DE10245202A1

DE10245202A1 - Elektrochemischer Zellenstapel

Info

Publication number: DE10245202A1
Application number: DE10245202A
Authority: DE
Inventors: Felix Dipl.-Ing. Blank (FH); Cosmas Dipl.-Ing. Heller; Ottmar Dipl.-Ing. Schmid (FH); Markus Dipl.-Ing. Schudy
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2002-09-27
Filing date: 2002-09-27
Publication date: 2004-04-08

Abstract

Die Erfindung betrifft einen elektrochemischen Zellenstapel, der einen kompakten Aufbau aufweist und bei dem die Druckverluste bei der Fluidleitung gering sind. Des Weiteren soll der Aufwand an Material und Kosten gering gehalten werden. Die Erfindung besteht darin, dass bei einem elektrochemischen Zellenstapel, enthaltend einen elektrochemisch aktiven Abschnitt (3) mit abwechselnd angeordneten Membran-Elektroden-Einheiten (MEA) und Separatorplatten, enthaltend weiterhin mindestens eine Systemkomponente (15, 16) zur Konditionierung mindestens eines der Fluide, enthaltend weiterhin stromführende Anschlüsse zwischen den Zellen und Polanschlüsse für den Zellenstapel und enthaltend ein Paar außen liegende Endplatten (1, 2) und eine Spannvorrichtung für die zwischen den Endplatten (1, 2) angeordneten Membran-Elektroden-Einheiten (MEA) und Separatorplatten, mindestens eine Systemkomponente (15, 16) in einer Endplatte (1, 2) angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen elektrochemischen Zellenstapel nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, insbesondere einen PEM-Brennstoffzellenstapel.

In einer Elektrolysezelle mit einer Kathode und einer Anode wird elektrische Energie in chemische Energie umgewandelt. Durch elektrischen Strom wird durch eine Ionenentladung eine chemische Verbindung zerlegt. Beim Anlegen einer äußeren Spannung werden an der Kathode im Rahmen eines Reduktionsvorganges von den Ionen Elektronen aufgenommen. An der Anode werden im Rahmen eines Oxidationsvorganges von den Ionen Elektronen abgegeben. Die Elektrolysezelle ist so aufgebaut, dass Reduktion und Oxidation voneinander getrennt ablaufen.

Brennstoffzellen sind galvanische Elemente mit Plus- und Minuspol, bzw. mit einer Kathode und einer Anode, die chemische Energie in elektrische Energie umwandeln. Hierzu werden Elektroden verwendet, die mit einem Elektrolyten und vorzugsweise einem Katalysator zusammenwirken. Am Pluspol findet eine Reduktion statt, wodurch Elektronenmangel besteht. Am Minuspol findet eine Oxidation statt, wodurch Elektronenüberschuß besteht. Die elektrochemischen Vorgänge laufen in der Brennstoffzelle ab, sobald ein äußerer Stromkreis geschlossen ist.

In DE 100 47 248 A1 ist ein typischer Aufbau einer Brennstoffzelle gezeigt. Die Brennstoffzelle besteht aus einer Kathodenelektrode, einer Anodenelektrode und einer Matrix, die zusammen eine Membran-Elektroden-Einheit (MEA) bilden. Die Kathodenelektrode und die Anodenelektrode besteht jeweils aus einem elektrisch leitenden Körper, der als Träger für einen Katalysatorstoff dient. Die Matrix ist zwischen der Kathoden- und Anodenelektrode angeordnet und dient als Träger für einen Elektrolyten. Mehrere Brennstoffzellen werden unter Zwischenlage von Separatorplatten aufeinandergestapelt. Die Zuführung, Zirkulation und Abführung von Oxidanten, Reduktanten, Reaktanten und Kühlmitteln erfolgt über Kanalsysteme, welche mit den Separatorplatten erzeugt sind. Für jedes flüssige oder gasförmige Betriebsmittel sind in den Brennstoffzellenstapeln Zufuhrsammelkanäle, Verteilerkanäle und Abfuhrsamelkanäle vorgesehen, die durch Dichtmittel voneinander getrennt sind. Die Zufuhrsammelkanäle und Abfuhrsammelkanäle werden im englischsprachigen Raum als Ports bezeichnet. Über mindestens einen Zufuhrsammelkanal werden die Zellen eines Stapels parallel mit einem Oxidant-Fluid, einem Reaktant-Fluid und einem Kühlmittel versorgt. Die Reaktionsprodukte , überschüssiges Reaktant- und Oxidant-Fluid und erwärmtes Kühlmittel werden aus den Zellen über mindestens einem Abfuhrsammelkanal aus dem Stapel geführt. Die Verteilerkanäle bilden eine Verbindung zwischen dem Zu- und Abfuhrsammelkanal und den einzelnen aktiven Kanälen einer Brennstoffzelle. Die Brennstoffzellen können zur Spannungserhöhung in Reihe geschaltet sein. Die Stapel sind durch Endplatten abgeschlossen und in einem Gehäuse untergebracht, wobei Plus- und Minuspol nach außen zu einem Verbraucher geführt sind.

