DE102016112745A1

DE102016112745A1 - Brennstoffzellenanordnung

Info

Publication number: DE102016112745A1
Application number: DE102016112745.0A
Authority: DE
Inventors: Christian Martin Zillich; Friedhelm Walkling; Ian Stewart
Original assignee: Audi AG; Volkswagen AG
Current assignee: Audi AG; Volkswagen AG
Priority date: 2016-07-12
Filing date: 2016-07-12
Publication date: 2018-01-18

Abstract

Die Erfindung betrifft einen in einem Gehäuse (28) angeordneten Brennstoffzellenstapel (12) mit einem zwischen Gehäuse (28) und Brennstoffzellenstapel (12) angeordneten Isolationsmaterial (34). Das Isolationsmaterial weist ein zwischen einer Endplatte (16a, b) und einer Gehäusestirnfläche (30a, b) angeordnetes zweites Isolationselement (38) beziehungsweise ein zwischen dem Brennstoffzellenstapel (12) und zumindest einer Gehäuseseitenwand (32) angeordnetes erstes Isolationselement (36) auf, wobei das erste Isolationselement (36) ein Material mit einer in oder entgegengesetzt zur Stapelrichtung (S) steigenden Wärmeleitfähigkeit aufweist und das zweite Isolationselement (38) ein mittels einem druckbehafteten Medium (40) dauerhaft expandiertes elastisches Element (42) aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzellenanordnung mit einem in einem Gehäuse angeordneten Brennstoffzellenstapel und einem zwischen Brennstoffzellenstapel und dem Gehäuse angeordneten Isolationsmaterial.
Brennstoffzellen nutzen die chemische Umsetzung eines Brennstoffs mit Sauerstoff zu Wasser, um elektrische Energie zu erzeugen. Hierfür enthalten Brennstoffzellen als Kernkomponente die sogenannte Membran-Elektroden-Anordnung (MEA für membrane electrode assembly), die ein Gefüge aus einer ionenleitenden (meist protonenleitenden) Membran und jeweils einer beidseitig an der Membran angeordneten katalytischen Elektrode (Anode und Kathode) ist. Letztere umfassen zumeist geträgerte Edelmetalle, insbesondere Platin. Zudem können Gasdiffusionslagen (GDL) beidseitig der Membran-Elektroden-Anordnung an den der Membran abgewandten Seiten der Elektroden angeordnet sein.
Im Betrieb der Brennstoffzelle wird der Brennstoff (Anodenbetriebsmedium), insbesondere Wasserstoff, über ein Flussfeld der Bipolarplatte der Anode zugeführt und unter Abgabe von Elektronen elektrochemisch zu Protonen oxidiert (H₂2H⁺ + 2e^–). Über den Elektrolyten oder die Membran, welche die Reaktionsräume gasdicht und elektrisch voneinander isoliert, erfolgt ein Transport der Protonen aus dem Anodenraum in den Kathodenraum. Die an der Anode bereitgestellten Elektronen werden über eine elektrische Leitung der Kathode zugeleitet.
Der Kathode wird im Betrieb der Brennstoffzelle Sauerstoff oder ein sauerstoffhaltiges Gasgemisch (zum Beispiel Luft) als Kathodenbetriebsmedium zugeführt, sodass eine Reduktion von O₂ zu O^2– unter Aufnahme der Elektronen stattfindet (½O₂ + 2e^–O^2–). Gleichzeitig reagieren im Kathodenraum die Sauerstoffanionen mit den über die Membran transportierten Protonen unter Bildung von Wasser (O^2– + 2H⁺H₂O).
In der Regel wird die Brennstoffzelle durch eine Vielzahl im Stapel (stack) angeordneter MEA gebildet, deren elektrische Leistungen sich addieren. Zwischen den einzelnen Membran-Elektroden-Anordnungen sind in der Regel Bipolarplatten (auch Flussfeld- oder Separatorplatten genannt) angeordnet, welche eine Versorgung der Brennstoffzellen mit den Betriebsmedien, also den Reaktanten, sicherstellen und üblicherweise auch der Kühlung dienen. Zudem sorgen die Bipolarplatten für einen elektrisch leitfähigen Kontakt zu den Membran-Elektroden-Anordnungen.
