DE102004016494B4

DE102004016494B4 - Brennstoffzellenanordnung

Info

Publication number: DE102004016494B4
Application number: DE102004016494A
Authority: DE
Inventors: Marc Dr. Bednarz; Marc Dr. Steinfort
Original assignee: MTU Onsite Energy GmbH
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2004-04-03
Filing date: 2004-04-03
Publication date: 2010-01-07
Anticipated expiration: 2024-04-04
Also published as: DE102004016494A1

Abstract

Brennstoffzellenanordnung mit einer Anzahl von in Form eines Stapels (9) angeordneten Brennstoffzellen (1), die eine Anodenhalbzelle (2), eine Kathodenhalbzelle (4) und eine dazwischen angeordnete Elektrolytmatrix (3) enthalten, und mit innerhalb des Brennstoffzellenstapels (9) vorgesehenen federnd elastischen Strukturen zum Ausgleichen von thermomechanischen Spannungen in Längsrichtung des Brennstoffzellenstapels (9), dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des Brennstoffzellenstapels (9) zwischen benachbarten Brennstoffzellen (1) Reformierzellen (8) vorgesehen sind, in welchen die federnd elastischen Strukturen (10) angeordnet sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzellenanordnung mit einer Anzahl von in Form eines Stapels angeordneten Brennstoffzellen, die eine Anodenhalbzelle, eine Kathodenhalbzelle und eine dazwischen angeordnete Elektrolytmatrix enthalten, und mit innerhalb des Brennstoffzellenstapels vorgesehenen federnd elastischen Strukturen zum Ausgleichen von thermomechanischen Spannungen in Längsrichtung des Brennstoffzellenstapels.
Bei Brennstoffzellen, insbesondere bei Schmelzkarbonatbrennstoffzellen, bei denen die Brennstoffzellen in Form eines Stapels angeordnet sind, entstehen insbesondere bei Lastwechselbetrieb oder nach längerer Betriebszeit häufig Kontaktprobleme im Inneren des Brennstoffzellenstapels, was zu Leistungseinbußen und/oder zum Versagen schlecht kontaktierter Zellen führen kann. Auslöser hierfür sind thermomechanische Veränderungen innerhalb des Stapels, die aufgrund mangelnder Elastizität bereichsweise zu einer ungenügenden Flächenpressung und damit einem schlechten elektrischen Kontakt zwischen einzelnen oder mehreren Brennstoffzellen führen.
Selbstverständlich sind dem Stand der Technik verschiedene Ansätze bekannt, die darauf abzielen, Elastizitäten im Brennstoffzellenstapel vorzusehen, um eine Spaltbildung bzw. einen schlechten Kontakt innerhalb des Brennstoffzellenstapels zu vermeiden.
So ist es beispielsweise aus der DE 690 22 244 T2 bekannt, die zum Kontaktieren von Anode bzw. Kathode der Brennstoffzellen dienenden Stromkollektoren elastisch auszubilden. Hierzu sind die aus einem ebenen Blech ausgestanzten Stromkollektoren mit einer Mehrzahl von Bögen versehen, welche an eine zwischen benachbarten Brennstoffzellen angeordnete Trennplatte anstoßen. Die planare Oberfläche der Kollektorplatte selbst stößt ihrerseits an die jeweils zu kontaktierende Elektrode an. Unter einer axialen Belastung des Brennstoffzellenstapels sorgen die solchermaßen ausgebildeten Stromkollektoren für einen federnd elastischen elektrischen Kontakt zwischen benachbarten Brennstoffzellen.
Aus der DE 195 17 451 A1 ist eine Brennstoffzellenanordnung mit Brennstoffzellen bekannt, die durch ein Drahtgewebematerial gebildete federnd elastische Stromkollektoren enthalten.
