Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzellenanordnung nach dem Oberbegriff der Patentansprüche
1, 6 und 9.
Brennstoffzellenanordnungen der hier vorausgesetzten Art, die eine Anzahl von jeweils eine
Anode, eine Elektrolytmatrix und eine Kathode enthaltenden, in einem Brennstoffzellenstapel
angeordneten Brennstoffzellen mit einem Anodeneingang zur Zuführung von Brenngas zu den
Anoden, einem Anodenausgang zur Abführung von verbrauchtem Brenngas von den Anoden,
einem Kathodeneingang zur Zuführung von Kathodengas zu den Kathoden und einem
Kathodenausgang zur Abführung von verbrauchtem Kathodengas von den Kathoden aufweisen,
sind beispielsweise aus der DE 44 25 186 C1 und der DE 44 38 555 C1 der Anmelderin bekannt.
Damit eine möglichst gleichmäßige Energieverteilung und ein guter Wirkungsgrad einer solchen
Brennstoffzellenanordnung sichergestellt ist, muß die Zuführung und Abführung der Gase auf alle
Zellen gleichmäßig verteilt sein. Dies erfolgt durch Gasverteilungsvorrichtungen, sogenannte
Manifolds, welche die von einer externen Gasversorgungseinheit bereitgestellten Gase über die
einzelnen Brennstoffzellen sowie über die Zellebene gleichmäßig verteilen sollen.
Heute sind zwei Bauformen von solchen Gasverteilungsvorrichtungen bekannt. Zum einen sind
dies externe Gasverteilungsvorrichtungen, welche von außen an den Brennstoffzellenstapel
angebaut werden und einen wannen- oder hutzenförmigen Gasraum bilden, welcher eine
Verteilung der Gase über die Eintritts- und Austrittsflächen des Brennstoffzellenstapels gestatten.
Der Vorteil dieser Art besteht darin, daß praktisch die gesamte Fläche der Brennstoffzelle aktive
Fläche ist, das heißt für die Energiewandlung genutzt werden kann. Diese Anordnung ist somit
materialsparend. Problematisch dagegen ist bei externen Gasverteilungsvorrichtungen die
Abdichtung derselben gegen die Außenflächen des Brennstoffzellenstapels, das Aufrechterhalten
einer kraftschlüssigen Verbindung gegen den Druck der in den Gasverteilungsvorrichtungen
geführten Gase, insbesondere auch bei thermisch bedingten Verformungen des
Brennstoffzellenstapels, sowie die notwendige elektrische Isolation der in der Regel metallischen
Gashauben gegen die Brennstoffzellen. Eine zweite Art von Gasverteilungsvorrichtungen besteht
in solchen, die im Inneren der Brennstoffzellen bzw. des Brennstoffzellenstapels angeordnet sind
und in Form von Gasräumen durch Aussparungen und Verteilerkanäle in der Zellfläche gebildet
sind. Probleme bei der Isolierung und Abdichtung lassen sich dabei leichter beherrschen als bei
externen Gasverteilungsvorrichtungen, aber es wird ein wesentlicher Teil der Zellfläche für die
internen Gasverteilungsvorrichtungen verbraucht, was hohe Materialkosten verursacht.
Die Aufgabe der Erfindung ist es eine Brennstoffzellenanordnung zu schaffen, bei welcher die
Undichtigkeiten der Gasverteilungsvorrichtungen vernachlässigbar sind und dabei aber wenig
Brennstoffzellenfläche verbraucht wird.
Diese Aufgabe wird gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung bei einer
Brennstoffzellenanordnung der vorausgesetzten Art dadurch gelöst, daß am Kathodeneingang und
am Kathodenausgang zur Zuführung und Abführung des Kathodengases den Gasstrom außen an
den Brennstoffzellen verteilende externe Gasverteilungsvorrichtungen vorgesehen sind, und daß
am Anodeneingang zur Zuführung und vorzugsweise auch am Anodenausgang zur Abführung des
Brenngases den Gasstrom im Inneren der Brennstoffzellen verteilende interne
Gasverteilungsvorrichtungen vorgesehen sind.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist es vorgesehen, daß die das Kathodengas zu- und
abführenden externen Gasverteilungsvorrichtungen an zwei gegenüberliegenden Seiten der
Brennstoffzellen angeordnet sind, so daß die Kathoden in einer ersten Richtung durchströmt
werden, und daß die das Brenngas zu- und abführenden internen Gasverteilungsvorrichtungen an
zwei anderen gegenüberliegenden Seiten der Brennstoffzellen angeordnet sind, so daß die Anoden
in einer zweiten Richtung quer zu der ersten Richtung durchströmt werden.
