DE10056539A1

DE10056539A1 - Brennstoffzellenanordnung

Info

Publication number: DE10056539A1
Application number: DE10056539A
Authority: DE
Inventors: Marc Steinfort; Marc Bednarz
Original assignee: MTU Friedrichshafen GmbH
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2000-11-15
Filing date: 2000-11-15
Publication date: 2002-06-20
Anticipated expiration: 2020-11-16
Also published as: DE10056539C2

Abstract

Es wird eine Brennstoffzellenanordnung mit einer Anzahl von in Form eines Brennstoffzellenstapels (10) angeordneten Brennstoffzellen (12) beschrieben. Die Brennstoffzellen (12) haben jeweils eine Anode (1), eine Kathode (2) und eine dazwischen angeordnete Elektrolytmatrix (3) und jeweils einen Anodeneingang (13) und einen Anodenausgang (14) für das Brenngas, sowie einen Kathodeneingang (15) und einen Kathodenausgang (16) für das Kathodengas. Innerhalb des Brennstoffzellenstapels (10) sind benachbarte Brennstoffzellen (12) durch Separatorplatten (4) gastechnisch voneinander getrennt und elektrisch kontaktiert. Stromkollektoren (4a, 4b) bilden eine elektrische Kontaktierung von Anode (1) bzw. Kathode (2) und bilden Strömungswege für Brenngas bzw. Kathodengas. Gashauben (28, 31) dienen dem Zuführen und Abführen von Brenngas und Kathodengas an den Eingängen (13, 15) und den Ausgängen (14, 16) der Brennstoffzellen (12). Erfindungsgemäß sind jeweils an zwei einander gegenüberliegenden Seiten des Brennstoffzellenstapels (10) angeordnete Dichtungselemente (20, 21) vorgesehen, welche einen zum Inneren der Brennstoffzelle (12) hin geöffneten U-förmigen Querschnitt bilden und den Stromkollektor (4a, 4b) von Anode (1) und/oder Kathode (2) seitlich umfassen und abdichten und mit ihren stirnseitigen Enden Dichtflächen (26, 27) gegen die Gashaube (28, 31) bilden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzellenanordnung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Es sind Brennstoffzellenanordnungen bekannt, insbesondere Anordnungen von Schmelzkarbonatbrennstoffzellen, bei denen eine Anzahl von Brennstoffzellen in Form eines Brennstoffzellenstapels angeordnet sind, wobei die Brennstoffzellen jeweils eine Anode, eine Kathode und eine zwischen diesen angeordnete Elektrolytmatrix aufweisen. An der Anode und an der Kathode sind Stromkollektoren angeordnet, welche die Anode und die Kathode elektrisch kontaktieren und Gasströmungswege für Brenngas bzw. Kathodengas zu der Anode bzw. der Kathode bilden. Es gibt jeweils einen Anodeneingang zur Zuführung von frischem Brenngas zu den Anoden und einen Anodenausgang zum Abführen von verbrauchtem Brenngas von den Anoden, sowie einen Kathodeneingang zur Zuführung von frischem Kathodengas zu den Kathoden und einen Kathodenausgang zum Abführen von verbrauchtem Kathodengas von den Kathoden. Die Brennstoffzellen sind jeweils durch zwischen benachbarten Brennstoffzellen angeordnete Separatorplatten gastechnisch voneinander getrennt und elektrisch kontaktiert, und es gibt eine oder mehrere Gashauben zum Zuführen und Abführen von Brenngas und Kathodengas zu den Eingängen und von den Ausgängen von Brenngas und Kathodengas an den Brennstoffzellen.

Bei Brennstoffzellenanordnungen dieser Art kommt den zwischen benachbarten Brennstoffzellen innerhalb des Brennstoffzellenstapels angeordneten Separatorplatten außerdem die Aufgabe zu, im Randbereich die Brennstoffzellen bzw. den Brennstoffzellenstapel nach außen abzudichten, d. h. die Strömungswege von Brenngas an den Anoden und die Strömungswege von Kathodengas an den Kathoden zu begrenzen und zu definieren.

