken, oder aber, was in Fig. 2 dargestellt ist, nur abschnittsweise ausgebildet sein, wobei die Erhebungen 8 in einer Reihe gegenüber den Erhebungen 8' in der in An strömungsrichtung vor bzw. hinter ihnen liegenden Reihe versetzt angeordnet sind. Fig. 2 shows a possible embodiment of these obstacles se. It is in each case elongated elevations 8 , 8 ', the cross sections of which are considered to be approximately semi-sinusoidal transverse to the main flow direction. The obstacles can extend over the entire width of the partition plate, or, as shown in FIG. 2, can be formed only in sections, with the elevations 8 in a row opposite the elevations 8 'in the direction of flow in front of or behind row lying them are staggered.

Die Ausführung nach Fig. 3 eignet sich besonders gut, falls die Erhebungen nicht auf die Trennplatte aufgesetzt werden, sondern durch Verformungen der Trennplatte ent stehen. Hierzu eignen sich insbesondere tellerartige Er hebungen 9, die versetzt zueinander angeordnet sind. In den Lücken sind jeweils tellerartige Vertiefungen 10 vor gesehen, so daß sich auf der anderen Seite der Platte eine komplementäre Struktur ergibt. Die Struktur für das Brenngas (Hauptströmungsrichtung Pfeil 12) und die Struk tur für den Sauerstoff (Hauptströmungsrichtung Pfeil 13) sind daher in der jeweiligen Hauptströmungsrichtung be trachtet identisch.The embodiment of FIG. 3 is particularly suitable if the protrusions are not placed on the partition plate, but are ent by deformations of the partition plate. For this purpose, plate-like elevations 9 are particularly suitable, which are arranged offset to one another. In the gaps plate-like depressions 10 are seen before, so that there is a complementary structure on the other side of the plate. The structure for the fuel gas (main flow direction arrow 12 ) and the structure for the oxygen (main flow direction arrow 13 ) are therefore considered identical in the respective main flow direction.

Claims

1. Fuel cell with two porous electrodes ( 3 , 4 ), which include an electrolyte ( 2 ) between them, and with two narrow fuel chambers ( 5 , 6 ), each of one of the electrodes ( 3 , 4 ) and one of them respective electrode at a short distance ge opposite partition plate ( 1 ) are formed, where the fuel is guided from one to the opposite narrow side of the chamber, so that the main flow direction is parallel to the electrode or to the partition plate, characterized in that in the flow path or several obstacles ( 8 , 9 ) are present which cause the fuel to swirl so that the flow field experiences a speed component ( 7 ) in sections in the direction of the respective electrode ( 3 , 4 ).

2. Fuel cell according to claim 1, characterized in that the obstacles are transverse to the main flow direction extending elongate elevations ( 8 ).

3. Fuel cell according to claim 1, characterized in that the elevations ( 9 ) are plate-like.

4. Fuel cell according to claim 2 or 3, characterized in that the elevations ( 8 , 8 ') of two successive rows are offset from one another.

5. Fuel cell according to claim 2, characterized records that the survey continuously across Main flow direction extends.

6. Fuel cell according to one of the preceding claims, characterized in that the cross-sectional profile of the obstacles ( 8 , 9 ) corresponds approximately to a half-sine wave.

7. Fuel cell according to claim 6, characterized records that the slope of the elevation on the An flow flank is larger than at the outflow flank.

8. Fuel cell according to one of the preceding claims, characterized in that the obstacles are formed on the respective partition plate ( 1 ).

9. Fuel cell according to claim 8, characterized in that the obstacles are integrally formed with the partition plate ( 1 ).

10. Fuel cell according to claim 9, characterized in that the separating plate ( 1 ) is a bipolar plate which is in an electrically conductive connection to the electrodes, each bipolar plate, both the separating plate ( 1 ) of the anode chamber and that of The cathode chamber of each of the fuel cells closing is formed, with the obstacles ( 8 , 9 ) being generated by deformations of the separating plate ( 1 ) and the obstacle structure on one side being complementary to the obstacle structure on the other side.