DE102013013723B4

DE102013013723B4 - Vorrichtung zur Verspannung eines Brennstoffzellen-Stapels zur Strom- und/oder Wärmeerzeugung mit integrierter Temperaturregulierung des Brennstoffzellen-Stapels

Info

Publication number: DE102013013723B4
Application number: DE201310013723
Authority: DE
Inventors: Auf Nichtnennung Antrag
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2013-08-20
Filing date: 2013-08-20
Publication date: 2015-04-23
Anticipated expiration: 2033-08-21
Also published as: DE102013013723A1

Abstract

Der Erfindung liegt die Aufgabenstellung zu Grunde einen Brennstoffzellen-Stapel mit einer Anoden- und einer Kathodenseite und jeweils einer Membran-Elektroden-Einheit, bestehend aus einer oder mehreren solcher aufgebauten Zellen zu einer funktionierenden Brennstoffzelle miteinander zu verbinden bzw. zu verspannen und im benötigten Temperaturbereich zu betreiben. Die erfindungsgemäße Vorrichtung verbinden dabei die Funktion der Verspannung und der Temperaturregelung. Hauptmerkmal der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist deshalb einzelne Brennstoffzellen zu einem Brennstoffzellen-Stapel zu verspannen und gleichzeitig über die selbe Vorrichtung eine Temperaturregelung des Stapels zu erreichen. Dafür wird die Vorrichtung seitlich an beispielsweise zwei Seiten über sämtliche Einzelzellen angebracht und ermöglicht somit eine Verspannung des Stapels und ist gleichzeitig über eine elektrisch nicht leitende Kontaktfläche auf die seitliche Fläche der Brennstoffzelle angepresst. Dadurch ergibt sich eine Vorrichtung zur Verspannung eines Brennstoffzellen-Stapels zur Strom- und/oder Wärmeerzeugung mit integrierter Temperaturregelung des Brennstoffzellen-Stapels.