Bei derzeit üblichen Brennstoffzellenanordnungen sind in solchen Separatorplatten enthaltene Separatorbleche, die auch als Bipolarbleche bezeichnet werden, in einer sehr aufwendigen Form hergestellt: ein Edelstahlblech wird zunächst einseitig mit Nickel walzplattiert und anschließend in Form geschnitten, dann werden einen abdichtenden Rand bildende Taschen tiefgezogen und anschließend umgefalzt; zur Erzeugung eines Dichtungselements werden die Randtaschen dreidimensional laserverschweißt. Zum Schutz gegen die Atmosphäre wird auf den Randtaschen eine Aluminiumschicht aufgebaut. Eine solchermaßen hergestellte Separatorplatte ist sehr kostenintensiv und bildet zudem an den Ecken der Brennstoffzellen bzw. des Brennstoffzellenstapels aufgrund der dort vorgenommenen Schweißungen eine mechanisch sehr steife Verbindung. Kommt es innerhalb des Brennstoffzellenstapels zu einem unvermeidlichen Setz- und Kriechverhalten, so können die Ecken einer solchen Verformung nicht folgen und es kommt zu Unstetigkeiten und zu Doppelpassungen im Kraftfluss, was zu Schäden der Brennstoffzellen führen kann. Bei einer Brennstoffzellenanordnung der oben vorausgesetzten Art können die Kosten für die Separatorplatten bis zu 50% und mehr der Gesamtmaterialkosten des kompletten Brennstoffzellenstapels betragen.

Die Aufgabe der Erfindung ist es eine Brennstoffzellenanordnung zu schaffen, bei der die Separatorplatten einen geringeren Herstellungsaufwand erfordern, und die ein besseres Verhalten in Bezug auf Setz- und Kriechvorgänge innerhalb des Brennstoffzellenstapels aufweist.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebene Brennstoffzellenanordnung gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Durch die Erfindung wird eine Brennstoffzellenanordnung geschaffen, bei der eine Anzahl von Brennstoffzellen in Form eines Brennstoffzellenstapels angeordnet sind. Die Brennstoffzellen weisen jeweils eine Anode, eine Kathode und eine dazwischen angeordnete Elektrolytmatrix auf. An der Anode und an der Kathode sind Stromkollektoren angeordnet, welche die Anode und die Kathode elektrisch kontaktieren und Gasströmungswege für Brenngas bzw. Kathodengas zu der Anode bzw. zu der Kathode bilden. Es gibt jeweils einen Anodeneingang zur Zuführung von frischem Brenngas zu den Anoden und einen Anodenausgang zum Abführen von verbrauchtem Brenngas von den Anoden. Ein Kathodeneingang dient zur Zuführung von frischem Kathodengas oder Oxidationsgas zu den Kathoden und es gibt einen Kathodenausgang zum Abführen von verbrauchtem Kathodengas von den Kathoden. Die Brennstoffzellen sind jeweils durch zwischen benachbarten Brennstoffzellen angeordnete Separatorplatten gastechnisch voneinander getrennt und elektrisch kontaktiert. Es gibt eine oder mehrere Gashauben zum Zuführen und Abführen von Brenngas und Kathodengas zu den Eingängen und von den Ausgängen von Brenngas und Kathodengas an den Brennstoffzellen. Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, dass jeweils an zwei einander gegenüberliegenden Seiten des Brennstoffzellenstapels angeordnete, einen zum Inneren der Brennstoffzelle hin geöffneten U-förmigen Querschnitt bildende Dichtungselemente vorgesehen sind, welche den Stromkollektor von Anode und/oder Kathode seitlich umfassen und abdichten und mit ihren stirnseitigen Enden Dichtflächen gegen die Gashaube bilden.

Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Brennstoffzellenanordnung ist es vorgesehen, dass der Stromkollektor durch eine poröse Struktur gebildet ist, welche die Anode bzw. die Kathode trägt und in welcher Strömungswege zum Zuführen von Brenngas bzw. Kathodengas zu der Anode bzw. der Kathode ausgebildet sind, und dass die Dichtungselemente die den Stromkollektor bildende poröse Struktur und die darauf befindliche Anode bzw. Kathode seitlich umfassen und abdichten.

Vorzugsweise entspricht die Höhe des Dichtungselements der Dicke der von Stromkollektor und Anode bzw. Kathode gebildeten Einheit oder Halbzelle, und die Oberfläche der Anode bzw. der Kathode und die Oberfläche der der Anode bzw. der Kathode entgegengesetzten Seite des Stromkollektors sind bündig mit dem Dichtungselement.

