DE10124853A1 - Fuel cells are stacked within metal housing that provides a gas tight seal - Google Patents

Fuel cells are stacked within metal housing that provides a gas tight seal

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Abstract

The unit has a sealed housing (6) in which there is a stack of fuel cells (1). During operation the cells are fed with gases that enter and exits through ports (4). Generated electrical current is taken off through terminals (3). The housing is produced from metal plates that are laser welded to provide a gas tight seal.

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a fuel cell according to the preamble of claim 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 fuel cells mostly gaseous fuels, such as. B. hydrogen and carbon monoxide through controlled combustion with process air or process oxygen converted into electrical power. Upstream reform stages can generate these fuels in gas form.

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. In the fuel cell, fuel and oxygen are separated from a cathode or fed to an anode, atomized and ionized on appropriate catalysts. The separating medium between anode and cathode is an electron that conducts ions impermeable electrolyte, specific for the respective fuel cell type. at Ion flow from the anode to the cathode or vice versa can be done via an external Electrical power circuit can be tapped. The typical cell voltage an individual fuel cell element is in the range of approximately 1.1 V. (here: hydrogen / atmospheric oxygen operation). To dissipate higher voltages too can, several such individual fuel cells must be in series with each other are switched, with so-called bipolar plates between adjacent individual cells be added, on the one hand, for the electrical contact between the individual Cells and on the other hand a uniform distribution of the reactants ga antee.  

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.The tightness of a fuel cell sta is a constructive problem pels, especially if the fuel cell is high temperature fuel cell (for example SOFC = Solid Oxide Fuel Cell). In this case The seals of the stack must have temperatures in the range of 800 ° C and above endure about. In addition, the seals between the high operating temperature temperature and the ambient temperature can be thermally cycled.

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.For the serial application of fuel cells it is important that out of the cells system cannot emit toxic or flammable gases. Tried so far one therefore gases from leaks from fuel cell systems into an afterburner to control, which results in very complex system designs. This measure men may be acceptable for stationary applications, for use in the automotive field, where stronger mechanical loads occur However, such systems can hardly be used.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Brennstoffzelle anzugeben, die eine für den fahrzeugtechnischen Bereich notwendige Robustheit aufweist.The object of the present invention is to provide a fuel cell which has a has the necessary robustness for the vehicle technology area.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst.This object is achieved by the features mentioned in claim 1.

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.An essential idea in the present invention is to provide the required Ro Bustiness for the automotive application by using a gas tight container, which consists in particular of metal. In the Using metals for the container can create individual panels at the corners or edges to achieve gas tightness z. B. be brazed. In the area the necessary openings in the housing, at which, for example, the Versor supply lines for fuel and process air, as well as the electrical contacts are passed through, high-temperature seals can preferably be used be a shift in the corresponding lines and connections made possible. In this way it is possible for the fuel cell stack to get rich extension of the connections.

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.Under certain circumstances, high-temperature fuel cells are only available from a certain level temperatures operational. If the fuel cells are not operated, then comes  there is a rapid cooling, which opposes a quick reinsertion stands. To improve the thermal budget in the fuel cell system insulation between the stack of fuel cell Single cells and the housing. With this measure, the stack (also Stack called) are insulated in a special way, so that dead times can be reduced during operation of the fuel cell. Since it is also required that the fuel cell stack is never electrically conductive with a metal one If the housing comes into contact, a metal housing should ge, electrical insulation. Furthermore, it should be avoided that larger amounts of flammable gases between the fuel cell stack and accumulate the insulation. For this reason, the insulation of the outer Shape of the fuel cell stack to be well adapted, this also being sufficient enough space for thermal expansion.

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.According to a further embodiment of the invention, essentially all Sensors used to measure temperature, pressure or other process sizes are necessary, or the necessary feed and discharge lines as possible via the supply and discharge lines (mostly pipes with internal cavities) for the individual process gas flows into the stack. This can minimize the points to be sealed. To reduce chilling one fuel cell that is not currently being operated, it is also advantageous, at least one Foil inside the container, in particular between a metal casing and provide thermal insulation that has the properties that Reduce heat loss by reflecting the heat rays.

Ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird nachfolgend mit Bezug auf die beiliegenden Figuren näher erläutert. Die Figuren zeigen inAn embodiment of the present invention is described below with reference to FIG the accompanying figures explained. The figures show in

Fig. 1 eine schematische Schnittdarstellung durch eine erfindungsgemäße Brennstoffzelle, Fig. 1 is a schematic sectional view through a fuel cell according to the invention,

Fig. 2 eine Draufsicht auf die Ausführungsform gemäß Fig. 1 und Fig. 2 is a plan view of the embodiment of FIGS. 1 and

Fig. 3 eine Teilschnittansicht durch eine Seitenwand des Gehäuses der Brenn­ stoffzelle aus Fig. 1. Fig. 3 is a partial sectional view through a side wall of the housing of the fuel cell material in 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.In Fig. 1, a fuel cell according to the invention is shown, which comprises a stack of individual fuel cells 1. When operating the fuel cells, these individual cells are supplied with process gases, which are supplied via supply and discharge channels 2 (see arrows for flow direction). The current generated by the fuel cell is discharged via electrical connections 3 .