Aus der DE 195 17 443 C2 ist ein Stromkollektor für ein Brennstoffzelle bekannt, welcher durch eine dreidimensionale Struktur aus nahtlos mit Nickel plattierten Edelstahldraht gebildet ist.
Weiterhin ist aus der EP 0230 036 B1 eine Brennstoffzellenanordnung bekannt, bei der eine Anzahl von Brennstoffzellen in einem Brennstoffzellenstapel angeordnet sind. Zwischen benachbarten Brennstoffzellen sind Katalysatorkammern vorgesehen, welche mit einem Katalysatormaterial zum Zwecke der inneren Reformierung des Brenngases vorgesehen sind.
Schließlich ist aus der DE 43 40 153 C1 eine Brennstoffzellenanordnung mit einer Anzahl von in Form eines Stapels ange ordneten Brennstoffzellen bekannt, bei denen als Zwischenlage zwischen den Elektroden und den Bipolarplatten zur Herstellung eines verbesserten elektrischen Kontakts bei weniger exakter Oberflächengüte der Elektroden ein elektrisch leitendes, elastisches und gasdurchlässiges Kontaktkissen mit einer verformbaren Oberflächenstruktur vorgesehen ist. Dieses Kontaktkissen soll Unebenheiten an den Elektrodenoberflächen oder an anderen elektrischen Kontaktflächen ausgleichen. Als Füllung des Kissens ist ein elastischer Metallfilz oder ein Metallgewebe und als Bezug des Kissens ein Metallgewebe, -gestrick, -gewirk, ein Streckmetall oder ein perforiertes Blech oder dergleichen vorgesehen.
Aus der EP 0 925 613 B1 geht es als bekannt hervor, zur Verbindung zweier Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzellen ein Kontaktblech vorzusehen, das der Abstützung dient und auch dafür vorgesehen ist, die Abfuhr von Verlustwärme an ein durchströmendes Kühlmedium optimal zu gewährleisten.
Die Aufgabe der Erfindung ist es eine Brennstoffzellenanordnung der eingangs beschriebenen Art dahingehend weiterzubilden, dass diese auch bei Lastwechselbetrieb oder nach langer Betriebszeit unempfindlich gegen thermomechanische Veränderungen ist.
Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe gelöst durch eine Brennstoffzellenanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Brennstoffzellenanordnungen sind in den jeweiligen Unteransprüchen angegeben.
Durch die Erfindung wird eine Brennstoffzellenanordnung mit einer Anzahl von in Form eines Stapels angeordneten Brenn stoffzellen, die eine Anodenhalbzelle, eine Kathodenhalbzelle und eine dazwischen angeordnete Elektrolytmatrix enthalten, und mit innerhalb des Brennstoffzellenstapels vorgesehenen federnd elastischen Strukturen zum Ausgleichen von thermomechanischen Spannungen in Längsrichtung des Brennstoffzellenstapels geschaffen.
Gemäß der Erfindung ist es vorgesehen, dass innerhalb des Brennstoffzellenstapels zwischen benachbarten Brennstoffzellen Reformierzellen vorgesehen sind, in welchen die federnd elastischen Strukturen angeordnet sind.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Brennstoffzellenanordnung sind die federnd elastischen Strukturen durch mit einer Anzahl von federnd elastischen Elementen versehene plattenförmige Bleche gebildet.
Vorzugsweise sind die in den plattenförmigen Blechen vorgesehenen federnd elastischen Elemente durch in dem Blech ausgebildete federnd elastische Zungen gebildet.
Alternativ können die in den plattenförmigen Blechen vorgesehenen federnd elastischen Elemente durch in dem Blech ausgebildete federnd elastische Vorsprünge gebildet sein.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung können die federnd elastischen Zungen einen im wesentlichen rechteckigen Umriss haben und an einer Seite mit dem Blech verbunden und an den anderen drei Seiten von dem Blech abgetrennt sein.
Gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung können die federnd elastischen Vorsprünge durch allseits einstückig in das Blech übergehende Einprägungen gebildet sein.
