BRENNSTOFFZELLENANORDNUNG

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennstoffzellenanordnung mit einer Anzahl von in einem Brennstoffzellenstapel angeordneten Brennstoffzellen, die jeweils eine Anode, eine Kathode und eine Elektrolytmatrix umfassen und durch Bipolarplatten elektrisch kontaktiert und voneinander getrennt sind, wobei die Brennstoffzellen an ihren Anoden von einer Brenngaseinlaßseite zu einer Brenngasauslaßseite von einem Brenngas durchströmt werden und an ihren Kathoden von einer Kathodengaseinlaßseite zu einer Kathodengasauslaßseite von einem Kathodengas durchströmt werden.

Beim herkömmlichen Aufbau eines Brennstoffzellenstapels sind eine Anzahl von einzelnen Brennstoffzellen, die jeweils eine Kathode, eine Elektrolytmatrix und eine Anode sowie eine Bipolarplatte zur Trennung und elektrischen Kontaktierung von Anode und Kathode benachbarter Brennstoffzellen umfassen, übereinander angeordnet. Auf diese Weise sind die Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels elektrisch seriell verschaltet. Gastechnisch gesehen sind die Brennstoffzellen parallel verschaltet, da sie von dem Brenngas von einer Brenngaseinlaßseite zu einer Brenngasauslaßseite in einer ersten Richtung durchströmt werden, wogegen sie von dem Kathodengas von einer Kathodeneinlaßseite zu einer Kathodengasauslaßseite in einer zweiten, üblicherweise zu der ersten Richtung senkrechten Richtung durchströmt werden. Die Bipolarplatten dienen neben der elektrischen Kontaktierung und der gastechnischen Trennung benachbarter Brennstoffzellen darüber hinaus noch der Aufgabe an der jeweiligen Anode und Kathode der benachbarten, von der Bipolarplatte getrennten Brennstoffzellen den für das Vorbeiströmen des Brenngases bzw. des Kathodengases benötigten Gasraum zur Verfügung zu stellen. Das Kathodengas und das Brenngas werden über jeweilige Gasverteiler an den Außenseiten des Brennstoffzellenstapels auf die Gaseinlaßseiten und die Gasauslaßseiten der einzelnen Brennstoffzellen verteilt.

Figur 8 zeigt in perspektivischer Explosionsansicht einen in konventioneller Weise aufgebauten Brennstoffzellenstapel, wobei zum Zwecke der besseren Übersichtlichkeit lediglich drei Brennstoffzellen 1 dargestellt sind, nämlich die oberste und unterste Brennstoffzelle des Brennstoffzellenstapels, sowie eine dazwischenliegende Brennstoffzelle. Wie aus Figur 8 zu sehen ist, ist eine Elektrolytmatrix 12 zwischen eine porösen Anode 13, die aus einer Nickellegierung besteht, und einer porösen Kathode 1 1, die aus mit Lithium

dotiertem Nickeloxid besteht, eingefugt. Die Elektrolytmatrix 12 selbst besteht aus einem in einem Matrixmaterial eingelagerten Lithium- und Kaliumkarbonatschmelzelektrolyten. Zwischen der Anode 13 einer Zelle und der Kathode 11 der darüberliegenden Zelle ist jeweils eine Bipolarplatte 19 angeordnet, die in Figur 12 in größerer Detailliertheit dargestellt ist. Die Bipolarplatte 19 enthält ein im wesentlichen ebenes Bipolarblech 14, welches die Gasräume der benachbarten Brennstoffzellen voneinander trennt. Oberhalb und unterhalb des Bipolarblechs 14 sind jeweilige, als dreidimensionale Strukturen ausgebildete gewellte Stromkollektoren 15' und 16' vorgesehen, nämlich ein kathodenseitiger Stromkollektor 15' und ein anodenseitiger Stromkollektor 16'. Diese Stromkollektoren 15' und 16' dienen zum einen dazu, den an den Anoden und Kathoden fließenden Strom zu sammeln und zum anderen dazu, an Anode und Kathode jeweils einen Raum zur Verfugung zu stellen, durch welchen das Brenngas an der Anode bzw. das Kathodengas an der Kathode vorbeiströmen kann, wie dies durch die Pfeile in Figur 8 bzw. in Figur 12 gezeigt ist. Weiterhin ist an jedem der beiden Stromkollektoren 15' und 16' eine perforierte Platte 17' bzw. 18' vorgesehen, welche als unmittelbare Anlagefläche für die jeweilige an der Bipolarplatte anliegende Elektrode dient. Die jeweils parallel zur Gasströmungsrichtung des an der betreffenden Seite des Bipolarblechs 14 entlangströmenden Gases, Brenngases bzw. Kathodengases, parallel verlaufenden Seiten der Bipolarplatte 19 sind mit einer starren Schiene 14' nach außen abgedichtet, welche durch ein mehrfaches Abkanten des Bipolarblechs 14 um die Schiene herum daran fixiert sind. Durch diese Schienen 14' ist die Bipolarplatte 19 ein in Längsrichtung des Brennstoffzellenstapels starres Gebilde, welches einem Druck in Längsrichtung des Brennstoffzellenstapels nicht nachgibt.