Gemäß einer anderen Weiterbildung der Erfindung ist es vorgesehen, daß die das Kathodengas zu-
und abführenden externen Gasverteilungsvorrichtungen an zwei gegenüberliegenden Seiten der
Brennstoffzellen angeordnet sind, so daß die Kathoden in einer ersten Richtung durchströmt
werden, und daß die das Brenngas zu- und abführenden Gasverteilungsvorrichtungen an den
gleichen zwei gegenüberliegenden Seiten der Brennstoffzellen angeordnet sind, so daß die Anoden
in der gleichen Richtung durchströmt werden.
Bei der letztgenannten Ausführungsform können die Kathoden und die Anoden entweder im
Gleichstrom durchströmt werden, oder sie können im Gegenstrom durchströmt werden.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung ist es bei einer Brennstoffzellenanordnung der
vorausgesetzten Art vorgesehen, daß am Kathodeneingang zur Zuführung des Kathodengases eine
den Gasstrom außen an den Brennstoffzellen verteilende externe Gasverteilungsvorrichtung
vorgesehen ist, daß am Anodeneingang zur Zuführung des Brenngases eine den Gasstrom im
Inneren der Brennstoffzellen verteilende interne Gasverteilungsvorrichtung vorgesehen ist, und
daß am Kathodenausgang eine externe Gasverteilungsvorrichtung zum Sammeln des verbrauchten
Kathodengases vorgesehen ist, in welche auch der Anodenausgang mündet.
Gemäß einer Weiterbildung dieser Brennstoffzellenanordnung ist es vorgesehen, daß am
Anodenausgang ein Oxidationskatalysator zur katalytischen Verbrennung von am Anodenausgang
noch vorhandenen Brenngasresten angeordnet ist.
Dieser Oxidationskatalysator kann in der externen Gasverteilungseinrichtung angeordnet sein, in
welche der Kathodenausgang und der Anodenausgang münden.
Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung ist es bei einer Brennstoffzellenanordnung der
vorausgesetzten Art schließlich vorgesehen, daß am Anodeneingang zur Zuführung des
Brenngases eine den Gasstrom im Inneren der Brennstoffzellen verteilende interne
Gasverteilungsvorrichtung vorgesehen ist, und daß am Kathodeneingang eine externe
Gasverteilungsvorrichtung zur Zuführung des Kathodengases vorgesehen ist, wobei die Anoden
und die Kathoden im Gegenstrom durchströmt werden und der Anodenausgang in die am
Kathodeneingang vorgesehene externe Gasverteilungsvorrichtung mündet, so daß das vom
Anodenausgang abgegebene verbrannte Brenngas in den Strom des dem Kathodeneingang
zugeführten Kathodengases gemischt wird.
Diese Brennstoffzellenanordnung kann vorteilhafterweise dadurch weitergebildet sein, daß im
Bereich des Anodenausgangs und/oder des Kathodeneingangs ein Oxidationskatalysator zur
katalytischen Verbrennung von am Anodenausgang noch vorhandenen Brenngasresten vorgesehen
ist.
Dabei ist es von besonderem Vorteil, wenn die metallischen Komponenten (Stromkollektoren und
Bipolarplatte) der Anodenhalbkammer über die jeweiligen Kathodenausgänge hervorstehen und
eine geschlossene Fortsetzung der Anodenhalbkammer in die externe Gasverteilervorrichtung
bilden. Der Oxidationskatalysator ist dann im Bereich zwischen den Anodenausgängen und den
Kathodeneingängen vorgesehen,
Hierbei kann vorteilhafterweise das Material des Oxidationskatalysators als Beschichtung auf den
vorstehenden Enden der Anodenkammer vorgesehen sein.
Alternativ hierzu kann es vorgesehen sein, das Material des Oxidationskatalysators als
gasdurchlässiges Füllmaterial zwischen den vorstehenden Enden der Anodenkammern
anzuordnen.
