DE19636903C1 - Brennstoffzellenmodul - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellenmodul.

Brennstoffzellen sind üblicherweise modular aufgebaut. Das bedeutet, daß viele Einzelzellen zu Zellenstapeln hinterein­ ander angeordnet und elektrisch in Reihe geschaltet werden.

Mit modernen Brennstoffzellen sind relativ hohe Ströme bei relativ kleinen Spannungen zu erreichen. Betriebsstromdich­ ten von 0,5 bis etwa 3 A/cm² werden z. B. mit Membranbrenn­ stoffzellen im Wasserstoff/Sauerstoff-Betrieb heute leicht erreicht. Bei modernen Zellkonstruktionen betragen die akti­ ven Flächen der Membran/Elektroden-Einheiten über 100 cm², so daß mit Betriebsströmen von mindestens 50-300 A umgegan­ gen werden muß. Diese hohen Ströme sind technisch relativ schlecht nutzbar, eher sind hohe Spannungen erwünscht. Die Spannungen der Einzelzellen liegen aber bei allen Zelltypen nur zwischen 0,5 und 1,0 V. Um hohe Gesamtspannungen zu erreichen, werden daher viele Einzelzellen in Reihe geschal­ tet. Durch jede Einzelzelle fließt dann der gleiche Strom.

Zwischen jeweils zwei Einzelzellen wird eine bipolare Platte angeordnet, die die Einzelzellen elektrisch miteinander ver­ bindet. Eine solche Anordnung ist z. B. aus der DE 195 15 457 C1 bekannt.

Die Einzelzellen oder zumindest Gruppen von Einzelzellen werden brennstofftechnisch parallel angeordnet und durch große Gas- bzw. Flüssigkeitszuführungsleitungen und davon abzweigende Kanäle z. B. mit den Brenngasen Wasserstoff und Sauerstoff bzw. Luft versorgt. Die Gas- und Produktwas­ serabführung geschieht ebenfalls über großdimensionierte Abführungsleitungen. Derartige Brennstoffzellenmodule sind beispielsweise aus der DE 43 08 780 C1 oder der EP 0 328 812 A1 bekannt.

Hierbei sind viele runde oder eckige Einzelzellen aufeinan­ dergesetzt. Bei diesem recht komplizierten Aufbau kann die entstehende Abwärme nur sehr schlecht durch Wärmeleitung oder freie Konvektion aus dem Inneren der Brennstoffzelle nach außen transportiert werden. Die bipolaren Platten wer­ den deshalb mindestens teilweise als Kühlelemente genutzt, die dann jeweils die bipolaren Platten ersetzen. Sie sind zu diesem Zweck hohl ausgeführt und von einem Kühlmedium durch­ flossen, z. B. von Wasser oder Luft. Der Einbau von Kühlele­ menten vergrößert den technischen Aufwand jedoch erheblich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Brennstoff­ zellenmodul mit mehreren Einzelzellen anzugeben, das kon­ struktiv einfach aufgebaut und dessen Eigenkühlung verbes­ sert ist.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst durch eine Anordnung von mindestens zwei innerhalb eines quaderförmigen Gehäuses in einer Ebene angeordnete Einzelzellen, wobei das Gehäuse aus einem anoden- und einem kathodenseitigen, jeweils mit einem Gasein- und -auslaß für die Brenngase versehenen Gehäuseteil besteht, die Gehäuseteile dichtend miteinander verbunden sind, die Einzelzellen elektrisch in Reihe geschaltet und die in jedem Gehäuseteil gebildeten Anoden- oder Kathodenräume gastechnisch jeweils mindestens in einer Reihe hintereinander angeordnet sind, indem in den Anoden- und Kathodenräumen der Einzelzellen angeordnete Gasverteiler über Gaskanäle jeweils miteinander verbunden sind, die bei Brennstoffzellenmodulen mit mehr als einer Einzelzellenreihe in randseitige Gehäusekanäle münden.

Der Gasdurchlauf in der jeweiligen Reihe verläuft dann bevorzugt nur in deren Richtung, ehe er über einen randsei­ tigen Gaskanal zur nächsten Reihe übergeleitet wird. Denkbar ist auch ein zick-zack-förmiger Verlauf mit teilweise rand­ seitigen und teilweise innenliegenden Verbindungskanälen zwischen den Reihen.