Wieder bezugnehmend auf Figur 8 ist zu sehen, daß der Brennstoffzellenstapel zwischen einer oberen Endplatte 4' und einer unteren Endplatte 5' unter Zwischenschaltung von isolierenden Platten 9 eingespannt ist. Das Einspannen erfolgt durch an den Ecken der Endplatten 4', 5' angreifende Zuganker 40. Figur 9 zeigt in perspektivischer Darstellung das Äußere eines in dieser Weise aufgebauten Brennstoffzellenstapels.

Bei einem solchermaßen in konventioneller Weise aufgebauten Brennstoffzellenstapel ergeben sich eine Anzahl von Problemen. So haben die Unterschiede von Einlaßtemperatur und Auslaßtemperatur an den Brennstoffzellen eine unterschiedliche thermische Dehnung an den Außenseiten der Brennstoffzellen zur Folge, die zu einer Verformung oder Deformierung des Brennstoffzellenstapels fuhren kann. Bei dem in Figuren 10a und 1 Ob dargestellten Fall addieren sich die thermischen Dehnungen der einzelnen Brennstoffzellen im Brennstoffzellenstapel zu einem beträchtlichen Längenunterschied in der Gesamtlänge des Stapels, was zu einer Krümmung desselben führt ("Bananeneffekt"), vergleiche Figur 10a. Dies hat zur Folge, daß die obere Endplatte 4' gegenüber der unteren Endplatte 5'

seitlich verschoben wird, wie aus der Draufsicht in Figur 10b zu sehen ist. Wenn dagegen der Brennstoffzellenstapel so starr eingespannt wird, daß er der durch die unterschiedlichen thermischen Dehnungen an den Seiten des Brennstoffzellenstapels verursachten Spannung nicht durch eine Krümmung nachzugeben vermag, so fuhrt das zu einer Deformierung einer Seite des Brennstoffzellenstapels, wie es in Figur 11 a gezeigt ist. Die Folge hiervon können beträchtliche Dichtigkeitsprobleme zwischen dem Gasverteiler (hier der Brenngasauslaß Verteiler 21') und dem Brennstoffzellenstapel sein, was zu einer Leckage und lokalen Verbrennungen innerhalb der Brennstoffzellen fuhren kann. Weitere Nachteile des konventionellen Aufbaus sind eine Verschlechterung des Kontakts innerhalb der Brennstoffzellen durch Setzen der durch Anode, Elektrolytmatrix und Kathode gebildeten Einheit während der Betriebszeit. Um dies auszugleichen ist ein Nachspannen der vier Zuganker 40 nach einer gewissen Betriebsdauer erforderlich. Der mechanische Aufwand des Aufbaus ist beträchtlich; an der Einheit aus Anode, Elektrolytmatrix und Kathode bildet sich eine Scherkante; durch die interne Zellabdichtung kann Elektrolyt nach außen dringen und am Brennstoffzellenstapel entlangwandern; zwischen Bipolarplatte und der aus Anoden- Elektrolytmatrix-Kathoden-Einheit kann eine Dimensionsdifferenz bestehen; am Rand der Anoden-Elektrolytmatrix-Kathoden-Einheit tritt eine hohe Biegelast auf; die Randgestaltung der Bipolarbleche durch die doppelte Abkantung an deren Rand um die Dichtungsschienen herum ist aufwendig.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es eine Brennstoffzellenanordnung der eingangs vorausgesetzten Art so zu gestalten, daß der Brennstoffzellenstapel weitestgehend frei von thermischen Spannungen betrieben werden kann.