Die Versorgung des Brennstoffzellenstapels mit seinen Betriebsmedien, also dem Anodenbetriebsgas (zum Beispiel Wasserstoff), dem Kathodenbetriebsgas (zum Beispiel Luft) und dem Kühlmittel, erfolgt über Hauptversorgungskanäle, die den Stapel in seiner gesamten Stapelrichtung durchsetzen und von denen die Betriebsmedien über die Bipolarplatten den Brennstoffzellen zugeführt werden. Für jedes Betriebsmedium sind mindestens zwei solcher Hauptversorgungskanäle vorhanden, nämlich einer zur Zuführung und einer zur Abführung des jeweiligen Betriebsmediums. Jede Membran-Elektroden-Anordnung und jede Bipolarplatte weist somit Betriebsmitteldurchgangsöffnungen zum Ausbilden der Hauptversorgungskanäle auf.
Ein Brennstoffzellenstapel nach dem Stand der Technik ist in 1 schematisch dargestellt. Dieser Brennstoffzellenstapel 12 weist eine Vielzahl in Stapelrichtung S gestapelter Brennstoffzellen 14, zwei Endplatten 16 und Zugelemente 18 auf. Die Brennstoffzellen 14 weisen jeweils eine Membran-Elektroden-Einheit mit einer protonenleitenden Membran 22 (Polymerelektrolytmembran) und beidseitig an dieser angeordneten Elektroden (Anode und Kathode; nicht dargestellt) auf. Die Elektroden sind jeweils zwischen der Membran 22 und einer Gasdiffusionslage 24 angeordnet. Die Elektroden sind entweder beidseitig auf die Membran 22 beschichtet oder mit den Gasdiffusionslagen 24 zu sogenannten Gasdiffusionselektroden verbunden. Jede Membran-Elektroden-Einheit ist zwischen zwei Bipolarplatten 26 angeordnet.
Die Bipolarplatten 26 versorgen die Membran-Elektroden-Einheiten durch die Gasdiffusionslagen 24 hindurch mit den Betriebsmedien und weisen hierfür in der Regel geeignete Kanäle auf. Zudem werden zwei angrenzende Membran-Elektroden-Einheiten durch die dazwischen liegende Bipolarplatte 26 elektrisch leitfähig verbunden und in Reihe geschaltet. Die beiden endständigen Bipolarplatten 26, auch als Monopolarplatten bezeichnet, sind nur einseitig zur Versorgung einer ebenfalls nur einseitig anliegenden Membran-Elektroden-Einheit 20 mit einem Betriebsmedium ausgebildet und können somit gleichzeitig die Endplatten 16 bilden. Die Betriebsmedien werden in der Regel über eine erste Endplatte dem Brennstoffzellenstapel zugeführt, in der gegenüberliegenden zweiten Endplatte umgelenkt und verlassen den Stapel wiederrum durch die erste Endplatte.
Zwischen den Membran-Elektroden-Einheiten 20 und den Bipolarplatten 26 sind in 1 nicht sichtbare Dichtungen angeordnet, welche die Anoden- und Kathodenräume nach außen abdichten und ein Austreten der Betriebsmedien aus dem Brennstoffzellenstapel 12 verhindern. Diese Dichtungen sind auf den Membran-Elektroden-Einheiten, den Bipolarplatten 26 oder diesen beiden Komponenten vorgesehen. Die Gesamtheit aus Membran-Elektroden-Einheit und Dichtungen wird als Membran-Elektroden-Anordnung 20 bezeichnet.
Zum Abdichten des Stapels und zum Gewährleisten des elektrischen Kontakts zwischen Bipolarplatten 26 und Membran-Elektroden-Anordnungen 20 wird der Brennstoffzellenstapel 12 vor der Inbetriebnahme verpresst. In der Regel sind dazu die zwei an den Enden des Brennstoffzellenstapels 12 angeordneten Endplatten 16 mittels der Zugelemente 18 verbunden. Durch Einleiten von Zugkräften über die Zugelemente 18 in die Endplatten 16 wird der Brennstoffzellenstapel 12 zusammengepresst.
Trotz der Dichtelemente und dem Verpressen des Brennstoffzellenstapels kann in einem Brennstoffzellensystem nicht vollständig verhindert werden, dass Wasserstoff aus den Brennstoffzellen oder anderen Wasserstoff führenden Bauteilen in die Umgebung diffundiert. Dies ist grundsätzlich nicht problematisch, solange sich der Wasserstoff nicht an bestimmten Stellen konzentriert und zusammen mit Sauerstoff ein zündfähiges Gemisch bildet. Eine Gefahr besteht diesbezüglich insbesondere hinsichtlich eines den Brennstoffzellenstapel umgebenden Gehäuses. Sammelt und entzündet sich Wasserstoff in einem Volumen zwischen Stapel und Gehäuse kann eine Detonation zu signifikanten Sach- und Personenschäden führen.
