DE102008018630B4

DE102008018630B4 - Brennstoffzellenstapel, Brennstoffzellensystem und Verfahren zur Herstellung eines Brennstoffzellenstapels

Info

Publication number: DE102008018630B4
Application number: DE102008018630A
Authority: DE
Inventors: Stefan Käding; Jens Hafemeister; Uwe Bergmann; Gregor Holstermann
Original assignee: Staxera GmbH
Current assignee: SunFire GmbH
Priority date: 2008-04-14
Filing date: 2008-04-14
Publication date: 2013-05-29
Anticipated expiration: 2028-04-15
Also published as: KR101353332B1; WO2009127189A1; US20110039180A1; JP5318192B2; JP2011517049A; US8691468B2; DE102008018630A1; KR20100115392A

Abstract

Brennstoffzellenstapel (10) mit
– einer Brennstoffzellen (12) tragenden Grundplatte (14) und
– einer die übereinander gestapelten Brennstoffzellen (12) teilweise einhüllenden Haube (16) aus elektrisch isolierendem Material, insbesondere aus Keramik, zur elektrischen Isolation der übereinander gestapelt angeordneten Brennstoffzellen (12), wobei zwei der gegenüberliegenden Seiten des Brennstoffzellenstapels (10) nicht von der Haube (16) abgedeckt sind,
dadurch gekennzeichnet,
– dass die einzelnen Brennstoffzellen auf der Grundplatte übereinander gestapelt sind,
– dass eine zur Führung von Kathodengas vorgesehene Metallhaube (18) zusammen mit der Grundplatte (14) die Haube (16) mit den Brennstoffzellen (12) einhüllt, und
– dass die Metallhaube (18) unter Abdichtung an der Grundplatte (14) befestigt ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Brennstoffzellenstapel mit einer Brennstoffzellen tragenden Grundplatte und einer die übereinander gestapelten Brennstoffzellen teilweise einhüllenden Haube aus elektrisch isolierendem Material, insbesondere aus Keramik, zur elektrischen Isolation der übereinander gestapelt angeordneten Brennstoffzellen, wobei zwei der gegenüberliegenden Seiten des Brennstoffzellenstapels nicht von der Haube abgedeckt sind.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung eines Brennstoffzellenstapels mit einer Brennstoffzellen tragenden Grundplatte, wobei die einzelnen Brennstoffzellen auf der Grundplatte übereinander gestapelt sind, einer die übereinander gestapelten Brennstoffzellen teilweise einhüllenden Haube aus elektrisch isolierendem Material, insbesondere aus Keramik, zur elektrischen Isolation der übereinander gestapelt angeordneten Brennstoffzellen und einer zur Führung von Kathodengas vorgesehene Metallhaube, die zusammen mit der Grundplatte die Haube mit dem Brennstoffzellen einhüllt, wobei die Metallhaube unter Abdichtung an der Grundplatte befestigt ist.
Die Brennstoffzellentechnologie zur Erzeugung elektrischer Energie weist aufgrund der direkten Umsetzung von chemischer in elektrischer Energie theoretisch einen deutlich höheren Wirkungsgrad auf als herkömmliche Verfahren zur Stromerzeugung, zum Beispiel ein Verbrennungsmotor oder eine Gasturbine mit angeschlossenem Generator. Mit am weitesten entwickelt sind derzeit die sogenannten SOFC-Brennstoffzellen, die zur Klasse der Hochtemperatur-Brennstoffzellen zählen, da sie konstruktionsbedingt eine Betriebstemperatur von 650°C bis etwa 1000°C aufweisen. Die hohen Betriebstemperaturen der SOFC-Brennstoffzellensysteme schränken die zur Konstruktion verwendbaren Materialien ein und erzeugen zusätzlich hohe Belastungen der Materialien, beispielsweise an den Verbindungsstellen aus unterschiedlichen Materialien gefertigten Komponenten durch unterschiedliche Temperaturausdehnungskoeffizienten.