Der erfindungsgemäßen Brennstoffzellenanordnung gemäß allen drei genannten Aspekten der
Erfindung liegt eine Kombination von internen und externen Gasverteilungsvorrichtungen
zugrunde, wobei zumindest die das Brenngas dem Anodeneingang zuführende
Gasverteilungsvorrichtung als interne Gasverteilungsvorrichtung ausgebildet ist, welche den
Gasstrom des Brenngases im Inneren der Brennstoffzellen verteilt, während die
Gasverteilungsvorrichtungen am Eingang und/oder am Ausgang der Kathodenkammern als
externe Gasverteilungsvorrichtungen ausgebildet sind, welche den Gasstrom des Kathodengases
außen an den Brennstoffzellen verteilen und den Kathodenkammern über deren Stirnseiten
zuführen bzw. von dort abführen.
Die erfindungsgemäße Kombination von internen und externen Gasverteilungsvorrichtungen
beruht auf dem Grundgedanken, daß die durch die Brennstoffzellen fließenden Gasströme auf der
Anoden- und der Kathodenseite stark unterschiedliche Volumina aufweisen. Die Durchflußrate des
Kathodengasstroms liegt typischerweise etwa eine Größenordnung über der des anodenseitigen
Brenngasstroms. Da hohe Anforderungen an die Dichtigkeit der Gasverteilungsvorrichtungen nur
an der Anodenseite, insbesondere bei der Zuführung des frischen Brenngases am Anodeneingang
bestehen, wird gemäß der Erfindung zwingend nur die Gasverteilungsvorrichtung zur Zuführung
des frischen Brenngases zum Anodeneingang als interne Gasverteilungsvorrichtung ausgebildet,
während insbesondere die im Hinblick auf die Dichtigkeit weniger kritischen
Gasverteilervorrichtungen an den Eingängen und Ausgängen der Kathodenkammern als externe
Gasverteilungsvorrichtungen ausgeführt werden. Dies führt zu beträchtlichen Vorteilen:
- - die interne Gasverteilungsvorrichtung für das Brenngas benötigt lediglich einen kleinen
Querschnitt, so daß nur geringe Teile der aktiven Zellfläche hierfür verloren gehen;
- - die interne Gasverteilungsvorrichtung für das Brenngas erfüllt die Forderung nach guter
Abdichtung auf der Anodenseite;
- - der große Strom des Kathodengases durchströmt den Brennstoffzellenstapel über die
großen Querschnitte der externen Gasverteilervorrichtungen von den Stirnseiten her, ohne eine
interne Umlenkung des Kathodengasstroms in die Zellebene und damit mit geringstmöglichem
Strömungswiderstand;
- - Undichtigkeiten der externen Gasverteilungsvorrichtungen spielen auf der Kathodenseite
praktisch keine Rolle, da das Kathodengas im wesentlichen aus Luft besteht und keine brennbaren
Bestandteile enthält.
Die erfindungsgemäße Brennstoffzellenanordnung gemäß dem dritten Aspekt der Erfindung hat
darüberhinaus noch den besonderen Vorteil, daß sie eine Durchströmung der Anodenkammern und
Kathodenkammern im Gegenstrom gestattet und darüberhinaus noch die Möglichkeit bietet, eine
integrierte katalytische Oxidationsvorrichtung zwischen den Anodenausgängen und den
Kathodeneingängen vorzusehen.
Die Vorteile des Gegenstroms von Brenngas und Kathodengas, wie er gemäß dem dritten Aspekt
der Erfindung und bei Ausführungsbeispielen gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung erfolgt,
liegt in einer gleichmäßigen Temperaturverteilung in der Brennstoffzellenebene, was zu
geringeren mechanischen und korrosionsbedingten Belastungen des Brennstoffzellenstapels führt.
Dadurch ist es möglich die gesamte Zellfläche näher an der optimalen Betriebstemperatur zu
betreiben und somit die eingesetzten Materialien besser zu nutzen. Dies führt zu höherer
elektrischer Leistung und/oder zu erhöhter Lebensdauer.
Die Integration der katalytischen Oxidationsvorrichtung bei der Brennstoffzellenanordnung gemäß
dem dritten Aspekt der Erfindung in dem Brennstoffzellenstapel spart eine separate Komponente
des Systems und ermöglicht dennoch den Betrieb im Gegenstrom der Gase.
Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 eine perspektivische Explosionsansicht einer Brennstoffzellenanordnung gemäß dem
Stand der Technik zur Erläuterung des grundsätzlichen Aufbaus einer solchen;
Fig. 2 eine Draufsicht auf eine Bipolarplatte einer Brennstoffzelle mit internen
Gasverteilungsvorrichtungen;
Fig. 3 eine schematisierte Schnittansicht eines ersten Ausführungsbeispiels einer räumlich
dargestellten Brennstoffzellenanordnung gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung;
Fig. 4 eine schematisierte Schnittansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels einer räumlich
dargestellten Brennstoffzellenanordnung gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung;
Fig. 5 eine schematisierte Schnittansicht eines dritten Ausführungsbeispiels einer räumlich
dargestellten Brennstoffzellenanordnung gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung;
Fig. 6 eine schematisierte Darstellung in Form eines Blockschaltbildes einer
Brennstoffzellenanordnung gemäß dem in Fig. 5 dargestellten dritten Ausführungsbeispiel zur
Erläuterung zu deren Betrieb;
Fig. 7 eine stark schematisierte Darstellung eines vergrößerten Ausschnitts eines
Brennstoffzellenstapels zur Erläuterung eines vierten Ausführungsbeispiels der
Brennstoffzellenanordnung gemäß dem dritten Aspekt der Erfindung; und
Fig. 8 eine schematisierte Ansicht einer Brennstoffzellenanordnung mit zusätzlichen zu deren
Betrieb erforderlichen Komponenten zur Erläuterung des Betriebs des vierten
Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Brennstoffzellenanordnung.
Fig. 1 zeigt in perspektivischer Explosionsansicht den Aufbau einer Brennstoffzellenanordnung
mit einem Brennstoffzellenstapel 1 herkömmlicher Art. Eine Anzahl von Brennstoffzellen, die
eine Anode 2, eine Elektrolytmatrix 3 und eine Kathode 4 enthalten, sind jeweils durch eine
Bipolarplatte 5 voneinander getrennt. Die Bipolarplatten 5 dienen der elektrischen Kontaktierung
der anliegenden Elektroden der benachbarten Brennstoffzellen, also in der Fig. 1 jeweils der
Anode 2 der darunterliegenden Zelle und der Kathode 4 der darüberliegenden Zelle. Außerdem
bilden die Bipolarplatten 5 Strömungswege für die die Brennstoffzellen durchströmenden Gase,
nämlich das die Anode durchströmende bzw. an dieser vorbeigeführte Brenngas und das die
Kathode durchströmende bzw. an dieser vorbeigeführte Oxidationsgas, wobei diese Gase in Fig.
1 durch Pfeile dargestellt sind. Das Brenngas und das Oxidationsgas werden an den Stirnseiten der
Brennstoffzellen den durch die Bipolarplatten 5 gebildeten Strömungswegen zugeführt, wofür
externe Gasverteilungsvorrichtungen vorgesehen sind, von denen in Fig. 1 zum Zwecke der
besseren Übersichtlichkeit nur die externe Gasverteilungsvorrichtung 43 zur Zuführung des
Kathodengases, des oxidierenden Gases, dargestellt ist. Diese externen
Gasverteilungsvorrichtungen sind Hauben oder Hutzen, die an ihren Rändern am
Brennstoffzellenstapel 1 abgedichtet sind. An der Oberseite und der Unterseite des
Brennstoffzellenstapels sind Isolationen 6 vorgesehen, durch welche die Brennstoffzellen gegen
Endplatten 8 elektrisch isoliert sind. Die Endplatten 8 sind durch Zugstangen 7 gegeneinander
verspannt, wodurch die Brennstoffzellen aneinander gepreßt und der Brennstoffzellenstapel
stabilisiert wird. Das Brenngas wird den Anoden an einem Anodeneingang 11 zugeführt und an
einem Anodenausgang 12 von diesen abgeführt, das Oxidationsgas bzw. Kathodengas wird den
Kathoden an einem Kathodeneingang 13 zugeführt und an einem Kathodenausgang 14 von diesen
abgeführt.