Zum Betrieb von Polymer-Elektrolyt-Membran (PEM)-Brennstoffzellen ist es notwendig, die Prozessgase zumindest teilweise zu befeuchten, um ein Austrocknen der Polymer-Elektrolyt-Membran zu verhindern. Zur Befeuchtung ist es bekannt, eine sogenannte Gas-Gas-Befeuchtung zu verwenden. Dabei wird das feuchte Abgas der PEM-Brennstoffzelle durch ein Membranmodul geleitet, in dem das feuchte, aus der Zelle austretende Gas am einströmenden, trockenen Frischgasstrom vorbeiströmt, wobei ein Teil des Wassers vom austretenden Gasstrom an den Frischgasstrom abgegeben wird. Eine Membran trennt den austretenden von dem einströmenden Gastrom.

In DE 42 01 632 A1 ist eine Anordnung zur Befeuchtung der einer Brennstoffzelle zuströmenden Reaktanten beschrieben, bei der Befeuchtermodule abgesetzt von der eigentlichen Brennstoffzelle vorgesehen sind. Es bestehen Leitungsverbindungen zwischen den Befeuchtermodulen und dem chemisch aktiven Teil der Brennstoffzelle. Separat angeordnete Befeuchtermodule vergrößern den notwendigen Bauraum eines Brennstoffzellensystems. Über die Leitungsverbindungen entstehen unerwünschte Druckverluste.

Bei der in US 5,176,966 offenbarten Membran-Elektroden-Anordnung einer elektrochemischen Brennstoffzelle sind ein aktiver Abschnitt und ein separater Befeuchtungs-Abschnitt zwischen einem Paar Endplatten aufgenommen. Die Stapelanordnung wird durch Spanngewindebolzen und Gewindemuttern zusammengehalten. Den Endplatten sind eine Distanzplatte, eine elektrische Isolationsplatte und eine Druckplatte zugeordnet. Der aktive Abschnitt ist jeweils von Sammelplatten eingeschlossen. Der Befeuchtungs-Abschnitt liegt zwischen einer Sammelplatte und der Druckplatte. Eine Endplatte ist als Fluid-Endplatte ausgebildet und besitzt Anschlussstutzen und Durchgänge für Fluide. Die Endplatten sind ansonsten massiv aufgebaut, um die erforderlichen Druckspannungen der Spannbolzen bzw. Muttern auf die Stapelanordnung weitergeben zu können. Der Befeuchtungs-Abschnitt befindet sich dicht bei dem aktivem Abschnitt, nimmt aber einen Teil des Bauraumes der Brennstoffzellenanordnung ein.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen elektrochemischen Zellenstapel zu entwickeln, der einen kompakten Aufbau aufweist und bei dem die Druckverluste bei der Fluidleitung gering sind. Des weiteren soll der Aufwand an Material und Kosten gering gehalten werden.