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.The fuel cell stack 1 is received in a housing 5 , which consists of metal and is gas-tight. For this purpose, individual, adjacent metal plates are brazed together at their corners and edges. Alternatively, a gas-tight connection of various plates can also be achieved in another way, for example by welding, in particular laser welding. At the breakthroughs of the supply and discharge channels, that is to the connection lines 4 , 3 high-temperature seals are used, as are the openings for the electrical connections. For the implementation of electrical lines through housing walls, it is advantageous to choose seals that also ensure electrical insulation to the housing. The seals also allow a slight displacement of the lines 4 and connections 3 in the axial direction, so that an expansion of the fuel cell stack 1 is ensured in the direction of the connections.

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. In FIG. 2, which shows a top view of the fuel cell from FIG. 1, the inlet and outlet channels 4 can be seen next to the upper part of the housing 5 . These are shown for the upper side of the fuel cell with a solid line, for the underside of the fuel cell with a dotted line. The present embodiment corresponds to a design of the fuel cell with a cross-flow mode of operation. Alternatively, the present sealing concept can also be applied to fuel cells that work according to the countercurrent or cocurrent principle. Furthermore, there is the possibility that the connections or lines can also be introduced into the housing from the side. The positioning of the electrical connections 3 in the present embodiment can be seen in the figures.

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.Insulation 7 is arranged on the inside of the metallic housing, which simultaneously represents vorlie thermal and electrical insulation. On the one hand, this ensures that the fuel cell stack 1 never comes into conductive contact with the metallic housing. On the other hand, rapid cooling of the fuel cell after fuel cell operation is prevented.

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.An expansion gap is provided between the insulation 7 and the fuel cell stack 1 , which allows the fuel cell stack to expand. However, the expansion gap does not necessarily have to be present.

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.As shown in FIG. 3, foils 9 can also be arranged between the metallic housing 5 and the insulation 7 . These foils reflect the heat radiation back with a certain proportion, so that the heat loss via heat radiation is reduced. This also helps to reduce the Auskühlge speed.

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.Overall, with the present fuel cell sealing concept, a ver reduced demands on the sealing quality of the stack seals. It So the entire stack with high quality seals is no longer necessary equip, since a small leakage in the metal housing is tolerable. about this is increased by the gas-tight housing, in particular by the metallic trained housing, the robustness of the fuel cell. So that can Risk of leakage of toxic or flammable gases with larger mechanical Loads or accidents are avoided as far as possible. Furthermore, the preferably thermal insulation a quick re-usability of the system tems.

Ein weiterer Vorteil des vorliegenden Dichtungskonzeptes liegt darin, dass die Aus­ dünstung von Kohlenwasserstoffen weitgehend unterdrückt wird.Another advantage of the present sealing concept is that the out vaporization of hydrocarbons is largely suppressed.

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.1. Fuel cell comprising a stack of fuel cell elements (single cells) ( 1 ) which is accommodated in a housing ( 5 ), supply and discharge lines ( 4 ) for process gases and electrical connections ( 3 ), characterized in that the housing ( 5 ) is designed as a gas-tight container. 2. Brennstoffzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (5) aus Metall besteht.2. Fuel cell according to claim 1, characterized in that the housing ( 5 ) consists of metal. 3. Brennstoffzelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweils zwei aneinandergrenzende Teile des Gehäuses (5) verlötet, insbesondere hartverlötet, oder verschweißt, insbesondere laserverschweißt, sind.3. Fuel cell according to claim 2, characterized in that the two adjacent parts of the housing ( 5 ) are soldered, in particular hard-soldered, or welded, in particular laser-welded. 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.4. Fuel cell according to one of claims 1 to 3, characterized in that the supply and discharge lines ( 4 ) and / or the electrical connections ( 3 ) are guided through openings in the housing ( 5 ), with the passage of the supply or discharge lines ( 4 ) or the electrical connections ( 3 ) through the housing ( 5 ) high-temperature seals are used. 5. Brennstoffzelle nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Hochtemperaturdichtungen als elektrische Isolierung dienen.5. Fuel cell according to claim 4, characterized, that the high temperature seals serve as electrical insulation. 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.6. Fuel cell according to one of the preceding claims, characterized in that thermal insulation ( 7 ) is arranged between the stack of individual fuel cells ( 1 ) and the housing ( 5 ). 7. Brennstoffzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (5) an seiner Innenseite eine elektrische Isolierung auf­ weist.7. Fuel cell according to one of the preceding claims, characterized in that the housing ( 5 ) has electrical insulation on its inside. 8. Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Isolierung (7) gleichzeitig als elektrische Isolierung wirkt.8. Fuel cell according to one of claims 6 or 7, characterized in that the thermal insulation ( 7 ) simultaneously acts as electrical insulation. 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.9. Fuel cell according to one of the preceding claims, characterized in that within the housing ( 5 ), in particular between the housing ( 5 ) and a thermal insulation ( 7 ) at least one film ( 9 ) is arranged, which reduce the heat loss through radiation. 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.10. Fuel cell according to one of the preceding claims, characterized, that sensors or electrical connections for sensors to detect the Temperature, pressure or other process variables through the supply and Derivatives of the process gases are passed through.
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