Sämtliche Anodenräume bzw. Kathodenräume werden durch die gastechnische Hintereinanderanordnung mit demselben Gasstrom versorgt.

In bevorzugter Weise werden die Gasverteiler durch Gasverteilernuten gebildet, die in die Gehäuseteile eingear­ beitet sind und die die Gase an den Membran/Elektroden- Einheiten vorbeiführen bzw. zum nächsten Gehäusekanal leiten.

Die Gehäuseteile weisen eine unkomplizierte Form auf und können technologisch einfach, z. B. aus Kunststoff herge­ stellt werden. Sie können z. B. spritzgegossen werden.

Die Zellen werden elektrisch in Reihe geschaltet, indem durch elektrische Brücken die Anode einer Zelle mit der Kathode der nächsten Zelle verbunden wird. Die einzelnen Membran/Elektroden-Einheiten werden hierzu jeweils beidsei­ tig mit Stromableitern kontaktiert, die durch das Aufeinanderdrücken der Gehäuseteile beidseitig an die Mem­ bran/Elektroden-Einheit angepreßt werden. Hiermit wird ein guter elektrischer Kontakt erreicht. Die Stromableiter, die z. B. aus porösem Graphit, Edelstahl oder Titan bestehen können, werden an die Stromableiterkontakte, die im Gehäuse fest angeordnet sein können, angedrückt. Diese Stromablei­ terkontakte sind z. B. durch Drähte oder Metallfolien entwe­ der mit einem Außenkontakt oder über Kontaktpunkte in den Gehäuseteilen mit dem Stromableiterkontakt der nächsten Zelle verbunden.

In bevorzugter Weise kann die Verbindung der Stromleiterkon­ takte so ausgeführt sein, daß sie jeweils mit in den Gehäu­ seteilen fest angeordneten Kontaktplatten verbunden sind, die beim Verbinden der beiden Gehäuseteile aufeinander auf­ setzen und so eine Verbindung zwischen jeweils zwei Einzel­ zellen herbeiführen. Die Drähte, die Stromableiterkontakte und die Kontaktpunkte können in den Gehäuseteilen mit vergossen sein.

Die einzelnen Membran/Elektroden-Einheiten sind jeweils mit den zwei Stromableitern zwischen das untere und das obere Gehäuseteil eingelegt und z. B. durch eine im unteren Gehäu­ seteil eingelegte umlaufende Dichtung gegen das untere Gehäuseteil abgedichtet.

Die entstehende Abwärme wird über die Stromableiter an die Gehäuseteile abgegeben und von dort durch Wärmeleitung nach außen transportiert. Dort kann die Wärme entweder an ein vorbeifließendes Kühlmedium oder durch Konvektion an die Luft abgegeben werden.

Will man viele Einzelzellen hintereinander anordnen, so kann man lange einreihige Quader herstellen, wobei die Gase dann aus der letzten Einzelzelle in geeigneter Form abgeführt werden müssen.

In bevorzugter Weise kann das Brennstoffzellenmodul aber auch so aufgebaut sein, daß die Einzelzellen in mindestens zwei Reihen angeordnet sind und das Gehäuse randseitig mit die Reihen der Einzelzellen verbindenden Gehäusekanälen ver­ sehen ist. Auf diese Weise können der Gaseinlaß und der Gas­ auslaß auf dieselbe Seite gelegt werden, indem die Gase nach Durchlaufen einiger Zellen umgelenkt werden und genauso viele Zellen bis zum Auslaß durchlaufen.

Insbesondere eignen sich die Brennstoffzellenmodule dann für Kleinverbraucher mit geringer Leistung, für die oft eine erhebliche Spannungshöhe, aber nur ein geringer Strom gefor­ dert wird.

Die erfindungsgemäßen Brennstoffzellenmodule lassen sich durch Stapelung auch zu großen Einheiten zusammenschalten, wobei durch eine entsprechende elektrische Verschaltung der Gesamtanordnung entweder die Spannung oder der Strom oder auch beides erhöht werden kann. Sehr große Einheiten müssen durch entsprechende Anordnung, z. B. durch Belassung von Zwischenräumen zwischen den Brennstoffzellen oder durch Zwischenlegen von Kühlplatten gekühlt werden.

