DE19852146C2

DE19852146C2 - Brennstoffzellenanordnung mit korrosionsgeschützten Reformiereinheiten

Info

Publication number: DE19852146C2
Application number: DE19852146A
Authority: DE
Inventors: Peter Biedenkopf
Original assignee: MTU Friedrichshafen GmbH; MTU Motoren und Turbinen Union Friedrichshafen GmbH
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1998-11-12
Filing date: 1998-11-12
Publication date: 2001-10-11
Anticipated expiration: 2018-11-13
Also published as: DE19852146A1

Abstract

Es wird eine Brennstoffzellenanordnung mit einer Anzahl von in einem Brennstoffzellenstapel (2) angeordneten Brennstoffzellen (1) beschrieben, die jeweils eine Anode (13), eine Kathode (11) und eine Elektrolytmatrix (12) sowie eine Bipolarplatte (19) enthalten. Weiterhin sind in dem Brennstoffzellenstapel (2) Reformiereinheiten (14) vorgesehen, die zwischen den Brennstoffzellen (1) angeordnet sind und vom zu reformierenden Brenngas durchströmt werden. Erfindungsgemäß ist an den Reformiereinheiten (14) ein Korrosionsschutz (17c) aus einer MCrAIY-Legierung vorgesehen (M = Fe, Ni und/oder Co). Der Korrosionsschutz schützt die Reformiereinheiten (14) insbesondere bei Brennstoffzellenanordnungen nach Art eines "Hot Module", bei denen der Brennstoffzellenstapel (2) in einer gasdichten Umhüllung (3) eingeschlossen ist, innerhalb der das Brenngas geführt wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzellenanordnung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Aus der EP 0 230 036 A1 ist eine Brennstoffzellenanordnung bekannt, bei der eine Anzahl von Brennstoffzellen in einem Brennstoffzellenstapel angeordnet sind. Die Brennstoffzellen enthalten jeweils eine Anode, eine Kathode und eine Elektrolytmatrix und sind durch Bipolarplatten elektrisch kontaktiert und voneinander getrennt. Die Brennstoffzellen werden an ihren Anoden von einer Brenngaseinlaßseite zu einer Brenngasauslaßseite von einem Brenngas durchströmt. Zwischen den Brennstoffzellen und im thermischen Kontakt mit diesen sind Reformiereinheiten angeordnet, die vom zu reformierenden Brenngas durchströmt werden. Bei der bekannten Brennstoffzellenanordnung wird das Brenngas durch Gasverteilungseinrichtungen geführt, die seitlich an dem Brennstoffzellenstapel angeordnet sind.

Aus der DE 195 17 042 C1 ist ebenfalls eine Brennstoffzellenanordnung mit einer Anzahl von in einem Brennstoffzellenstapel angeordneten Brennstoffzellen bekannt, wobei die Brennstoffzellen jeweils eine Anode, eine Kathode und eine Elektrolytmatrix enthalten und durch Bipolarplatten elektrisch kontaktiert und voneinander getrennt sind. Die Brennstoffzellen werden an ihren Anoden von einer Brenngaseinlaßseite zu einer Brenngasauslaßseite von einem Brenngas durchströmt. Die bekannte Brennstoffzellenanordnung ist von einer gasdichten Umhüllung eingeschlossen, die zusammen mit sich zwischen den Ecken des Brennstoffzellenstapels und der Innenseite der Umhüllung erstreckenden Dichtungsvorrichtungen Strömungswege für das Brenngas wie auch für das Kathodengas begrenzt. Eine Brennstoffzellenanordnung dieser Art wird üblicherweise als "Hot Module" bezeichnet.

Aus der US 4 609 595 ist eine Brennstoffzellenanordnung mit einer Anzahl von in einem Brennstoffzellenstapel angeordneten und durch Bipolarplatten elektrisch kontaktierten und voneinander getrennten Brennstoffzellen bekannt, bei der die Kanten der Bipolarplatten durch Dichtungsflansche gegen Korrosion geschützt sind, welche aus Legierungen von Yttrium, Chrom, Aluminium und Eisen hergestellt sind.

In der DE 196 00 681 C1 ist ein Katalysator aufgezeigt, der zur Herstellung von Synthesegas bei der Dampfreformierung Verwendung findet. Um die Haftung des Katalysatormaterials zu verbessern, wird auf einem Grundkörper ein Haftvermittler aufgetragen, der FeCrAl enthält. Von diesem Material ist bekannt, daß es sich durch hervorragende Korrosionseigenschaften vor allem im Hochtemperaturbereich auszeichnet.