Die Aufgabe wird mit einem elektrochemischen Zellenstapel gelöst, der die Merkmale des Patentanspruchs 1 aufweist. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Gemäß der Erfindung wird mindestens eine Systemkomponente, insbesondere ein Gas/Gas-Befeuchtermodul, in eine Endplatte eines Zellenstapels integriert. Dazu werden in der Endplatte entsprechende Hohlräume vorgesehen, die die Systemkomponente oder die Systemkomponenten aufnehmen, so dass kein zusätzlicher Bauraum für die Systemkomponenten benötigt wird. Die Endplatte kann so mit Hohlräumen versehen sein, dass die die Hohlräume umgebenden Stege oder Wände besonders zur gleichmäßigen Übertragung von Spannkräften auf eine Fläche der benachbarten Elemente des Zellenstapels ausgebildet sind. Die Systemkomponente kann als separates Bauteil in die Endplatte integriert sein oder zumindest zum Teil aus dem Material der Endplatte erzeugt sein. Eine Endplatte kann als Gehäuse für eine Systemkomponente ausgebildet sein. Neben einem Gas/Gas-Befeuchtermodul lassen sich auch ein Wärmetauscher, Bauteile zur Wasserkondensation und/oder ein Wasserstoff-Separations-Modul bei Reformatbetrieb einer Brennstoffzelle in eine Endplatte integrieren.

Wenn für einem Zellenstapel ein Gehäuse entsprechend groß ausgebildet ist, dann kann mindestens eine Systemkomponente auch in das Gehäuse, oder zum Teil in das Gehäuse und zum Teil in eine Endplatte, integriert sein. Das Gleiche gilt für entsprechend voluminös ausgebildete Spannelemente für die Stapelanordnung.

Die Erfindung hat den Vorteil, dass bisher ungenutzter Bauraum der Endplatten, Gehäuseteile oder Spannelemente oder nur einfach genutzter Bauraum für mindestens eine weitere Funktion genutzt werden kann. Bei der Integration eines Gas/Gas-Befeuchtermoduls in eine Endplatte können für das Modul vorteilhaft Hohlfasermembranen oder Flachmembranen verwendet werden, die auf kleinstem Raum eine große Übertragungsrate ermöglichen, welche sich aus der geometrischen Anordnung der Hohlfasermembranen und den wirkenden mechanischen Kräften ergibt. Durch den kompakten Aufbau eines Zellenstapels ergeben sich kurze Strömungswege für die Fluide, wodurch die Druckverluste gering sind und der Wirkungsgrad des Zellenstapels steigt. Durch die Integration von Systemkomponenten in eine Endplatte kann der Wärmehaushalt des Zellenstapels verbessert werden.