Fig. 2 zeigt eine Draufsicht auf eine Bipolarplatte 5 eines Brennstoffzellenstapels, bei welchem
das Brenngas und das Kathodengas durch interne Gasverteilungsvorrichtungen im Inneren der
Brennstoffzellen verteilt und den Anoden bzw. den Kathoden zugeführt wird. Hierzu dienen ein
Brenngaseinlaß 31 und ein Brenngasauslaß 32 sowie ein Kathodengaseinlaß 33 und ein
Kathodengasauslaß 34. Diese Einlässe und Auslässe werden an einer Stirnseite des
Brennstoffzellenstapels von außen in das Innere des Brennstoffzellenstapels geführt und setzten
sich dort durch alle Brennstoffzellen fort, um diese mit den Gasströmen zu versorgen bzw. zu
entsorgen. Vom Brenngaseinlaß 31 wird das Brenngas über eine interne Gasverteilungsvorrichtung
51 einer Seite des durch die Bipolarplatte 5 an der Anode 2 gebildeten Anodengasraums zugeführt
und von dort an der Anode 2 bis zu einer gegenüberliegenden internen Gasverteilungsvorrichtung
52 geleitet, wo der Gasstrom wieder gesammelt und dem Brenngasauslaß 32 zugeführt wird, über
welchen er den Brennstoffzellenstapel wieder verläßt. In entsprechender Weise wird das
Kathodengas auf der in Fig. 2 nicht zu sehenden Rückseite der Bipolarplatte 5 zwischen dem
Kathodengaseinlaß 32 und dem Kathodengasauslaß 34 über die Kathode 4 der Brennstoffzelle
geführt.
Fig. 3 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel der Brennstoffzellenanordnung gemäß dem ersten
Aspekt der Erfindung. An einem Brennstoffzellenstapel 1 sind an zwei aneinander
gegenüberliegenden Seiten externe Gasverteilungsvorrichtungen 43 und 44 in Form von Hauben
oder Hutzen angeordnet, welche der Zuführung und Abführung des Kathodengases zu den
Kathoden der in dem Brennstoffzellenstapel 1 enthaltenen Brennstoffzellen dienen. Das
Kathodengas (Oxidationsgas) wird von außen über einen Kathodengaseinlaß 33 in das Innere der
externen Gasverteilungsvorrichtung 43 geliefert und von dort den Kathoden über die an den
Stirnseiten der Brennstoffzellen befindlichen Kathodeneingänge 13 zugeführt. Nach dem
Durchströmen der Kathoden verläßt das verbrauchte Kathodengas die Brennstoffzellen an den
gegenüberliegenden Stirnseiten derselben und wird von der externen Gasverteilungsvorrichtung 44
gesammelt und über einen Kathodengasauslaß 34 als Abgas abgeführt. Zwischen den externen
Gasverteilungsvorrichtungen 43, 44 und dem Brennstoffzellenstapel 1 ist eine elektrische
Isolierung 15 angeordnet. Zur Zuführung, Verteilung und Abführung des die Anoden der
Brennstoffzellen durchströmenden Brenngases sind interne Gasverteilungsvorrichtungen 51 und
52 im Inneren der Brennstoffzellen vorgesehen. Das Brenngas tritt über einen Brenngaseinlaß 31
in das Innere des Brennstoffzellenstapels 1 und der einzelnen Brennstoffzellen ein und wird von
dort durch eine interne Gasverteilungsvorrichtung 51 an dem einen, in Fig. 3 unteren Ende der
Anoden verteilt. Nach dem Durchströmen der Anoden 2 wird das Brenngas am
gegenüberliegenden, in Fig. 3 oberen Ende des Brennstoffzellenstapels durch eine interne
Gasverteilungsvorrichtung 52 gesammelt und über den Brenngasauslaß 32 von den
Brennstoffzellen und aus dem Brennstoffzellenstapel 1 abgeführt. Somit durchströmt das
Kathodengas bei der in Fig. 3 gezeigten Brennstoffzellenanordnung die Brennstoffzellen in einer
ersten Richtung, nämlich von rechts nach links, während das Brenngas die Brennstoffzellen in
einer dazu senkrechten Richtung, nämlich von unten nach oben quer dazu durchströmt.
