DE10057071A1 - Brennstoffzellenanlage - Google Patents

Abstract

Eine bekannte Brennstoffzellenanlage besteht aus einem Stapel Brennstoffzellen (Stack) mit jeweils wenigstens einer Membran-Elektroden-Einheit (MEA) und zugehöriger bipolarer Platten. Zur Verbesserung der Gebrauchseigenschaften ist die MEA (10, 20) mit Bipolarplatten (15; 21, 22) als selbsttragende Einheit aufgebaut. Eine solche Einheit ist für eine PEM-Brennstoffzelle, insbesondere HT-PEM-Brennstoffzelle, geeignet.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Brennstoffzellenanlage mit wenigstens einer Brennstoffzelle, enthaltend wenigstens eine Membranelektrodeneinheit mit zugehöriger Bipolarplatte.

Brennstoffzellenanlagen sind mit unterschiedlich ausgebilde­ ten Brennstoffzellen vom Stand der Technik bekannt. Aus ein­ zelnen Brennstoffzelleneinheiten zur Generierung einer Ele­ mentarspannung wird üblicherweise ein Stapel von Brennstoff­ zellen aus elektrisch hintereinandergeschalteten Einheiten gebildet, der in der Fachterminologie auch als sogenanntes Stack bezeichnet wird.

Wesentlicher Bestandteil einer einzelnen Brennstoffzellenein­ heit ist eine Membran-Elektroden-Einheit, die sog. MEA (Memb­ rane Electrode Assembly), an der die chemische Umsetzung zur Generierung der elektrischen Spannung erfolgt. Die Membran- Elektroden-Einheiten werden jeweils zwischen zwei sog. Strom­ kollektoren eingebaut, die auch als Kollektorbleche oder ins­ besondere als Bipolarplatten bezeichnet werden.

Diese Bipolarplatten haben zwei Aufgaben, nämlich den elekt­ rischen Strom zu sammeln und die Gase an die MEA zu führen. Zur Erfüllung der ersten Aufgabe müssen die Bipolarplatten mit der jeweiligen Elektrode der MEA über die gesamte Fläche der Elektrode in innigem Kontakt stehen. Zur Erfüllung der zweiten Aufgabe haben die Bipolarplatten Gasführungskanäle, mit denen das Brenngas und das Oxidans an die jeweils geeig­ nete Stelle der Elektrode gebracht wird. Weiterhin ist eine Kühlung der MEA's vorzusehen. Dazu sind beispielsweise in die Bipolarplatten Kühlkanäle eingebracht. Es können aber auch eigene Kühlplatten oder sog. Kühlkarten vorgesehen sein, die zwischen zwei Bipolarplatten gestapelt werden.

Nach dem Stand der Technik sind zwei Ausführungsformen sol­ cher Anordnungen bekannt. In der einen Form bilden die MEA's und die Bipolar- und Kühlplatten getrennte Einheiten, die erst beim Zusammenbau eines Zellstapels abwechselnd aufeinan­ der geschichtet werden. Bei der zweiten Form bilden die MEA's mit den Bipolarplatten eine komplette Einheit, die als Zelle bezeichnet wird, und die abwechselnd mit Kühlplatten gesta­ pelt werden.

In beiden Aufbauformen ist der innige Kontakt zwischen Bipo­ larplatte und jeweiliger Elektrode nicht gewährleistet. Übli­ cherweise werden beim Zusammenbau der Zellen zu einem Stack Maßnahmen getroffen, einen Anpressdruck zu erzeugen, der die Bipolarplatten in innigen Kontakt mit der MEA bringt. Eine beispielhafte Maßnahme besteht in der Verwendung von massiven Endplatten, zwischen denen der Stapel aus MEA's und Bipolar­ platten mittels Zugankern zusammen gepreßt wird. Diese Maß­ nahmen und insbesondere die versatzfreie Schichtung der ein­ zelnen Brennstoffzelleneinheiten und Platten zu einem Stack sind kompliziert und dadurch aufwendig.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen vereinfachten Auf­ bau einer Brennstoffzelleneinheit für eine Brennstoffzellen­ anlage zu schaffen.