Die Erfindung soll nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen noch näher erläutert werden, es zeigen:
1: ein Schema eines Brennstoffzellenstapels nach dem Stand der Technik mit einem zwischen Endplatten angeordneten Befeuchtungsmodul,
2: ein Schema eines Brennstoffzellenstapels mit einem in eine Endplatte integrierten Befeuchtungsmodul,
3: ein Schema eines Brennstoffzellenstapels mit einem in eine Endplatte integrierten Wärmetauschermodul,
4: ein Befeuchtungsmodul mit Hohlfasern,
5: einen Querschnitt durch das Befeuchtungsmodul nach 4,
6: ein Befeuchtungsmodul mit einer plattenförmigen Gasverteilerstruktur und Flachmembranen,
7: einen Querschnitt durch das Befeuchtungsmodul nach 6, und
8: eine Darstellung von Flachmembranen des Befeuchtungsmoduls nach 6.
1 zeigt einen Brennstoffzellenstapel nach dem Stand der Technik. Zwischen Endplatten 1, 2 befinden sich ein elektrochemisch aktiver Bereich 3, ein Befeuchtungsmodul 4 und ein Interface 5 zwischen dem aktiven Bereich 3 und dem Befeuchtungsmodul 4. Der elektrochemisch aktive Bereich 3 besteht aus abwechselnd angeordneten Membran-Elektroden-Einheiten (MEA) und Separatorplatten zur Zu- und Abführung und Zirkulation von Fluiden, wie Brenngas, Oxidationsgas und Kühlmittel. Die Elektroden der Membran-Elektroden-Einheiten sind in Reihe geschaltet. Die außen liegenden Elektroden besitzen Polanschlüsse für den Brennstoffzellenstapel, die mit einem externen Verbraucher verbunden sind. Im Brennstoffzellenstapel bzw. innerhalb einer Einzelzelle befindet sich ein Kanalsystem 6 aus Sammel- und Verteilerkanälen für die Fluide. Das Interface 3 enthält Fluidleitungen 7, 8 zum Verbinden des Befeuchtungsmoduls 4 mit dem aktiven Bereich 3. Das Befeuchtungsmodul 4 enthält parallel laufende Kanäle 9 für ein Fluid, wie z.B. Frischluft mit Sauerstoff als Oxidationsmittel. Die Kanäle 9 im Befeuchtungsmodul 4 sind durch Befeuchtermembranen 10 voneinander getrennt. An der Endplatte 1 befinden sich Anschlüsse 11, 12 für die Frischluft und Abluft. Die Frischluft wird über den Anschluss 11 und eine Leitung 13 in die Kanäle 9 des Befeuchtungsmoduls 4 geleitet. Über die Leitung 7 des Interface 5 tritt die Frischluft in den aktiven Bereich 3 ein. Beim Durchströmen des Kanalsystems 6 wird der Sauerstoff zum Teil verbraucht. Es entsteht mit Wasser befeuchtete Luft, die über die Leitung 8 dem Befeuchtungsmodul 4 zugeleitet wird. Die feuchte Luft gibt Wasser über die Befeuchtermembran 10 an die gegenströmende Frischluft ab. Schließlich wird die verbrauchte Luft über eine Leitung 14 und den Anschluß 12 aus dem Brennstoffzellenstapel geleitet. Die Endplatten 1, 2 dienen neben der Durchleitung der Fluide nur zur Verspannung des Brennstoffzellenstapels.
In der nachstehenden Beschreibung, werden für Elemente mit äquivalenter Funktion die vorgehend bereits eingeführten Bezugszeichen verwendet.
2 zeigt einen Brennstoffzellenstapel, in den gemäß der Erfindung ein Befeuchtungsmodul 15 in eine Endplatte 1 integriert ist. Das Befeuchtungsmodul 15 enthält parallele Leitungen 9 für Frischluft, die durch eine Befeuchtermembran 10 aus Hohlfasern getrennt sind. Die Frischluft wird über einen Anschluß 11 in der Endplatte 1 zum Befeuchtungsmodul 15 geleitet. Von dort aus gelangt die Frischluft direkt in das Kanalsystem 6 des' aktiven Bereiches 3, wo sie als Oxidationsmittel dient. Die verbrauchte Abluft ist mit Wasser angereichert und gelangt zurück zum Befeuchtungsmodul 15. Über die Befeuchtermembran 10 gibt die Abluft Wasser an die gegenströmende Frischluft ab. Schließlich gelangt die Abluft über den Anschluß 12 außerhalb des Brennstoffzellenstapels. Die Endplatten 1, 2 dienen zur Verspannung des Brennstoffzellenstapels, wobei das in die Endplatte 1 integrierte Befeuchtungsmodul 15 ebenfalls Spannkräfte aufnimmt. Durch die Integration des Befeuchtungsmoduls 15 in die Endplatte 1 benötigt der Brennstoffzellenstapel nur einen geringen Bauraum, was mobilen Anwendungen entgegenkommt.
3 zeigt einen Brennstoffzellenstapel, bei dem ein Wärmetauschermodul 16 in eine Endplatte 2 integriert ist. Der Brennstoffzellenstapel wird über eine Endplatte 1 und die Kombination aus Endplatte 2 und Wärmetauschermodul 16 gespannt. Die Prozessgase werden über Anschlüsse 17, 18 durch die Endplatte 1 in den und aus dem aktiven Bereich 3 des Brennstoffzellenstapels geleitet. Beim Betrieb der Brennstoffzelle entsteht Wärme, die mit dem Wärmetauschermodul 16 abgeführt wird. Hierzu werden zwei Wärmetauschermedien verwendet, die über die Anschlüsse 19–22 an der unteren und oberen Seite der Endplatte 2 zu- und abgeführt werden. Das erste Wärmetauschermedium wird über den Anschluß 19 zugeführt und über den Anschluß 20 abgeführt. Das zweite Wärmetauschermedium gelangt über den Anschluß 21 in das Wärmetauschermodul 16 und über den Anschluß 22 wird es abgeführt. Im Wärmetauschermodul 16 sind die Kanäle 23 für die Wärmetauschermedien so gelegt, dass Wärme durch Wärmeleitung zwischen den Medien und dem Kanalsystem 6 des aktiven Bereiches 3 ausgetauscht wird.