Das Funktionsprinzip aller Brennstoffzellen beruht darauf, dass zwei unterschiedliche Prozessgase, zum Beispiel ein wasserstoffreiches Brennstoffgas und ein sauerstoffreiches Gas als Oxidationsmittel, getrennt voneinander an einer aktiven Schicht vorbeigeleitet werden, wobei sich senkrecht zu der Schicht aufgrund der ablaufenden Reaktion eine elektrische Spannung von ca. 0,7 V aufbaut und ein nutzbarer Strom erzeugbar ist. Da die von einer einzelnen Brennstoffzelle erzeugbare Spannung verhältnismäßig klein ist, werden üblicherweise viele einzelne Brennstoffzellen seriell miteinander gekoppelt, wobei sich das Übereinanderstapeln der einzelnen Brennstoffzellen in einem Brennstoffzellenstapel als zweckdienlich erwiesen hat. Durch das Stapeln der einzelnen Brennstoffzellen ist jedoch die Zuführung der verschiedenen Prozessgase, die auch als Anodengas und Kathodengas bezeichnet werden, hinsichtlich der Abdichtung des Anoden- gegenüber dem Kathodengasraum schwieriger geworden. Der Wirkungsgrad des Brennstoffzellenstapels hängt jedoch entscheidend davon ab, dass das Anodengas gasdicht von dem Kathodengas getrennt geführt wird und die Reaktion ausschließlich über die dafür vorgesehenen Reaktionsflächen abläuft.
Eine Möglichkeit zur Versorgung des Brennstoffzellenstapels mit Anodengas besteht in der Anordnung einer zentralen Versorgungsleitung im Inneren des Brennstoffzellenstapels, senkrecht zur Stapelrichtung der einzelnen Brennstoffzellen, die über Durchbrüche durch die einzelnen Schichten des Brennstoffzellenstapels geführt wird. Dabei ist auf eine gasdichte Verbindung der einzelnen Schichten mit der Versorgungsleitung zu achten, um ein Mischen von Kathodengas mit Anodengas zu vermeiden. Es ist denkbar analog eine weitere Versorgungsleitung zur Versorgung des Brennstoffzellenstapels mit Kathodengas vorzusehen. Alternativ kann jedoch auch eine sogenannte offene Kathode verwendet werden, wobei das Kathodengas auf einer Seite des Brennstoffzellenstapels zugeführt wird und das verbrauchte Kathodengas den Brennstoffzellenstapel an der gegenüberliegenden Seite des Brennstoffzellenstapels wieder verlässt. Bei einer offenen Kathode kann also ein Teil der Durchbrüche für eine Versorgungsleitung eingespart werden, was die Fertigung erheblich vereinfacht. Um jedoch das Kathodengas parallel zu den einzelnen Ebenen des Brennstoffzellenstapels durch den Brennstoffzellenstapel strömen lassen zu können, ist eine äußere Abdichtung des Brennstoffzellenstapels notwendig, um zu vermeiden, dass Kathodengas unerwünschterweise um den Brennstoffzellenstapel herumströmt und nicht durch diesen hindurchtritt. Zu diesem Zweck kann eine keramische Haube, vorgesehen sein, die zum einen der Führung des Kathodengases durch den Brennstoffzellenstapel und zum anderen der elektrischen Isolierung der einzelnen Brennstoffzellen dient.
Als besonders problematisch erweisen sich hierbei jedoch die unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten einer solchen Haube und des Brennstoffzellenstapels, weshalb beide Komponenten gleitend miteinander verbunden werden müssen. Eine gasdichte Ausführung der Verbindung ist somit nicht zu gewährleisten. Aus diesem Grunde ist die Integration eines Brennstoffzellenstapels mit externer Kathodengasführung in ein Brennstoffzellensystem äußerst kompliziert.
Die DE 43 24 907 A1 zeigt eine Trägerplatte, die aus mehreren einzelnen Brennstoffzellen aufgebaute Brennstoffzellenstapel trägt. Einzelne Brennstoffzellenstapel werden jeweils von einer elastischen Isolierung teilweise eingehüllt. Weiterhin ist jeweils ein schlauchförmiges Gehäuse vorgesehen, das eine Umströmung des jeweiligen Brennstoffzellenstapels vermeidet.
Die DE 10 2004 037 678 A1 beschreibt mehrere Möglichkeiten zum dauerhaften Verspannen eines Brennstoffzellenstapels.
