DE102004037678A1

DE102004037678A1 - Brennstoffzellenstapel

Info

Publication number: DE102004037678A1
Application number: DE102004037678A
Authority: DE
Inventors: Andreas Reinert
Original assignee: Webasto SE
Current assignee: Staxera GmbH
Priority date: 2004-08-02
Filing date: 2004-08-02
Publication date: 2006-03-16
Also published as: JP2008508688A; CA2575868A1; US20070248855A1; AU2005269099A1; RU2007107803A; CN101053107A; WO2006012844A1; EP1774612A1; KR20070040409A

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Brennstoffzellenstapel (10) mit Brennstoffzellen (12), einer Spannvorrichtung (16) und einer Wärmedämmvorrichtung (14), wobei die Spannvorrichtung (16) Druckverteilelemente (18) aufweist und die Brennstoffzellen (10) zwischen den Druckverteilelementen (18) angeordnet sind. Erfindungsgemäß ist der Brennstoffzellenstapel (10) dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmedämmvorrichtung (14) zwischen den Brennstoffzellen (12) und der Spannvorrichtung (16) angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Brennstoffzellenstapel gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
Brennstoffzellen weisen einen ionenleitenden Elektrolyten auf, der beidseitig über zwei Elektroden, Anode und Kathode, kontaktiert wird. Der Anode wird ein reduzierender, meist wasserstoffhaltiger Brennstoff zugeführt, der Kathode ein Oxidationsmittel, zum Beispiel Luft. Die bei der Oxidation des im Brennstoff enthaltenen Wasserstoffs an einer Elektrode freigesetzten Elektronen werden über einen externen Laststromkreis zu der anderen Elektrode geführt. Die freiwerdende chemische Energie steht so dem Laststromkreis mit hohem Wirkungsgrad direkt als elektrische Energie zur Verfügung.

Zur Erzielung höherer Leistungen werden mehrere planare Brennstoffzellen häufig in Form eines Brennstoffzellenstapels aufeinander geschichtet und elektrisch in Reihe geschaltet. Ein solcher Brennstoffzellenstapel wird durch Presskräfte zusammengehalten, wobei die Presskräfte durch eine Spannvorrichtung aufgebracht werden. Die Spannvorrichtung umfasst in geeigneter Weise miteinander verbundene Druckverteilelemente, durch welche die mittels der Spannvorrichtung erzeugten Druckkräfte gleichmäßig auf den Brennstoffzellenstapel aufgebracht werden. Die gestapelten Brennstoffzellen und die Spannvorrichtung werden dann, um die Wärmeverluste nach außen zu verringern, mit einer Wärmedämmvorrichtung umgeben.

Brennstoffzellen werden beispielsweise als Niedertemperaturbrennstoffzellen, wie zum Beispiel als PEMFC (polymer electrolyte membrane fuel cell) mit Betriebstemperaturen von etwa 100°C ausgeführt: Dies hat den Vorteile, dass in diesem Temperaturbereich geeignete Materialien für die Spannvorrichtung verfügbar sind. Außerdem gibt es Hochtemperaturbrennstoffzellen, insbesondere die Festoxidbrennstoffzelle (SOFC, solid oxide fuel cell), die bei Temperaturen oberhalb von 800°C betrieben wird. In diesem Temperaturbereich weisen viele Materialien keine dauerhaft elastische Wirkung auf, da durch Kriechvorgänge die eingebrachten Vorspannkräfte aufgezehrt werden. Außerdem haben die für die Spannvorrichtung verwendeten Materialien in der Regel einen größeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten auf als die Stapel aus Brennstoffzellen. Darüber hinaus kommt es in dem für die Spannvorrichtung verwendeten Metallen zu Rekristallisationseffekten, wodurch diese weich werden.

Um diese Probleme zu vermeiden, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Wärmedämmvorrichtung zwischen den Brennstoffzellen und der Spannvorrichtung angeordnet ist.

Die Grundidee der Erfindung beruht darauf, dass bei einer derartigen Anordnung alle zugbelasteten Elemente der Spannvorrichtung sowie alle elastischen Elemente im kalten Bereich außerhalb der Wärmedämmung angeordnet werden.