Diese Aufgabe wird bei einer Brennstoffzellenanordnung der vorausgesetzten Art dadurch gelöst, daß der Brennstoffzellenstapel von einer gasdichten Umhüllung umgeben ist, wobei zwischen der Umhüllung und dem Brennstoffzellenstapel Vorrichtungen zur Abdichtung der Räume an den Einlaßseiten und Auslaßseiten der Anoden und Kathoden gegeneinander vorgesehen sind, daß der Brennstoffzellenstapel an seiner Oberseite und seiner Unterseite gegen die Oberseite und die Unterseite der Umhüllung abgestützt ist, und daß die Dichtungsvorrichtungen zum Ausgleich thermischer Dehnungen zwischen Brennstoffzellenstapel und Umhüllung ausgebildet sind.

Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Brennstoffzellenanordnung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung erläutert.

Es zeigen:

Figur 1 in der Draufsicht einen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Brennstoffzellenanordnung;

Figur 2 in der Seitenansicht einen Schnitt durch den Brennstoffzellenstapel der Brennstoffzellenanordnung von Figur 1 ;

Figur 3 in perspektivischer Ansicht den Aufbau einiger Brennstoffzellen aus dem Brennstoffzellenstapel bestehend aus Anode, Elektrolytmatrix, Kathode und Bipolarplatte;

Figuren 4 und 5 in der Draufsicht bzw. in der Seitenansicht Schnitte durch ein praktisches Ausfuhrungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Brennstoffzellenanordnung;

Figuren 6a und 6b perspektivische Detailansichten der Brennstoffzellenanordnung, welche die seitliche Lagerung zwischen Brennstoffzellenstapel und Umhüllung veranschaulichen;

Figur 7 in perspektivischer Ansicht ein Ausfiihrungsbeispiel einer Ausgleichsanordnung, um die Längsausdehnung des Brennstoffzellenstapels beim Betrieb aufgrund thermischer Dehnungen zu kompensieren;

Figur 8 in perspektivischer Explosionsansicht einen Brennstoffzellenstapel in konventionellem Aufbau nach dem Stand der Technik;

Figur 9 in perspektivischer Ansicht das Äußere eines konventionell aufgebauten Brennstoffzellenstapels;

Figuren 10a, 10b, 11a, 1 lb in der Seitenansicht bzw. in der Draufsicht schematisierte Schnittansichten durch einen konventionell aufgebauten Brennstoffzellenstapel nach dem Stand der Technik zur Erläuterung der sich aufgrund thermischer Spannungen ergebenden Verformungen beim Betrieb eines solchen;

Figur 12 in perspektivischer Ansicht eine herkömmlich aufgebaute Bipolarplatte nach dem Stand der Technik im Detail.

Bei der in Figur 1 in der Draufsicht und in Figur 2 in der Seitenansicht schematisch dargestellten Brennstoffzellenanordnung ist ein Brennstoffzellenstapel 2, der aus einer Anzahl von übereinander angeordneten Brennstoffzellen 1 gebildet ist, von einer Umhüllung

umgeben, die aus einem rohrformigen Mantel 3, einer oberen Verschlußplatte 4 und einer unteren Verschlußplatte 5 besteht. Die oberen und unteren Verschlußplatten 4, 5 sind nicht durch irgendwelche Zuganker gegeneinander verspannt. An den Ecken der Brennstoffzellen befinden sich jeweils Aussparungen, die durch ein Ausklinken von 2x90° gebildet sind. In die Aussparungen sind Dichtungseckleisten 6 eingesetzt, die aus einem elektrisch isolierenden Keramikmaterial bestehen. Der Brennstoffzellenstapel 2 ist in der Umhüllung 3, 4, 5 durch Ecklager 7, 8 gelagert, die zwischen den Dichtungseckleisten 6 und entsprechenden, gegenüberliegenden Bereichen der Umhüllung 3, 4, 5 wirksam sind. Durch die Dichtungseckleisten 6 und die Ecklager 7, 8 werden Einheiten gebildet, die gleichermaßen als Lagerung wie auch als Dichtungsvorrichtungen wirken. Diese Dichtungsvorrichtungen 6, 7, 8 bilden eine Abdichtung zwischen den an den jeweiligen Einlaßseiten und Auslaßseiten der Kathoden und Anoden innerhalb der Umhüllung 3, 4, 5 gebildeten Räume gegeneinander, nämlich dem Brenngaseinlaßraum 20, dem Brenngasauslaßraum 21, dem Kathodengaseinlaßraum 22 und dem Kathodengasauslaßraum 23. So werden die Anoden, deren Einlaßseite sich bei der Darstellung in Figur 1 auf der rechten Seite befindet und deren Auslaßseite sich auf der linken Seite befindet, mit dem Brenngas vom dem Brenngaseinlaßraum 20 zu dem Brenngasauslaßraum 21 durchströmt. Entsprechend werden die Kathoden, deren Einlaßseite sich bei der Darstellung von Figur 1 unten befindet und deren Auslaßseite sich oben befindet, mit dem Kathodengas von dem Kathodengaseinlaßraum 22 zu dem Kathodengasauslaßraum 23 durchströmt.

