DE102020128557A1

DE102020128557A1 - Brennstoffzellenstapel mit Gussmaterial und Verfahren zum Herstellen eines Brennstoffzellenstapels

Info

Publication number: DE102020128557A1
Application number: DE102020128557.4A
Authority: DE
Inventors: Oliver Keitsch; Armin Siebel; Sebastian Voigt
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2020-10-30
Filing date: 2020-10-30
Publication date: 2022-05-05
Also published as: CN115836418A; US20230275252A1; WO2022090145A2; WO2022090145A3; EP4179587A2

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Brennstoffzellenstapel (2) mit einer Zellreihe aus einer Mehrzahl von Einheitszellen (4), die mit zellinternen Medienführungen gebildet, und die zwischen zwei miteinander verspannten Endplatten (3) in einem Brennstoffzellenstapelgehäuse (5) aufgenommen sind. Die im Brennstoffzellenstapelgehäuse (5) vorhandene Zellreihe ist vollständig in ein elektrisch isolierendes Gussmaterial (6) eingebettet. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Herstellen eines Brennstoffzellenstapels (2).

Description

Die Erfindung betrifft einen Brennstoffzellenstapel mit einer Zellreihe aus einer Mehrzahl von Einheitszellen, die mit zellinternen Medienführungen gebildet, und die zwischen zwei miteinander verspannten Endplatten in einem Brennstoffzellenstapelgehäuse aufgenommen sind. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Herstellen eines solchen Brennstoffzellenstapels.
Brennstoffzellen dienen zur Bereitstellung elektrischer Energie durch eine elektrochemische Reaktion, wobei zur Erhöhung der nutzbaren Leistung mehrere Brennstoffzellen in Reihe geschaltet zu einem Brennstoffzellenstapel zusammengefasst werden können. Jede der Brennstoffzellen umfasst eine Anode, eine Kathode sowie eine die Anode von der Kathode trennende protonenleitfähige Membran, die zur Förderung der elektrochemischen Reaktion mit einem Katalysator beschichtet ist. Des Weiteren sind in einem Brennstoffzellenstapel jeder Brennstoffzelle beidseits der Membran Bipolarplatten bereitgestellt zur Zuleitung der Reaktanten und gegebenenfalls eines Kühlmittels. Des weiteren werden Gasdiffusionsschichten eingesetzt, um die in den Bipolarplatten herangeführten Reaktanten möglichst gleichmäßig über die gesamte Fläche der mit dem Katalysator beschichteten Membran zu verteilen.
Diese Mehrzahl von in einem Brennstoffzellenstapel zusammengefassten Brennstoffzellen wird im Allgemeinen mithilfe von Zugelementen mit einer Kraft im Bereich mehrerer Kilonewton verpresst, um einen ausreichenden Kontaktdruck an der katalysatorbeschichteten Membran zur Reduktion ohmscher Verluste zu erzielen und mittels der hohen Verpressung Undichtigkeiten eingesetzter Dichtungen zu vermeiden.
Ein Brennstoffzellenstapel wird durch alternierendes Stapeln von Bipolarplatten und Membranelektrodenanordnungen (MEAs), im Verbund als Einheitszelle bezeichnet, gebildet, welche auf diese Weise eine Zellreihe bilden. Um eine Mediendurchtritt aus dem oder in den Stapel zu vermeiden, wird eine Polymer-Dichtung entweder auf die Oberfläche der Bipolarplatten oder auf die Oberfläche der MEA aufgebracht, die durch die abschließende Verpressung der Zellreihe mit Hilfe eines Spannsystems komprimiert wird und dadurch die Dichtwirkung bereitstellt.
Die EP 0 897 196 A1 zeigt ein Verfahren zum Herstellen einer isolierenden Komponente für eine Hochtemperaturbrennstoffzelle. Aus der DE 11 2004 001 748 B4 ist ein Verfahren zum Herstellen einer Brennstoffzellenanordnung bekannt, wobei die Brennstoffzellenanordnung mit einem Dichtmittel vergossen wird. Ein Verfahren zur Herstellung eines Brennstoffzellenstapels, bei dem mittels einer elektrisch isolierenden Vergussmasse abgedichtet wird, ist in der DE 10 2010 011 206 A1 gezeigt. Das Eingießen bzw. Vergießen der Brennstoffzelle mit der isolierenden Komponente ist nicht offenbart.
Ein Problem bei bekannten Dichtungen ist die Permeabilität gegenüber Wasserstoff, was eine kontinuierliche Entlüftung des Stapelgehäuses erforderlich macht. Darüber hinaus kann der Verlust von Wasserstoff aus dem Stapel zur Folge haben, dass beim Wiederanfahren des Brennstoffzellensystems zunächst Luft auf der Anodenseite vorhanden ist (sog. Luft-Luft-Start), was zu erheblicher Schädigung der Brennstoffzelle führt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Brennstoffzellenstapel mit einer verbesserten Dichtigkeit bereitzustellen. Aufgabe ist es weiterhin, ein verbessertes Verfahren zum Herstellen eines solchen Brennstoffzellenstapels anzugeben.