Vorteilhafterweise ist es vorgesehen, dass an der Oberfläche von Anode bzw. Kathode und des diese tragenden Stromkollektors ein der Materialstärke des Dichtungselements entsprechender Absatz ausgebildet ist, so dass die Oberfläche von Anode bzw. Kathode und Stromkollektor durch die Oberfläche des Dichtungselements glatt fortgesetzt wird.

Vorzugsweise besteht die die Stromkollektoren bildende poröse Struktur aus einem Sintermaterial, vorzugsweise aus einem porösen Nickel-Sintermaterial.

Diese die Stromkollektoren bildende poröse Struktur besteht vorzugsweise aus einem Nickel-Schaum-Material mit einem Feststoffgehalt von 4% bis ca. 35%.

Vorzugsweise ist die Oberfläche der porösen Struktur eben.

Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Anode und/oder die Kathode als Schicht auf der die Stromkollektoren bildenden porösen Struktur vorgesehen sind.

Weiterhin sind vorteilhafterweise Strömungswege zum Führen von Brenngas und/oder Kathodengas in Form von Kanälen gebildet.

Solche das Brenngas und/oder Kathodengas führende Kanäle sind vorteilhafterweise an der der jeweiligen Elektrode abgewandten Oberfläche der die Stromkollektoren bildenden porösen Struktur vorgesehen.

Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung enthalten die Separatorplatten zwischen den Stromkollektoren benachbarter Brennstoffzellen angeordnete ebene Bipolarbleche.

Gemäß einem besonders vorteilhaften Aspekt der Erfindung ist es vorgesehen, dass die durch die stirnseitigen Enden der Dichtungselemente gebildeten Dichtflächen senkrecht auf Dichtflächen der Gashauben aufstehen.

Hierbei ist es insbesondere von Vorteil, wenn die durch die stirnseitigen Enden der Dichtungselemente gebildeten Dichtflächen im wesentlichen bündig mit der Seitenfläche des Brennstoffzellenstapels enden.

Vorzugsweise sind die Dichtflächen an den Gashauben durch eine zwischen den Brennstoffzellenstapel und der betreffenden Gashaube angeordnete Gashaubendichtungen gebildet.

Vorzugsweise sind derartige Gashaubendichtungen in Form von "nassen" Dichtungen durch ein mit Elektrolyt getränktes keramisches Vliesmaterial oder durch ein mit Elektrolyt getränktes keramisches Papier gebildet.

Vorzugsweise steht die Gashaubendichtung seitlich über den Brennstoffzellenstapel über.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der erfindungsgemäßen Brennstoffzellenanordnung ist es vorgesehen, dass an den Anodeneingängen und an den Anodenausgängen der Brennstoffzellen jeweils gegen die durch die stirnseitigen Enden der Dichtungselemente gebildeten Dichtflächen abgedichtete Gashauben vorgesehen sind, und dass eine an den Kathodeneingängen und/oder an den Kathodenausgängen der Brennstoffzellen vorgesehen Gashaube gegen die an den Anodeneingängen und an den Anodenausgängen vorgesehenen Gashauben abgedichtet ist.

Bei einer solchermaßen ausgestalteten Brennstoffzellenanordnung ist es weiterhin vorteilhafterweise vorgesehen, dass die Kathodengashaube an den Enden des Brennstoffzellenstapels gegen dort angebrachte Endplatten abgedichtet ist.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Brennstoffzellenanordnung anhand der Zeichnung beschrieben:

Fig. 1 zeigt eine schematisierte perspektivische Explosionsansicht einer Brennstoffzellenanordnung mit in Form eines Stapels angeordneten Brennstoffzellen zur Erläuterung des grundsätzlichen Aufbaus der Brennstoffzellenanordnung;

Fig. 2 zeigt in einer schematisierten perspektivischen Ansicht die durch eine Separatorplatte gebildete Randabdichtung einer Brennstoffzelle innerhalb des Brennstoffzellenstapels nach dem Stand der Technik;