Aus der DE 10 2007 002 286 A1 ist weiterhin das Anordnen eines Brennstoffzellenstapels auf einer Medienversorgungsplatte bekannt, wobei der Brennstoffzellenstapel von zwei geschlossenen Hauben auf der Medienversorgungsplatte abgedeckt wird.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Kombination aus einfacher Montage bei gleichzeitiger dichter Kapselung des Brennstoffzellenstapels zu ermöglichen.
Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Der erfindungsgemäße Brennstoffzellenstapel baut auf dem Stand der Technik dadurch auf, dass die einzelnen Brennstoffzellen auf der Grundplatte übereinander gestapelt sind, dass eine zur Führung von Kathodengas vorgesehene Metallhaube zusammen mit der Grundplatte die Haube mit den Brennstoffzellen einhüllt und dass die Metallhaube unter Abdichtung an der Grundplatte befestigt ist. Das Vorsehen einer Metallhaube, die unter Abdichtung an der den Brennstoffzellenstapel tragenden Grundplatte befestigt wird, erlaubt in einfacher Weise eine dichte Kapselung des Brennstoffzellenstapels. Dadurch ist die Integration eines Brennstoffzellenstapels in ein Brennstoffzellensystem stark erleichtert, da die Zu- und Abführung von Anoden- beziehungsweise Kathodengas nur über die dafür vorgesehenen Anschlüsse in der Metallhaube und/oder der Grundplatte erfolgt.
Es ist bevorzugt, dass zwischen der Haube und den Brennstoffzellen eine Dichtung vorgesehen ist. Das Vorsehen einer Dichtung zwischen der Haube und den Brennstoffzellen ermöglicht insbesondere eine verbesserte Führung von Kathodengas durch den Brennstoffzellenstapel ohne einen Leistungsverlust durch mögliche Umgehungswege, auf denen das Kathodengas an dem Brennstoffzellenstapel vorbeiströmen könnte. Dichtung und Haube können auch als ein einzelnes Bauteil ausgeführt sein, um die Fertigung weiter zu vereinfachen.
Besonders bevorzugt ist dabei, dass die Dichtung Keramikpapier umfasst. Die Verwendung von keramischen Papier als Dichtmaterial zwischen dem Brennstoffzellenstapel und der Haube erleichtert insbesondere das anfängliche Anbringen der Dichtung, da das Keramikpapier vor der Inbetriebnahme des Brennstoffzellenstapels beziehungsweise dem erstmaligen Aufheizen wie normales Papier verarbeitet werden kann.
Nützlicherweise ist vorgesehen, dass die Metallhaube eine definierte Vorspannung auf die Haube mit den Brennstoffzellen ausübt. Viele Brennstoffzellenstapel werden während der Herstellungsphase unter einer definierten Vorspannung gehalten, um möglichen Mikrofrakturen vorzubeugen, die eine Gasundichtheit verursachen könnten und dadurch den gesamten Brennstoffzellenstapel unbrauchbar machen würden. Zur Erzeugung der definierten Vorspannung ist oftmals eine separate Verspannvorrichtung vorgesehen, die entfallen kann, wenn die Metallhaube selbst die Funktion der Verspannvorrichtung ersetzt und die benötigte Vorspannung auf den Brennstoffzellenstapel ausübt. Auf diese Weise wird auch sichergestellt, dass die Haube an der Oberfläche des Stapels aus Brennstoffzellen anliegt.
In diesem Zusammenhang ist besonders bevorzugt vorzusehen, dass die Metallhaube in ihrem von der Grundplatte abgewandten Teil eine elastische Metallfolie umfasst, die die Konturen der Haube mit den Brennstoffzellen nachbildet. Eine elastische Metallfolie, die die Konturen der Haube mit den Brennstoffzellen beim Anbringen nachbildet, ermöglicht insbesondere einen Ausgleich der unterschiedlichen thermischen Ausdehnungen der Haube mit den Brennstoffzellen und der Metallhaube während des Betriebs des Brennstoffzellenstapels. Die unterschiedlichen Längenausdehnungen werden dabei durch die Flexibilität der elastischen Metallfolie ausgeglichen, das die Verformungen aufnimmt. Dies ermöglicht insbesondere die dauerhaft Dichte Verbindung zwischen der Metallhaube und der Grundplatte, wobei die Haube zusammen mit den Brennstoffzellen den Raum innerhalb der Metallhaube in zwei Bereiche unterteilt, die nur über die Kathodengasführungen in den Brennstoffzellen verbunden sind. Das Nachbilden der Kontur erfolgt aufgrund der Elastizität der verwendeten Folie in Verbindung mit der Vorspannung der Metallhaube.