Description

Der Erfindung liegt die Aufgabenstellung zu Grunde einen Brennstoffzellen-Stapel mit einer Anoden- und einer Kathodenseite und jeweils einer Membran-Elektroden-Einheit, bestehend aus einer oder mehreren solcher aufgebauten Zellen zu einer funktionierenden Brennstoffzelle miteinander zu verbinden bzw. zu verspannen und im benötigten Temperaturbereich zu betreiben. Die erfindungsgemäße Vorrichtung verbindet dabei die Funktion der Verspannung und der Temperaturregelung.
Brennstoffzellen werden in der Regel aus mehreren Einzelzellen über die Endplatten miteinander zu einem kompletten Brennstoffzellen-Stapel verspannt. Üblicherweise sind hier die Platten zur Verspannung stirnseitig an der ersten und letzten Brennstoffzellenplatte angebracht und beinhalten zumeist die Stromabnehmerplatten.
Brennstoffzellen müssen für eine hohe Lebensdauer und eine optimale Leistungsausbeute in einem bestimmten Betriebsfenster betrieben werden. Dazu gehört insbesondere die Einhaltung der optimalen Betriebstemperatur. Während des Betriebes wird in der Brennstoffzelle neben dem elektrischen Strom auch Wärme freigesetzt. Diese muss während des Betriebes abgeführt werden, damit die Brennstoffzelle nicht überhitzt. Für den Start hingegen muss in der Regel die Brennstoffzelle auf die Starttemperaturen vorgewärmt werden, damit ein Betrieb möglich wird. Die exakte Einhaltung des Temperaturbereiches über den gesamten Brennstoffzellen-Stapel ist insbesondere bei der Verwendung von Reformatgas wichtig.
Bei der Verwendung von Reformatgas wird aus beispielsweise Kohlenwasserstoffen, Alkoholen oder ähnlichen Brennstoffen ein wasserstoffreiches Gas erzeugt. Dieses wird der Brennstoffzelle als Brennstoff zugeführt. Je nach Verfahren für die Reformaterzeugung und dem eingesetzten Brennstoff können Schadgase für die Brennstoffzelle wie CO entstehen. Bei ausreichend hohen Temperaturen kann beispielsweise eine Hochtemperatur-PEM Brennstoffzelle (HT-PEM) Reformatgas mit hohen CO-Gehalten nutzen. Dafür muss jedoch eine exakte Einstellung der Temperatur im Brennstoffzellen-Stapel erreicht werden, damit zum einen eine ausreichend hohe Temperatur für die elektrochemischen Reaktionen unter Anwesenheit von CO erreicht werden kann und zum anderen keine lokale Überhitzung der Membranen im Stapel auftritt.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung sieht deshalb eine Gleichverteilung der Temperatur und exakte Einstellung der Stacktemperaturen vor.
Die Einstellung der Temperaturen im Brennstoffzellen-Stapel wird im Stand der Technik über ein Kühl- bzw. Aufheizmedium erreicht. Hier werden beispielsweise Luft, Wasser oder Öle eingesetzt. Die Verwendung dieser Medien erfordert eine Anpassung der Bipolarplattenstruktur. Bei einer internen und von der Anode und Kathode getrennten Durchströmung des Brennstoffzellenstapels müssen dafür separate Durchströmungsstrukturen wie Kanäle bereitgestellt werden, so dass die Bipolarplatte aus zwei Einzelplatte besteht, welche dicht und elektrisch leitend miteinander verbunden werden müssen. Es werden auch Kombinationen aus Bipolarplatten und Monopolarplatten mit ausgebildeten Kühlstrukturen im Stand der Technik beschrieben, um eine optimale Temperaturregelung zu erreichen ( DE 10 2006 052 532 A1 ).
Bei einer Temperaturregelung über beispielsweise die Kathodenseite wird die Temperatureinstellung durch die Regulierung des Kathodenmediums erreicht. Wird die Temperaturregelung in einem Strom über beispielsweise die Kathode realisiert, spricht man üblicherweise von einer offenen Kathode. Bei beispielsweise Hochtemperatur Polymer Exchange HT-PEM Brennstoffzellen wird dies im Stand der Technik durch Einstellen der Luftdurchflüsse auf der Kathodenseite erreicht. Die Struktur des Stacks muss dafür so ausgelegt sein, dass diese mit stark unterschiedlichen Durchflüssen betrieben werden kann. Die Folge ist eine aufwändige Struktur der Bipolarplatten mit dem Ziel hohe Druckverluste und eine ungleichmäßige Durchströmung bei stark schwankenden Volumenströmen zu vermeiden. Da sich jedoch durch die Kombination der Reaktionsluft und der Kühlluft sich ständig ändernde Bedingungen in der Zelle ergeben, wird in der Regel eine gleichmäßige Temperaturverteilung über den gesamten Stapel insbesondere bei der Verwendung von Reformatgas nicht erreicht.
Im Stand der Technik ist eine weitere Möglichkeit zur Temperatureinstellung von Brennstoffzellen-Stapeln bekannt. Hierzu werden die Bipolarplatten seitlich am Stack nach außen verlängert, so dass hier einzelne Flügel nach außen stehen. Die Flügel werden genutzt, um die Wärme aus dem Stack abzuführen bzw. für den Startfall einzubringen. Die Abfuhr der Wärme kann passiv oder aktiv durch Lüfter oder ähnliches erfolgen. Es ist zudem bekannt, dass über eine Kontaktfläche an den Flügeln Rohre oder ähnliches angebracht werden können, um beispielsweise flüssige Kühlmedien zu nutzen. Eine solche Ausführungsform ist in WO 2009/036913 A1 gezeigt. Der Brennstoffzellen-Stapel wird dadurch aufwändig im Aufbau.