Alternativ können die federnd elastischen Vorsprünge durch teilweise von dem Blech abgetrennte Einprägungen gebildet sein.
Die die federnd elastischen Strukturen enthaltenden Reformierzellen sind vorzugsweise nach jeweils mehreren Brennstoffzellen in dem Brennstoffzellenstapel angeordnet.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die die federnd elastischen Strukturen enthaltenden Reformierzellen nach jeweils acht bis zehn Brennstoffzellen in dem Brennstoffzellenstapel angeordnet.
Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung erläutert.
Es zeigt:
1 eine schematisierte Seitenansicht einer Brennstoffzellenanordnung mit einer Anzahl von in Form eines Stapels angeordneten Brennstoffzellen, wobei innerhalb des Brennstoffzellenstapels zwischen benachbarten Brennstoffzellen federnd elastische Strukturen enthaltende Reformierzellen oder federnd elastische Strukturen enthaltende separate Federzellen vorgesehen sind;
1b) einen vergrößerten Ausschnitt aus 1a) in einer detaillierteren Darstellung; und
2a) bis h) verschiedene Beispiele von federnd elastischen Elementen in der Seitenansicht und in der Draufsicht, wie sie in den federnd elastischen Strukturen der Reformierzellen bzw. der separaten Federzellen der erfindungsgemäßen Brennstoffzellenanordnung enthalten sein können.
In 1a) ist schematisiert in der Seitenansicht ein Teil einer Brennstoffzellenanordnung dargestellt, bei der eine Anzahl von Brennstoffzellen 1 in Form eines Brennstoffzellenstapels 9 vorgesehen sind.
Wie 1b) zeigt, in welcher deren Einzelheiten detaillierter dargestellt sind, umfasst jede Brennstoffzelle 1 eine Anodenhalbzelle 2, eine Kathodenhalbzelle 4 und eine dazwischen angeordnete Elektrolytmatrix 3, insbesondere eines Schmelzkarbonatelektrolyten. Die Anodenhalbzelle 2 enthält, nicht eigens dargestellt, die Anode der Brennstoffzelle und einen Anodenstromkollektor, welcher die Anode elektrisch kontaktiert und einen Strömungspfad für das Brenngas bildet, die Kathodenhalbzelle 4 enthält, ebenfalls nicht eigens dargestellt, die Kathode der Brennstoffzelle und einen Kathodenstromkollektor, der die Kathode kontaktiert und einen Strömungsweg für das oxidierende Gas bildet.
Innerhalb des Brennstoffzellenstapels 9 sind zwischen benachbarten Brennstoffzellen separate Federzellen 7 oder Reformierzellen 8 vorgesehen, in welchen federnd elastische Strukturen 10, die in 1b) schematisiert dargestellt sind, angeordnet sind. Diese federnd elastische Strukturen dienen dazu, thermomechanische Spannungen in Längsrichtung des Brennstoffzellenstapels 9 aufzufangen und auszugleichen. Solche thermomechanische Spannungen treten insbesondere beim Anfahren und Herunterfahren der Brennstoffzellen, beim Lastwechselbetrieb oder nach längerer Betriebszeit auf und können zu einer Verschlechterung des elektrischen Kontakts zwischen benachbarten Brennstoffzellen 1 führen.
Die federnd elastische Strukturen 10 können entweder in Reformierzellen 8 vorgesehen sein, oder sie können in eigens vorgesehenen separaten Federzellen 7 vorhanden sein. Im Falle einer Reformierzelle 8 enthält diese ein Katalysatormaterial für eine interne Reformierung des den Brennstoffzellen zuzuführenden Brenngases in einem endothermen Prozess unter Verwendung der im Brennstoffzellenstapel 9 entstehenden Reaktionswärme.