Bei Hochtemperatur-Brennstoffzellen dienen die Reformiereinheiten dazu, aus einem bereits vorreformierten Brenngas, überwiegend bestehend aus CO, H₂O, H₂ und CH₄, Wasserstoff H₂ zu produzieren, welcher anschließend an der Anode der Brennstoffzelle unter Einwirkung des oxidierenden Kathodengases elektrochemisch zu Wasser oxidiert wird. Die Reformiereinheiten bestehen üblicherweise aus einem Reformiergehäuse und einem Reformierkatalysator, wobei das Reformiergehäuse aus einem geformten, vernickelten Edelstahlblech hergestellt ist und den Gasfluß durch die Reformiereinheit gewährleistet und das Katalysatormaterial beherbergt. Die äußerliche Vernickelung der Reformiereinheiten ist üblicherweise gegen das Brenngas chemisch stabil und schützt die Reformiereinheit gegen Korrosion. Bei Brennstoffzellenanordnungen nach dem "Hot Module"-Prinzip, bei denen es keine völlig getrennte Gasführung von Anodengas und Kathodengas gibt, kann es im Ausgangsbereich der Anoden zu einem erhöhten Sauerstoffpartialdruck kommen, was eine rasche Oxidation des Nickels zur Folge hat.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine Brennstoffzellenanordnung der vorausgesetzten Art zu schaffen, bei welcher die Reformiereinheiten zuverlässig gegen Korrosion geschützt sind.

Diese Aufgabe wird durch eine Brennstoffzellenanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Brennstoffzellenanordnung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die erfindungsgemäße Brennstoffzellenanordnung verfügt über eine Anzahl von in einem Brennstoffzellenstapel angeordneten Brennstoffzellen, die jeweils eine Anode, eine Kathode und eine Elektrolytmatrix enthalten und durch Bipolarplatten elektrisch kontaktiert und voneinander getrennt sind. Die Brennstoffzellen werden an ihren Anoden von einer Brenngaseinlaßseite zu einer Brenngasauslaßseite von einem Brenngas durchströmt. Zwischen den Brennstoffzellen und im thermischen Kontakt mit diesen sind Reformiereinheiten angeordnet, die vom zu reformierenden Brenngas durchströmt werden. Erfindungsgemäß ist an den Reformiereinheiten ein Korrosionsschutz aus einer MCrAlY- Legierung (M = Fe, Ni und/oder Co) vorgesehen.

Der Vorteil bei der erfindungsgemäßen Brennstoffzellenanordnung ist es, daß die Reformiereinheiten durch den Korrosionsschutz aus der MCrAlY-Legierung zuverlässig gegen Korrosion geschützt sind, so daß sie auch in einer oxidierenden Atmosphäre korrosionsbeständig sind.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Brennstoffzellenanordnung so ausgebildet, daß der Brennstoffzellenstapel in einer gasdichten Umhüllung eingeschlossen ist, innerhalb der das Brenngas von der Brenngasauslaßseite der Anoden abgeführt und diesem oxidierendes Frischgas beigemischt wird, wobei der Korrosionsschutz an den Reformiereinheiten zumindest im Bereich der Brenngasauslaßseite der Anoden vorgesehen ist. Dies bedeutet, daß durch den erfindungsgemäßen Korrosionsschutz die vorteilhafte Kombination eines Reformiereinheiten aufweisenden Brennstoffzellenstapels mit einer gasdichten Umhüllung nach Art eines "Hot Module" möglich ist.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist es vorgesehen, daß die Reformiereinheiten ein flaches, kastenförmiges Gehäuse mit einer einen Teil der Oberfläche des Brennstoffzellenstapels bildenden Stirnfläche aufweisen, und daß der Korrosionsschutz zumindest an der Stirnfläche der Reformiereinheiten vorgesehen ist.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung kann der Korrosionsschutz durch eine Folie oder ein dünnes Blech aus einer MCrAlY-Legierung gebildet sein.

Alternativ kann der Korrosionsschutz durch eine Beschichtung aus einer MCrAlY- Legierung gebildet sein.

Vorteilhafterweise wird die Beschichtung durch Pulverbeschichtung mit einem MCrAlY- Pulver hergestellt.

Alternativ ist die Herstellung der Beschichtung durch ein Plasmaspritzverfahren, ein Lichtbogenverfahren, ein Flammspritzverfahren oder ein Hochgeschwindigkeitsflammspritzverfahren ebenfalls vorteilhaft.