Es ist daher bekannt, das Gehäuse eines Brennstoffzellenstapels zu belüften, um die Bildung eines zündfähigen Gemischs zu verhindern. Für das Belüften wird in der Regel ein elektrisch angetriebener Lüfter oder eine elektrisch betriebene Strahlpumpe genutzt. Dadurch sinkt der Wirkungsgrad des Brennstoffzellensystems. Die DE 102014203259 A1 offenbart ein alternatives Konzept, wonach der Belüftungsstrom an einen ohnehin im Brennstoffzellensystem vorhandenen Gasstrom gekoppelt wird. Eine Gehäusebelüftung kann das Entstehen eines zündfähigen Gasgemischs nicht mit ausreichender Sicherheit verhindern, führt zu einem erhöhten Bauraumbedarf und einem erhöhten Regelungsaufwand.
Es ist ferner bekannt, den Zwischenraum im Gehäuse eines Brennstoffzellenstapels mit einem Füllmaterial auszukleiden, um das freie Volumen zu minimieren, in dem sich ein zündfähiges Gemisch bilden könnte. Das Ansammeln einer potentiell gefährlichen Menge zündfähigen Gasgemischs im Gehäuseinneren soll somit auf einfache Art und Weise verhindert werden. So offenbart die WO 2010/102815 A1 das Anordnen einer Komprimieranordnung zwischen einem Gehäuse und einem darin angeordneten Brennstoffzellenstapel, wobei die Anordnung aus thermisch isolierendem Material bestehen kann. Das Füllmaterial ist an jedes Stapeldesign anzupassen und erlaubt keine bedarfsangepasste Temperierung des Brennstoffzellenstapels.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein alternatives Konzept zum Reduzieren des freien Volumens beziehungsweise des Zwischenraums im Gehäuse eines Brennstoffzellenstapels bereitzustellen, mit dem weitere Vorteile realisiert werden.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Brennstoffzellenanordnung, aufweisend einen Brennstoffzellenstapel mit einer Vielzahl zwischen einer ersten Endplatte und einer zweiten Endplatte in Stapelrichtung gestapelter Brennstoffzellen. Die Brennstoffzellen sind bevorzugt jeweils aus zwischen zwei Gasdiffusionslagen und zwei Bipolarplatten angeordneten Membran-Elektroden-Anordnungen gebildet. Der Brennstoffzellenstapel ist von einem Gehäuse umgeben, das eine der ersten Endplatte gegenüberliegende erste Gehäusestirnfläche, eine der zweiten Endplatte gegenüberliegende zweite Gehäusestirnfläche und zumindest eine Gehäuseseitenwand aufweist.
Zwischen dem Brennstoffzellenstapel und dem Gehäuse ist ein Isolationsmaterial angeordnet, das ein zwischen einer der Endplatten und einer dieser Endplatte gegenüberliegenden Gehäusestirnfläche angeordnetes zweites Isolationselement beziehungsweise ein zwischen dem Brennstoffzellenstapel, bevorzugt zwischen zumindest einer Seitenwand des Brennstoffzellenstapels, und der zumindest einen Gehäuseseitenwand angeordnetes erstes Isolationselement aufweist. Erfindungsgemäß weist das erste Isolationselement ein Material mit einer in oder entgegengesetzt zur Stapelrichtung steigenden Wärmeleitfähigkeit auf. Das zweite Isolationselement weist erfindungsgemäß ein mittels einem druckbehafteten Medium dauerhaft expandiertes elastisches Element auf. Mit dem ersten Isolationselement lässt sich vorteilhaft ein Temperaturgradient in einem heruntergefahrenen Brennstoffzellenstapel einstellen. Mittels des zweiten Isolationselements ist vorteilhaft ein standardisiertes Gehäuse für Brennstoffzellenstapel verschiedener Höhen in Stapelrichtung einsetzbar.
Mit anderen Worten weist die erfindungsgemäße Brennstoffzellenanordnung zumindest ein erstes Isolationselement auf, das seitlich zwischen der Vielzahl von Brennstoffzellen und dem Gehäuse angeordnet ist und einen Wärmfluss zwischen einem Brennstoffzellenstapel und der Umgebung, jeweils mit weitgehend konstanter Temperatur, realisiert, der in oder entgegengesetzt zur Stapelrichtung ansteigt. Kühlt ein weitgehend homogen temperierter Brennstoffzellenstapel durch Wärmeabgabe an die nahe des Stapels weitgehend homogen temperierte Umgebung ab, erfolgt der Wärmefluss durch das Gehäuse und das erste Isolationselement so, dass sich ein Temperaturgradient in dem Brennstoffzellenstapel einstellt. Bevorzugt ist ein Brennstoffzellenstapel im Betrieb mittels eines Kühlkreislaufs weitgehend homogen temperiert und nach dem Abschalten des Brennstoffzellenstapels erfolgt dessen weitere Abkühlung vorrangig durch Wärmeabgabe an die Umgebung.