Nützlicherweise ist in diesem Zusammenhang vorgesehen, dass eine Verspannung des Brennstoffzellenstapels vorgesehen ist, wobei die den Brennstoffzellenstapel verspannende Kraft über einen Stempel auf die Brennstoffzellen übertragen wird, der gleichzeitig die elastische Metallfolie flächig auf die Haube mit den Brennstoffzellen presst. Eine Verspannung des Brennstoffzellenstapels, die von der Vorspannung durch die Metallhaube zu unterscheiden ist, ist üblich, um während des Betriebs des Brennstoffzellenstapels eine ausreichende Stabilität der Anordnung, insbesondere eine ausreichende Gasdichtheit der einzelnen Brennstoffzellen, zu gewährleisten. Das flächige Einbringen der durch die Verspannung aufgebrachten verspannenden Kraft über einen Stempel ermöglicht idealerweise gleichzeitig das flächige Anpressen der elastischen Metallfolie auf die Haube mit den Brennstoffzellen, deren Position somit auf dem Stapel von Brennstoffzellen fixiert ist. Unterschiedliche thermische Längenausdehnungen der Metallhaube und der Haube mit den Brennstoffzellen werden also nunmehr lediglich über die Elastizität der seitlich des Stapels aus Brennstoffzellen beziehungsweise der Haube liegenden Metallfolie kompensiert. Weiterhin erhöht das Anpressen der elastischen Metallfolie die Gasdichtheit der externen Kathodengasführung, da eine Umgehung des Brennstoffzellenstapels durch das Kathodengas aufgrund des Anpressdrucks weniger wahrscheinlich ist. Bei der externen Kathodengasführung liegt die elastische Metallfolie nicht an den Seiten des Stapels von Brennstoffzellen an, die für die Zuführung beziehungsweise Abführung von Kathodengas vorgesehen sind.
Weiterhin kann vorgesehen sein, dass die Grundplatte einen Anschluss für eine Medienzuführung und/oder eine Medienabführung aufweist. Das Vorsehen einer Medienzuführung und/oder eine Medienabführung in der Grundplatte, zum Beispiel einer Anodengaszuführung und/oder Anodengasabführung ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn die Versorgung des Brennstoffzellenstapels mit Anodengas über eine zentrale Versorgungsleitung erfolgt, die senkrecht zur Stapelebene über Durchbrüche durch den Brennstoffzellenstapel geführt wird. Anschlüsse für eine Kathodengaszuführung beziehungsweise Kathodengasabführung können ebenfalls je nach Bedarf in der Grundplatte integriert sein.
Weiterhin kann vorgesehen sein, dass die Metallhaube einen Anschluss für eine Medienzuführung und/oder eine Medienabführung aufweist. Insbesondere bei der offenen Kathodengasführung, die durch die Metallhaube realisiert wird, können Anschlüsse für eine Medienzuführung und/oder eine Medienabführung in der Metallhaube vorteilhaft sein.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass alle Anschlüsse für die Medienzuführung und die Medienabführung parallel zueinander angeordnet sind.
Besonders vorteilhaft ist dabei, dass alle Anschlüsse für die Medienzuführung und die Medienabführung auf einer Seite des Brennstoffzellenstapels angeordnet sind. Sind die Anschlüsse für die Medienzuführung und/oder die Medienabführung nicht nur parallel zueinander, sondern auch auf einer einzigen Seite des Brennstoffzellenstapels angeordnet, so wird die Integration des Brennstoffzellenstapels in ein Brennstoffzellensystem besonders vereinfacht.
Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem zeichnet sich dadurch aus, dass es einen Brennstoffzellenstapel der vorstehen erläuterten Art umfasst.
Das gattungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines Brennstoffzellenstapels wird dadurch weiterentwickelt, dass es die folgenden Schritte umfasst:

– Stapeln von Brennstoffzellen auf der Grundplatte.