Vorteilhafterweise weist die Spannvorrichtung Zugelemente auf, die als Stab, Seil, Draht, Kette, Band oder Fasermaterial ausgeführt sind. Damit kann wesentlich weniger Material für die Zugelemente eingesetzt werden als im Stand der Technik üblich. Besonders günstig ist es, wenn die Zugelemente aus einem Leichtmetall, wie zum Beispiel Aluminium, bestehen. Dies führt sowohl zu einer Kosteneinsparung als auch zu einer Reduzierung des Volumens und des Gewichts des Brennstoffzellenstapels.

Erfindungsgemäß ist weiter ein Brennstoffzellensystem mit einer energieerzeugenden Einheit vorgesehen, wobei die energieerzeugende Einheit einen Refor mer, einen Brennstoffzellenstapel mit Brennstoffzellen und eine Nachbrenneinheit umfasst, wobei das Brennstoffzellensystem weiter einer Spannvorrichtung mit Druckverteilelementen und eine Wärmedämmvorrichtung aufweist, und die energieerzeugende Einheit zwischen den Druckverteilelementen angeordnet ist, wobei die Wärmedämmvorrichtung zwischen der energieerzeugenden Einheit und der Spannvorrichtung angeordnet ist. Bei einer derartigen Anordnung einer energieerzeugenden Einheit werden alle zugbelasteten Elemente der Spannvorrichtung sowie alle elastischen Elemente im kalten Bereich außerhalb der Wärmedämmung angeordnet.