Bei der Herstellung des Korrosionsschutz durch eine Folie oder ein dünnes Blech aus einer MCrAlY-Legierung ist es für einen ausreichenden Korrosionsschutz vorteilhaft, wenn das Blech oder die Folie eine Dicke von 40 µm oder mehr aufweist.

Bei der Herstellung des Korrosionsschutz durch eine Beschichtung aus einer MCrAlY- Legierung ist es vorteilhaft, wenn die Beschichtung eine Dicke von 50 bis 200 µm, vorzugsweise von 60 bis 100 µm aufweist.

Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist der Korrosionsschutz durch ein an der Stirnfläche der Reformiereinheiten angeordnetes, aus einer Folie oder einem Blech aus einer MCrAlY-Legierung hergestelltes Profil gebildet, welches die Stirnfläche der Reformiereinheiten nach außen absperrt.

Vorteilhafterweise hat das den Korrosionsschutz bildende Profil einen U-förmigen Querschnitt, der zur Reformiereinheit hin geöffnet ist und die Reformiereinheit im Bereich der Stirnfläche umgibt.

Gemäß einer besonders vorteilhaften alternativen Ausbildung hat das den Korrosionsschutz bildende Profil einen U-förmigen Querschnitt, der zur Außenseite des Brennstoffzellenstapels hin geöffnet ist und mit seinem Basisschenkel die Reformiereinheit im Bereich der Stirnfläche absperrt.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung hiervon ist die Stirnfläche der Reformiereinheit gegenüber der Oberfläche des Brennstoffzellenstapels nach innen zurückgesetzt, wobei die Länge des Basisschenkels des Profils der Höhe der Reformiereinheit entspricht und die Seitenschenkel des Profils eine Verlängerung der Reformiereinheit bilden und die Reformiereinheit gegen die Oberfläche des Brennstoffzellenstapels absperren.

Vorzugsweise ist die Höhe des Profils dabei so bemessen, daß das Profil zusammen mit der Reformiereinheit zwischen den benachbarten Komponenten im Brennstoffzellenstapel unter Druck eingespannt ist.

In dem Profil ist vorzugsweise ein Stützkörper angeordnet.

Dieser Stützkörper kann durch einen Edelstahlformkörper gebildet sein, dessen Höhe dem Abstand zwischen den Seitenschenkeln des Profils entspricht.

Vorzugsweise ist das den Korrosionsschutz bildende Profil im Brennstoffzellenstapel zusammen mit der Reformiereinheit zwischen einer Bipolarplatte und einer Brennstoffzelle angeordnet und liegt abdichtend an einem Randbereich der Bipolarplatte an.

Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, daß die MCrAlY-Legierung, aus der der Korrosionsschutz hergestellt ist, 60 bis 75 Gew.-% M (M = Fe, Ni oder Co), 20 bis 25 Gew.-% Cr, 5 bis 8 Gew.-% Al und 100 bis 500 ppm Y enthält.

Im folgenden werden vorteilhafte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1a) und b) in schematisierter Querschnittsansicht den Aufbau einer Brennstoffzelle sowie eines Brennstoffzellenstapels mit einer in dem Brennstoffzellenstapel angeordneten Reformiereinheit, die mit einem Korrosionsschutz gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung versehen ist;

Fig. 2a), b) und c) in schematisierter Darstellung Querschnitte von Reformiereinheiten, welche jeweils mit einem Korrosionsschutz nach dem ersten
Ausführungsbeispiel (Fig. 2a)), sowie einem zweiten
Ausführungsbeispiel (Fig. 2b)), sowie einem dritten
Ausführungsbeispiel (Fig. 2c)) versehen sind;

Fig. 3a) und b) in der Draufsicht sowie in der Seitenansicht Ausführungsbeispiele von Brennstoffzellenanordnungen, bei denen der Brennstoffzellenstapel in einer gasdichten Umhüllung nach Art eines "Hot Module" vorgesehen ist, wobei der Brennstoffzellenstapel mit einem Korrosionsschutz gemäß der Erfindung versehene Reformiereinheiten enthält; und

Fig. 4 in schematisierter Querschnittsansicht eine Darstellung eines Teils eines Brennstoffzellenstapels mit einer Reformiereinheit, welche gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel von Fig. 2c) mit einem Korrosionsschutz versehen ist, wobei dieser Brennstoffzellenstapel für eine Anordnung mit gasdichter Umhüllung gemäß Fig. 3 vorgesehen ist.