– Aufsetzen der die übereinander gestapelt angeordneten Brennstoffzellen teilweise einhüllenden Haube.
– Abdichten der Berührungsflächen zwischen den Brennstoffzellen und der Haube.
– Aufsetzten einer Metallhaube auf die die übereinander gestapelt angeordneten Brennstoffzellen teilweise einhüllende Haube.
– Befestigen der Metallhaube unter Abdichtung an der Grundplatte unter einer definierten Vorspannung.

Auf diese Weise werden die Vorteile und Besonderheiten des erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapels auch im Rahmen eines Verfahrens zur Herstellung eines Brennstoffzellenstapels umgesetzt. Dies gilt auch für die nachfolgend angegebenen besonders bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Dieses wird in nützlicher Weise dadurch weitergebildet, dass der Schritt des Abdichtens der Berührungsflächen zwischen den Brennstoffzellen und der Haube die Verwendung von keramischem Papier vorsieht.
Vorzugsweise ist weiterhin vorgesehen, dass der Schritt des Aufsetzens der Metallhaube ein Andrücken einer im oberen Teil der Metallhaube angeordneten elastischen Metallfolie an den oberen Teil der die übereinander gestapelten Brennstoffzellen teilweise umfassenden Haube umfasst. Durch das Andrücken, welches insbesondere faltenfrei erfolgt, können später ungleichmäßig auftretende Belastungen der elastischen Metallfolie während der thermischen Ausdehnungszyklen des Brennstoffzellenstapels vorgebeugt werden.
Insbesondere kann vorgesehen sein, dass der Schritt des Befestigens der Metallhaube an der Grundplatte unter einer definierten Vorspannung das Anschweißen der Metallhaube an der Grundplatte umfasst. Das Anschweißen der Metallhaube an die Grundplatte stellt eine einfache Möglichkeit zum sicheren Verbinden der Bauteile unter Abdichtung dar.
Nützlicherweise ist noch vorgesehen, dass eine Verspannung an dem Brennstoffzellenstapel angeordnet wird, die über einen Stempel die verspannende Kraft auf die gestapelten Brennstoffzellen überträgt, wobei gleichzeitig die elastische Metallfolie flächig auf die Haube mit den Brennstoffzellen angepresst wird.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend anhand der zugehörigen Zeichnungen beispielhaft näher erläutert.
Es zeigen:
1 eine Grundplatte mit darauf übereinander gestapelten einzelnen Brennstoffzellen;
2 einen Stapel von Brennstoffzellen auf einer Grundplatte mit einer aufgesetzten Haube;
3 einen Stapel von Brennstoffzellen in einer Metallhaube;
4 einen in einer Metallhaube angeordneten Stapel von Brennstoffzellen mit bereits teilweise montierter Isolation und
5 ein Brennstoffzellensystem mit fertig gestelltem Brennstoffzellenstapel.
In den folgenden Zeichnungen bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder gleichartige Teile.
1 zeigt eine Grundplatte mit darauf übereinander gestapelten einzelnen Brennstoffzellen. 1 stellt somit einen ersten Herstellungsschritt für einen erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapel dar. Auf einer Grundplatte 14 mit Anschlüssen 28, 28' werden einzelne Brennstoffzellen 12 übereinander gestapelt. Über den Anschluss 28 wird beispielsweise wasserstoffreicher Brennstoff als Anodengas den einzelnen Brennstoffzellen 12 zugeführt. Zu diesem Zweck existiert zumindest eine von den Brennstoffzellen 12 verdeckte Öffnung in der Grundplatte 14, an die eine zentrale Versorgungsleitung anschließt. Über Durchbrüche in den einzelnen Brennstoffzellen 12 steht die nicht sichtbare Versorgungsleitung in direktem Kontakt mit sämtlichen Anodengasräumen der aufeinandergestapelten Brennstoffzellen 12. Die Abführung von verbrauchtem Anodengas erfolgt über eine ebenfalls nicht sichtbare zentrale Abführleitung, die in analoger Weise über Durchbrüche mit allen Anodengasräumen der Brennstoffzellen 12 gekoppelt ist. Gegenüber den Kathodengasräumen sind die Durchbrüche gasdicht abgedichtet. Weiterhin braucht die zuoberst aufgesetzte Brennstoffzelle in ihrer Deckplatte nicht über Durchbrüche zu verfügen beziehungsweise es kann eine separate Deckplatte auf den Stapel von Brennstoffzellen 12 gesetzt werden.