Diese Aufgabe wird durch einen Brennstoffzellenstapel mit den Merkmalen des Anspruches 1 und durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruches 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Der eingangs genannte Brennstoffzellenstapel zeichnet sich dadurch aus, dass die im Brennstoffzellenstapelgehäuse vorhandene Zellreihe vollständig in ein elektrisch isolierendes Gussmaterial eingebettet ist. Die Zellreihe ist dabei hinsichtlich eines Gasaustausches abgedichtet, indem der Verlust von Wasserstoff aus dem Stapel verzögert wird und zusätzlich im Brennstoffzellenstapelgehäuse vorhandenen Hohlräume reduziert werden, wobei das Eindringen von Luft in den Brennstoffzellenstapel unterbunden oder zumindest drastisch reduziert wird.
Es hat sich als sinnvoll erwiesen, wenn das Gussmaterial am Brennstoffzellenstapel abgestützt ist. Dabei kann durch das Eingießen in geeignetes Material auch die mechanische Stabilität der Zellreihe verbessert werden, da die Haftkraft der Zellen zueinander nicht mehr allein auf der Dichtung beruht, sondern die Zellreihe am Gehäuse abgestützt wird. Im Allgemeinen sind Werkstoffe mit einer sehr geringen H₂-Permeation bzw. Gaspermeation bevorzugt, da diese eine sicherere Abdichtung gegenüber Wasserstoff und anderen gasförmigen Medien aufweisen.
Um die elektrische Kriechstrecke positiv zu beeinflussen, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Einheitszellen eine zwischen zwei Bipolarplatten aufgenommene Membranelektrodenanordnung umfasst, und wenn ein lateraler Überstand vorhanden ist, der an der Membranelektrodenanordnung, an einem die Membranelektrodenanordnung einfassenden Rahmen oder an einer die Membranelektrodenanordnung lateral umgebenden Dichtung ausgebildet ist.
Die Dicke der vergossenen Schicht kann bevorzugt so gewählt werden, dass das verbleibende Gasvolumen im Inneren des Stapelgehäuses so weit reduziert wird, dass unter Berücksichtigung und Einhaltung von Wasserstoffsicherheitsrichtlinien und Normen auf jegliche Belüftung des Stapelgehäuses verzichtet werden kann. Besonders zweckmäßig hat sich dabei erwiesen, wenn der Überstand vollständig in das Gussmaterial eingebettet ist.
Alternativ oder auch ergänzend besteht die Möglichkeit, dass der Überstand nur teilweise in das Gussmaterial eingebettet ist. In einer weiteren Ausgestaltung kann die Dicke der Vergussschicht reduziert und/oder der Überstand der MEA vergrößert werden, um elektrische Kriechstrecken positiv zu beeinflussen. Diese Ausgestaltung reduziert zudem die Masse des Brennstoffzellenstapels.
Zusätzlich zur Abdichtung der Zellreihe hinsichtlich eines Gasaustausches, ist das Brennstoffzellenstapelgehäuse luftdicht verschlossen, wobei im Brennstoffzellenstapelgehäuse vorhandene Hohlräume durch das vorhandene Gussmaterial reduziert werden.
Es besteht die Möglichkeit, dass das Brennstoffzellenstapelgehäuse lüfterfrei gebildet ist, wodurch auf jegliche Belüftung des Brennstoffzellenstapelgehäuses verzichtet werden kann.
Von Vorteil ist es ferner, wenn wenigstens eine der Endplatten mit allen Anschlüssen zur Versorgung der Einheitszellen mit den Betriebsmedien versehen ist, die strömungsmechanisch mit den zellinternen Medienführungen verbunden sind. Auf diese Weise werden die Medien alle von ein- und derselben Seite in den Brennstoffzellenstapel eingeleitet und auch wieder ausgeleitet, was Vorteile bei der Ausnutzung des in einem Kraftfahrzeugs vorhandenen Bauraums bietet.
Die in Verbindung mit dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapel beschriebenen Vorteile und bevorzugten Ausführungsformen gelten auch für das erfindungsgemäße Verfahren. Es umfasst den Schritt des Stapelns von mit zellinternen Medienführungen versehenen Einheitszellen aus Bipolarplatten und dazwischenliegenden Membranelektrodenanordnungen zu einer Zellreihe, den Schritt des Verspannens der gestapelten Einheitszellen zwischen zwei Endplatten in einem Brennstoffzellenstapelgehäuse, und den Schritt des Gießens der Zellreihe in ein elektrisch isolierendes Gussmaterial, das am Brennstoffzellenstapelgehäuse abgestützt wird.
Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Es sind somit auch Ausführungen als von der Erfindung umfasst und offenbart anzusehen, die in den Figuren nicht explizit gezeigt oder erläutert sind, jedoch durch separierte Merkmalskombinationen aus den erläuterten Ausführungen hervorgehen und erzeugbar sind.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:

1 eine schematische Darstellung einer Brennstoffzellenvorrichtung,
2 einen Brennstoffzellenstapel mit einer in das Gussmaterial vollständig eingebetteten Zellreihe,
3 eine der 2 entsprechende Darstellung mit einem vom Gussmaterial freibleibenden Überstand der MEA.

In der 1 ist schematisch eine Brennstoffzellenvorrichtung 1 gezeigt, die einen Brennstoffzellenstapel 2 umfasst, der aus einer Mehrzahl in Reihe geschalteter Brennstoffzellen besteht. Diese Brennstoffzellenvorrichtung 1 kann insbesondere Teil eines nicht näher dargestellten Brennstoffzellen-Fahrzeuges sein.
Jede der Brennstoffzellen umfasst eine Anode und eine Kathode sowie eine die Anode von der Kathode trennende protonenleitfähige Membran. Die Membran ist aus einem lonomer, vorzugsweise einem sulfonierten Tetrafluorethylen-Polymer (PTFE) oder einem Polymer der perfluorierten Sulfonsäure (PFSA) gebildet. Alternativ kann die Membran als eine sulfonierte Hydrocarbon-Membran gebildet sein.
Über Anodenräume innerhalb des Brennstoffzellenstapels 2 wird den Anoden Brennstoff, zum Beispiel Wasserstoff aus einem Brennstofftank 20 zugeführt. In einer Polymerelektrolytmembranbrennstoffzelle (PEM-Brennstoffzelle) werden an der Anode Brennstoff oder Brennstoffmoleküle in Protonen und Elektronen aufgespaltet. Die Membran lässt die Protonen (H⁺) hindurch, ist aber undurchlässig für die Elektronen (e^-). An der Anode erfolgt dabei die folgende Reaktion: 2H₂ → 4H⁺ + 4e^- (Oxidation/Elektronenabgabe). Während die Protonen durch die Membran zur Kathode hindurchtreten, werden die Elektronen über einen externen Stromkreis an die Kathode oder an einen Energiespeicher geleitet. Über Kathodenräume innerhalb des Brennstoffzellenstapels 2 kann den Kathoden, von einem Verdichter 21 gefördertes und von einem Befeuchter 22 befeuchtetes, Kathodengas (zum Beispiel Sauerstoff oder Sauerstoff enthaltende Luft) zugeführt werden, so dass kathodenseitig die folgende Reaktion stattfindet: O₂ + 4H⁺ + 4e^- → 2H₂O (Reduktion/Elektronenaufnahme).
In 2 ist ein Brennstoffzellenstapel 2 dargestellt, mit einer Zellreihe aus einer Mehrzahl von Einheitszellen 4, die mit zellinternen Medienführungen gebildet, und die zwischen zwei miteinander verspannten Endplatten 3 in einem Brennstoffzellenstapelgehäuse 5 aufgenommen sind. Jede der Einheitszellen 4 umfasst zwei Bipolarplatten 7 und eine dazwischen aufgenommene Membranelektrodenanordnung 8. Die Endplatten 3 sind mit Anschlüssen 10 zur Versorgung der Einheitszellen 4 mit den Betriebsmedien versehen, die strömungsmechanisch mit den zellinternen Medienführungen verbunden sind. Die im Brennstoffzellenstapelgehäuse 5 vorhandene Zellreihe ist vollständig in ein elektrisch isolierendes Gussmaterial 6 eingebettet; also auch die bei den Membranelektrodenanordnungen 8 oder deren Rahmen oder Dichtung vorhandenen Überstände 9. Es sei deshalb an dieser Stelle angemerkt, dass die Überstände 9 selbst nicht Bestandteil der elektrochemisch aktiven Membranelektrodenanordnungen 8 sein müssen. Diese können an dem die jeweilige Membranelektrodenanordnung 8 umgebenden Rahmen vorhanden sein, der die Stabilität des Stapels positiv beeinflusst und lateral zusätzlich abdichtet. Aufgrund des Gussmaterials 6 kann auf eine Belüftung des Brennstoffzellenstapelgehäuse 5 verzichtet werden, womit dieses also lüfterfrei gebildet ist. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist das Gussmaterial 6 am Brennstoffzellenstapelgehäuse 5 abgestützt, wodurch zudem die mechanische Stabilität der Zellreihe verbessert ist. Das Gussmaterial 6 ist vorzugsweise aus einem Material gebildet, das ausgewählt ist aus der Gruppe umfassend Thermoplastisches Urethan (TPU), Ethylen-Propylen-Dien-(Monomer)-Kautschuk (EPDM) und Chlorbutyl-Kautschuk.
In 3 ist ein weiterer Brennstoffzellenstapel 2 dargestellt, bei dem die Überstände 9 der Rahmen der Membranelektrodenanordnungen 8 vom Gussmaterial 6 nicht vollständig bedeckt sind, was zu einer Reduzierung der Gesamtmasse des Stapels führt. Hier ist aber die Möglichkeit vorhanden, dass die Zellreihe deshalb vollständig in das Gussmaterial 6 eingebettet ist, weil das Gussmaterial 6 die Überstände 9 axial vollständig durchdringt und damit imprägniert.
Insgesamt zeichnet sich der erfindungsgemäße Brennstoffzellenstapel 2 und das erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen eines Brennstoffzellenstapels 2 dadurch aus, dass die Zellreihe in ein elektrisch isolierendes Gussmaterial 6 eingebettet ist, welches gegenüber einem Gasaustausch abdichtet und im Stapelgehäuse vorhandene Hohlräume reduziert.
Bezugszeichenliste