Fig. 1a) zeigt in schematisierter Darstellung eine Querschnittsansicht durch einen Teil einer Brennstoffzelle 1, wie sie Bestandteil der erfindungsgemäßen Brennstoffzellenanordnung ist. Die Brennstoffzelle 1 umfaßt eine Kathode 11, eine Anode 13 und eine zwischen diesen angeordnete Elektrolytmatrix 12. Die Kathode 11 ist von einem Kathodenstromkollektor 11a elektrisch kontaktiert. Die Anode 13 befindet sich auf einem Anodenträger 13b, welcher seinerseits von einem Anodenstromkollektor 13a elektrisch kontaktiert ist. Der Kathodenstromkollektor 11a ist so ausgebildet, daß er an seiner Rückseite einen Strömungsquerschnitt für ein Kathodengas K zur Verfügung stellt, wie auch der Anodenstromkollektor 13a so ausgebildet ist, daß er an seiner Rückseite einen Strömungsquerschnitt für ein Brenngas B zur Verfügung stellt. Die in Fig. 1a) dargestellte Brennstoffzelle 1 wird an ihrer Anode 13 von einer Brenngaseinlaßseite AI zu einer Brenngasauslaßseite AX von links nach rechts durchströmt, wie durch den mit B bezeichneten Pfeil gekennzeichnet ist. Von dem Kathodengas K wird die dargestellte Brennstoffzelle 1 an ihrer Kathode 11 in Richtung senkrecht zum Brenngasstrom B durchströmt, also in der Darstellung senkrecht zur Zeichenebene, wie bei K dargestellt. Die Bipolarplatte 19, welche zwei benachbarte Brennstoffzellen 1 voneinander trennt, ist an ihrer Seite mit einem Abstandshalter 19a versehen, welcher einerseits dazu dient, den Strömungsquerschnitt für das Kathodengas K an der Rückseite des Kathodenstromkollektors 11a seitlich gegen die Brenngasauslaßseite AX abzudichten, und andererseits, den Abstand zwischen dem Anodenstromkollektor 13a und der Elektrolytmatrix 12 zu überbrücken, wie aus der Fig. 1a) leicht ersichtlich ist.

Fig. 1b) zeigt einen Querschnitt durch einen Teil eines Brennstoffzellenstapels 2, welcher durch Anordnung einer Anzahl von Brennstoffzellen 1 übereinander geschaffen ist. Wie ersichtlich, sind jeweils zwei benachbarte Brennstoffzellen 1 durch eine Bipolarplatte 19 gastechnisch voneinander getrennt und gleichzeitig am Anodenstromkollektor 13a bzw. am Kathodenstromkollektor 11a elektrisch kontaktiert. Wie bei der in Fig. 1a) dargestellten einzelnen Brennstoffzelle 1 werden auch die Brennstoffzellen 1 des Brennstoffzellenstapels 2 an ihren Anoden 13 vom Brenngas B von der Brenngaseinlaßseite AI zur Brenngasauslaßseite AX, in der Zeichnung also von links nach rechts, durchströmt, während die Brennstoffzellen 1 an ihren Kathoden 11 vom Kathodengas K senkrecht dazu, also in der Darstellung senkrecht zur Zeichenebene, von oben nach unten durchströmt werden.

Innerhalb des Brennstoffzellenstapels 2 sind in vorgegebenen Abständen Reformiereinheiten 14 jeweils zwischen zwei benachbarten Brennstoffzellen 1, in der dargestellten Anordnung nämlich zwischen den als "Zelle 2" und "Zelle 3" bezeichneten Brennstoffzellen angeordnet. Die Reformiereinheiten 14 werden vom Brenngas B vor dessen Zuführung zur Brenngaseinlaßseite AI durchströmt, um aus dem bereits extern vorreformierten Gas, welches überwiegend CO, H₂O, H₂ und CH₄ enthält, Wasserstoff H₂ zu produzieren, der dann anschließend an den Anoden 13 der Brennstoffzellen 1 unter der Wirkung des an den Kathoden 11 vorbeigeführten Kathodengases K elektrochemisch zu Wasser oxidiert wird.