2 zeigt einen Stapel von Brennstoffzellen auf einer Grundplatte mit einer aufgesetzten Haube. Der zweite Schritt zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapels umfasst das Aufsetzen einer Haube 16 aus elektrisch isolierendem Material, vorzugsweise aus Keramik oder einem anderen Material mit zumindest ähnlichen Eigenschaften bezüglich der thermischen Stabilität, der elektrischen Isolationsfähigkeit und der Ausdehnung bei Erwärmung, auf die übereinander auf die Grundplatte 14 gestapelten Brennstoffzellen 12. Die Haube 16 hüllt den Stapel von Brennstoffzellen 12 lediglich teilweise ein. Insbesondere werden zwei der gegenüberliegenden Seiten des Stapels aus Brennstoffzellen 12 nicht von der Haube 16 abgedeckt, während eine Dichtung 20, die vorzugsweise keramisches Papier oder einen Dichtmaterial mit ähnlichen Eigenschaften umfasst, die Berührungsflächen zwischen der Haube 16 und dem Stapel aus Brennstoffzellen 12 abdichtet. Die in 2 gezeigte Darstellung ist insbesondere im Zusammenhang mit einer sogenannten offenen Kathode, bei der ein oxidationsmittelreiches Kathodengas flächig auf einer Seite des Stapels aus Brennstoffzellen 12 einströmen kann und auf der gegenüberliegenden Seite flächig wieder aus dem Stapel aus Brennstoffzellen 12 ausströmt, vorteilhaft. Die Dichtung 20 hilft unter anderem, ein Umgehen des Stapels aus Brennstoffzellen 12 durch das Kathodengas zu vermeiden.
3 zeigt einen Stapel von Brennstoffzellen in einer Metallhaube. Eine Metallhaube 18 ist auf der Grundplatte 14, auf der die nunmehr nicht mehr sichtbaren Brennstoffzellen übereinander gestapelt sind, aufgesetzt und unter Abdichtung vorzugsweise mit der Grundplatte 14 verschweißt.
Aufgrund eines Vergleichs der aus der 2 ersichtlichen Abmessung des Stapels aus Brennstoffzellen ist ersichtlich, dass Anschlüsse 30, 31 innerhalb der Metallhaube 18 nicht von dem Stapel aus Brennstoffzellen und der Haube abgedeckt werden. Über den Anschluss 30 zugeführtes Kathodengas, zum Beispiel Luft, kann also dem gemäß 2 auf zwei Seiten offenen Stapel aus Brennstoffzellen von der hinteren in 2 nicht sichtbaren offenen Seite zugeführt werden und über die in 2 sichtbare offene vordere Seite wieder aus dem Stapel aus Brennstoffzellen austreten. Anschließend kann das verbrauchte Kathodengas über den Anschluss 30' wieder aus der Metallhaube 18 abgeführt werden. Der dargestellte Brennstoffzellenstapel arbeitet daher mit einer sogenannten offenen Kathode. Im oberen Bereich der Metallhaube 18 ist eine elastische Metallfolie 22 vorgesehen, die den Deckel und den oberen Bereich der in 3 als Seitenwände dargestellten metallischen Haube 18 bildet. Die Stärke der elastischen Metallfolie 22 kann zwischen 0,05 mm und 0,7 mm betragen, wobei eine Stärke zwischen 0,1 mm und 0,5 mm bevorzugt und eine Stärke von 0,2 mm besonders bevorzugt ist. Im Extremfall könnte sogar die gesamte Metallhaube 18 aus der elastischen Metallfolie 22 gefertigt sein. Die Metallhaube 18 dient der Kathodengasführung und kann die Kontur der Haube mit den Brennstoffzellen aufgrund der Vorspannung bereits komplett erfassen, so dass ein Anliegen der Haube an den übereinander gestapelten Brennstoffzellen gesichert ist.