In den 4 und 5 ist ein Befeuchtungsmodul mit Hohlfasern mehr im Detail dargestellt, welches einen flachen Aufbau besitzt, um in eine Endplatte integriert werden zu können. Das Befeuchtungsmodul besteht aus einer Grundplatte 19 in den Abmessungen einer Separatorplatte für eine Brennstoffzelle. Seitlich sind in der Grundplatte 19 eine Reihe von Durchbrüchen 20–25 für Sammelkanäle eines Brennstoffzellenstapels eingebracht. Auf der Grundplatte 19 sind senkrecht stehende, parallel verlaufende Stege 26–30 angeordnet, die zur Stabilisierung des Befeuchtungsmoduls dienen. In den außen liegenden Stegen 26, 30 sind die Enden von Hohlfasern 31 aufgenommen, wobei die Lufteintritts- und Luftaustrittsöffnungen jeweils zu den Sammelkanälen 20, 21 führen. Die Hohlfasern 31 sind in mehreren Lagen in Schlaufen meanderförmig um die Stege 27–29 gelegt, wozu die Stege 27–29 gegeneinander versetzt entsprechende Freiräume lassen. Die Hohlfasern 19 weisen eine membranartige Struktur auf, durch die nur Wasser aber keine Luft bzw. Sauerstoff auf die andere Seite der Hohlfasern 31 gelangen kann. Über die Stege 26–30 ist eine Abdeckplatte 32 gelegt, so dass Kammern 33–36 gebildet sind, durch die Luft zirkulieren kann. An den Kammern 33, 36 sind entsprechende Lufteinlass- und Luftauslassstutzen 37, 38 angeordnet.
Im Betrieb eines Brennstoffzellenstapels wird über den Sammelkanal 20 sauerstoffarme , befeuchtete Luft 39 aus der Brennstoffzelle in die Einströmöffnungen der Hohlfasern am Steg 26 geleitet. Gleichzeitig wird über den Lufteinlassstutzen 37 sauerstoffreiche, trockene Luft 40 in die Kammern 33–36 geleitet. Während die befeuchtete Luft 39 die Hohlfasern 31 durchströmt gibt sie Wasser an die im Gegenstrom vorbeiströmende trockene Luft 40 ab. An den Ausströmöffnungen der Hohlfasern 31 am Steg 30 besitzt die Luft 39 nur noch eine Restfeuchte. Die verbrauchte Luft 39 wird nach Abgabe des Wassers über den Sammelkanal 21 außerhalb des Brennstoffzellenstapels geführt. Das von der Luft 39 abgegebene Wasser wurde von der gegenströmenden Luft 40 in den Kammern 33-36 aufgenommen. Am Luftauslassstutzen 38 hat die Luft 40 die für den Betrieb einer Brennstoffzelle erforderlichen Feuchtgehalt. Vom Luftauslassstutzen 38 wird die sauerstoffreiche und frisch befeuchtete Luft 40 über den Sammelkanal 25 den Kathoden der Brennstoffzellen zugeleitet.
Das in den 6–8 dargestellte Befeuchtungsmodul besteht aus einer Grundplatte 41 weist in den Abmessungen einer Separatorplatte für eine Brennstoffzelle. Seitlich sind in der Grundplatte 41 eine Reihe von Durchbrüchen 42-47 für Sammelkanäle eines Brennstoffzellenstapels eingebracht. Auf der Grundplatte 41 sind zwei senkrecht stehende, parallel verlaufende Stege 48, 49 angeordnet, die zur Stabilisierung des Befeuchtungsmoduls dienen. In den Stegen 48, 49 sind die Enden von Verteilerkanälen 50–53 für Luft aufgenommen, wobei die Lufteintritts- und Luftaustrittsöffnungen jeweils zu den Sammelkanälen 42–47 führen. Zwischen den Stegen 48, 49 sind parallel zu den Stegen 48, 49 eine Vielzahl von Platten 54, 55 und zwischen den Platten 54, 55 liegende Flachmembranen 56, 57 angeordnet (8).
Im Betrieb eines Brennstoffzellenstapels wird über den Sammelkanal 46 sauerstoffarme , befeuchtete Luft 58 aus der Brennstoffzelle in den Verteilerkanal 51 geleitet. Von dort gelangt die feuchte Luft 58 an die Flachmembranen 57. Gleichzeitig wird über den Verteilerkanal 53 sauerstoffreiche, trockene Luft 59 an die benachbarte Flachmembran 56 geleitet. Beim Durchströmen von Verteilerstrukturen, die an die Flachmembranen 57 grenzen, kann Wasser durch die Wand der Flachmembran 57 in die eng anliegende Flachmembran 56 übertreten, so dass die trockene Luft 59 befeuchtet wird. Über den Verteilerkanal 52 gelangt die ausreichend befeuchtete Luft 59 in den Sammelkanal 47 zu den Kathoden der Brennstoffzellen. Die verbrauchte, entfeuchtete Luft 58 wird über den Verteilerkanal 50 aus dem Brennstoffzellenstapel geführt.
Der flache Aufbau des Flachmembranmoduls gestattet die Integration in eine Endplatte eines Brennstoffzellenstapels.