Die Reformiereinheiten 14 umfassen ein Gehäuse 15, innerhalb dessen sich ein Träger 14a mit einem darauf aufgebrachten Katalysatormaterial 14b befindet. An seiner Oberseite ist das Gehäuse 15 der Reformiereinheiten 14 mit einer Nickelplattierung 15a versehen, welche als Korrosionsschutz für dasselbe dient. Durch diese Nickelplattierung 15a ist das Gehäuse 15 gegen übliches Anodengas ausreichend vor Korrosion geschützt und damit chemisch stabil. An der mit 16 bezeichneten, an der Oberfläche des Brennstoffzellenstapels 2 freiliegend exponierten Stirnfläche des Gehäuses 15 der Reformiereinheit 14 besteht jedoch ein zusätzliches Problem einer Oxidation an der Brenngasauslaßseite AX. Das Problem einer Oxidation an dieser Stelle besteht insbesondere bei Brennstoffzellenanordnungen nach Art eines "Hot Module", bei denen der Brennstoffzellenstapel 2 in einer gasdichten Umhüllung eingeschlossen ist, innerhalb der das Brenngas B von der Brenngasauslaßseite AX der Anoden 13 abgeführt und diesem oxidierendes Frischgas beigemischt wird. In diesem Falle nämlich kann Sauerstoff des zugemischten Frischgases unter bestimmten Druckverhältnissen oder einfach durch Diffusion unmittelbar an die Oberfläche des Brennstoffzellenstapels 2 an der Anodenausgangseite AX gelangen und damit zu einer raschen Oxidation der Nickelplattierung 15a der Reformiereinheiten 14 führen. Schlimmstenfalls wird das Gehäuse 15 der Reformiereinheiten 14 an dieser Stelle durchoxidiert und es kommt zu einem Austritt von Brenngas B, welches dann von den Reformiereinheiten 14 nicht mehr der Anodeneinlaßseite AI der Anoden 13 zugeführt wird, sondern verlorengeht.

Üblicherweise werden die metallischen Komponenten, etwa die Bipolarbleche 19 der Brennstoffzellen 1 im sogenannten "Wet Seal"-Bereich (mit dem Elektrolyten in Berührung kommender Dichtbereich) mit Aluminium beschichtet, was einen korrosionsschützenden Effekt hat. Diese Art des Korrosionsschutzes kann für die Reformiereinheiten 14 jedoch nicht eingesetzt werden, da das Nickel der Nickelplattierung 15a mit metallischem Aluminium Aluminide unterschiedlichen Typs bildet, die sehr spröde sind und in Versuchen äußerst schlechte Haftung auf dem Substrat gezeigt haben. Ein weiterer Punkt, der gegen die Verwendung von Aluminium als Korrosionsschutz für die Reformiereinheiten spricht, ist der relativ niedrige Schmelzpunkt von Aluminium (660,4°C), der nur wenig über der Brennstoffzellen-Betriebstemperatur von 650°C liegt.

Fig. 3a) und b) zeigt in schematisierter Darstellung Querschnittsansichten in der Draufsicht bzw. in der Seitenansicht einer Brennstoffzellenanordnung nach der vorher genannten Art eines "Hot Module", bei dem der Brennstoffzellenstapel 2 in einer gasdichten Umhüllung 3 eingeschlossen ist, die an ihrer Oberseite und ihrer Unterseite durch Druckplatten 4 bzw. 5 abgeschlossen ist. Am oberen Ende des Brennstoffzellenstapels 2 befindet sich ein Druckbalgen 30, mittels welchem die Brennstoffzellen 1 des Brennstoffzellenstapels 2 unter einem vorgegebenen, konstanten Druck gehalten werden.

Innerhalb der durch die Bestandteile 3, 4, 5 gebildeten gasdichten Umhüllung sind durch Dichtungsvorrichtungen, welche aus Dichtungseckleisten 6 und Ecklagern 7, 8 bestehen, Gasräume 20, 21, 22, 23 definiert, über welche die Ströme von Brenngas und Kathodengas den Brennstoffzellen 1 des Brennstoffzellenstapels 2 zu- bzw. abgeführt wird. So wird das Brenngas B über einen Brenngaseinlaßraum 20 (Brenngaseinlaßseite AI) den Anoden der Brennstoffzellen 1 zugeführt und von diesen über einen Brenngasauslaßraum 21 (Brenngasauslaßseite AX) abgeführt; das Kathodengas wird über einen Kathodengaseinlaßraum 22 den Kathoden der Brennstoffzelle 1 zugeführt und von diesen über einen Kathodengasauslaßraum 23 abgeführt.