4 zeigt einen in einer Metallhaube angeordneten Stapel von Brennstoffzellen mit teilweise montierter Isolation. Der nächste Schritt bei der Herstellung eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapels ist die Anbringung einer Isolation 34 mit Aussparungen 36 für eine dauerhafte Verspannung des in 3 dargestellten Zwischenprodukts. Die Isolation 34 mit den Aussparungen 36 wird dabei, wie in 4 dargestellt, an der Metallhaube 18 angeordnet, wobei an der von der nicht mehr sichtbaren Grundplatte abgewandten Seite des Stapels von Brennstoffzellen ein Stempel 36 zum gleichmäßigen Einbringen von Verspannkraft in den Stapel angeordnet wird. Der Stempel 26 wird nach dem Anbringen einer dauerhaften Verspannung gleichzeitig die Metallfolie 22 flächig an die Haube pressen und somit die elastische Metallfolie 22 fixieren. Dies dient zum einen zur Vermeidung von unerwünschten den Stapel aus Brennstoffzellen umgehenden Kathodengasströmungen und zum anderen zum besseren Aufnehmen von Verformungen durch die nicht von dem Stempel fixierten Bereiche der elastischen Metallfolie 22. Das sind im Wesentlichen die seitlich des Stapels liegenden Folienanteile.
5 zeigt ein Brennstoffzellensystem mit fertig gestelltem Brennstoffzellenstapel. Ein Brennstoffzellensystem 32 mit einem Brennstoffzellenstapel 10 wird über einen Lüfter 38 und einen Anschluss 30 mit sauerstoffreichem Kathodengas, in diesem Fall Luft, versorgt und verbrauchter Kathodengas wird über den Anschluss 30' abgeführt. Benötigtes Anodengas wird durch einen Lüfter 38' und eine Kraftstoffpumpe 40 in einen Reformer 42 in Form von wasserstoffreichem Reformat über einen Anschluss 28 zugeführt. Das verbrauchte Anodengas wird über einen Anschluss 28' abgeführt. Der Brennstoffzellenstapel 10 ist mit einer vollständigen geschlossenen Isolation 34 dargestellt, wobei eine externe Verspannung 24, die beispielsweise Federkräfte zur Erzeugung der Verspannkraft verwendet, eine dauerhaft notwendige Verspannkraft über einen Stempel 26 flächig auf den im Inneren des Brennstoffzellenstapels 10 angeordneten Stapel aus einzelnen Brennstoffzellen überträgt. Die Verspannung 24 hält die von der Metallhaube aufgebrachte Vorspannung während der Lebenszeit des Brennstoffzellenstapels 10 aufrecht. Es ist denkbar, die Verspannung 24 nicht außerhalb der Isolation 34 als externe Verspannung auszuführen, sondern unterhalb der Isolation 34 als interne Verspannung.
Die in der vorstehenden Beschreibung, in den Zeichnungen sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmal der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung wesentlich sein.
Bezugszeichenliste

10: Brennstoffzellenstapel
12: Brennstoffzelle
14: Grundplatte
16: Haube
18: Metallhaube
20: Dichtung
22: elastische Metallfolie
24: Verspannung
26: Stempel
28: Anschluss
28': Anschluss
30: Anschluss
30': Anschluss
32: Brennstoffzellensystem
34: thermische Isolation
36: Aussparung
38: Lüfter
38': Lüfter
40: Brennstoffpumpe
42: Reformer

Claims

Brennstoffzellenstapel (10) mit – einer Brennstoffzellen (12) tragenden Grundplatte (14) und – einer die übereinander gestapelten Brennstoffzellen (12) teilweise einhüllenden Haube (16) aus elektrisch isolierendem Material, insbesondere aus Keramik, zur elektrischen Isolation der übereinander gestapelt angeordneten Brennstoffzellen (12), wobei zwei der gegenüberliegenden Seiten des Brennstoffzellenstapels (10) nicht von der Haube (16) abgedeckt sind, dadurch gekennzeichnet, – dass die einzelnen Brennstoffzellen auf der Grundplatte übereinander gestapelt sind, – dass eine zur Führung von Kathodengas vorgesehene Metallhaube (18) zusammen mit der Grundplatte (14) die Haube (16) mit den Brennstoffzellen (12) einhüllt, und – dass die Metallhaube (18) unter Abdichtung an der Grundplatte (14) befestigt ist.