Die Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die Merkmale des Pa­ tentanspruches 1 gelöst. Weiterbildungen sind in den Unteran­ sprüchen angegeben.

Mit der Erfindung ist eine selbsttragende Einheit aus Memb­ ran-Elektroden-Einheit und zugehöriger MEA geschaffen. Der Aufbau eines kompletten Stacks für eine Brennstoffzellenanla­ ge wird somit vereinfacht.

Bei der Erfindung kann die selbsttragende Einheit durch Ver­ klammerung einer einzigen MEA mit der bipolaren Platte gebil­ det sein. Es ist auch möglich, zwei MEA's durch geeignete Verbindungstechnik von Kollektorblechen als Zwischenelemente zu einer selbsttragenden Einheit auszubilden.

Bei der Erfindung sind hinreichende Anpressdrücke durch Aus­ bildung einer Bipolarplatte in Form parallel angeordneter Stege, die auf der Membran-Elektroden-Einheit federnd auflie­ gen, gewährleistet. Zur elektrischen Kontaktierung mit der Membran-Elektroden-Einheit sind die Stege mit den Elektroden der MEA's verbunden. Es ist möglich, durch eine geeignete Klebetechnik eine Verbesserung der elektrischen Verbindung zur Membran zu erreichen, sofern Klebepunkte auf die Membran gesetzt sind und daran die Stege angeklebt sind.

Vorteilhaft ist bei der Erfindung, dass wie bisher eine Viel­ zahl von MEA's einen Stapel als sogenanntes Stack bilden kön­ nen. Die Stabilität ist dabei von vorneherein durch die Er­ findung gewährleistet. Der gesamte Stack kann aber in einem äußeren Rahmen gehaltert sein, in dem die Mittel zur Medien- und elektrischen Versorgung untergebracht sind.

Die Erfindung wird bei der sog. PEM-Brennstoffzelle angewen­ det. Insbesondere bei der HT-PEM-Brennstoffzelle hat die Er­ findung besondere Vorteile, da hier bei den höheren Betriebs­ temperaturen der Leitungsmechanismus der Membran unabhängig von Wasser ist und das Produktwasser den Stack gasförmig ver­ lässt. Dadurch ist es möglich, auf der der Luft zugewandten Seite der MEA auf die Gasführungskanäle zu verzichten und die Bipolarplatte in Form von parallelen Stegen auszubilden, was ein Selbstatmen der Zelle ermöglicht.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung eines Ausführungs­ beispieles in Verbindung mit den Patentansprüchen. Es zeigen

Fig. 1 eine perspektivische Darstellung einer mit einer Bi­ polarplatte verklammerten Membranelektrodeneinheit,

Fig. 2 im Schnitt einen Teilbereich von zwei einzelnen Memb­ ran-Elektroden mit dazwischengefügten Kollektorflä­ chen zur selbsttragenden Ausbildung und

Fig. 3 mehrere gestapelte Brennstoffzellen mit Membranelekt­ rodeneinheiten gemäß Fig. 2, wobei ein äußerer Rah­ men zusätzlich Mittel zur Stabilitätserhöhung vorhan­ den ist.

Fig. 2 stellt einen Ausschnitt aus Fig. 3 dar. Gleiche bzw. gleichwirkende Elemente haben gleiche Bezugszeichen. Die Fi­ guren werden nachfolgend teilweise gemeinsam geschrieben.

In den Figuren sind einzelne Membranelektrodeneinheiten mit 10 oder 20 bezeichnet. Jede als sogenannte MEA (Membrane Electrode Assembly) bezeichnete Einheit besteht aus einer ge­ eigneten Polymermembran, die auf beiden Seiten mit Katalysa­ tormaterial und metallischen Elektroden versehen ist. Solche MEA's 10 oder 20 sind vom. Stand der Technik bekannt und bil­ den den Kern einer Brennstoffzelle, insbesondere einer soge­ nannten PEM (Polymer Electrolyte Membran)-Brennstoffzelle. Ei­ ne Vielzahl solcher MEA's sind zu einem Brennstoffzellensta­ pel zusammengefasst, der in der Fachterminologie auch als Brennstoffzellenstack bezeichnet wird.