Mit dem erfindungsgemäßen ersten Isolationselement lässt sich somit vorteilhaft ein Temperaturgradient in oder entgegengesetzt zur Stapelrichtung des Brennstoffzellenstapels einstellen, insbesondere nach dem Abschalten des Brennstoffzellenstapels. Mittels dieses Gradienten wird ein temperaturabhängiger Wassertransport in dem Brennstoffzellenstapel bewirkt. Je nach Art der eingesetzten Membran kann der temperaturabhängige Wassertransport von der kalten zur heißen Seite oder von der heißen zur kalten Seite einer Membran-Elektroden-Einheit erfolgen. In der Regel erfolgt der temperaturabhängige Wassertransport jedoch von der heißen Seite zur kalten Seite einer Membran-Elektroden-Einheit.
Bevorzugt nimmt die Wärmeleitfähigkeit des ersten Isolationselements von einer Endplatte des Brennstoffzellenstapels hin zu dessen gegenüberliegender Endplatte kontinuierlich zu. Somit wird zwischen den Elektroden jeder Brennstoffzelle des Brennstoffzellenstapels zwangsläufig ein gleichgerichteter Temperaturgradient und somit ein gleichgerichteter temperaturabhängiger Wassertransport eingestellt. Ebenfalls bevorzugt nimmt die Wärmeleitfähigkeit des ersten Isolationselements von einer Endplatte des Brennstoffzellenstapels hin zu dessen gegenüberliegender Endplatte diskontinuierlich zu. Mit anderen Worten folgen in oder entgegengesetzt zur Stapelrichtung Abschnitte mit konstanter Wärmeleitfähigkeit aufeinander, wobei die Wärmeleitfähigkeit mit jedem Abschnitt zunimmt. Dadurch stellt sich ein Temperaturunterschied zwischen den beiden äußersten Brennstoffzellen jedes Abschnitts ein. Über jeden Abschnitt des Brennstoffzellenstapels, somit über jede Brennstoffzelle der Abschnitte und schließlich über den gesamten Stapel bildet sich so ein gleichgerichteter Temperaturgradient und temperaturabhängiger Wassertransport aus.
Während des Betriebs des Brennstoffzellenstapels ist in der Regel die Kathodenseite jeder Membran-Elektroden-Einheit wärmer und feuchter als die zugehörige Anodenseite. Dies bewirkt während des Betriebs einen temperatur- und konzentrationsgetriebenen Wassertransport vorrangig von den Kathoden- auf die Anodenseiten. Nach dem Abschalten des Stapels gefährdet das auf den Anodenseiten vorliegende Wasser, insbesondere Flüssigwasser, die Wiederstartfähigkeit des Brennstoffzellenstapels, insbesondere unter Frostbedingungen.
Bevorzugt nimmt die Wärmeleitfähigkeit des Brennstoffzellenstapels in oder entgegengesetzt zur Stapelrichtung so zu, dass sich beim Abkühlen des Stapels ein Temperaturgradient ausbildet, gemäß dem die Temperatur jeder Anode des Stapels höher ist als die Temperatur der zugehörigen Kathode. Somit erfolgt im abgeschalteten Stapel ein Wassertransport von den Anoden- auf die Kathodenseiten.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen ersten Isolationselements besteht darin, dass aufgrund der in Stapelrichtung zu oder abnehmenden Wärmeleitfähigkeit des ersten Isolationselements eine Anpassung der Schichtdicke des ersten Isolationselements zum Einstellen eines Temperaturgradienten nicht notwendig ist. Somit kann mittels des ersten Isolationselements im Wesentlichen das gesamte Volumen zwischen den Seitenflächen des Brennstoffzellenstapels und dem Gehäuse ausgefüllt werden. Dabei ist ein Abstand, bevorzugt jeder Abstand, zwischen dem ersten Isolationselement und dem Gehäuse, insbesondere ein senkrechter Abstand zur angrenzenden Gehäuseseitenwand, kleiner als 10 mm, bevorzugt als 5 mm und besonders bevorzugt als 1 mm. Somit ermöglicht das erste Isolationselement das Einstellen eines Temperaturgradienten, wobei aufgrund dieser geringen Spaltmaße gleichzeitig eine Ansammlung einer zündfähigen Menge von Wasserstoff vermieden wird.