Weitere Ausführungsformen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert, wobei auf Zeichnungen Bezug genommen wird. Die Zeichnungen zeigen:
1 einen Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapel in einer ersten Ausführungsform,
2 einen Querschnitt durch einen Brennstoffzellenstapel in einer zweiten Ausführungsform der Erfindung,
3 einen Querschnitt durch einen Brennstoffzellenstapel in einer dritten Ausführungsform der Erfindung,
4a und 4b Querschnitte durch einen Brennstoffzellenstapel in einer vierten Ausführungsform der Erfindung, wobei in 4a ein Querschnitt durch den Brennstoffzellenstapel von 4b entlang der Linie IVA-IVA gezeigt ist,
5a und 5b Querschnitte durch einen Brennstoffzellenstapel in einer fünften Ausführungsform der Erfindung, wobei in 5a ein Querschnitt durch den Brennstoffzellenstapel von 5b entlang der Linie VA-VA gezeigt ist, und
6 einen Querschnitt durch ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem mit einer energieerzeugenden Einheit.
In 1 ist ein Brennstoffzellenstapel 10 dargestellt. Im Zentrum des Brennstoffzellenstapels 10 befinden sich die gestapelten Brennstoffzellen 12, die von einer aus mehreren Wärmedämmelementen 14a, 14b, 14c, 14d bestehenden Wärmedämmvorrichtung 14 umgeben sind. Die Brennstoffzellen 12 und die Wärmedämmvorrichtung 14 sind zusammen in eine Spannvorrichtung 16 eingespannt. Die Spannvorrichtung weist zwei Druckverteilelemente 18 auf, die hier als zwei parallele ebene Platten ausgebildet sind, und die durch Zugelemente 20 miteinander verbunden sind. Durch diese Ausführung der Spannvorrichtung 16 wird ein Anpressdruck auf den Verbund aus Brennstoffzellen 12 und Wärmedämmvorrichtung 14 ausgeübt. Die Druckverteilelemente 18 sorgen dabei dafür, dass der Druck gleichmäßig auf die gesamte Fläche der Wärmedämmelemente 14a und 14c verteilt wird, wodurch auch eine Verteilung der Druckkräfte auf die Brennstoffzellen 12 erfolgt. Die Spannvorrichtung 16 weist weiter Federelemente 22 auf, durch die Druckbelastung auf den Verbund aus Brennstoffzellen 12 und Wärmedämmvorrichtung 14 sehr fein eingestellt werden kann. Darüber hinaus kann eine Nachjustierung erfolgen, falls Dehnungen oder Schrumpfungen, z.B. durch Sintern der Wärmedämmvorrichtung 14 auftreten.
Die Zugelemente 20 können hier als Stab, Seil, Draht, Kette, Band oder Fasermaterial ausgeführt sein, so dass im Vergleich zum Stand der Technik wesentlich weniger Material eingesetzt werden muss und damit eine leichtere und raumsparendere Konstruktion erreicht werden kann. Besonders bevorzugt ist, wenn die Zugelemente 20 aus einem Leichtmetall, zum Beispiel Aluminium, bestehen. Das Gewicht des Brennstoffzellenstapels 10 wird damit deutlich reduziert. Die Federelemente 22 können als Schraubenfedern, Tellerfedern, Schenkelfedern, Seilzugfedern oder pneumatische Federn ausgebildet sein, wobei insbesondere Elastomere als Material zum Einsatz kommen können. Da sowohl die mere als Material zum Einsatz kommen können. Da sowohl die Zugelemente 20 als auch die Federelemente 22 außerhalb der Wärmedämmvorrichtung 14 liegen, werden diese nur niedrigeren Temperaturen ausgesetzt. Für diese Elemente 20, 22 können damit weniger temperaturbeständige und damit auch preisgünstigere Materialien als im Stand der Technik eingesetzt werden, wo sie innerhalb der Wärmedämmvorrichtung 14 angeordnet sind und damit wesentlich höheren Temperaturen ausgesetzt sind. Darüber hinaus wird durch die außenliegende Anordnung der Spannvorrichtung 16 erreicht, dass die Wärmeverluste des Brennstoffzellenstapels 10 insgesamt deutlich geringer ausfallen, da keine Teile der Spannvorrichtung 16 aus dem heißen in den kalten Bereich geführt sind. Die Wärmedämmelemente 14a bis 14d der Wärmdämmvorrichtung 14 können in einer besonders bevorzugten Ausführungsform entweder als Monolayer aus mikroporösen Dämmstoffen, Sandwichkonstruktion oder mit einem Compositematerial ausgeführt sein. Derartige Wärmedämmelemente haben eine besonders druckfeste Struktur, so dass die durch die Spannvorrichtung 16 aufgebauten Drücke besonders gut abgefangen werden können.
Bei dem in 2 gezeigten Brennstoffzellenstapel 10 ist die Wärmedämmvorrichtung 14 zylinder- beziehungsweise kugelförmig ausgebildet. Dementsprechend können die Druckverteilelemente 18 halbkugelschalenförmig oder halbzylinderförmig ausgebildet sein. Zwischen den Druckverteilelementen 18 sind die Federelemente 22 angeordnet. Eine Verbindung zwischen den beiden Druckverteilelementen 18 wird hier durch Zugelemente 20 erreicht, die im Übergangsbereich zwischen den beiden Druckverteilelementen 18 nahe den Federelementen 22 angeordnet sind. Ähnlich wie in der Ausführungsform von 1 üben die Zugelemente 20 eine Zugkraft auf die beiden Druckverteilelemente 18 aus. Bei dieser Ausführungsform wird eine besonders günstige Druckverteilung über die Halbkugelschale beziehungsweise die Halbzylinderschale des Druckverteilelements 18 erreicht.