1: Brennstoffzellenvorrichtung
2: Brennstoffzellenstapel
3: Endplatte
4: Einheitszelle
5: Brennstoffzellenstapelgehäuse
6: Gussmaterial
7: Bipolarplatte
8: Membranelektrodenanordnung (MEA)
9: Überstand
10: Anschluss
20: Brennstofftank
21: Verdichter
22: Befeuchter

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 0897196 A1 [0005]
DE 112004001748 B4 [0005]
DE 102010011206 A1 [0005]

Claims

Brennstoffzellenstapel (2) mit einer Zellreihe aus einer Mehrzahl von Einheitszellen (4), die mit zellinternen Medienführungen gebildet, und die zwischen zwei miteinander verspannten Endplatten (3) in einem Brennstoffzellenstapelgehäuse (5) aufgenommen sind, dadurch gekennzeichnet, dass die im Brennstoffzellenstapelgehäuse (5) vorhandene Zellreihe vollständig in ein elektrisch isolierendes Gussmaterial (6) eingebettet ist.
Brennstoffzellenstapel (2) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gussmaterial (6) am Brennstoffzellenstapelgehäuse (5) abgestützt ist.
Brennstoffzellenstapel (2) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Gussmaterial (6) ausgewählt ist aus der Gruppe umfassend Thermoplastisches Urethan (TPU), Ethylen-Propylen-Dien-(Monomer)-Kautschuk (EPDM) und Chlorbutyl-Kautschuk.
Brennstoffzellenstapel (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Einheitszellen (4) eine zwischen zwei Bipolarplatten (7) aufgenommene Membranelektrodenanordnung (8) umfasst, und dass ein lateraler Überstand (9) vorhanden ist, der an der Membranelektrodenanordnung (8), an einem die Membranelektrodenanordnung (8) einfassenden Rahmen oder an einer die Membranelektrodenanordnung (8) lateral umgebenden Dichtung ausgebildet ist.
Brennstoffzellenstapel (2) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Überstand (9) vollständig in das Gussmaterial (6) eingebettet ist.
Brennstoffzellenstapel (2) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Überstand (9) nur teilweise in das Gussmaterial (6) eingebettet ist.
Brennstoffzellenstapel (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Brennstoffzellenstapelgehäuse (5) luftdicht verschlossen ist.
Brennstoffzellenstapel (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Brennstoffzellenstapelgehäuse (5) lüfterfrei gebildet ist.
Brennstoffzellenstapel (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine der Endplatten (3) mit allen Anschlüssen (10) zur Versorgung der Einheitszellen (4) mit den Betriebsmedien versehen ist, die strömungsmechanisch mit den zellinternen Medienführungen verbunden sind.
Verfahren zum Herstellen eines Brennstoffzellenstapels (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, umfassend den Schritt des Stapels von mit zellinternen Medienführungen versehenen Einheitszellen (4) aus Bipolarplatten (7) und dazwischenliegenden Membranelektrodenanordnungen (8) zu einer Zellreihe, den Schritt des Verspannens der gestapelten Einheitszellen (4) zwischen zwei Endplatten (3) in einem Brennstoffzellenstapelgehäuse (5), und den Schritt des Gießens der Zellreihe in ein elektrisch isolierendes Gussmaterial (6), das am Brennstoffzellenstapelgehäuse (5) abgestützt wird.