DE10124853A1 - Brennstoffzelle - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle, umfassend einen Stapel von Brennstoff-Einzelzellen, der in einem Gehäuse aufgenommen ist, sowie Zu- und Ableitungen für Prozessgase und elektrische Anschlüsse. DOLLAR A Zur Erhöhung der Robustheit der Brennstoffzelle wird vorgeschlagen, dass das Gehäuse als gasdichter Behälter ausgebildet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

In Brennstoffzellen werden zumeist gasförmige Brennstoffe, wie z. B. Wasserstoff und Kohlenmonoxid durch kontrollierte Verbrennung mit Prozessluft oder -sauerstoff in elektrische Leistung umgewandelt. Vorgeschaltete Reformierungsstufen können diese Kraftstoffe in Gasform erzeugen.

In der Brennstoffzelle werden Kraftstoff und Sauerstoff getrennt einer Kathode bzw. einer Anode zugeführt, an entsprechenden Katalysatoren atomisiert und ionisiert. Das Trennmedium zwischen Anode und Kathode ist ein onenleitender, elektrone­ nundurchlässiger Elektrolyt, spezifisch für den jeweiligen Brennstoffzellentyp. Bei Ionenfluss von der Anode zur Kathode oder umgekehrt kann über einen externen Stromkreis eine elektrische Leistung abgegriffen werden. Die typische Zellspannung eines einzelnen Brennstoffzellenelements liegt dabei im Bereich von etwa 1,1 V (hier: Wasserstoff/Luftsauerstoff-Betrieb). Um höhere Spannungen abführen zu können, müssen mehrere solcher Brennstoff-Einzelzellen in Reihe zueinander ge­ schaltet werden, wobei zwischen benachbarten Einzelzellen sog. Bipolarplatten ein­ gefügt werden, die zum einen für den elektrischen Kontakt zwischen den einzelnen Zellen sorgen und zum anderen eine gleichmäßige Verteilung der Reaktanden ga­ rantieren.

Ein konstruktives Problem bildet hierbei die Dichtigkeit eines Brennstoffzellensta­ pels, insbesondere, wenn es sich bei der Brennstoffzelle um eine Hochtemperatur­ brennstoffzelle (beispielsweise SOFC = Solid Oxid Fuel Cell) handelt. In diesem Fall müssen die Dichtungen des Stacks Temperaturen im Bereich von 800°C und dar­ über aushalten. Zudem müssen die Dichtungen zwischen der hohen Betriebstempe­ ratur und der Umgebungstemperatur thermisch zyklierbar sein.

Für die Serienanwendung von Brennstoffzellen ist es wichtig, dass aus dem Zellen­ system keine toxischen oder brennbaren Gase ausdringen können. Bisher versucht man daher, Gase aus Lecks von Brennstoffzellensystemen in einen Nachverbrenner zu lenken, was sehr komplexe Systemgestaltungen zur Folge hat. Diese Maßnah­ men sind möglicherweise für stationäre Anwendungen akzeptabel, für den Einsatz im kraftfahrzeugtechnischen Bereich, wo stärkere mechanische Belastungen auftre­ ten, sind solche Systeme jedoch kaum einsetzbar.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Brennstoffzelle anzugeben, die eine für den fahrzeugtechnischen Bereich notwendige Robustheit aufweist.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst.

Ein wesentlicher Gedanke bei der vorliegenden Erfindung ist es, die geforderte Ro­ bustheit für den fahrzeugtechnischen Anwendungsbereich durch Einsatz eines gas­ dichten Behälters, der insbesondere aus Metall besteht, zu gewährleisten. Bei der Verwendung von Metallen für den Behälter können einzelne Platten an den Ecken bzw. Kanten zur Herbeiführung der Gasdichtheit z. B. hartgelötet sein. Im Bereich der notwendigen Öffnungen des Gehäuses, an denen beispielsweise die Versor­ gungsleitungen für Kraftstoff und Prozessluft, sowie die elektrischen Kontaktierun­ gen hindurchgeführt sind, können bevorzugt Hochtemperaturdichtungen eingesetzt werden, die eine Verschiebung der entsprechenden Leitungen und Anschlüsse er­ möglicht. Auf diese Weise ist es für den Brennstoffzellenstapel möglich, sich in Rich­ tung der Anschlüsse auszudehnen.