Die Wärmedämmvorrichtung 14 des in 3 gezeigten Brennstoffzellenstapels 10 weist drei poröse Schichtelemente 24 auf, die unmittelbar den Brennstoffzellen 12 benachbart sind. Die porösen Schichtelemente 24 sind mindestens teilweise von Blechelementen 25 umgeben, die vorzugsweise aus Metall bestehen. Wird der Brennstoffzellenstapel 10 von oben und mit Kraft beaufschlagt (hier durch Pfeile F symbolisiert), so bleiben die von den Blechelementen 25 umgebenen Schichtelemente 24 stabil in ihrer Form erhalten und die Wärmedämmelemente 14a, 14b werden durch die Schichtelemente 24 darin gehindert, über Kanten 13 der Brennstoffzellen 12 nach oben bzw. unten zu fließen, was zu einer Zerstörung der Wärmedämmvorrichtung 14 oder der Brennstoffzellen 12 führen würde. Durch die von den Blechelementen 25 umgebenen Schichtelemente 24 bleibt die gesamte Wärmedämmvorrichtung 14 auch unter Kraftbeaufschlagung F formstabil.
Die in den 4a, 4b, 5a und 5b gezeigten Ausführungsformen der Brennstoffzellenstapel 10 entsprechen in ihrem Grundaufbau dem von 3, jedoch wird hier jeweils durch mindestens ein poröses Schichtelement 24 ein gasförmiges Betriebsmedium geleitet. Die 4a bzw. 5a zeigen jeweils die Querschnitte durch den Brennstoffzellenstapel 10 der 4b bzw. 5b in Richtung der Linien IVA-IVA bzw VA-VA mit der Spannvorrichtung 16 und den Druckverteilelementen 18 sowie den Federelementen 22.
In der Ausführungsform der 4a und 4b wird gasförmiges Betriebsmedium in Pfeilrichtung Y (4b links) durch die Brennstoffzellen 12 gefördert, um auf der gegenüberliegenden Seite (4b rechts) auszutreten und in Richtung der Pfeile Z durch das obere Schichtelement 24 aus porösem, tragfähigen Metallschaum zurückgeführt zu werden, und schließlich auf der linken Seite (4b) wieder aus dem Schichtelement 24 auszutreten. Durch die Ausbildung des porösen Schichtelements 24 als gasführendes Element können Teile der Gasführung in dem Brennstoffzellenstapel 10 eingespart werden.
In der Ausführungsform der 5a und 5b wird das gasförmige Betriebsmedium in Pfeilrichtung Y (5b links) durch das linke untere Schichtelement 24 aus porösem, tragfähigen Metallschaum und über ein (nicht dargestelltes) Verteilersystem zu den Brennstoffzellen 12 gefördert. Das Betriebsmedium gelangt dann durch die Brennstoffzellen 12 (in 5b in der Zeichnungsebene nach rechts hinten, symbolisiert durch den Pfeil W), um auf der in 5b hinteren Seite der Brennstoffzellen 12 auszutreten und über ein (nicht dargestelltes) Sammlersystem und das untere rechte Schichtelement 24 aus porösem, tragfähigen Metallschaum in Richtung des Pfeils Z zum Austritt auf der rechten Seite (5b) des Brennstoffzellenstapels 10 zu gelangen. Auch hier können durch die Ausbildung von zwei porösen Schichtelementen 24 als gasführende Elemente Teile der Gasführung in dem Brennstoffzellenstapel 10 eingespart werden.
In 6 ist schließlich ein Brennstoffzellensystem 26 mit einer energieerzeugenden Einheit gezeigt, die aus einem Reformer 28, dem Brennstoffzellenstapel 10 mit Brennstoffzellen 12 und einer Nachbrenneinheit 30 als zentrale Komponenten besteht. Die Komponenten 28, 10, 30 des Brennstoffzellensystems 26 sind von einer Wärmedämmvorrichtung 14, bestehend aus den Wärmedämmelementen 14a-d und den porösen Schichtelementen 24, umgeben. Die (hier nicht gezeigte) Spannvorrichtung ist außerhalb der Wärmedämmvorrichtung 14 angeordnet und übt Spannkräfte F auf das Brennstoffzellensystem 26 aus, wodurch dieses zusammengehalten wird. Der Aufbau des Brennstoffzellensystems 26 ist ansonsten analog zu dem Aufbau der in den 3 bis 5 gezeigten Ausführungsformen des Brennstoffzellenstapels 10. Selbstverständlich können alle für die Brennstoffzellenstapel 10 gezeigten Merkmale auch auf das Brennstoffzellensystem 26 angewandt werden.
Die beschriebenen Ausführungsformen der Brennstoffzellenstapel 10 und des Brennstoffzellensystems 26 eignen sich besonders für den Einsatz von Festoxidbrennstoffzellen, die bei Temperaturen von 800 bis 900°C betrieben werden. Insbesondere bei einem derartigen Hochtemperatursystem entfalten die beschriebenen Materialien und Bauelemente ihre Vorteile hinsichtlich Volumen- und Gewichtsreduzierung und damit Kostenminderung.
Im Folgenden soll ein Verfahren beschrieben werden, das ein besonders einfaches Wechseln der Brennstoffzellen 12 und der Wärmedämmvorrichtung 14 erlaubt.
In einem ersten Schritt sind die Federelemente 22 zu lösen. Anschließend können die Druckverteilelemente 18 von den Zugelementen 20 getrennt werden. Es ist nun möglich, entweder durch Abnehmen der Wärmedämmvorrichtung 14 von dem Brennstoffzellenstapel 10 bzw. von dem Brennstoffzellensystem 26 die Brennstoffzellen 12 (und ggf. der Reformer 28 und die Nachbrenneinheit 30) allein oder diese im Verbund mit der Wärmedämmvorrichtung 14 zusammen auszutauschen. Nach dem Austausch werden die Druckverteilelemente 18 mit den Zugelementen 20 verbunden. Abschließend wird durch Anbringen der Federelemente 22 der gesamte Brennstoffzellenstapel 10 bzw. das Brennstoffzellensystem 26 unter Spannung zusammengefügt.

