DE19517451A1 - Brennstoffzellenanordnung mit Stromkollektor aus Drahtgewebematerial - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzellenanordnung, die eine Anzahl von in einem Stapel angeordnete, durch Bipo­ larbleche voneinander getrennte und jeweils eine von einem Brenngas angeströmte Anode, eine von einem Kathodengas an­ geströmte Kathode und eine zwischen Anode und Kathode ange­ ordnete Elektrolytmatrix aufweisenden Brennstoffzellen ent­ hält.

Bei den heute am meisten verbreiteten Brennstoffzellenan­ ordnungen sind eine Anzahl von einzelnen Brennstoffzellen, die jeweils eine Anode, eine Kathode und eine zwischen An­ ode und Kathode angeordnete Elektrolytmatrix sowie eine Bi­ polarplatte zur Trennung und elektrischen Kontaktierung von Anode und Kathode benachbarter Brennstoffzellen umfassen, in Form eines Brennstoffzellenstapels übereinander angeord­ net. Die Bipolarplatten dienen neben der elektrischen Kon­ taktierung und der gastechnischen Trennung benachbarter Brennstoffzellen der Aufgabe, an der jeweiligen Anode bzw. Kathode der benachbarten, von der Bipolarplatte getrennten Brennstoffzellen den für das Vorbeiströmen des Brenngases bzw. des Kathodengases benötigten Gasraum zur Verfügung zu stellen. Auf diese Weise sind die Brennstoffzellen mit Hilfe der Bipolarplatten elektrisch seriell verschaltet. Gastechnisch gesehen sind die Brennstoffzellen dagegen par­ allel verschaltet, da sie von dem Brenngas von einer Brenn­ gaseinlaßseite zu einer Brenngasauslaßseite in einer ersten Richtung durchströmt werden, wogegen sie von dem Kathoden­ gas von einer Kathodengaseinlaßseite zu einer Kathodengas­ auslaßseite in einer zweiten, überlicherweise zu der ersten Richtung senkrechten Richtung durchströmt werden.

Fig. 2 zeigt in perspektivischer Darstellung einen heraus­ gebrochenen Teil einer herkömmlichen Bipolarplatte. Diese Bipolarplatte ist aus fünf einzelnen Elementen aufgebaut. Dies sind ein üblicherweise aus Edelstahl hergestelltes und anodenseitig vernickeltes Bipolarblech 16, welches die Trennung der Gasräume bewirkt, ein perforierter, wellblech­ artig geformter anodenseitiger Stromkollektor 15a ebenfalls aus vernickelten Edelstahl, dessen Aufgabe es ist, den Strom an der Anode zu Sammeln, den anodenseitigen Gasraum zu bilden und der weiterhin Platz für die Aufnahme eines Katalysatormaterials in Form von Katalysatorpellets 19 für eine interne Reformierung bieten kann. Über dem anodensei­ tigen Stromkollektor 15a ist eine anodenseitige perforierte Platte 17a aus Nickel angeordnet, welche die unmittelbare Kontaktfläche für die Anode bildet. Auf der entgegengesetz­ ten Seite des Bipolarblechs 16 befindet sich ein perforier­ ter, wellblechartig geformter kathodenseitiger Stromkollek­ tor aus Edelstahl, der den kathodenseitigen Gasraum bildet. Auf der dem Bipolarblech 16 entgegengesetzten Seite dessel­ ben ist eine kathodenseitige perforierte Platte 17b ange­ ordnet, welche die Kathode abstützt und kontaktiert. Durch an den Längsseiten des Bipolarblechs 16 angeordnete Schie­ nen 18 werden die Gasräume an den Anoden bzw. Kathoden seitlich begrenzt.

Bei einer Brennstoffzellenanordnung, bei der die einzelnen Brennstoffzellen durch eine solchermaßen aufgebaute Bipo­ larplatte voneinander getrennt sind, besteht ein Nachteil darin, daß die dabei verwendeten perforierten wellblechar­ tigen Stromkollektoren als teure Tiefziehteile aus Nickel­ blech hergestellt werden müssen. Die bei der Perforierung des Nickelblechs für die Stromkollektoren und die perfo­ rierten Platten entstehenden Stanzgrate bieten Angriffs­ punkte für die in den Brennstoffzellen herrschende korro­ sive Atmosphäre, wodurch die Lebensdauer der Brennstoffzel­ len begrenzt wird. Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß die verwendeten Stromkollektoren keine Federeigenschaften haben und somit der Brennstoffzellenstapel in sich sehr steif ist, somit Probleme hinsichtlich der bei seinem Be­ trieb vorkommenden thermischen Dehnungen auftreten können.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Brenn­ stoffzellenanordnung anzugeben, bei der der Stromkollektor einfach herstellbar ist, aus wenigen Bestandteilen besteht und eine hohe Lebensdauer aufweist.