Wie in Fig. 4 im einzelnen näher dargestellt ist, ist an der Brenngasauslaßseite AX des Brennstoffzellenstapels 2 ein Diffusor 26 (Strömungsgleichrichter) sowie eine diesem in Strömungsrichtung nachgeordnete Mischkammer 25 vorgesehen. Der die Anoden 13 der Brennstoffzellen 1 verlassende Brenngasstrom wird durch den Diffusor 26 vergleichmäßigt und in der Mischkammer 25 mit oxidierendem Frischgas F gemischt, von wo es einem in Strömungsrichtung nachgeschalteten, in der Fig. 4 nicht dargestellten Umwälzgebläse zur Rückführung zum Brenngaseinlaßraum 20 zugeführt wird.

Wie bereits weiter oben erläutert wurde, besteht bei einer solchen Brennstoffzellenanordnung nach Art eines "Hot Module" das spezielle Problem, daß der in dem in der Mischkammer 25 zugeführten Frischgasstrom F enthaltene Sauerstoff unter bestimmten Druckverhältnisses oder durch Diffusion an die brenngasauslaßseitige Oberfläche des Brennstoffzellenstapels 2 gelangen und dort eine Korrosion der Reformiereinheiten 14 bewirken kann.

Erfindungsgemäß ist zumindest an dem Bereich der Oberfläche der Reformiereinheiten 14, welche an der Oberfläche des Brennstoffzellenstapels 2 gegen die Brenngasauslaßseite AX freiliegend exponiert ist, also insbesondere an der Stirnfläche 16 der Reformiereinheiten 14 ein Korrosionsschutz vorgesehen, welcher in Fig. 1b) allgemein darstellt und mit dem Bezugszeichen 17 versehen ist. Dieser Korrosionsschutz besteht aus einer MCrAlY- Legierung, wobei M = Fe, Ni und/oder Co. Der Korrosionsschutz 17 ist durch eine Folie, ein dünnes Blech oder eine Beschichtung gebildet, bestehend aus der MCrAlY-Legierung. Die Legierung enthält vorzugsweise 60 bis 75 Gew.-% M (M = Fe, Ni und/oder Co), 20 bis 25 Gew.-% Cr, 5 bis 8 Gew.-% Al und 100 bis 500 ppm Y. Diese Legierungen bilden bei hohen Temperaturen in oxidierenden Gasen schützende Korrosionsschichten aus, die aus Al₂O₃, NiAl₂O₄ oder CoAl₂O₄ bestehen. Vorzugsweise wird eine FeCrAlY-Legierung verwendet, da diese durch hervorragenden Korrosionsschutz in oxidierenden und kohlenstoffhaltigen Gasen ausgezeichnet ist.

Im Falle der Verwendung eines dünnen Blechs oder einer Folie sollte dieses vorzugsweise eine Dicke von 200 µm oder mehr aufweisen, um einen zuverlässigen Korrosionsschutz zu gewährleisten. Im Falle der Verwendung einer Beschichtung sollte diese eine Dicke von vorzugsweise 50 bis 200 µm, insbesondere von 60 bis 100 µm aufweisen. Die Beschichtung kann durch Pulverbeschichtung mit einem MCrAlY-Pulver hergestellt sein. Alternativ kann die Beschichtung durch ein Plasmaspritzverfahren, ein Lichtbogenverfahren, ein Flammspritzverfahren oder ein Hochgeschwindigkeitsflammspritzverfahren hergestellt sein.

Fig. 2a) bis c) zeigen drei Ausführungsbeispiele des Korrosionsschutzes 17 an der Reformiereinheit 14.

Bei den in Fig. 2a) bis c) dargestellten Ausführungsbeispielen ist jeweils eine Reformiereinheit 14 durch ein Gehäuse 15 gebildet, welches in seinem Inneren einen Träger 14a für ein Katalysatormaterial 14b aufweist. Bei dem in Fig. 2b) gezeigten Ausführungsbeispiel sind im einzelnen Korrosionsschutzschichten in Form einer Nickelplattierung 15a und einer Nickelfolie 14c dargestellt, durch welche das Gehäuse 15 der Reformiereinheit 14 gegen Korrosion durch das zu reformierende Brenngas geschützt werden soll.

Bei dem in Fig. 2a) gezeigten ersten Ausführungsbeispiel ist der Korrosionsschutz durch eine Schicht 17a gebildet, welche an der Stirnfläche 16 der Reformiereinheit 14 angeordnet ist. Diese Schicht 17a kann durch eine Folie oder ein dünnes Blech oder eine Beschichtung aus der besagten MCrAlY-Legierung bestehen. Die Dicke dieser Schicht 17a sollte im Falle eines Blechs oder einer Folie 200 µm oder mehr betragen, im Falle einer Beschichtung eine Dicke von 50 bis 200 µm, vorzugsweise 60 bis 100 µm aufweisen, wie oben gesagt.