In Fig. 1 ist eine einzige MEA, auf deren Aufbau hier nicht weiter eingegangen wird, mit 10 bezeichnet. Auf der einen Seite der MEA 10 befindet sich eine bipolare Platte 15, die Gasführungskanäle 16 einerseits und Kühlkanäle 17 anderer­ seits hat.

Soweit ist eine einzelne Brennstoffzelleneinheit bekannt. Beim Stand der Technik wird eine Vielzahl solcher Einheiten zu einem Stapel geschichtet, mit Endplatten versehen und mit einem Zuganker so verspannt, dass eine geeignete Verbindung erreicht ist. Ein derartiger Aufbau wird auch kurz als Stack bezeichnet.

In Fig. 1 ist zur mechanischen Verklammerung von MEA 10 und bipolarer Platte 15 ein Metallrahmen 1 vorhanden, der beide Teile umgreift und auf der freien Seite der MEA mit paralle­ len Stegen 5 im Abstand versehen ist. Durch die einzelnen Stege 5 wird der elektrische Kontakt und ein hinreichender Druck auf die aus MEA 10 und bipolarer Platte 15 gebildeter Einheit ausgeübt. Zur elektrischen Isolation sind auf der In­ nenseite des Metallrahmens Isolierungen 8 gegenüber der Bipo­ larplatte 15 angebracht. Insbesondere die einzelnen Stege 5 lassen sich somit mit der bipolaren Platte der nächsten Brennstoffzelle kontaktieren.

In der Fig. 2 ist zwischen zwei MEA's 20 und 20' ein mecha­ nischer Aufbau vorhanden, das aus zwei metallischen, wellen­ förmigen Bauteilen 21, 22 gebildet ist, die an den Wellenma­ xima miteinander verbunden sind. Die Verbindung der wellen­ förmigen Bauteile 21 und 22 kann durch Vernieten, Verlöten oder Verschweißen oder aber auch durch Kleben erfolgen. Gege­ benenfalls ist auch ein Stapeln hinreichend, wenn an den Au­ ßenbereichen der Elemente 21, 22 eine Fixierung erfolgt.

Durch die Verbindung der wellenförmigen Bauteile 21 und 22 untereinander und die Befestigung an den Elektroden der MEA's 20 bzw. 20' werden Kollektorbleche mit Kühlkanälen 24 einer­ seits und Gaszuführungskanäle 26 gebildet, welche zum Betrieb der Brennstoffzelleneinheit notwendig sind. Es wird somit die Funktion der bipolaren Platte realisiert.

Bei dem Aufbau gemäß Fig. 2 ist also ebenfalls eine mecha­ nisch stabile Baueinheit gebildet. Da der Aufbau sich zwi­ schen zwei MEA's befindet, können die Stabilitätseigenschaf­ ten auf die beiden MEA's 20 und 20' übertragen werden. An der jeweils anderen Seite der MEA 20 bzw. 20' ist wiederum - ent­ sprechend Fig. 1 - eine Anzahl paralleler Stege 25 vorhan­ den, die mit den Elektroden der MEA's 20 und 20' mechanisch und elektrisch verbunden sind. Dafür kommt insbesondere ein leitfähiger Kleber in Frage.

Es ist möglich, durch eine geeignete Klebetechnik die MEA's 20 und 20' mit dem stabilen mechanischen Abstandselement zu verkleben. Es ist aber auch möglich, die MEA's 20 und 20' mittels zweier Bipolarplatten mit federnden Stegen an den Ab­ standshalter zu pressen. In beiden Fällen ist eine selbsttra­ gende Brennstoffzelleneinheit gebildet, was für die Praxis erhebliche Vorteile mit sich bringt.

Es ist aber nicht zwingend nötig, wie in Fig. 2 dargestellt, auf beiden Seiten des Abstandshalters eine MEA 20 bzw. 20' zu befestigen. Es kann auch nur auf einer Seite eine MEA 20 an­ gebracht sein, die beispielsweise mit federnden Stegen gegen den Abstandshalter gepresst wird.