Diese Aufgabe wird gemäß der vorliegenden Erfindung dadurch gelöst, daß zwischen der Anode und dem der Anode benachbar­ ten Bipolarblech und zwischen der Kathode und dem der Ka­ thode benachbarten Bipolarblech jeweils ein durch ein Drahtgewebematerial gebildeter Stromkollektor angeordnet ist, der an der jeweiligen Anode bzw. Kathode einen Strö­ mungsquerschnitt zum Vorbeiführen des Brenngases bzw. Ka­ thodengases und einen elektrischen Kontakt zu dem jeweils benachbarten Bipolarblech herstellt.

Ein Vorteil eines solchermaßen hergestellten Stromkollektor ist es, daß dieser aus endlosem Draht herstellbar ist, und somit keine Grate aufweist, die Ansatzpunkte für Korrosion sein können. Ein weiterer Vorteil sind die guten Federei­ genschaften des verwendeten Drahtgewebematerials. Ein wei­ terer Vorteil ist die Möglichkeit zur schnellen und einfa­ chen Herstellung. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß durch die Wahl der Stärke des für das Gewebe verwendeten Drahtes, die Art der Herstellung des Gewebes sowie die Formgebung desselben die Federeigenschaften in definierter Weise vorgegeben werden können.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Un­ teransprüchen gekennzeichnet.

Im folgenden soll ein Ausführungsbeispiel der Erfindung an­ hand der Zeichnung erläutert werden. Darin zeigen:

Fig. 1 in perspektivischer Darstellung ein Ausführungsbei­ spiel einer Brennstoffzellenanordnung nach der vorliegenden Erfindung; und

Fig. 2 in perspektivischer Ansicht eine herkömmliche Bipo­ larplatte, wie sie bei einer Brennstoffzellenanordnung nach dem Stand der Technik verwendet wird.

Fig. 1 zeigt eine Brennstoffzellenanordnung gemäß der vor­ liegenden Erfindung, bei der die Bezugsziffer 1 ein Anoden-Elektrolytmatrix-Kathoden-Element bedeutet, das aus einer Anode 2, einer Kathode 4 und einer zwischen Anode und Ka­ thode eingebetteten Elektrolytmatrix 3 besteht. Typischer­ weise ist die Anode 2 aus einer porösen Nickellegierung und die Kathode 4 aus mit Lithium dotiertem Nickeloxid herge­ stellt. Die dazwischenliegende Elektrolytmatrix besteht ty­ pischerweise aus einem in einem Matrixmaterial eingelager­ ten Lithium- und Kaliumkarbonatschmelzelektrolyten. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf Schmelzkarbonat­ brennstoffzellen dieser Art beschränkt, sie kann auch bei jedweder anderer Brennstoffzellenanordnung Verwendung fin­ den.

Die Anoden-Elektrolytmatrix-Kathoden-Elemente 1 der einzel­ nen Brennstoffzellen sind durch Bipolarbleche 6 voneinander getrennt, die typischerweise aus Edelstahl gefertigt und anodenseitig mit Nickel beschichtet sind, um das Edelstahl­ blech gegenüber der im Anodenraum herrschenden korrosiven aufkohlenden Atmosphäre zu schützen. Zwischen dem Bipolar­ blech 6 und der Anode 2 der darunter befindlichen benach­ barten Brennstoffzelle befindet sich ein Stromkollektor 5b, der einerseits den elektrischen Kontakt zwischen der Anode 2 und dem Bipolarblech 6 im Sinne einer elektrischen Se­ rienschaltung in Bezug zu der benachbarten Brennstoffzelle herstellt und andererseits den Strömungsquerschnitt zur Verfügung stellt, der notwendig ist, um das für den Betrieb der Brennstoffzelle benötigte Brenngas B an der Anode vor­ beizuführen. Bei der in Fig. 1 dargestellten Brennstoff­ zellenanordnung ist der Stromkollektor wellenförmig aus ge­ bildet, wobei die Längsachse der Wellungen so orientiert ist, daß das Brenngas B in der mit dem Pfeil gekennzeichne­ ten Richtung an der Anode 2 vorbeistreichen kann. In ent­ sprechender Weise ist zwischen dem Bipolarblech 6 und der Kathode 4 der darüber befindlichen benachbarten Brennstoff­ zelle ein Stromkollektor 5a angeordnet, der ebenfalls durch ein gewelltes Drahtgewebematerial gebildet ist. Die Wellun­ gen des kathodenseitigen Stromkollektors 5a sind gegenüber denen des anodenseitigen Stromkollektors 5b um 90° ver­ setzt, so daß für das Kathodengas K an der Kathode 4 ein Strömungsweg gebildet wird, in welchem das Kathodengas K in der mit dem Pfeil gekennzeichneten Richtung an der Kathode vorbeistreichen kann. Somit werden die Brennstoffzellen mit Strömen des Brenngases B und des Kathodengases K beauf­ schlagt, die zueinander quer verlaufen. Die Verteilung des Brenngases B und des Kathodengas es K an den Einlaß- und Auslaßseiten der Brennstoffzellenanordnung erfolgt durch in der Figur nicht dargestellte Gasverteiler. Zum Zwecke der besseren Übersichtlichkeit sind in Fig. 1 nur zwei Brenn­ stoffzellen dargestellt, tatsächlich enthält die Brenn­ stoffzellenanordnung jedoch eine größere Anzahl von Brenn­ stoffzellen, die übereinander zu einem Brennstoffzellensta­ pel zusammengefaßt und elektrisch in Serie geschaltet sind.