Um eine gleichmäßige Temperaturverteilung und eine exakte Einstellung der Stapeltemperatur bei unterschiedlichen Betriebsbedingungen zu erreichen, ist es notwendig über eine einfache Vorrichtung dem Stapel gleichmäßig Wärme zuführen und/oder entziehen zu können.
Aus dem Stand der Technik ist weiterhin bekannt, dass einzelne Brennstoffzellen oder mehrere Einzelzellen über sogenannten Endplatten, welche üblicherweise stirnseitig an der jeweils ersten und letzten Bipolarplatte anliegen zu einem Brennstoffzellen-Stapel verspannt werden. Dafür werden im Stand der Technik Spanneinheiten/Spanngurte/Spannbänder oder Gewindestangen oder ähnliches verwendet.
Die Verspannung eines Stapels von Brennstoffzellen wird häufig durch eine Verklammerung der Endplatten erreicht. Im Stand der Technik werden die am Stapel vorgesehene Endplatten entlang der einzelnen Zellen über Zuganker miteinander verbunden und verpressen den Stapel dicht miteinander. Die Endplatten Ausführungen unterscheiden sich untereinander nicht wesentlich. Eine Ausbildungsform ist in EP 1 597 790 B1 beschrieben. Hier wird eine Schildwölbung vorgeschlagen, damit ein gleichmäßiger Druck auf den Brennstoffzellenstapel erreicht wird und keine Wölbung der Endplatte stattfindet. Weitere Möglichkeiten zur Verspannung von Brennstoffzellen-Stapeln werden in den Druckschriften DE 10 2006 030 605 A1 , DE 10 2006 060 809 A1 , DE 10 2007 012 763 A1 , DE 10 2008 025 967 A1 , EP 1 705 741 A1 , EP 1 861 890 B1 und AT 413 009 B beschrieben. In Druckschrift DE 10 2006 030 605 A1 wird eine Anordnung mit einem Brennstoffzellen-Stapel beschrieben, in welchem der Stapel mit thermisch isolierendem Material eingefasst wird. In DE 10 2006 060 809 A1 wird eine Isolier- und Verspannvorrichtung für eine Hochtemperatur-Brennstoffzellensystemkomponente beschrieben. In DE 10 2008 025 967 A1 wird ein Brennstoffzellensystem mit einer elektrischen Heizeinrichtung dargestellt. Eine Anlage mit einer Hochtemperatur-Brennstoffzelle und Spanneinrichtung für einen Zellenstapel beschreiben die Druckschriften EP 1 705 741 A1 und EP 1 861 890 B1 . Die Patentschrift AT 413 009 B zeigt einen Brennstoffzellenstapel aus Mittel- oder Hochtemperaturbrennstoffzellen. Hier werden über Spannelemente die einzelnen Zellen verspannt und über eine thermische Isolierung die Spannelemente in den kalten Bereich verlagert.
Eine Kombination aus Verspannung und Temperaturregelung in einer Vorrichtung ist aus dem Stand der Technik nicht erkennbar.
Hauptmerkmal der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist deshalb einzelne Brennstoffzellen zu einem Brennstoffzellen-Stapel zu verspannen und gleichzeitig über die selbe Vorrichtung eine Temperaturregelung des Stapels zu erreichen. Dafür wird die Vorrichtung seitlich an beispielsweise zwei Seiten und/oder mehreren Seiten über sämtliche Einzelzellen angebracht und ermöglicht somit eine Verspannung des Stapels und ist gleichzeitig über eine elektrisch nicht leitende Kontaktfläche auf die seitliche Fläche der Brennstoffzelle angepresst. Dadurch ergibt sich eine Vorrichtung zu Verspannung eines Brennstoffzellen-Stapels zur Strom- und/oder Wärmeerzeugung mit integrierter Temperaturregelung des Brennstoffzellen-Stapels. Die Vorrichtung ermöglicht dadurch eine einfache Realisierung der Temperaturregelung ohne dabei komplizierte Ausführungen der Zellplatten der Brennstoffzelle einsetzen zu müssen. Gleichzeitig führt die Vorrichtung zu einer Verspannung des Brennstoffzellenstapels.
Weitere Merkmale, Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung, die schematisch eine Ausführungsvariante enthält, näher erläutert. Dabei zeigt
1 die prinzipielle Ausführung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in der Seitenansicht.
Die gut wärmeleitende Vorrichtung 1, beispielsweise aus Aluminium, wird seitlich über die einzelnen Bauteile 3, 4 und 5 des gesamten Brennstoffzellen-Stapels angebracht, so dass dieser über die Einzelplatten der Brennstoffzellen zu einem Brennstoffzellen-Stapel verspannt werden kann. Die Vorrichtung greift dabei an das obere und untere Ende des Brennstoffzellen-Stapels an den letzten Platten 4, jeweils oben und unten, an. Der Druck zur Verspannung der Platten kann beispielsweise durch Integration von Schrauben in die Vorrichtung oben und unten erfolgen. Gleichzeitig wird die Vorrichtung über ein nicht elektrisch leitendes aber gut wärmeleitendes Material 2 an den Stapel kontaktiert. Dadurch kann über diese Stelle dem Stapel seitlich Wärme zugeführt oder abgeführt und die Temperatur eingestellt werden. Durch diese seitliche Kontaktierung entsteht ein optimaler Wärmekontakt über den Stapel. Gleichzeitig wird verhindert, dass ein elektrischer Kurzschluss entstehen kann.
Idealerweise ist die Vorrichtung 1 mit Rippen versehen, so dass die Oberfläche vergrößert wird. Der Wärmeaustrag kann beispielsweise passiv erfolgen. Idealerweise kann ein geregelter Betrieb durch die Überströmung der Vorrichtung mit einem Medium, beispielsweise Luft, Wasser und/oder Öl erfolgen. Ein Aufheizen des Stapels wird erreicht durch Zuführung eines Aufheizmediums über die Vorrichtung beispielsweise von Brennerabluft und/oder durch die Integration von elektrischen Heizungen in die Vorrichtung 1.
Bezugszeichenliste