Fig. 3 zeigt in einer schematisierten perspektivischen Darstellung die durch eine Separatorplatte gebildete Randabdichtung einer Brennstoffzelle innerhalb des Brennstoffzellenstapels gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 4 zeigt in einer vergrößerten perspektivischen Darstellung eine Brennstoffhalbzelle mit einem durch eine poröse Struktur gebildeten Stromkollektor und einer von diesem getragenen Elektrode zusammen mit dem Dichtungselement zur seitlichen Abdichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 5 zeigt in einer schematisierten perspektivischen Ansicht die Art der Abdichtung einer Gashaube, etwa einer Gashaube an den Anodeneingängen der Brennstoffzellen, gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 6 zeigt in einer stark schematisierten Ansicht ein Querschnitt durch einen Brennstoffzellenstapel quer zur Längsrichtung desselben, welche die Art der Abdichtung von Gashauben an den Anodeneingängen und an den Anodenausgängen der Brennstoffzellen, sowie einer Gashaube an den Kathodeneingängen der Brennstoffzellen gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt;

Fig. 7 zeigt in einer stark schematisierten Querschnittsansicht die Art der Abdichtung einer Kathodengashaube am Brennstoffzellenstapel, wobei der Querschnitt parallel zur Längsrichtung des Brennstoffzellenstapels genommen ist;

Fig. 8 zeigt in einer schematisierten vergrößerten Querschnittsansicht einen Ausschnitt einer einen Stromkollektor bildenden porösen Struktur mit einer darauf angeordneten Elektrode gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung; und

Fig. 9 zeigt in einem kleineren Maßstab eine perspektivische Ansicht der den Stromkollektor bildenden porösen Struktur von Fig. 8.

Bei der in Fig. 1 dargestellten Brennstoffzellenanordnung bedeutet das Bezugszeichen 10 einen Brennstoffzellenstapel, der aus einer Anzahl von Brennstoffzellen 12 besteht. Jede der Brennstoffzellen 12 enthält eine Anode 1, eine Kathode 2 und eine dazwischen angeordnete Elektrolytmatrix 3. Benachbarte Brennstoffzellen 12 sind durch Separatorplatten oder Bipolarplatten 4 voneinander getrennt, welche dazu dienen, die Ströme eines Brenngases B und eines Kathodengases oder Oxidationsgases O voneinander getrennt der Anode 1 bzw. der Kathode 2 der Brennstoffzellen 12 zuzuführen und über diese zu verteilen. Die Anode 1 und die Kathode 2 benachbarter Brennstoffzellen sind somit durch die Separatorplatte 4 gastechnisch voneinander getrennt, werden jedoch von Stromkollektoren 4a bzw. 4b elektrisch kontaktiert, die an den Separatorplatten 4 angeordnet sind.

Jede der Brennstoffzellen 12 hat einen Anodeneingang 13 zur Zuführung von frischem Brenngas zu der Anode 1 und einen Anodenausgang 14 zum Abführen von verbrauchtem Brenngas von der Anode 1, sowie einen Kathodeneingang 14 zur Zuführung von frischem Kathodengas zur Kathode 2 und einen Kathodenausgang 16 zum Abführen von verbrauchtem Kathodengas von der Kathode 2. Zum Zuführen und Abführen des Brenngases und des Kathodengases sind an der Seite des Brennstoffzellenstapels 10 angeordnete Gashauben vorgesehen, von denen in Fig. 1 lediglich eine Gashaube 34 dargestellt ist. Diese Gashaube 34 dient dazu das Kathodengas O zu den Kathodeneingängen 15 der Brennstoffzellen 12 zuzuführen.

Der Brennstoffzellenstapel 10, der eine Vielzahl von Brennstoffzellen 12 enthält, von denen in der Figur zum Zwecke der Übersichtlichkeit jedoch nur einige wenige dargestellt sind, ist an seinen Enden jeweils durch eine Endplatte 6, 7 abgeschlossen. Diese Endplatten 6, 7 sind durch Zugstangen 5 miteinander verbunden und gegeneinander verspannt, so dass die einzelnen Brennstoffzellen 12 unter einem vorgegebenen Anpressdruck aneinander gehalten werden. Zwischen der jeweils letzten Brennstoffzelle 12 an jedem Ende des Brennstoffzellenstapels 10 und der zugeordneten Endplatte 6, 7 ist jeweils eine Platte 8, 9 aus einem Isolationsmaterial angeordnet. Die Gashauben 34 sind über Gashaubendichtungen 35 gegen den Brennstoffzellenstapel 10 abgedichtet. Der Brennstoffzellenstapel 10 ist mit seiner Längsrichtung vorzugsweise horizontal angeordnet, so dass auf jede der Brennstoffzellen 12 lediglich die durch die Zugstangen 5 erzeugte Vorspannungskraft wirkt, jedoch nicht, wie im Falle eines vertikal angeordneten Brennstoffzellenstapels, auf weiter unten im Stapel angeordnete Brennstoffzellen auch noch zusätzlich die Gewichtskraft der darüber befindlichen Brennstoffzellen.