Bei den in Fig. 2b) und c) dargestellten zweiten und dritten Ausführungsbeispielen ist der Korrosionsschutz durch ein an der Stirnfläche 16 der Reformiereinheit 14 angeordnetes, aus einer Folie oder einem Blech aus einer MCrAlY-Legierung hergestelltes Profil 17b bzw. 17c gebildet, welches die Stirnfläche 16 der Reformiereinheit 14 nach außen in Richtung zur Brenngasauslaßseite AX absperrt. Die Dicke des den Korrosionsschutz 17b; 17c bildenden Blechs oder der Folie sollte wiederum mindestens 200 µm betragen.

Bei dem in Fig. 2b) gezeigten zweiten Ausführungsbeispiel hat das den Korrosionsschutz bildende Profil 17b einen kastenförmigen, U-förmigen Querschnitt, der zur Reformiereinheit 14 hin geöffnet ist und diese im Bereich ihrer Stirnfläche 16 umgibt und hermetisch einschließt.

Bei dem in Fig. 2c) gezeigten dritten Ausführungsbeispiel ist der Korrosionsschutz durch ein Profil 17c gebildet, das einen kastenförmigen, U-förmigen Querschnitt hat, der aber abweichend von dem zweiten Ausführungsbeispiel von Fig. 2b) nun zur Außenseite des Brennstoffzellenstapels hin geöffnet ist und mit seinem Basisschenkel 17c' die Stirnfläche 16 der Reformiereinheit 14 absperrt.

Wie im Zusammenhang mit der Gesamtheit des Brennstoffzellenstapels 2 aus Fig. 4 hervorgeht, ist bei diesem dritten Ausführungsbeispiel die Stirnfläche 16 der Reformiereinheit 14 gegenüber der Oberfläche des Brennstoffzellenstapels 2 nach innen zurückgesetzt. Die Länge des Basisschenkels 17c', vgl. Fig. 2c), entspricht der Höhe der Reformiereinheit 14 im Brennstoffzellenstapel 2 und die Seitenschenkel 17c" des Profils 17c, vgl. Fig. 2c), bilden eine Verlängerung der Reformiereinheit 14. Somit wird die Reformiereinheit 14 vollständig und zuverlässig gegen die Oberfläche des Brennstoffzellenstapels 2 abgesperrt. Um einen zuverlässigen Halt des den Korrosionsschutz 17c bildenden Profils 17c innerhalb des Brennstoffzellenstapels 2 zu gewährleisten, ist das Profil 17c zusammen mit der Reformiereinheit 14 zwischen den benachbarten Komponenten, also dem darüberliegenden Anodenstromkollektor 13a und der darunterliegenden Bipolarplatte 19 bzw. deren Abstandshalter 19a unter Druck eingespannt. Damit das Profil 17c diesem Druck standhält, ist in seinem Inneren ein Stützkörper 18 vorgesehen, der aus einem Edelstahlformkörper besteht und dessen Höhe dem Abstand zwischen den Seitenschenkeln 17c" des Profils 17c entspricht, vgl. Fig. 2c).

Sowohl bei dem zweiten wie auch bei dem dritten Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2b) bzw. c) ist das den Korrosionsschutz bildende Profil 17b; 17c im Brennstoffzellenstapel 2 zusammen mit der Reformiereinheit 14 zwischen einer Bipolarplatte 19 und einer Brennstoffzelle 1 angeordnet und liegt abdichtend am Randbereich 19a der Bipolarplatte an.

Bezugszeichenliste

1

Brennstoffzelle

2

Brennstoffzellenstapel

3

Umhüllung

4

Druckplatte

5

Druckplatte

6

Dichtungsvorrichtungen

7

Dichtungseckleisten

8

Ecklager

9

Ecklager

10

11

Kathode

11

a Kathodenstromkollektor

12

Elektrolytmatrix

13

Anode

13

a Anodenstromkollektor

13

b Anodenträger

14

Reformiereinheit

14

a Träger

14

b Katalysator

14

c Nickelfolie

15

Gehäuse

15

a Nickelplattierung

16

Stirnfläche

17

a;

17

b;