10: Brennstoffzellenstapel
12: Brennstoffzellen
13: Brennstoffzellenkanten
14: Wärmedämmvorrichtung
14a-d: Wärmedämmelemente
16: Spannvorrichtung
18: Druckverteilelemente
20: Zugelemente
22: Federelemente
24: poröses Schichtelement
25: Blechelement
26: Brennstoffzellensystem
28: Reformer
30: Nachbrenneinheit

Claims

Brennstoffzellenstapel (10) mit Brennstoffzellen (12), einer Spannvorrichtung (16) und einer Wärmedämmvorrichtung (14), wobei die Spannvorrichtung (16) Druckverteilelemente (18) aufweist und die Brennstoffzellen (12) zwischen den Druckverteilelementen (18) angeordnet sind, dadurch ge kennzeichnet, dass die Wärmedämmvorrichtung (14) zwischen den Brennstoffzellen (12) und der Spannvorrichtung (16) angeordnet ist.
Brennstoffzellenstapel (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannvorrichtung (16) Zugelemente (20) aufweist, die als Stab, Seil, Draht, Kette, Band oder Fasermaterial ausgeführt sind.
Brennstoffzellenstapel (10) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Zugelemente (20) aus einem Leichtmetall bestehen.
Brennstoffzellenstapel (10) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Zugelemente (20) aus Aluminium bestehen.
Brennstoffzellenstapel (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannvorrichtung (16) Federelemente (22) aufweist, die als Schraubenfedern, Tellerfedern, Schenkelfedern, Seilzugfedern oder pneumatische Federn ausgebildet sind.
Brennstoffzellenstapel (10) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Federelemente (22) aus Elastomeren bestehen.
Brennstoffzellenstapel (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Federelemente (22) zwischen den Druckverteilelementen (18) angeordnet sind.
Brennstoffzellenstapel (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmedämmvorrichtung (14) als Sandwichkonstruktion ausgeführt ist.
Brennstoffzellenstapel (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmedämmvorrichtung (14) aus einem Compositematerial besteht.
Brennstoffzellenstapel (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmedämmvorrichtung (14) mindestens ein poröses Schichtelement (24) umfasst.
Brennstoffzellenstapel (10) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das poröse Schichtelement (24) aus einem Metallschaum besteht.
Brennstoffzellenstapel (10) nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass das poröse Schichtelement (24) wenigstens teilweise von einem Blechelement (25) umgeben ist.
Brennstoffzellenstapel (10) nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass durch das poröse Schichtelement (24) ein gasförmiges Betriebsmedium geleitet wird.
Brennstoffzellenstapel (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckverteilelemente (18) im wesentlichen ebene, zueinander parallele Platten sind.
Brennstoffzellenstapel (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckverteilelemente (18) halbkugelschalenförmig ausgebildet sind.
Brennstoffzellenstapel (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckverteilelemente (18) halbzylinderförmig ausgebildet sind.
Brennstoffzellenstapel (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzellen (12) Festoxidbrennstoffzellen sind.
Brennstoffzellensystem (26) mit einer energieerzeugenden Einheit, wobei die energieerzeugende Einheit einen Reformer (28), einen Brennstoffzellenstapel (10) mit Brennstoffzellen (12) und eine Nachbrenneinheit (30) umfasst, wobei das Brennstoffzellensystem (26) weiter einer Spannvorrichtung (16) mit Druckverteilelementen (18) und eine Wärmedämmvorrichtung (14) aufweist, und die energieerzeugende Einheit zwischen den Druckverteilelementen (18) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmedämmvorrichtung (14) zwischen der energieerzeugenden Einheit und der Spannvorrichtung (16) angeordnet ist.