Die Erfindung soll nachstehend anhand eines Ausführungsbei­ spiels näher erläutert werden. In den zugehörigen Zeichnun­ gen zeigen

Fig. 1 die erfindungsgemäße Anordnung von zwei Einzelzel­ len innerhalb eines Gehäuses in einer schemati­ schen Schnittdarstellung,

Fig. 2 einen Querschnitt durch ein Gehäuseteil und

Fig. 3 schematisch die erfindungsgemäße Anordnung von vier Einzelzellen in Draufsicht.

Fig. 1 zeigt die erfindungsgemäße Anordnung von zwei in einer Reihe liegenden Einzelzellen. Die Einzelzellen beste­ hen aus einer Anode 1 und einer Kathode 2, die mit einer Membran voneinander getrennt sind und mit dieser eine Membran/Elektroden-Einheit 3 bilden. Die Anodenräume werden über den Gaseinlaß 4 und den zugehörigen zylindrischen Gaskanal 6 mit Wasserstoff, die Kathodenräume über einen Gaseinlaß 5 und den zugehörigen Gaskanal 7 mit Sauerstoff versorgt, wobei beide Einzelzellen miteinander ebenfalls über Gaskanäle 6 und 7 verbunden sind. Die Gas- und Produktwasserabführung geschieht über die Gasauslässe 8 und 9.

Die Gaseinlässe 4 und 5, die Gaskanäle 6 und 7 sowie die Gasauslässe 8 und 9 sind jeweils in ein oberes Gehäuseteil 10 und ein unteres Gehäuseteil 11 eingearbeitet. Ebenfalls in die Gehäuseteile 10 und 11 eingearbeitet sind Gasvertei­ lernuten 12, die für die Gasverteilung in den Anoden- und Kathodenräumen sorgen, wie auch aus der Darstellung gemäß Fig. 2 deutlich wird, die einen Schnitt durch das Gehäuse­ teil 11 zwischen der Dichtung 13 und der Kante der Ausneh­ mung mit den Gasverteilernuten 12 zeigt.

Nach dem Einlegen beider Einzelzellen in das untere Gehäuse­ teil 11 wird das obere Gehäuseteil 10 aufgesetzt und mit dem unteren Gehäuseteil 11 fest verbunden, wobei die Anoden- und Kathodenräume gegenseitig durch eine im unteren Gehäuseteil 11 einseitig umlaufende Dichtung 13 abgedichtet werden, indem die Dichtung 13 auf den unbeschichteten Außenteil der Membran aufsetzt.

Durch das Verbinden der Gehäuseteile 10 und 11 werden gleichzeitig jeweils zwei Stromableiter 14 von jeder Seite auf die Membran/Elektroden-Einheit 3 gepreßt, wobei ein guter elektrischer Kontakt zu den Membran/Elektroden-Einhei­ ten 3 hergestellt wird. Auf der Außenseite der Stromableiter 14 wird außerdem die Verbindung zu Stromableiterkontakten 15 bewirkt, die in den Gehäuseteilen 10 und 11 fest angeordnet sind. Die Stromableiterkontakte 15 sind durch die hier ange­ deuteten Drähte 16 entweder mit den Außenkontakten 17 (Plus- bzw. Minuspol) oder über die Kontaktplatte 18 mit dem Strom­ leiterkontakt 15 der nächsten Zelle verbunden, so daß jeweils eine Anode einer Einzelzelle mit der Kathode der nächsten Einzelzellen verbunden und die Einzelzellen insge­ samt in Reihe geschaltet sind. Die Kontaktplatten 18 setzen beim Verbinden der Gehäuseteile 10 und 11 aufeinander auf.

Die Gehäuseteile 10 und 11 bestehen aus einem nichtleitenden Kunststoff. Die Drähte 16, die Stromleiterkontakte 15 und die Kontaktplatte 18 können in den Gehäuseteilen 10 und 11 vergossen sein.