In der Fig. 3 ist gezeigt, dass eine Vielzahl von Einheiten entsprechend Fig. 2 mit einem äußeren Rahmen 30 gestapelt sind und so eine komplette Brennstoffzellenanlage bilden. Da­ für können vorteilhafterweise Stabilitätsmaßnahmen vorhanden sein, beispielsweise als äußere Spange 35 mit innenseitigen Nuten zur Aufnahme der einzelnen Einheiten. Allerdings hat der äußere Rahmen 30 lediglich Dichtfunktionen und elektri­ sche Stromübertragungsfunktionen. Er wird nicht wie beim Stand der Technik als Träger- und Verspannelement benötigt.

Bei der anhand Fig. 2 beschriebenen selbst tragenden Anord­ nung kann eine einzelne Einheit Abmessungen von beispielswei­ se jeweils 12 in der Höhe und Breite und 1 cm in der Tiefe bzw. Dicke haben. Dabei sind Abweichungen möglich, beispiels­ weise bei der erstgenannten Abmessung zwischen 10 und 20 mm und bei der zweitgenannten Abmessung zwischen 0,5 bis 2 cm. Der aus den einzelnen Einheiten gebildete Brennstoffzellen­ stapel kann nach Art eines Kühlers aufgebaut sein.

Wie bereits erwähnt, ist die beschriebene Anordnung geeignet, PEM-Brennstoffzellen als Brennstoffzellenmodule praxisgerecht zu realisieren. Sie ist insbesondere für den Einsatz bei der Hochtemperatur-Polymer-Elektrolyt-Membran (HT-PEM)-Brenn­ stoffzelle), bei der die Betriebstemperatur zwischen 60 und 300°C, insbesondere zwischen 120 und 200°C, liegt, vorgese­ hen.

Claims (12)

1. Brennstoffzellenanlage mit wenigstens einer Brennstoffzel­ le, enthaltend wenigstens eine Membran-Elektroden-Einheit (MEA) und zugehörige Bipolarplatte, dadurch ge­ kennzeichnet, dass die Membran-Elektroden-Ein­ heit (10, 20) mit der Bipolarplatte (5, 15; 21, 22, 25) eine selbsttragende Einheit bildet.

2. Brennstoffzellenanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine einzige Membran- Elektroden-Einheit (MEA 10) und eine einzige Bipolarplatte (15) mechanisch verklammert sind und die selbsttragende Ein­ heit bilden.

3. Brennstoffzellenanlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die mechanische Verklam­ merung ein Metallrahmen (1) ist, der Isolierelemente (8) zur elektrischen Isolierung gegen die bipolare Platte (15) auf­ weist.

4. Brennstoffzellenanlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Metallrahmen (1) Stege (5) zur Gewährleistung eines hinreichenden Anpressdru­ ckes der Verklammerung zwischen Bipolarplatte (15) und Memb­ ranelektrodeneinheit (10) mit Elektroden aufweist.

5. Brennstoffzellenanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Membran-Elektroden- Einheiten (MEA's 20 und 20') mit dazwischenliegenden Kollek­ torblechen (21, 22) mechanisch und elektrisch verbunden sind und die selbsttragende Einheit bilden.

6. Brennstoffzellenanlage nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die freie Seite der Membranelektroden-Einheiten (MEA 20 und 20') Stege (25) zur Stromerfassung aufweist.

7. Brennstoffzellenanlage nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vielzahl Membran-Elektroden-Einheiten (MEA's 10; 20, 20', . . .) mit zugehörigen Bipolarplatten (15; 21, 22) ei­ nen Brennstoffzellen-Stapel bilden.

8. Brennstoffzellenanlage nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoffzellensta­ pel in einem äußeren Rahmen (30) gehaltert ist.

9. Brennstoffzellenanlage nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoffzellenstapel nach Art eines Kühlers aufge­ baut ist.

10. Brennstoffzellenanlage nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelne selbsttragende Einheit mit Abmessungen von 10 bis 20 cm in der Höhe und Breite, vorzugsweise etwa 12 cm, und 0,5 bis 2 cm in der Tiefe bzw. Dicke, vorzugsweise etwa 1 cm, ausgebildet ist.

11. Brennstoffzellenanlage nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, gekennzeichnet durch wenigstens ei­ ne PEM-Brennstoffzelle.

12. Brennstoffzellenanlage nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, gekennzeichnet durch wenigstens ei­ ne HT-PEM-Brennstoffzelle.