In Figur 3 ist in größerer Detailliertheit ein Ausschnitt von einigen übereinander angeordneten Brennstoffzellen dargestellt. Zwischen jeweils zwei Bipolarplatten, die durch ein Bipolarblech 14, einen anodenseitigen Stromkollektor 15, einen kathodenseitigen Stromkollektor 16 sowie ein anodenseitiges Lochblech 17 und ein kathodenseitiges Lochblech 18 gebildet sind, sind die Kathode 1 1, die Elektrolytmatrix 12 und Anode 13 einer Brennstoffzelle angeordnet. Die Gasräume zweier benachbarter Brennstoffzellen sind durch die Bipolarbleche 14 gastechnisch voneinander getrennt. Die Anode 13 wird durch das anodenseitige Lochblech 17 gestützt und durch den anodenseitigen Stromkollektor 15 kontaktiert, während entsprechend die Kathode 11 durch das kathodenseitige Lochblech 18 gestützt und durch den kathodenseitigen Stromkollektor 16 kontaktiert wird. Die als dreidimensionale Strukturen ausgebildeten Stromkollektoren 15 und 16 stellen gleichzeitig den zum Vorbeiströmen des jeweiligen Gases an der Kathode bzw. der Anode erforderlichen Raum zur Verfügung. Die Bipolarbleche 14 der Bipolarplatten 19 verfugen an ihren Längsseiten über keinerlei starren Dichtungsschienen, sondern die Abdichtung des jeweiligen Gasraums wird vielmehr dadurch bewerkstelligt, daß die Bipolarblech 14 an jeweils den beiden gegenüberliegenden Längsseiten so abgekantet sind, daß der Eintritt in den anodenseitigen Gasraum gleichzeitig den kathodenseitigen Gasraum versperrt und

umgekehrt. Durch diese einfache Abkantung der Bipolarbleche an den Längsseiten erhalten die Bipolarplatten 19 gleichzeitig eine federnd elastische Eigenschaft, durch welche der Brennstoffzellenstapel 2 insgesamt in seiner Längsrichtung federnd elastisch ist, wodurch thermische Dehnungen aufgefangen und Spannungen abgebaut werden können.

In den Figuren 4 und 5 ist ein Ausfυhrungsbeispiel einer Brennstoffzellenanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung in seiner praktischen Ausfuhrung dargestellt. Der Brennstoffzellenstapel 2 ist mittels der aus Ecklagern 7, 8 und Dichtungseckleisten 6 bestehenden Lager- und Dichtungsvorrichtungen in der Umhüllung 3, 4, 5 gelagert, die ein zylindrisches Rohr aus einem Stahl umfasst. Die Oberseite und die Unterseite der Umhüllung ist durch obere und untere Verschlußplatten 4, 5 gebildet, welche mittels Bolzen 41 mit dem Umhüllungsrohr 3 verschraubt ist.

Die Lager- und Dichtungsvorrichtungen 6, 7, 8 sind in den Figuren 6a und 6b in größerer Detailliertheit dargestellt. Die in Figur 6a gezeigte Lagervorrichtung ist als Festlager ausgeführt, welches den Abstand zwischen dem Brennstoffzellenstapel 2 und dem Umhüllungsrohr fixiert. Eine Lagerleiste 72 ist an ihren beiden gegenüberliegenden Längsseiten mit Wülsten versehen, welche in prismatische Längsnuten von einem Äußeren Widerlager 71, das an dem Umhüllungsrohr 3 befestigt ist, und einem inneren Widerlager 73, das an der Dichtungseckleiste 6 angebracht ist, aufgenommen. Bei dem in Figur 6b gezeigten Lager handelt es sich dagegen um ein Loslager, bei welchem die Lagerleiste 82, die an ihren beiden Längsseiten ebenfalls mit einem Wulst versehen ist, an ihrer Innenseite ebenfalls in eine prismatische Nut in einem an der Dichtungseckleiste 6 befestigten inneren Widerlager 83 eingreift, wogegen die Außenseite der Lagerleiste 82 an eine in Radialrichtung bezüglich des Zentrums des Umhüllungsrohrs 3 radial verschiebliche Druckleiste 84 angreift. Die Druckleiste 84 ist mittels VerStelleinrichtungen 85 in federnd elastischer Weise mit einer voreinstellbaren Druckkraft beaufschlagbar. Die VerStelleinrichtungen 85 können pneumatisch, hydraulisch oder mechanisch mittels Federkraft arbeiten.