1, 2: Endplatte
3: Bereich
4: Befeuchtungsmodul
5: Interface
6: Kanalsystem
7, 8: Fluidleitung
9: Kanal
10: Befeuchtermembran
11, 12: Anschluß
13, 14: Leitung
15: Befeuchtungsmodul
16: Wärmetauschermodul
17, 18: Anschluß
19: Grundplatte
20–25: Durchbruch
26–30: Steg
31: Hohlfaser
32: Abdeckplatte
33–36: Kammer
37: Lufteinlassstutzen
38: Luftauslassstutzen
39, 40: Luft
41: Grundplatte
42–47: Durchbruch
48, 49: Steg
50–53: Verteilerkanal
54, 55: Platte
56, 57: Flachmembran
58, 59: Luft

Claims

Elektrochemischer Zellenstapel, enthaltend einen elektrochemisch aktiven Abschnitt mit abwechselnd angeordneten Membran-Elektroden-Einheiten (MEA) und Separatorplatten zur Zu- und Abführung und Zirkulation von für den Betrieb der Zellen notwendigen Fluiden und mit einem Kanalsystem aus Verteiler- und Sammelkanälen für die Fluide, enthaltend weiterhin mindestens eine Systemkomponente zur Konditionierung mindestens eines der Fluide, enthaltend weiterhin stromführende Anschlüsse zwischen den Zellen und Polanschlüsse für den Zellenstapel und enthaltend ein Paar außen liegende Endplatten und eine Spannvorrichtung für die zwischen den Endplatten angeordneten Membran-Elektroden-Einheiten (MEA) und Separatorplatten, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Systemkomponente (15, 16) in einer Endplatte (1, 2) angeordnet ist.
Elektrochemischer Zellenstapel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Brennstoffzellenstapel in eine Endplatte (1) ein Gas/Gas-Befeuchtermodul (15) integriert ist.
Elektrochemischer Zellenstapel nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Gas/Gas-Befeuchtermodul (15) Hohlfasermembranen (31) oder Flachmembranen (56, 57) enthält.
Elektrochemischer Zellenstapel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Brennstoffzellenstapel eine Endplatte (2) baulich mit einem Wärmetauschermodul (16) vereinigt ist.
Elektrochemischer Zellenstapel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Brennstoffzellenstapel in eine Endplatte (1, 2) Bauteile zur Wasserkondensation integriert sind.
Elektrochemischer Zellenstapel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Brennstoffzellenstapel in eine Endplatte (1, 2) ein Wasserstoff-Separations-Membranmodul integriert ist.