Fig. 2 zeigt in einer schematisierten perspektivischen Ansicht einen Teil einer herkömmlichen Separatorplatte 104 nach dem Stand der Technik. Bei dieser herkömmlichen Separatorplatte 104 sind an den Seiten Dichtungselemente 120 und 121 ausgebildet, von denen das eine Dichtungselement 120 oberhalb eines Separatorblechs 104c angeordnet ist und das andere Dichtungselement 121 unterhalb des Separatorblechs 104c angeordnet ist. Das eine Dichtungselement 120 dient beispielsweise dazu, eine Anodenhalbzelle seitlich abzudichten, während das andere Dichtungselement 121 dazu dient die Kathodenhalbzelle seitlich abzudichten und dabei quer zueinander verlaufende Ströme von Brenngas B und Oxidations- bzw. Kathodengas O zu realisieren, wie es in Fig. 1 dargestellt ist. Die Dichtungselemente 120, 121 werden herkömmlicherweise an den Ecken dreidimensional laserverschweißt, was zu einer mechanisch sehr steifen Verbindung führt. In den Ecken können somit die Dichtungselemente 120, 121 einem notwendigerweise auftretenden Setzen und Kriechen innerhalb des Brennstoffzellenstapels nicht folgen, so dass es zu Unstetigkeiten im Kraftfluss und Doppelpassungen kommt, was die Brennstoffzellen beschädigen kann. Weiterhin ist ein großer Aufwand mit der Herstellung einer solchen Separatorplatte 4 mit ihren herkömmlichen Dichtungselementen 120, 121 verbunden.

Fig. 3 zeigt in schematisierter perspektivischer Ansicht eine Separatorplatte 4 mit Dichtungselementen 20, 21 nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Jeweils oberhalb (bzw. auf einer Seite) eines Separatorblechs 4c der Separatorplatte 4 und unterhalb (bzw. auf der anderen Seite) des Separatorblechs 4c befindet sich ein Dichtungselement 20, 21, welches einen zum Inneren der Brennstoffzelle 12 hin geöffneten U-förmigen Querschnitt bildet.

Wie aus Fig. 4 hervorgeht, die eine schematisierte vergrößerte Querschnittsdarstellung einer aus einer Elektrode 1, 2 und einem Stromkollektor 4a, 4b gebildete Halbzelle zeigt, ist der Stromkollektor 4a, 4b der Anode 1 bzw. der Kathode 2 seitlich von dem Dichtungselement 20, 21 umfasst und abgedichtet. Wie in Fig. 4 weiterhin zu sehen ist, sind die Dichtungselemente 20, 21 jeweils an zwei einander gegenüberliegenden Seiten der Separatorplatte 4 bzw. des Brennstoffzellenstapels angeordnet.

Wie in Fig. 4 weiterhin dargestellt ist, ist der Stromkollektor 4a, 4b durch eine poröse Struktur gebildet, welche die Anode 1 bzw. die Kathode 2 trägt. Die Dichtungselemente 20, 21 sind so angeordnet, dass sie die den Stromkollektor 4a, 4b bildende poröse Struktur und auch die darauf befindliche Anode 1 bzw. Kathode 2 seitlich umfassen und abdichten. Die Höhe des Dichtungselements 20, 21 entspricht der Dicke der von dem Stromkollektor 4a, 4b und der jeweiligen Elektrode 1, 2 gebildeten Einheit, d. h. Halbzelle, und die Oberfläche der Elektrode 1, 2 wie auch die Oberfläche der der Elektrode 1, 2 entgegengesetzten Seite des Stromkollektors 4a, 4b sind mit dem Dichtungselement 20, 21 bündig. An der Oberfläche von Anode 1 bzw. Kathode 2 und des diese tragenden Stromkollektors 4a, 4b ist ein der Materialstärke des Dichtungselements 20, 21 entsprechender Absatz 25 ausgebildet, so dass die Oberfläche von Anode 1 bzw. Kathode 2 und Stromkollektor 4a, 4b durch die Oberfläche des Dichtungselements 20, 21 glatt fortgesetzt sind.

