DE19962682A1 - Brennstoffzellenstack, die Verwendung eines Brennstoffzellenstacks und ein Verfahren zur Montage eines Brennstoffzellenstacks - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Brennstoffzellenstack, die Verwendung eines Brennstoffzellenstacks und ein Verfahren zur Montage eines Brennstoffzellenstacks. Der Stack wird durch ein Material mit abdichtenden und fixierenden Eigenschaften zusammengehalten.

Description

Die Erfindung betrifft einen Brennstoffzellenstack, die Ver­ wendung eines Brennstoffzellenstacks und ein Verfahren zur Montage eines Brennstoffzellenstacks.

Aus der EP 0 795 205 B1 ist eine Brennstoffzelle und ein Brennstoffzellenstack bekannt, bei dem die Brennstoffzellen­ einheiten mechanisch gestapelt und über Endplatten mit Hilfe von Schraubenbolzen zusammengehalten werden. Als Dichtungsma­ terial dienen Dichtlippen auf den einzelnen Durchführungen mit einem Stützring als mechanischem Widerlager. Nachteilig an der Konstruktion ist aber, daß ein direkter Kontakt zwi­ schen Polplatte und Membran besteht, weil das zu Korrosions­ problemen führt und dass die bekannte Konstruktion nicht auf höhere Betriebstemperaturen, wie sie z. B. bei der Hochtempe­ ratur-Variante der PEM-Brennstoffzelle üblich sind, ausgelegt ist.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Brennstoffzellenstack zu schaffen, der tauglich ist für alle Arten der PEM- Brennstoffzelle und der gleichzeitig Nachteile des Standes der Technik überwindet.

Gegenstand der Erfindung ist ein Brennstoffzellenstack mit zumindest zwei gestapelten Brennstoffzelleneinheiten und zu­ mindest einer Endplatte und/oder einem Gehäuse und/oder einer äussersten Polplatte, wobei die Brennstoffzelleneinheiten un­ tereinander mit einem Material mit abdichtenden und fixieren­ den Eigenschaften verbunden sind. Außerdem ist Gegenstand der Erfindung ein Verfahren zur Montage eines Brennstoffzellen­ stacks, bei dem zumindest zwei Brennstoffzelleneinheiten über ein Material mit abdichtenden und fixierenden Eigenschaften zu einem Stack verbunden werden.

Nach einer Ausführungsform des Stacks hat das Material auch klebende Eigenschaften, so daß die über das Material verbun­ denen Brennstoffzelleneinheiten untereinander verklebt und abdichtend verbunden sind. Dies bewirkt, dass entweder kein weiterer oder nur noch ein geringer Dichtungsdruck durch End­ platten mit einer Spannvorrichtung erforderlich ist. Diese Art der zell- oder stackinternen Kraftaufnahme durch Verkle­ ben der Zellen ermöglicht es, entweder Endplatten aus dünnem, leichten und billigem Material einzusetzen, oder die Endplat­ ten ganz wegzulassen, wobei die äusseren Begrenzungsflächen dieser Stacks die Polplatten der ersten und letzten Brenn­ stoffzelleneinheit also der äussersten Brennstoffzellenein­ heiten des Stacks sind.

Nach einer Ausführungsform des Stacks ist das Material ela­ stisch, so daß thermisch bedingte Volumenänderungen der nicht elastischen Konstruktionsteile des Stacks wie der Polplatte, der Elektrode, der Membran und/oder Matrix durch die Elasti­ zität des verbindenden Materials ausgeglichen werden können.

Nach einer Ausführungsform des Stacks ist das Material peri­ odisch teilelastisch(d. h. das Material ist nicht durchgehend elastisch sondern periodisch elastisch und periodisch mecha­ nisch fest), so dass es dem Stack auch mechanische Festigkeit­ verleiht. Die nicht elastischen Teile des Materials sind nach einer weiteren Ausführungsform mit Fasern verstärkt. Die Fa­ sern können aus Metall, Kohlenstoff, Glasfasern, etc. sein, kurz allem, was Zugkräfte aufnehmen kann. In diesem Zusammen­ hang sei auf die glasfaserverstärkten Kunststoffe verwiesen, die auch zum Einsatz kommen können.