Brennstoffzellenstapel (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Haube (16) und den Brennstoffzellen (12) eine Dichtung (20) vorgesehen ist.
Brennstoffzellenstapel (10) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtung (20) Keramikpapier umfasst.
Brennstoffzellenstapel (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallhaube (18) eine definierte Vorspannung auf die Haube (16) mit den Brennstoffzellen (12) ausübt.
Brennstoffzellenstapel (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallhaube (18) in ihrem von der Grundplatte (14) abgewandten Teil eine elastische Metallfolie (22) umfasst, die die Konturen der Haube (16) mit den Brennstoffzellen (12) nachbildet.
Brennstoffzellenstapel (10) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Verspannung (24) des Brennstoffzellenstapels (10) vorgesehen ist, wobei die den Brennstoffzellenstapel (10) verspannende Kraft über einen Stempel (26) auf die Brennstoffzellen (12) übertragen wird, der gleichzeitig die elastische Metallfolie (22) flächig auf die Haube (16) mit den Brennstoffzellen (12) presst.
Brennstoffzellenstapel (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Grundplatte (14) einen Anschluss (28, 28') für eine Medienzuführung und/oder eine Medienabführung aufweist.
Brennstoffzellenstapel (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallhaube (18) einen Anschluss (30, 30') für eine Medienzuführung und/oder eine Medienabführung aufweist.
Brennstoffzellenstapel (10) nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass alle Anschlüsse (28, 28', 30, 30') für die Medienzuführung und die Medienabführung parallel zueinander angeordnet sind.
Brennstoffzellenstapel (10) nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass alle Anschlüsse (28, 28', 30, 30') für die Medienzuführung und die Medienabführung auf einer Seite des Brennstoffzellenstapels (10) angeordnet sind.
Brennstoffzellensystem (32) mit einem Brennstoffzellenstapel (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Verfahren zur Herstellung eines Brennstoffzellenstapels (10) mit – einer Brennstoffzellen (12) tragenden Grundplatte (14), wobei die einzelnen Brennstoffzellen (12) auf der Grundplatte (14) übereinander gestapelt sind, – einer die übereinander gestapelten Brennstoffzellen (12) teilweise einhüllenden keramischen Haube (16) zur elektrischen Isolation der übereinander gestapelt angeordneten Brennstoffzellen (12) und – einer zur Führung von Kathodengas vorgesehene Metallhaube (18) die zusammen mit der Grundplatte (14) die keramische Haube (16) mit dem Brennstoffzellen (12) einhüllt, wobei die Metallhaube (18) unter Abdichtung an der Grundplatte (14) befestigt ist, dadurch gekennzeichnet, dass es die folgenden Schritte umfasst: – Stapeln von Brennstoffzellen (12) auf der Grundplatte (14). – Aufsetzen der die übereinander gestapelt angeordneten Brennstoffzellen (12) teilweise einhüllenden keramischen Haube (16). – Abdichten der Berührungsflächen zwischen den Brennstoffzellen (12) und der keramischen Haube (16). – Aufsetzen einer Metallhaube (18) auf die die übereinander gestapelt angeordneten Brennstoffzellen (12) teilweise einhüllende keramische Haube (16). – Befestigen der Metallhaube (18) unter Abdichtung an der Grundplatte (14) unter einer definierten Vorspannung.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des Abdichtens der Berührungsflächen zwischen den Brennstoffzellen (12) und der Haube (16) die Verwendung von keramischem Papier vorsieht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des Aufsetzens der Metallhaube (18) ein Andrücken einer im oberen Teil der Metallhaube (18) angeordneten elastischen Metallfolie (22) an den oberen Teil der die übereinander gestapelten Brennstoffzellen (12) teilweise umfassenden Haube (16) umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des Befestigens der Metallhaube (18) an der Grundplatte (14) unter einer definierten Vorspannung das Anschweißen der Metallhaube (18) an der Grundplatte (14) umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass eine Verspannung (24) an dem Brennstoffzellenstapel (10) angeordnet wird, die über einen Stempel (26) die verspannende Kraft auf die gestapelten Brennstoffzellen (12) überträgt, wobei gleichzeitig die elastische Metallfolie (22) flächig auf die Haube (16) mit den Brennstoffzellen (12) angepresst wird.