Die die Stromkollektoren 4a, 4b bildende poröse Struktur besteht aus einem Sintermaterial, insbesondere einem porösen Nickel-Sintermaterial, das bei dem hier vorliegenden Ausführungsbeispiel aus einem Nickel-Schaum-Material mit einem Feststoffgehalt von 4% bis ca. 35% besteht. Die Oberfläche der porösen Struktur 4a, 4b ist eben und die Anode 1 bzw. die Kathode 2 sind als Schicht auf der den Stromkollektor 4a, 4b bildenden porösen Struktur vorgesehen.

Wie Fig. 8 zeigt, die eine vergrößerte Querschnittsdarstellung eines durch eine poröse Struktur gebildeten Stromkollektors 4a, 4b mit einer darauf aufgebrachten Elektrode 1, 2 darstellt, sind Strömungswege zum Führen von Brenngas bzw. Kathodengas zum einen durch (mikroskopische) Strömungswege 17 gebildet, die auf Grund der Porosität im Inneren der porösen Struktur vorhanden sind, sowie durch (makroskopische) Gaskanäle 18, die in oder an der porösen Struktur geschaffen sind. Bei dem in Fig. 7 dargestellten Ausführungsbeispiel sind solche Kanäle 18 an der der jeweiligen Elektrode 1, 2 abgewandten Oberfläche der die Stromkollektoren 4a, 4b bildenden porösen Struktur vorgesehen.

Fig. 9 zeigt eine perspektivische Darstellung eines Stromkollektors 4a, 4b, aus welcher der Verlauf der (makroskopischen) Kanäle 18 an der Oberfläche der porösen Struktur ersichtlich ist.

Wiederum zurückkehrend zu Fig. 3 und aus Fig. 5 ist ersichtlich, dass die Dichtungselemente 20, 21 mit ihren stirnseitigen Enden Dichtflächen 26, 27 bilden, mit welchen sie gegen die Gashaube 28, 31 abgedichtet sind. Die durch die stirnseitigen Enden der Dichtungselemente 20, 21 gebildeten Dichtflächen 26, 27 stehen senkrecht auf Dichtflächen 30, 33 der Gashauben 28, 31. Diese Dichtflächen 30, 33 der Gashauben 28, 31 sind bei dem in Fig. 5 gezeigten Ausführungsbeispiel durch Gashaubendichtungen 29, 32 gebildet, die zwischen den Brennstoffzellenstapel 10 und der Gashaube 28, 31 angeordnet sind. Wie aus Fig. 5 weiterhin ersichtlich ist, enden die Dichtflächen 26, 27 der Dichtungselemente 20, 21 im wesentlichen bündig mit der Seitenfläche des Brennstoffzellenstapels 10, so dass die Gashaubendichtungen 29, 32 hier im wesentlichen glatt anliegen kann. Die Gashaubendichtung 29, 32 ist bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel in Form einer "nassen" Dichtung ausgeführt, nämlich durch ein keramisches Vliesmaterial oder ein keramisches Papier, das mit Elektrolyt getränkt ist.

Wie aus Fig. 5 weiterhin ersichtlich ist, steht die Gashaubendichtung 29, 32 seitlich über den Brennstoffzellenstapel 10 über, so dass die durch die Dichtungselemente 20, 21 gebildeten Dichtflächen 26, 27 sich mittig in der Dichtfläche 30, 33 der Gashaubendichtung 29, 32 befinden und ein zuverlässige Dichtigkeit gewährleistet ist.