Die nicht elastischen Teilbereiche befinden sich bevorzugt an der Außenseite des Stacks.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform des Stacks sind die Elemente der Brennstoffzelleneinheit wie Membran-Elektroden- Einheit und Polplatten miteinander auch über ein Material mit abdichtenden und fixierenden Eigenschaften verbunden. Bevor­ zugt ist diese Verbindung so gestaltet, dass kein direkter Kontakt zwischen der Polplatte und der Membran und/oder Ma­ trix zustande kommt, weil die Gefahr besteht, dass die in der Membran oder Matrix befindliche Säure das Material und/oder die Oberflächenbeschichtung der Polplatte angreift.

Das Material ist bevorzugt ein Kunststoff, der bis ca. 300°C stabil ist. Dafür eignet sich beispielsweise ein polymerer Werkstoff der aus identischen oder unterschiedlichen monome­ ren Einheiten aufgebaut ist. Je nach Einsatzgebiet im Stack kommen verschiedene monomere Einheiten und Additive im Kunst­ stoff vor. Beispielsweise wird als Material ein Elastomer ge­ nommen, bevorzugt ein klebendes Elastomer und besonders be­ vorzugt ein klebendes Elastomer mit nicht elastischen Teilbe­ reichen und/oder mit periodisch teilelastischen Bereichen.

Nach einer Ausführungsform bildet der Kunststoff ein Rahmen­ element, das den Stack umschließt. Nach einer anderen Ausfüh­ rung bildet der Kunststoff Stütz- und/oder Dichtringe, die die Brennstoffzelleneinheiten untereinander an den Durchfüh­ rungen der Axialkanäle und/oder Manifolds abdichtend verbin­ den. Nach einer weiteren Ausführungsform sind die Polplatten benachbarter Zellen einfach durch das Material aneinanderge­ klebt.

Es können je nach Plazierung auch verschiedene Materialien eingesetzt werden. Stütz- und/oder Dichtringe aus Kunststoff sind nach einer Ausführungsform mit Metall- oder Glasfasern verstärkt.

Nach einer weiteren Ausführungsform ist der Stack in einem druckführenden Außengehäuse untergebracht, so daß zumindest für ein Prozeßgas und/oder das Kühlmedium kein internes Mani­ fold erforderlich ist.

Bevorzugt wird ein offenes Stackdesign realisiert, wobei die Brennstoffzelleneinheiten untereinander zumindest teilweise nicht abdichtend verbunden sind. Beim offenen Stackdesign mit Wasserstoffrückführung und Reformerbetrieb ist wegen der Ver­ unreinigungen eine Gasreinigungsmembran, die z. B. in der Gas­ zuleitung angebracht ist, vorteilhaft. Für die Entfernung von kondensiertem flüssigen Produktwasser, das die Gasdiffusions­ schicht bei Betriebstemperaturen unter dem Siedepunkt des Wassers verstopft, kann der Stack beim offenen Design so an­ geordnet sein, dass das Wasser einfach aus den aktiven Zell­ flächen heraustropft. Dabei stehen die aktiven Zellflächen senkrecht zur Erdoberfläche.

Nach einer anderen Ausführungsform wird der Stack zusätzlich durch Zuganker und Schraubenbolzen an den Endplatten zusam­ mengehalten, wobei zumindest ein Zuganker beispielsweise auch durch einen axialen Versorgungskanal geführt sein kann.

Unter einem Stack wird ein Stapel aus zumindest zwei Brenn­ stoffzelleneinheiten mit den dazugehörigen Leitungen und zu­ mindest einem Teil des Kühlsystems bezeichnet.

Als Brennstoffzellenanlage wird das gesamte Brennstoffzellen­ system bezeichnet, das ein oder mehrere Teilsysteme hat. Je­ des Teilsystem hat zumindest eine Brennstoffzelleneinheit, die entsprechenden Versorgungsleitungen, also die Prozeßgas­ zuführungs- und -ableitungskanäle, Endplatten und/oder ein Gehäuse und/oder eine äusserste Polplatte, ein Kühlsystem mit Kühlmedium und -leitungen und eine "Brennstoffzellenstapel- Peripherie", beispielsweise einen Reformer, Verdichter, Ge­ bläse und/oder Heizung zur Prozeßgasvorwärmung, sowie weitere Module umfassend.