Fig. 4 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel einer Brennstoffzellenanordnung gemäß dem ersten
Aspekt der Erfindung. Ein Brennstoffzellenstapel 1 ist an zwei gegenüberliegenden Seiten,
nämlich an dessen Oberseite und Unterseite mit externen Gasverteilungsvorrichtungen 43 und 44
zur Zuführung und Abführung des Kathodengases zu den Kathoden der Brennstoffzellen versehen.
An den gleichen zwei gegenüberliegenden Seiten des Brennstoffzellenstapels, nämlich ebenfalls
oben und unten, sind auch interne Gasverteilungsvorrichtungen 51 und 52 zum Zuführen und
Abführen des Brenngases zu und von den Anoden der Brennstoffzellen vorgesehen. Auf diese
Weise werden sowohl die Anoden als auch die Kathoden des Brennstoffzellenstapels 1 in der
gleichen Richtung, nämlich vertikal durchströmt. Das Brenngas wird über einen Brenngaseinlaß
31 in das Innere des Brennstoffzellenstapels 1 geführt und dort mittels der internen
Gasverteilungsvorrichtungen 51 auf die Anoden der einzelnen Brennstoffzellen verteilt. Nach dem
Durchströmen der Anoden wird das verbrannte Brenngas mittels der internen
Gasverteilungsvorrichtungen 52 gesammelt und über einen Brenngasauslaß 32 durch den
Brennstoffzellenstapel 1 und aus diesem herausgeführt. Das Kathodengas wird über einen
Kathodengaseinlaß 33 einer ersten externen Gasverteilungsvorrichtung 43 zugeführt und von dort
auf die Kathoden bzw. die durch die Bipolarplatten gebildeten Kathodengasräume der einzelnen
Brennstoffzellen verteilt, welche im Gegensatz zu den Anoden bzw. den durch die Bipolarplatten
gebildeten Anodengasräumen der Brennstoffzellen an den der externen Gasverteilungsvorrichtung
43 zugewandten Stirnseiten offen sind. Nach dem Durchströmen der Kathoden verläßt das
verbrauchte Kathodengas die Kathoden an den wiederum im Gegensatz zu den Anoden offenen
Stirnseiten der Kathoden bzw. der durch die Bipolarplatten gebildeten Kathodengasräume, worauf
es gesammelt und über einen Kathodengasauslaß 34 abgeführt wird. Zwischen den externen
Gasverteilungsvorrichtungen 43, 44 und dem Brennstoffzellenstapel 1 ist eine elektrische
Isolierung 15 angeordnet.
Die in Fig. 4 gezeigte Brennstoffzellenanordnung ermöglicht einen Betrieb der Brennstoffzellen
mit einer Durchströmung der Anoden und der Kathoden im Gleichstrom, wie auch im
Gegenstrom. Bei Gleichstrom von Brenngas und Anodengas befindet sich der Kathodengaseinlaß
33 und damit die einlaßseitige externe Gasverteilungsvorrichtung 43 für das Kathodengas an der
Unterseite des Brennstoffzellenstapels, wohingegen sich für einen Betrieb mit Gegenstrom der
Kathodengaseinlaß 33 und damit die kathodeneinlaßseitige externe Gasverteilungsvorrichtung 43
an der Oberseite des Brennstoffzellenstapels 1 befindet. Die Strömungsrichtung des
Kathodengases ist in Fig. 4 für den Fall des Gleichstroms durch einen durchgezogenen Pfeil und
für den Fall des Gegenstroms durch einen gestrichelten Pfeil dargestellt.