Die in den Reformierzellen 8 bzw. in den separaten Federzellen 7 vorhandenen federnd elastischen Strukturen 10 sind bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel mit einer Anzahl von federnd elastischen Elementen 12 versehene plattenförmige Bleche 11.
Verschiedene Ausführungsbeispiele der federnd elastischen Elemente 12 sind in 2a) bis h) dargestellt, nämlich in der Seitenansicht (oben) und in der Draufsicht (darunter).
Bei den Ausführungsbeispielen von 2a), b), c), d) und h) sind die in den plattenförmigen Blechen 11 vorgesehenen federnd elastischen Elemente 12 durch federnd elastische Zungen 12a; 12b; 12c; 12d; 12h vorgesehen, die in dem plattenförmigen Blech 11 ausgebildet sind. Die Zungen 12a; 12b; 12c; 12d; 12h können insbesondere durch Stanzen ausgebildet sein.
Wie die 2a), b), c), d) und h) zeigen, können die federnd elastischen Zungen 12a; 12b; 12c; 12d; 12h in unterschiedlicher Weise geformt sein:
Die Zunge 12a ist in ihrem Verlauf abgeknickt, auf eine schräge Rampe 12a' folgt ein Schenkel 12a'', welcher dem Blech 11 parallel beabstandet ist (2a)).
Die Zunge 12b besteht allein aus einer schrägen Rampe (2b))
Die Zungen 12c und 12d haben jeweils im Querschnitt eine geschwungene Form, wobei die Zungen 12d jeweils paarweise gegeneinander angeordnet sind (2c) bzw. 2d)).
Die Zunge 12h hat im Querschnitt ein kontinuierlich aufwärts gebogene Form mit einem mehr oder weniger gleichmäßigen Krümmungsradius (2h)).
Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen, die in den 2e), 2f) und 2g) gezeigt sind, können die in den plattenförmigen Blechen 11 vorgesehenen federnd elastischen Elemente 12 durch federnd elastische Vorsprünge 12e; 12f; 12g gebildet sein, die in dem Blech 11 ausgeformt sind. Die federnd elastischen Vorsprünge 12e; 12f; 12g können insbesondere durch Prägen und/oder Stanzen ausgebildet sein.
Bei dem Ausführungsbeispiel von 2e) sind die federnd elastischen Vorsprünge 12e durch Einprägungen gebildet, die allseits einstückig in das Blech 11 übergehen (2e)), wohingegen die federnd elastischen Vorsprünge 12f; 12g durch Einprägungen oder Ausstanzungen gebildet sind, die teilweise von dem Blech 11 abgetrennt sind (2f) bzw. 2g)).
Der federnd elastische Vorsprung 12f der 2f) hat in der Draufsicht eine Form, die im wesentlichen einer Parabel ähnelt, wobei die Strecke zwischen den beiden Parabelschenkeln vom Blech 11 abgetrennt ist. Auf diese Weise ergibt sich ein Vorsprung, wie er von einer Gurkenraspel bekannt ist.
Der federnd elastische Vorsprung 12g der 2g) ist sichelförmig in Form einer von dem Blech 11 aufsteigenden Rampe geschwungen, wobei das obere Ende der Rampe von dem Blech 11 abgetrennt ist.
Die verschiedenen dargestellten federnd elastische Vorsprünge haben unterschiedliche Federeigenschaften, die dazu verwendet werden können, um die in den Reformierzellen 8 bzw. in den separaten Federzellen 7 vorhandenen federnd elastischen Strukturen 10 mit einer unterschiedlichen Federhärte auszustatten.
So haben die in den 2a) bis d) gezeigten federnd elastischen Zungen 12a; 12b; 12c; 12d eine verhältnismäßig geringe Federhärte, so dass die damit gebildete federnd elastische Struktur 10 als ”weich” beschrieben werden kann. Die federnd elastische Zunge 12h der 2h) hat eine größere Federhärte, eine damit gebildete federnd elastische Struktur 10 würde von ”mittlerer” Härte sein. Die federnd elastischen Elemente 12e; 12f; 12g der 2e), f) und g) hätten die geringste Elastizität, damit gebildete federnd elastische Strukturen 10 würden als ”hart” bezeichnet werden.