Eine Brennstoffzelleneinheit umfaßt zumindest eine Membran und/oder Matrix mit einem chemisch und/oder physikalisch ge­ bundenen Elektrolyten, zwei Elektroden, die sich auf gegen­ überliegenden Seiten der Membran und/oder Matrix befinden, angrenzend an zumindest eine Elektrode eine Reaktionskammer, die durch jeweils eine Polplatte und/oder eine entsprechende Randkonstruktion gegen die Umgebung abgeschlossen ist, wobei Vorrichtungen vorgesehen sind, durch die Prozeßgas in die Re­ aktionskammer ein- und ausgebracht werden kann.

Als Endplatten werden nach dem Stand der Technik schwere un­ biegsame Platten, durch die der Druck der Zuganker auf die Kantenlängen der Brennstoffzelleneinheiten weitergeleitet wird, eingesetzt. Mit dieser Erfindung wird es erstmals durch "Zellinterne Kraftaufnahme" möglich, daß leichtere und dünne­ re Endplatten eingesetzt werden oder daß auf diese Bauteile ganz verzichtet werden kann.

Als Gehäuse kann ein einfaches oder ein doppelwandiges Be­ hältnis dienen. Dabei kann eine Möglichkeit zur Isolierung eine Rolle spielen, so daß bei der doppelwandigen Ausführung beispielsweise der Hohlraum mit einem Latentwärmespeicherma­ terial, bevorzugt mit Paraffin, gefüllt ist. Beim offenen Stackdesign mit Gehäuse und Druckbeaufschlagung im Gehäuse soll das Gehäuse druckstabil sein.

Die Erfindung verbessert die Thermostabilität der bekannten Stackkonstruktion und ermöglicht eine Erhöhung der Betriebs­ temperatur auf bis zu 300°C. Durch die Verwendung eines kle­ benden Elastomer als Randabdichtung kommt interne Kraftauf­ nahme im Stack zum tragen und die Anforderungen an die End­ platten bzgl. Biegefestigkeit können gedrosselt werden. Durch die Vermeidung eines direkten Kontaktes zwischen der Bipolar­ platte und der Membran wird unter Umständen die Lebensdauer der Polplatte drastisch erhöht, weil keine Gefahr der Korro­ sion durch in der Membran gespeicherte Säuren droht.

Claims (10)

1. Brennstoffzellenstack mit zumindest zwei gestapelten Brennstoffzelleneinheiten zwei Endplatten, zwei äussersten Polplatten und/oder einem Gehäuse, wobei die Brennstoffzel­ leneinheiten untereinander mit einem Material mit abdichten­ den und fixierenden Eigenschaften verbunden sind.

2. Brennstoffzellenstack nach Anspruch 1, bei dem das Material ein thermisch stabiler Kunststoff ist.

3. Brennstoffzellenstack nach einem der vorstehenden Ansprü­ che, bei dem das Material die Brennstoffzelleneinheiten ab­ dichtend verklebt.

4. Brennstoffzellenstack nach einem der vorstehenden Ansprü­ che, bei dem das Material ein Elastomer ist und elastisch und/oder periodisch teilelastisch ist.

5. Brennstoffzellenstack nach einem der vorstehenden Ansprü­ che, bei dem das Material zumindest teilweise mit Fasern ver­ stärkt ist.

6. Brennstoffzellenstack nach einem der vorstehenden Ansprü­ che, wobei in den Brennstoffzelleneinheiten kein direkter Kontakt zwischen Polplatte und Membran besteht.

7. Brennstoffzellenstack nach einem der vorstehenden Ansprü­ che, bei dem das Material in Form zumindest eines Stütz- und/oder eines Dichtringes vorliegt.

8. Brennstoffzellenstack nach einem der vorstehenden Ansprü­ che, bei dem das Gehäuse ein druckführendes Außengehäuse ist.

9. Brennstoffzellenstack nach einem der vorstehenden Ansprü­ che, bei dem die Endplatten über Zuganker zusammengehalten werden, wobei zumindest ein Zuganker in einem axialen Versor­ gungskanal des Stacks geführt wird.

10. Verfahren zur Montage eines Brennstoffzellenstacks, bei dem zumindest zwei Brennstoffzelleneinheiten über ein Material mit abdichtenden und fixierenden Eigenschaften zu einem Stack verbunden werden.