Wie aus der Draufsicht in Figur 4 ersichtlich, ist der Brennstoffzellenstapel 2 durch ein Festlager 7 und drei Loslager 8 gelagert, so daß ausreichend Freiheitsgrade zur Verfügung stehen, um eine Aufnahme von thermisch hervorgerufenen Dehnungen des Brennstoffzellenstapels und damit einen Abbau von thermischen Spannungen zu gestatten.

An der Oberseite der Brennstoffzellenanordnung 2 ist eine Ausgleichsvorrichtung in Form eines Ausgleichsbalgens 30 vorgesehen, wodurch der Brennstoffzellenstapel 2 in seiner Längsrichtung mit einer Druckkraft beaufschlagbar ist. Gleichzeitig dient der

Ausgleichsbalgen 30 als Abdichtung der verschiedenen Gasräume 20, 21, 22, 23 an der Oberseite des Brennstoffzellenstapels 2 gegeneinander. Bei dem vorliegenden Ausfuhrungsbeispiel ist der Ausgleichsbalgen 30 an seinen Ecken ebenfalls mit Aussparungen versehen, die den Aussparungen der Brennstoffzellen entsprechen, sodaß die Dichtungseckleisten 6 auch an dem Ausgleichsbalgen 30 vorbei von der oberen Deckplatte 4 zu der Bodenplatte 5 durchlaufen können. Auf diese Weise kompensiert der Ausgleichsbalgen 30 jedwede Dehnung und Verformung des Brennstoffzellenstapels 2 aufgrund der beim Betrieb bzw. bei der Inbetriebnahme oder Außerbetriebsetztung auftretenden Temperaturunterschiede, wobei gleichzeitig eine vollständige Abdichtung der einzelnen Gaseinlaß- und -auslaßräume voneinander gewährleistet ist. Die Ausgleichsvorrichtung enthält einen an der Oberseite der Brennstoffzellenanordnung vorgesehenen Wegaufnehmer 37, der im vorliegenden Falle als induktiver Wegaufnehmer ausgebildet ist, um den Ort und die Veränderungen des Orts des oberen Endes des Brennstoffzellenstapels 2 zu messen und in Abhängigkeit davon eine den Brennstoffzellenstapel 2 in Längsrichtung beaufschlagende Druckkraft im Ausgleichsbalgen 30 zu erzeugen. Diese Druckkraft wird durch ein an einem Druckanschluß 38 zu dem Ausgleichsbalgen 30 zugeführtes Druckgas hervorgerufen.

Die Umhüllung 3, 4, 5 der Brennstoffzellenanordnung ist allseitig von einer thermischen Isolierung 9 umgeben. An der Oberseite der oberen Verschlußplatte 4 und an der Unterseite der unteren Verschlußplatte 5 sind flächige Heizvorrichtungen 91, 92 zum Vorheizen der Brennstoffzellenanordnung vorgesehen. Die Zuleitungen und Ableitungen zu den Einlaßräumen und Auslaßräumen 20, 21, 22 und 23 von Brenngas und Kathodengas erfolgen durch einen Brenngaseinlaß 24, einen Brenngasauslaß 25, einen Kathodengaseinlaß 26 und einen Kathodengasauslaß 27, die jeweils von der Unterseite her durch die untere Verschlußplatte 5 in das Innere der Umhüllung 3, 4, 5 gefuhrt sind. Die Stromabnahme von dem Brennstoffzellenstapel erfolgt mittels zweier Stromanschlüsse 10, die jeweils mit der oberen bzw. unteren Bipolarplatte des Brennstoffzellenstapels elektrisch verbunden sind.

Wie aus Figur 7 ersichtlich ist, ist der Ausgleichsbalgen 30 durch zwei übereinander angeordnete, um 90° gegeneinander verdrehte Einzelbalgen gebildet, von denen der obere Einzelbalgen durch eine obere Druckplatte 31 und eine Zwischenplatte 34 und eine Mantelfläche 35 begrenzt ist, und ähnlich der untere Einzelbalgen durch eine Zwischenplatte 33 und eine untere Druckplatte 32 sowie einen Mantel 39 begrenzt ist. Das Druckgas wird dem Ausgleichsbalgen 30 durch eine Anschlußröhre 36 zugeführt, durch welche gleichzeitig der induktive Wegaufnehmer 37 geführt ist.