Hochtemperaturbrennstoffzellen sind unter Umständen erst ab bestimmten Betriebs­ temperaturen einsatzfähig. Werden die Brennstoffzellen nicht betrieben, so kommt es zu einer raschen Abkühlung, die einer schnellen Wiedereinsetzbarkeit entgegen­ steht. Zur Verbesserung des thermischen Haushaltes im Brennstoffzellensystem bietet sich daher eine Isolierung zwischen dem Stapel der Brennstoffzellen- Einzelzellen und dem Gehäuse an. Durch diese Maßnahme kann der Stapel (auch Stack genannt) in besonderer Weise wärmegedämmt werden, so dass Totzeiten beim Betrieb der Brennstoffzelle verringerbar sind. Da es im übrigen erforderlich ist, dass der Brennstoffzellenstapel niemals elektrisch leitend mit einem aus Metall be­ stehenden Gehäuse in Berührung kommt, sollte ein Metallgehäuse eine innenseiti­ ge, elektrische Isolierung aufweisen. Überdies sollte vermieden werden, dass sich größere Mengen von brennbaren Gasen zwischen dem Brennstoffzellenstapel und der Isolierung ansammeln. Aus diesem Grund sollte die Isolierungen der äußeren Form des Brennstoffzellenstapels gut angepasst sein, wobei dieser auch ausrei­ chend Platz zur thermischen Expansion haben soll.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung werden im wesentlichen alle Sensoren, die für die Erfassung der Temperatur, des Drucks oder anderer Prozess­ größen notwendig sind, bzw. die dafür erforderlichen Zu- und Ableitungen möglichst über die Zu- und Ableitungen (meist Rohre mit inneren Hohlräumen) für die einzel­ nen Prozessgasströme in den Stack eingebracht. So kann eine Minimierung der abzudichtenden Stellen erreicht werden. Zur Verringerung der Auskühlung einer gerade nicht betriebenen Brennstoffzelle ist es überdies von Vorteil, zumindest eine Folie innerhalb des Behälters, insbesondere zwischen einer Metallummantelung und einer thermischen Isolierung vorzusehen, die die Eigenschaften aufweisen, den Wärmeverlust durch Reflexion der Wärmestrahlen zu reduzieren.

Ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird nachfolgend mit Bezug auf die beiliegenden Figuren näher erläutert. Die Figuren zeigen in

Fig. 1 eine schematische Schnittdarstellung durch eine erfindungsgemäße Brennstoffzelle,

Fig. 2 eine Draufsicht auf die Ausführungsform gemäß Fig. 1 und

Fig. 3 eine Teilschnittansicht durch eine Seitenwand des Gehäuses der Brenn­ stoffzelle aus Fig. 1.

In Fig. 1 ist eine erfindungsgemäße Brennstoffzelle dargestellt, die einen Stapel aus Brennstoffeinzelzellen 1 aufweist. Beim Betrieb der Brennstoffzellen werden diese Einzelzellen mit Prozessgasen versorgt, die über Zu- und Ableitungskanäle 2 (vgl. Pfeile für Strömungsrichtung) versorgt werden. Der von der Brennstoffzelle erzeugte Strom wird über elektrische Anschlüsse 3 abgeführt.

Der Brennstoffzellenstapel 1 ist vorliegend in einem Gehäuse 5 aufgenommen, wel­ ches aus Metall besteht und gasdicht ist. Zu diesem Zweck sind einzelne, aneinan­ derliegende metallische Platten an ihren Ecken und Kanten miteinander hartverlötet. Alternativ kann auch auf andere Weise eine gasdichte Verbindung von verschiede­ nen Platten erreicht werden, beispielsweise durch Schweißen, insbesondere Laser­ schweißen. An den Durchbruchstellen der Zu- und Ableitungskanäle, also der An­ schlussleitungen 4 sind ebenso wie bei den Durchbrüchen für die elektrischen An­ schlüsse 3 Hochtemperaturdichtungen eingesetzt. Für die Durchführung von elektri­ schen Leitungen durch Gehäusewände ist es vorteilhaft, Dichtungen zu wählen, die auch eine elektrische Isolation zum Gehäuse sicherstellen. Die Dichtungen erlauben überdies eine geringfügige Verschiebung der Leitungen 4 und Anschlüsse 3 in de­ ren Axialrichtung, so dass eine Ausdehnung des Brennstoffzellenstapels 1 in Rich­ tung der Anschlüsse gewährleistet ist.

In Fig. 2, die eine Draufsicht auf die Brennstoffzelle aus Fig. 1 darstellt, sind neben dem oberen Teil des Gehäuses 5 die Zu- und Ableitungskanäle 4 zu erkennen. Die­ se sind für die obere Seite der Brennstoffzelle mit durchgezogener Linie, für die Un­ terseite der Brennstoffzelle mit punktierter Linie dargestellt. Die vorliegende Ausfüh­ rungsform entspricht einer Auslegung der Brennstoffzelle mit einer Kreuzstrom- Betriebsweise. Alternativ ist das vorliegende Dichtungskonzept auch auf Brennstoff­ zellen anwendbar, die nach dem Gegenstrom- oder Gleichstromprinzip arbeiten. Überdies besteht die Möglichkeit, dass die Anschlüsse oder Leitungen auch von der Seite her in das Gehäuse eingebracht werden. In den Figur ist die Positionierung der elektrischen Anschlüsse 3 bei der vorliegenden Ausführungsform zu erkennen.