Fig. 5 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel der Brennstoffzellenanordnung gemäß dem zweiten
Aspekt der Erfindung. An der Unterseite eines Brennstoffzellenstapels 1 ist eine externe
Gasverteilungsvorrichtung 43 zur Verteilung des über einen Kathodengaseinlaß 33 zugeführten
Kathodengases auf die Kathodeneingänge der Brennstoffzellen vorgesehen. Ebenfalls an der
Unterseite des Brennstoffzellenstapels 1 befindet sich eine interne
Gasverteilungsvorrichtung 51 zur Verteilung des über einen Brenngaseinlaß 31
zugeführten Brenngases auf die Anodeneingänge der Brennstoffzellen. Die in Form einer
Haube oder Hutze ausgebildete externe Gasverteilungsvorrichtung 43 ist mittels einer
elektrischen Isolierung 15 gegen den Brennstoffzellenstapel 1 isoliert. Wie auch bei den
vorher beschriebenen Ausführungsbeispielen sind die Stirnseiten der Kathoden bzw. der
durch die Bipolarplatten gebildeten Kathodengasräume zu der externen
Gasverteilungsvorrichtung 44 hin offen, um ein Einströmen des Kathodengases zu
gestatten, wohingegen die Anoden bzw. die durch die Bipolarplatten gebildeten
Anodengasräume an dieser Stelle geschlossen sind. Das am Kathodengaseinlaß 33
zugeführte Kathodengas und das am Brenngaseinlaß 31 zugeführte Brenngas durchströmen
die Brennstoffzellen im Gleichstrom von unten nach oben. An der Oberseite des
Brennstoffzellenstapels sind sowohl die Anoden bzw. die Anodengasräume als auch die
Kathoden bzw. die Kathodengasräume der Brennstoffzellen an ihren Stirnseiten offen, so
daß das verbrannte Brenngas und das verbrauchte Kathodengas in eine externe
Gasverteilungsvorrichtung 44 eintreten können, welche an der Oberseite des
Brennstoffzellenstapels 1 zum Sammeln des verbrauchten Kathodengases vorgesehen ist.
An den Anodenausgängen 12 und den Kathodengasausgängen 14 der Brennstoffzellen ist
ein Oxidationskatalysator 16 vorgesehen, welcher der katalytischen Verbrennung von im
Anodengas noch vorhandenen brennbaren Restbestandteilen dient. Das verbrannte Abgas
verläßt die Brennstoffzellenanordnung durch einen Abgasauslaß 35.
Fig. 6 zeigt in einem schematischen Blockschaltbild den Aufbau einer Anlage mit einer
Brennstoffzellenanordnung, wie sie in Fig. 5 gezeigt ist. Dem Brenngaseinlaß 31 des
Brennstoffzellenstapels 1 wird Brenngas von einer Brenngaszuführung 25 über eine
Brenngasregelung 21 zugeführt. Dem an der externen Gasverteilungsvorrichtung 43
befindlichen Kathodengaseinlaß 33 wird Luft als Oxidationsgas bzw. Kathodengas über
einen Lufteinlaß 24, eine Frischluftregelung 18 und ein Umluftgebläse 19 zugeführt. Die in
dem Brennstoffzellenstapel 1 umgesetzten Gase verlassen nach dem Passieren eines
Oxidationskatalysators 16 die Brennstoffzellenanordnung am Kathodengasauslaß 34, von
wo das heiße Abgas in einen Wärmetauscher 20 eintritt, welcher der Kühlung des
Abgasstroms und der Gewinnung von Nutzwärme dient. Ein Teil des gekühlten Abgases
verläßt die Anlage über einen Abgasauslaß 23, wogegen das übrige Abgas in der
Frischluftregelung 18 mit der am Lufteinlaß 24 eintretenden Frischluft gemischt und
mittels des Umluftgebläses 19 wieder dem Kathodengaseinlaß 33 zugeführt wird.
Fig. 7 zeigt einen Ausschnitt eines Brennstoffzellenstapels gemäß einem vierten
Ausführungsbeispiel in Verwirklichung des dritten Aspekts der Erfindung. In der Figur
sind stark schematisiert lediglich abwechselnd angeordnete Anodenkammern 2' und
Kathodenkammern 4' dargestellt, zum Zwecke der besseren Übersichtlichkeit jedoch die
Elektrolytmatrizen 3 und die die einzelnen Brennstoffzellen trennenden Bipolarplatten 5
weggelassen. In der Darstellung sollen die Anodenkammern 2' und die Kathodenkammern
4' auch die durch die nicht dargestellten Bipolarplatten gebildeten Anodengasräume und
Kathodengasräume beinhalten. Sowohl die Anodenkammern 2' als auch die
Kathodenkammern 4' sind an ihren unteren Stirnseiten offen. Den in der Figur nicht
gezeigten Anodeneingängen 11 wird ähnlich wie bei den vorherigen
Ausführungsbeispielen das Brenngas mittels einer den Gasstrom im Inneren der
Brennstoffzellen verteilenden internen Gasverteilungsvorrichtung zugeführt. Das Brenngas
durchströmt die Anodenkammern 2' in der Darstellung der Fig. 7 von oben nach unten.