Die federnd elastischen Zungen 12a; 12b; 12c; 12d; 12h haben in der Draufsicht einen im wesentlichen rechteckigen Umriss und sind an einer Seite mit dem Blech 11 verbunden und an den anderen drei Seiten von dem Blech 11 abgetrennt.
Die federnd elastischen Vorsprünge 12e sind durch allseits einstückig in das Blech 11 übergehende Einprägungen gebildet.
Die federnd elastischen Vorsprünge 12f; 12g sind durch teilweise von dem Blech 11 abgetrennte Einprägungen gebildet.
Die die federnd elastischen Strukturen 10 enthaltenden Reformierzellen 8 bzw. die die federnd elastischen Strukturen 10 enthaltenden separaten Federzellen 7 sind vorzugsweise nach jeweils mehreren, insbesondere nach jeweils acht bis zehn Brennstoffzellen 1 in dem Brennstoffzellenstapel 9 vorgesehen.

1: Brennstoffzelle
2: Anodenhalbzelle
3: Elektrolytmatrix
4: Kathodenhalbzelle
6: Bipolarblech
7: Federzelle
8: Reformierzelle
9: Brennstoffzellenstapel
10: federnd elastische Struktur
11: plattenförmiges Blech
12: federnd elastische Elemente

Claims

Brennstoffzellenanordnung mit einer Anzahl von in Form eines Stapels (9) angeordneten Brennstoffzellen (1), die eine Anodenhalbzelle (2), eine Kathodenhalbzelle (4) und eine dazwischen angeordnete Elektrolytmatrix (3) enthalten, und mit innerhalb des Brennstoffzellenstapels (9) vorgesehenen federnd elastischen Strukturen zum Ausgleichen von thermomechanischen Spannungen in Längsrichtung des Brennstoffzellenstapels (9), dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des Brennstoffzellenstapels (9) zwischen benachbarten Brennstoffzellen (1) Reformierzellen (8) vorgesehen sind, in welchen die federnd elastischen Strukturen (10) angeordnet sind.
Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die federnd elastischen Strukturen (10) durch mit einer Anzahl von federnd elastischen Elementen (12) versehene plattenförmige Bleche (11) gebildet sind.
Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die in den plattenförmigen Blechen (11) vorgesehenen federnd elastischen Elemente (12) durch in dem Blech (11) ausgebildete federnd elastische Zungen (12a; 12b; 12c; 12d; 12h) gebildet sind.
Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die in den plattenförmigen Blechen (11) vorgesehenen federnd elastischen Elemente (12) durch in dem Blech (11) ausgebildete federnd elastische Vorsprünge (12e; 12f; 12g) gebildet sind.
Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die federnd elastischen Zungen (12a; 12b; 12c; 12d; 12h) einen im wesentlichen rechteckigen Umriss haben und an einer Seite mit dem Blech (11) verbunden und an den anderen drei Seiten von dem Blech (11) abgetrennt sind.
Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die federnd elastischen Vorsprünge (12e) durch allseits einstückig in das Blech (11) übergehende Einprägungen gebildet sind.
Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die federnd elastischen Vorsprünge (12f; 12g) durch teilweise von dem Blech (11) abgetrennte Einprägungen gebildet sind.
Brennstoffzellenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die die federnd elastischen Strukturen (10) enthaltenden Reformierzellen (8) nach jeweils mehreren Brennstoffzellen (1) in dem Brennstoffzellenstapel (9) angeordnet sind.
Brennstoffzellenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die federnd elastischen Strukturen (10) enthaltenden Reformierzellen (8) nach jeweils acht bis zehn Brennstoffzellen (1) in dem Brennstoffzellenstapel (9) angeordnet sind.