1: Gut wärmeleitende Vorrichtung zur Verspannung und integrierten Temperaturregelung
2: Gut wärmeleitende und elektrisch isolierende Kontaktstelle zur seitlichen Oberfläche des Stapels
3: Brennstoffzellen Bipolarplatten
4: Endplatte/letzte Platte im Brennstoffzellenstapel jeweils eine oben und unten
5: Membran/MEA

Claims

Vorrichtung zur Verspannung eines Brennstoffzellen-Stapels zur Strom- und/oder Wärmeerzeugung mit folgenden Merkmalen: a) ausgestaltet zur integrierten Temperaturregelung des Brennstoffzellen-Stapels, b) ausgestaltet zum Verspannen der einzelnen Zellen über die beiden äußeren Enden zu einem kompletten Brennstoffzellen-Stapel, c) gut wärmeleitend, d) gleichzeitig mit dem Verspannen seitlich am Brennstoffzellen-Stapel über die einzelnen Zellen anbringbar, e) eine elektrisch nicht leitende, aber gut wärmeleitende Verbindungsschicht aufweisend, die ausgestaltet ist, die seitliche Oberfläche des Brennstoffzellen-Stapels zu kontaktieren, e1) so dass eine optimale Wärmeleitung erreichbar ist und gleichzeitig der Brennstoffzellen-Stapel elektrisch von der Vorrichtung isoliert bleibt, e2) so dass durch die Vorrichtung Wärme in den Stapel ein- und/oder ausbringbar ist und in einer Vorrichtung beide Funktionen, sowohl die Verspannung des Brennstoffzellen-Stapels als auch die Temperaturregelung, erreichbar sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, die dadurch gekennzeichnet ist, dass die Vorrichtung aus einem gut wärmeleitenden Metall besteht, beispielsweise Aluminium.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 2, die dadurch gekennzeichnet ist, dass die Vorrichtung Rippen oder ähnliche Maßnahmen zur Oberflächenerhöhung aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, die dadurch gekennzeichnet ist, dass die Vorrichtung ausgestaltet ist, über die gut wärmeleitende Verbindungsschicht die seitliche Oberfläche einzelner und/oder aller Einzelzellen des Brennstoffzellen-Stapels zu kontaktieren.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, die dadurch gekennzeichnet ist, dass die Vorrichtung so ausgelegt ist, dass sie durch passive und/oder durch aktive Überströmung der Vorrichtung mit einem Kühl- und/oder Aufheizmedium die Brennstoffzellentemperatur regeln kann
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, die dadurch gekennzeichnet ist, dass die Vorrichtung aus zwei seitlich angebrachten Teilen besteht und die Temperaturregelung über diese zwei Seiten durchführbar ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 3 bis 6, die dadurch gekennzeichnet ist, dass die elektrisch nicht leitende aber gut wärmeleitende Verbindungsschicht aus einer Folie und/oder einer aufgebrachten Schicht besteht und die Vorrichtung auch ansonsten aus elektrisch nicht leitendem Material besteht.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, die dadurch gekennzeichnet ist, dass die Vorrichtung einen integrierten Startbrenner zur Aufheizung des Brennstoffzellen-Stapels aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, die dadurch gekennzeichnet ist, dass die Vorrichtung eine integrierte elektrische Heizung zur Aufheizung des Brennstoffzellen-Stapels aufweist.