Den Kathodenkammern 4' wird das Kathodengas mittels einer in der Figur nur
angedeuteten externen Gasverteilungsvorrichtung 43 an deren Unterseite zugeführt, so daß
das Kathodengas die Kathodenkammern 4' von unten nach oben im Gegenstrom zum
Anodengas durchströmt. Das die Anodenkammern 2' an den Anodenausgängen 12
verlassende verbrannte Brenngas wird dem Strom des Kathodengases beigemischt und den
Kathodeneingängen 13 zusammen mit diesem zugeführt.
Da die Anodenkammern 2' und die Kathodenkammern 4' jeweils so bemessen sind, daß
die Enden der Anodenkammern 2' mit den jeweiligen Anodenausgängen 12 über die
Enden der Kathodenkammern 4' mit den jeweiligen Kathodeneingängen 13 vorstehen,
wird an der Außenseite der vorstehenden Enden der Anodenkammern 2' eine Fläche
gebildet, auf welcher in Form einer katalytischen Beschichtung ein Oxidationskatalysator
22 vorgesehen ist. Dieser Oxidationskatalysator 22 dient der Verbrennung von noch in dem
Anodenabgas enthaltenen brennbaren Restbestandteil.
Fig. 8 zeigt in vereinfachter Darstellung eine Anlage mit einer
Brennstoffzellenanordnung, die einen entsprechend Fig. 7 aufgebauten
Brennstoffzellenstapel 1 enthält. Der Brennstoffzellenstapel 1 ist im Inneren eines
Schutzgehäuses 26 angeordnet. Einer unterhalb des Brennstoffzellenstapels 1 angeordneten
und durch eine elektrische Isolierung 15 von dem Brennstoffzellenstapel 1 elektrisch
isolierten externen Gasverteilungseinrichtung 43 wird mittels eines Umluftgebläses 19
Frischluft von einem Frischlufteinlaß 24 zugeführt. Das Brenngas wird den
Anodeneingangen 11 der Brennstoffzellen über einen an der Oberseite des
Brennstoffzellenstapels 1 befindlichen Brenngaseinlaß 31 zugeführt. Das die Unterseite des
Brennstoffzellenstapels I an den Anodenausgängen 12 verlassende verbrannte Brenngas
wird dem zugeführten Frischluftstrom beigemischt und tritt nach katalytischer Oxidation
wieder in die Kathodeneingänge 13 an der Unterseite des Brennstoffzellenstapels 1 ein.
Nach dem Durchlaufen der an die Kathoden 4 grenzenden Kathodenkammern verläßt der
Gasstrom den Brennstoffzellenstapel an den an dessen Oberseite befindlichen
Kathodenausgängen 14, welche in eine an der Oberseite des Schutzgehäuses 26
ausgebildete externe Gasverteilungsvorrichtung 44 münden. Ein Teil des Abgases wird
über einen Abgasauslaß 23 nach außen abgeführt, wogegen das übrige Abgas nach dem
Durchlaufen eines der Entnahme von Nutzwärme und der Abkühlung des Abgasstroms
dienenden Wärmetauschers 20 über eine Regelklappe 27 dem von dem Umluftgebläse 19
umgewälzten Frischluftstrom beigemischt wird.
Bezugszeichenliste
1
Brennstoffzellenstapel
2
Anode
2
' Anodenhalbkammer
3
Elektrolytmatrix
4
Kathode
4
' Kathodenhalbkammer
5
Bipolarplatte
6
Isolation
7
Zugstange
8
Endplatte
11
Anodeneingang (Brenngas)
12
Anodenausgang
13
Kathodeneingang (Oxidationsgas)
14
Kathodenausgang
15
elektrische Isolierung
16
katalytischer Oxidator
17
Abgashutze
18
Frischluftregelung
19
Umluftgebläse
20
Wärmetauscher
21
Brenngasregelung
22
katalytische Beschichtung
23
Abgasauslaß
24
Lufteinlaß (Frischluft)
25
Brenngaszuführung
26
Schutzgehäuse
27
Regelklappe
31
Brenngaseinlaß
32
Brenngasauslaß
33
Kathodengaseinlaß
34
Kathodengasauslaß
35
Abgasauslaß
41-44
externe Gasverteilungsvorrichtungen
51-54
interne Gasverteilungsvorrichtungen