17

c Korrosionsschutz

18

Stützkörper

19

Bipolarplatte

19

a Abstandshalter

20

,

21

,

22

,

23

Gasräume

25

Mischkammer

26

Diffusor

30

Druckbalgen

Claims

1. Brennstoffzellenanordnung mit einer Anzahl von in einem Brennstoffzellenstapel (2) angeordneten Brennstoffzellen (1), die jeweils eine Anode (13), eine Kathode (11) und eine Elektrolytmatrix (12) enthalten und durch Bipolarplatten (19) elektrisch kontaktiert und voneinander getrennt sind, wobei die Brennstoffzellen (1) an ihren Anoden (13) von einer Brenngaseinlaßseite (AI) zu einer Brenngasauslaßseite (AX) von einem Brenngas (B) durchströmt werden, und mit Reformiereinheiten (14), die in dem Brennstoffzellenstapel (2) zwischen den Brennstoffzellen (1) und im thermischen Kontakt mit diesen angeordnet sind und vom zu reformierenden Brenngas durchströmt werden, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennstoffzellenstapel (2) in einer gasdichten Umhüllung (3) eingeschlossen ist, innerhalb der das Brenngas (B) von der Brenngasauslaßseite (AX) der Anoden (13) abgeführt und diesem oxidierendes Frischgas (F) beigemischt wird, daß ein Korrosionsschutz (17a; 17b; 17c) an Gehäusen (15) der Reformiereinheiten (14) zumindest im Bereich der Brenngasauslaßseite (AX) der Anoden (13) vorgesehen ist und daß der Korrosionsschutz (17a; 17b; 17c) aus einer MCrAlY-Legierung (M = Fe, Ni und/oder Co) besteht.

2. Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Reformiereinheiten (14) ein flaches, kastenförmiges Gehäuse (15) mit einer einen Teil der Oberfläche des Brennstoffzellenstapels (2) bildenden Stirnfläche (16) aufweisen, und daß der Korrosionsschutz (17a; 17b; 17c) zumindest an der Stirnfläche (16) der Reformiereinheiten (14) vorgesehen ist.

3. Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Korrosionsschutz (17a; 17b; 17c) durch eine Folie oder ein dünnes Blech aus einer MCrAlY-Legierung gebildet ist.

4. Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Korrosionsschutz (17a) durch eine Beschichtung aus einer MCrAlY-Legierung gebildet ist.

5. Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Blech oder die Folie eine Dicke von 40 µm oder mehr aufweist.

6. Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung eine Dicke von 50 bis 200 µm, vorzugsweise von 60 bis 100 µm aufweist.

7. Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 3 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Korrosionsschutz durch ein an der Stirnfläche (16) der Reformiereinheiten (14) angeordnetes, aus einer Folie oder einem Blech aus einer MCrAlY-Legierung hergestelltes Profil (17b; 17c) gebildet ist, welches die Stirnfläche der Reformiereinheiten (14) nach außen absperrt.

8. Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das den Korrosionsschutz bildende Profil (17b) einen U-förmigen Querschnitt hat, der zur Reformiereinheit (14) hin geöffnet ist und die Reformiereinheit (14) im Bereich der Stirnfläche (16) umgibt.

9. Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das den Korrosionsschutz bildende Profil (17c) einen U-förmigen Querschnitt hat, der zur Außenseite des Brennstoffzellenstapels (2) hin geöffnet ist und mit seinem Basisschenkel (17c') die Reformiereinheit (14) im Bereich der Stirnfläche (16) absperrt.

10. Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Stirnfläche (16) der Reformiereinheit (14) gegenüber der Oberfläche des Brennstoffzellenstapels (2) nach innen zurückgesetzt ist, daß die Länge des Basisschenkels (17c') des Profils (17c) der Höhe der Reformiereinheit (14) entspricht und daß die Seitenschenkel (17c") des Profils (17c) eine Verlängerung der Reformiereinheit (14) bilden und die Reformiereinheit (14) gegen die Oberfläche des Brennstoffzellenstapels (2) absperren.

11. Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Profil (17c) zusammen mit der Reformiereinheit (14) zwischen den benachbarten Komponenten im Brennstoffzellenstapel (2) unter Druck eingespannt ist.

12. Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 9, 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Profil (17c) ein Stützkörper (18) angeordnet ist.

13. Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Stützkörper (18) durch einen Edelstahlkörper gebildet ist, dessen Höhe dem Abstand zwischen den Seitenschenkeln (17c") des Profils (17c) entspricht.

14. Brennstoffzellenanordnung nach einem der Ansprüche 7 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß das den Korrosionsschutz bildende Profil (17b; 17c) im Brennstoffzellenstapel (2) zusammen mit der Reformiereinheit (14) zwischen einer Bipolarplatte (19) und einer Brennstoffzelle (1) angeordnet ist und abdichtend an einem Randbereich (19a) der Bipolarplatte (19) anliegt.