Die Stromkollektoren 5a und 5b sind bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel aus einem Drahtgewebematerial herge­ stellt, dessen Drähte aus Nickel bestehen. Durch die Ver­ wendung von Nickeldraht sind die Stromkollektoren in hohem Maße korrosionsfest.

Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind die Strom­ kollektoren 5a, 5b aus einem Drahtgewebeschlauch herge­ stellt, der aus endlosem Nickeldraht hergestellt ist. Da­ durch werden die sonst an den Drahtenden auftretenden Schnittstellen und Grate vermieden, welche bevorzugte An­ griffspunkte für Korrosion bilden. Um den Drahtgewebe­ schlauch in die in Fig. 1 ersichtliche Form für die Strom­ kollektoren 5a, 5b zu bringen, wird dieser flach zusammen­ gelegt, daß das Material doppelt zu liegen kommt und dann in die ersichtliche Wellenform gebracht. Die Festigkeit an den gewellten Rändern der Stromkollektoren 5a, 5b wird er­ höht, wenn die Wellungen des Drahtgewebematerials so ge­ wählt werden, daß sie quer zur Längsrichtung des Schlauches verlaufen. Alternativ können die Stromkollektoren 5a, 5b jedoch auch aus einfach gelegtem Drahtgewebematerial gebil­ det sein.

Das Drahtgewebematerial kann gewebt oder gewirkt sein. Die Wellungen können in verschiedener Weise durch Falten oder Plissieren hergestellt sein. Die Höhe, der gegenseitige Ab­ stand und die Geometrie der Falten bestimmt den für das je­ weilige vorbei streichende Gas zur Verfügung stehenden freien Strömungsquerschnitt sowie die mechanischen Eigen­ schaften der Stromkollektoren 5a, 5b. Unter den mechani­ schen Eigenschaften der Stromkollektoren steht insbesondere deren Elastizität bzw. deren Federeigenschaft im Vorder­ grund. Durch diese Federeigenschaft ist der durch eine grö­ ßere Anzahl von Brennstoffzellen gebildete Brennstoffzel­ lenstapel in der Lage die bei seinem Betrieb und insbeson­ dere bei Betriebsaufnahme und -beendigung auftretenden thermischen Dehnungen aufzunehmen. Die Federeigenschaft ist bestimmt durch die Dicke des verwendeten Drahtes, den Ab­ stand der Drähte im Gewebe zueinander, die Art der Herstel­ lung des Gewebes, sowie die Geometrie der Wellungen, bzw. Faltungen.

Weiterhin von Bedeutung ist die Größe der durch die Wellun­ gen an Anode 2 bzw. Kathode 4 erzeugten Kontaktfläche sowie der gegenseitige Abstand der Wellungen zueinander. Auch dies kann durch die Geometrie der Wellungen in einem weiten Bereich frei gewählt werden.

Claims (8)

1. Brennstoffzellenanordnung, die eine Anzahl von in ei­ nem Stapel angeordnete, durch Bipolarbleche (6) voneinander getrennte und jeweils eine von einem Brenngas (B) ange­ strömte Anode (2), eine von einem Kathodengas (K) ange­ strömte Kathode (4) und eine zwischen Anode (2) und Kathode (4) angeordnete Elektrolytmatrix (3) aufweisende Brenn­ stoffzellen enthält, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Anode (2) und dem der Anode (2) benachbarten Bipolar­ blech (6) und zwischen der Kathode (4) und dem der Kathode (4) benachbarten Bipolarblech (6) jeweils ein durch ein Drahtgewebematerial gebildeter Stromkollektor (5a, 5b) ange­ ordnet ist, der an der jeweiligen Anode (2) bzw. Kathode (4) einen Strömungsquerschnitt zum Vorbeiführen des Brenn­ gases bzw. Kathodengases und einen elektrischen Kontakt zu dem jeweils benachbarten Bipolarblech (6) herstellt.

2. Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das den Stromkollektor (5a, 5b) bildende Drahtgewebematerial im Querschnitt wellenförmig ist.

3. Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 1 oder 2, da­ durch gekennzeichnet, daß das den Stromkollektor (5a, 5b) bildende Drahtgewebematerial als Gewebeschlauch vorgesehen ist.

4. Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Drahtgewebematerial durch einen ge­ wirkten Gewebeschlauch gebildet ist.

5. Brennstoffzellenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das den Stromkollektor (5a, 5b) bildende Gewebematerial doppelt gelegt ist.

6. Brennstoffzellenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das den Stromkollektor (5a, 5b) bildende Drahtgewebematerial raupenförmig angeord­ net ist.

7. Brennstoffzellenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das den Stromkollektor (5a, 5b) bildende Drahtgewebematerial plissiert ist.

8. Brennstoffzellenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Drahtgewebematerial aus Nickeldraht hergestellt ist.