Wie Fig. 6 zeigt, die eine schematisierte Querschnittsansicht quer zur Längsrichtung des Brennstoffzellenstapels 10 darstellt, sind an den Anodeneingänge 13 und an den Anodenausgängen 14 der Brennstoffzellen 12 bzw. an dem Brennstoffzellenstapel 10 jeweils Gashauben 28, 31 vorgesehen, die gegen die durch die stirnseitigen Enden der Dichtungselemente 20, 21 gebildeten Dichtflächen 26, 27 abgedichtet sind. Eine an den Kathodeneingängen 15 und/oder an den Kathodenausgängen 16 der Brennstoffzellen 12 bzw. des Brennstoffzellenstapels 10 vorgesehene Gashaube, von denen in Fig. 6 nur eine Gashaube 32 gezeigt ist, ist direkt gegen die Gashauben 28, 31 an den Anodeneingänge 13 und an den Anodenausgängen 14 abgedichtet, nicht jedoch gegen den Brennstoffzellenstapel 10.

Wie Fig. 7 zeigt, in welcher eine schematisierte Querschnittsdarstellung der Brennstoffzellenanordnung in Längsrichtung des Brennstoffzellenstapels 10 dargestellt ist, ist die Kathodengashaube 32 an den Enden des Brennstoffzellenstapels 10 gegen die Endplatten 6, 7 abgedichtet.

Bezugszeichenliste

1

Anode

2

Kathode

3

Elektrolytmatrix

4

Separatorplatte

4

a Stromkollektor

4

b Stromkollektor

4

c Separatorbleche

5

Zugstange

6

Endplatte

7

Endplatte

8

Isolatorplatte

9

Isolatorplatte

10

Brennstoffzellenstapel

12

Brennstoffzelle

13

Anodeneingang

14

Anodenausgang

15

Kathodeneingang

16

Kathodenausgang

17

Strömungswege

18

Strömungswege

20

Dichtungselement

21

Dichtungselement

25

Absatz

26

Dichtfläche

27

Dichtfläche

28

Gashaube

29

Gashaubendichtung

30

Dichtfläche

31

Gashaube

32

Gashaubendichtung

33

Dichtfläche

34

Gashaube

35

Gashaubendichtung

104

Separatorplatte

104

c Separatorblech

120

Dichtungselement

121

Dichtungselement
B Brenngas
O Kathodengas

Claims

1. Brennstoffzellenanordnung mit einer Anzahl von in Form eines Brennstoffenzellenstapels (10) angeordneten Brennstoffzellen (12), die jeweils eine Anode (1), eine Kathode (2) und eine zwischen diesen angeordnete Elektrolytmatrix (3), sowie an der Anode (1) und an der Kathode (2) angeordnete Stromkollektoren (4a, 4b), welche die Anode (1) und die Kathode (2) elektrisch kontaktieren und Gasströmungswege für Brenngas bzw. Kathodengas zu der Anode (1) bzw. der Kathode (2) bilden, aufweisen und die jeweils einen Anodeneingang (13) zur Zuführung von frischem Brenngas zu den Anoden (1) und einen Anodenausgang (14) zum Abführen von verbrauchtem Brenngas von den Anoden (1), sowie einen Kathodeneingang (15) zur Zuführung von frischem Kathodengas zu den Kathoden (2) und einen Kathodenausgang (16) zum Abführen von verbrauchtem Kathodengas von den Kathoden (2) aufweisen und die jeweils durch zwischen benachbarten Brennstoffzellen (12) angeordnete Separatorplatten (4) gastechnisch voneinander getrennt und elektrisch kontaktiert sind, und mit einer oder mehreren Gashauben (28, 31) zum Zuführen und Abführen von Brenngas und Kathodengas zu den Eingängen (13, 15) und Ausgängen (14, 16) von Brenngas und Kathodengas an den Brennstoffzellen (12), dadurch gekennzeichnet, dass jeweils an zwei einander gegenüberliegenden Seiten des Brennstoffzellenstapels (10) angeordnete, einen zum Inneren der Brennstoffzelle (12) hin geöffneten U-förmigen Querschnitt bildende Dichtungselemente (20, 21) vorgesehen sind, welche den Stromkollektor (4a, 4b) von Anode (1) und/oder Kathode (2) seitlich umfassen und abdichten und mit ihren stirnseitigen Enden Dichtflächen (26, 27) gegen die Gashaube (28, 31) bilden.

2. Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Stromkollektor (4a, 4b) durch eine poröse Struktur gebildet ist, welche die Anode (1) bzw. die Kathode (2) trägt und in welcher Strömungswege (17, 18) zum Zuführen von Brenngas bzw. Kathodengas zu der Anode (1) bzw. der Kathode (2) ausgebildet sind, und dass die Dichtungselemente (20, 21) die den Stromkollektor (4a, 4b) bildende poröse Struktur und die darauf befindliche Anode (1) bzw. Kathode (2) seitlich umfassen und abdichten.

3. Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhe des Dichtungselements (20, 21) der Dicke der von Stromkollektor (4a, 4b) und Anode (1) bzw. Kathode (2) gebildeten Halbzelle entspricht, und dass die Oberfläche der Anode (1) bzw. Kathode (2) und die Oberfläche der der Anode (1) bzw. Kathode (2) entgegengesetzten Seite des Stromkollektors (4a, 4b) bündig mit dem Dichtungselement (20, 21) sind.

4. Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass an der Oberfläche von Anode (1) bzw. Kathode (2) und des diese tragenden Stromkollektors (4a, 4b) ein der Materialstärke des Dichtungselements (20, 21) entsprechender Absatz (25) ausgebildet ist, so dass die Oberfläche von Anode (1) bzw. Kathode (2) und Stromkollektor (4a, 4b) durch die Oberfläche des Dichtungselements (20, 21) glatt fortgesetzt wird.

5. Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die die Stromkollektoren (4a, 4b) bildende poröse Struktur aus einem Sintermaterial, vorzugsweise aus einem porösen Nickel-Sintermaterial besteht.

6. Brennstoffzellenanordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die die Stromkollektoren (4a, 4b) bildende poröse Struktur aus einem Nickel-Schaum-Material mit einem Feststoffgehalt von 4% bis ca. 35% besteht.

7. Brennstoffzellenanordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche der porösen Struktur (4a, 4b) eben ist.

8. Brennstoffzellenanordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Anode (1) und/oder Kathode (2) als Schicht auf der die Stromkollektoren (4a, 4b) bildenden porösen Struktur vorgesehen sind.

9. Brennstoffzellenanordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass an der der jeweiligen Elektrode (1, 2) abgewandten Oberfläche der die Stromkollektoren (4a, 4b) bildende porösen Struktur Strömungswege zum Führen von Brenngas und/oder Kathodengas in Form von Kanälen (18) vorgesehen sind.

10. Brennstoffzellenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Separatorplatten (4) zwischen den Stromkollektoren (4a, 4b) benachbarter Brennstoffzellen (12) angeordnete ebene Separatorbleche (4c) enthalten.

11. Brennstoffzellenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die durch die stirnseitigen Enden der Dichtungselemente (20, 21) gebildeten Dichtflächen (26, 27) senkrecht auf Dichtflächen (30, 33) der Gashauben (28, 31) aufstehen.

12. Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die durch die stirnseitigen Enden der Dichtungselemente (20, 21) gebildeten Dichtflächen (26, 27) im wesentlichen bündig mit der Seitenfläche des Brennstoffzellenstapels (10) enden.

13. Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtflächen (30, 33) durch eine zwischen dem Brennstoffzellenstapel (10) und der Gashaube (28, 31) angeordnete Gashaubendichtung (29, 32) gebildet sind.

14. Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Gashaubendichtung (29, 32) durch ein mit Elektrolyt getränktes keramisches Vliesmaterial oder keramisches Papier gebildet ist.

15. Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Gashaubendichtung (29, 32) seitlich über den Brennstoffzellenstapel (10) übersteht.

16. Brennstoffzellenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass an den Anodeneingängen (13) und an den Anodenausgängen (14) der Brennstoffzellen (12) gegen die durch die stirnseitigen Enden der Dichtungselemente (20, 21) gebildeten Dichtflächen (26, 27) abgedichtete Gashauben (28, 31) vorgesehen sind, und dass eine an den Kathodeneingängen (15) und/oder an den Kathodenausgängen (16) der Brennstoffzellen (12) vorgesehen Gashaube (32) gegen die an den Anodeneingängen (13) und an den Anodenausgängen (14) vorgesehenen Gashauben (28, 31) abgedichtet ist.

17. Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Kathodengashaube (32) an den Enden des Brennstoffzellenstapels (10) gegen dort angebrachte Endplatten (6, 7) abgedichtet ist.