Die entstehende Abwärme wird über die Stromableiter 14 an die Gehäuseteile 10 und 11 abgegeben und von diesen durch Konvektion an die Umgebungsluft abgeführt. Zusätzlich kann das Gehäuse ggf. von einem Luftstrom angeblasen werden.

Fig. 3 zeigt einen erfindungsgemäß aufgebauten Quader einer Brennstoffzelle mit zwei Reihen von jeweils zwei Einzelzel­ len. Gaseinlaß 5 und Gasauslaß 9 des hier gezeigten unteren Gehäuseteils 11 liegen auf derselben Seite. Das Brenngas muß zu diesem Zweck mittels eines Gehäusekanals 19 nach dem Durchlaufen der unteren beiden Einzelzellen umgelenkt werden, um dann die restlichen beiden Einzelzellen durchlau­ fen zu können. Elektrisch sind die vier Einzelzellen durch die hier angedeutete Verschaltung, die dann teilweise in dem hier nicht gezeigten oberen Gehäuseteil 10 liegt, in Reihe geschaltet. Die Dichtung 13 in Form eines O-Rings ist hier ebenfalls nur für eine Einzelzelle angedeutet.

Insgesamt entsteht so ein Quader mit quadratischer Basis­ fläche, der sich durch Stapelung zu größeren Einheiten zusammenstellen läßt, wobei durch eine entsprechende Ver­ schaltung der Gesamteinheit entweder die Spannung oder der Strom oder auch beides erhöht werden kann. Bei sehr großen Einheiten können ggf. Kühleinheiten integriert werden, z. B. in Form von Kühlquadern.

Claims (11)

1. Brennstoffzellenmodul, gekennzeichnet durch minde­ stens zwei innerhalb eines quaderförmigen Gehäuses in einer Ebene angeordnete Einzelzellen, wobei das Gehäuse aus einem anoden- und einem kathodenseitigen, jeweils mit einem Gasein- und -auslaß (4, 5; 8, 9) für die Brenngase verse­ henen Gehäuseteil (10, 11) besteht, die Gehäuseteile (10, 11) dichtend miteinander verbunden sind, die Einzelzellen elektrisch in Reihe geschaltet und die in jedem Gehäuseteil (10, 11) gebildeten Anoden- oder Kathodenräume gastechnisch jeweils in mindestens einer Reihe hintereinander angeordnet sind, indem in den Anoden- und Kathodenräumen der Einzelzel­ len angeordnete Gasverteiler über Gaskanäle (6, 7) jeweils miteinander verbunden sind, die bei Brennstoffzellenmodulen mit mehr als einer Einzelzellenreihe in randseitige Gehäu­ sekanäle (19) münden.

2. Brennstoffzellenmodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasverteiler durch Gasverteilernuten (12) gebildet sind.

3. Brennstoffzellenmodul nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Gehäuseteile (10, 11) aus Kunststoff bestehen.

4. Brennstoffzellenmodul nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Gehäuseteile (10, 11) spritzgegossen sind.

5. Brennstoffzellenmodul nach einem der vorhergehen­ den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Anoden- und Kathodenräume durch Membran/Elektroden-Einheiten (3) vonein­ ander getrennt sind, die beidseitig mit Stromableitern (14) kontaktiert sind.

6. Brennstoffzellenmodul nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromableiter (14) auf in den Gehäuseteilen (10, 11) fest angeordnete Stromableiterkon­ takte (15) aufsetzen, die untereinander oder mit einem Außenkontakt (17) verbunden sind.

7. Brennstoffzellenmodul nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromableiterkontakte (15) jeweils mit in den Gehäuseteilen (10, 11) fest angeordneten Kontakt­ platten (18) verbunden sind, die beim Verbinden der Gehäuse­ teile (10, 11) aufeinander aufsetzen.

8. Brennstoffzellenmodul nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromableiter <14) aus Graphit bestehen.

9. Brennstoffzellenmodul nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromableiter (14) aus Titan bestehen.

10. Brennstoffzellenmodul nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromableiter (14) aus Edelstahl bestehen.

11. Brennstoffzellenmodul nach einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromableiter (14) eine poröse Struktur aufweisen.