Innenseitig des metallischen Gehäuses ist eine Isolierung 7 angeordnet, die vorlie­ gend gleichzeitig thermische und elektrische Isolierung darstellt. Zum einen wird damit erreicht, dass der Brennstoffzellenstapel 1 nie leitend mit dem metallischen Gehäuse in Berührung kommt. Zum anderen wird ein schnelles Auskühlen der Brennstoffzelle nach einem Brennstoffzellenbetrieb verhindert.

Zwischen der Isolierung 7 und dem Brennstoffzellenstapel 1 ist ein Expansionsspalt vorgesehen, der eine Ausdehnung des Brennstoffzellenstapels gestattet. Der Ex­ pansionsspalt muss jedoch nicht zwangsläufig vorhanden sein.

Wie in Fig. 3 dargestellt ist, können zwischen dem metallischen Gehäuse 5 und der Isolierung 7 noch Folien 9 angeordnet sein. Diese Folien reflektieren die Wärme­ strahlung mit einem bestimmten Anteil zurück, so dass der Wärmeverlust über Wärmestrahlung reduziert wird. Auch dies trägt zur Verminderung der Auskühlge­ schwindigkeit bei.

Insgesamt muss mit dem vorliegenden Brennstoffzellendichtungskonzept eine ver­ minderte Anforderung an die Dichtqualität der Stackdichtungen gestellt werden. Es ist also nicht mehr notwendig, den gesamten Stack mit hochqualitativen Dichtungen auszustatten, da eine geringe Leckage in das Metallgehäuse tolerierbar ist. Über­ dies erhöht sich durch das gasdichte Gehäuse, insbesondere durch das metallisch ausgebildete Gehäuse, die Robustheit der Brennstoffzelle. Damit kann auch die Austrittsgefahr von toxischen oder brennbaren Gasen bei größeren mechanischen Belastungen oder Unfällen möglichst vermieden werden. Überdies gewährleistet die vorzugsweise thermische Isolierung eine schnelle Wiedereinsetzbarkeit des Sys­ tems.

Ein weiterer Vorteil des vorliegenden Dichtungskonzeptes liegt darin, dass die Aus­ dünstung von Kohlenwasserstoffen weitgehend unterdrückt wird.

Claims (10)

1. Brennstoffzelle umfassend einen Stapel von Brennstoffzellen-Elementen (Einzelzellen) (1), der in einem Gehäuse (5) aufgenommen ist, Zu- und Ableitungen (4) für Prozessgase und elektrische Anschlüsse (3), dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (5) als gasdichter Behälter ausgebildet ist.

2. Brennstoffzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (5) aus Metall besteht.

3. Brennstoffzelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweils zwei aneinandergrenzende Teile des Gehäuses (5) verlötet, insbesondere hartverlötet, oder verschweißt, insbesondere laserverschweißt, sind.

4. Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Zu- und Ableitungen (4) und/oder die elektrischen Anschlüsse (3) durch Öffnungen des Gehäuses (5) geführt sind, wobei beim Durchgang der Zu- oder Ableitungen (4) bzw. der elektrischen Anschlüsse (3) durch das Gehäuse (5) Hochtemperaturdichtungen verwendet sind.

5. Brennstoffzelle nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Hochtemperaturdichtungen als elektrische Isolierung dienen.

6. Brennstoffzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Stapel von Brennstoff-Einzelzellen (1) und dem Gehäu­ se (5) eine thermische Isolierung (7) angeordnet ist.

7. Brennstoffzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (5) an seiner Innenseite eine elektrische Isolierung auf­ weist.

8. Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Isolierung (7) gleichzeitig als elektrische Isolierung wirkt.

9. Brennstoffzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, innerhalb des Gehäuses (5), insbesondere zwischen dem Gehäuse (5) und einer thermischen Isolierung (7) zumindest eine Folie (9) angeordnet ist, die den Wärmeverlust durch Strahlung vermindern.

10. Brennstoffzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Sensoren oder elektrische Anschlüsse für Sensoren zur Erfassung der Temperatur, des Druckes oder anderer Prozessgrößen durch die Zu- und Ableitungen der Prozessgase hindurchgeführt sind.