Ebenfalls bevorzugt füllt das erste Isolationsmaterial ein Volumen zwischen der Gehäuseseitenwand und dem Brennstoffzellenstapel zumindest zu 90 %, bevorzugt zumindest zu 95 % und besonders bevorzugt zumindest zu 98 % aus. Ebenfalls bevorzugt weist das erste Isolationselement eine, zumindest weitgehend, konstante Dicke, insbesondere in oder entgegengesetzt zur Stapelrichtung auf. Somit ist auch das Spaltmaß beziehungsweise der Abstand zwischen dem ersten Isolationselement und dem Gehäuse bevorzugt entlang des gesamten ersten Isolationselements konstant und insbesondere kleiner als 5 mm. Weitgehend bedeutet hierin, innerhalb der Toleranzen des Herstellungsverfahrens, insbesondere innerhalb eines Toleranzbereichs von +/–5 %. Ebenfalls bevorzugt ist auch jeder Abstand zwischen dem zweiten Isolationselement und der angrenzenden Endplatte, der angrenzenden Gehäusestirnfläche und den angrenzenden Gehäuseseitenwänden kleiner als 10 mm, bevorzugt als 5 mm und besonders bevorzugt als 1 mm. Auch dort verhindert das geringe Spaltmaß das Ansammeln einer zündfähigen beziehungsweise detonationsfähigen Menge Wasserstoff. Insbesondere kann mit einem derart geringen Abstand zwischen den Isolationselementen und den angrenzenden Gehäusebestandteilen verhindert werden, dass eine Flammenausbreitungsgeschwindigkeit die kritische Geschwindigkeit für eine Detonation überschreitet.
In einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Brennstoffzellenanordnung weist das erste Isolationsmaterial eine in oder entgegengesetzt zur Stapelrichtung steigende Porosität auf. Mit anderen Worten nimmt der Anteil des Hohlraumvolumens am Gesamtvolumen des ersten Isolationsmaterials in oder entgegengesetzt zur Stapelrichtung zu. Je nach Herstellungsverfahren des ersten Isolationselements können diese Hohlräume mit verschiedenen Gasen befüllt sein. In der Regel handelt es sich jedoch um Luft und in der Regel nimmt die Wärmeleitfähigkeit des ersten Isolationselements mit steigender Porosität ab. Die Einstellung der Wärmeleitfähigkeit des ersten Isolationselements mittels der Porosität ist verfahrenstechnisch einfach realisierbar. Zudem wird durch die Verwendung eines porösen Werkstoffs das Gesamtgewicht des Isolationsmaterials reduziert.
Ebenfalls bevorzugt weist das erste Isolationsmaterial eine in oder entgegengesetzt zur Stapelrichtung steigende Beladung eines thermisch funktionellen Füllstoffs auf. Mit anderen Worten nimmt der Anteil der Masse eines thermisch funktionellen Füllstoffs an der Gesamtmasse des ersten Isolationsmaterials in oder entgegengesetzt zur Stapelrichtung zu. Der thermisch funktionelle Füllstoff kann die Wärmeleitfähigkeit des ersten Isolationselements insgesamt erhöhen, beispielsweise bei Verwendung metallischer oder keramischer Partikel. Alternativ kann ein thermisch funktioneller Füllstoff die Wärmeleitfähigkeit des ersten Isolationselements insgesamt verringern, beispielsweise bei der Verwendung von Kohlenstofffasern. Thermisch funktionell bedeutet im Rahmen dieser Anmeldung, dass mittels Variation des Masse- oder Volumenanteils des thermisch funktionellen Füllstoffs an der Gesamtmasse beziehungsweise dem Gesamtvolumen des ersten Isolationsmaterials dessen Wärmeleitfähigkeit gezielt variiert werden kann. Diese Ausführungsform des ersten Isolationselements ist dazu geeignet, eine kontinuierlich oder diskontinuierlich zunehmende Wärmeleitfähigkeit einzustellen.
Ebenfalls bevorzugt ist das erste Isolationsmaterial in oder entgegengesetzt zur Stapelrichtung abschnittsweise aus verschiedenen Materialien gebildet. Dabei weist in oder entgegengesetzt zur Stapelrichtung jeder Abschnitt eine höhere Wärmeleitfähigkeit auf als der vorangegangene. Die verschiedenen Materialien können sich in ihrer Zusammensetzung grundsätzlich unterscheiden. Alternativ handelt es sich um stofflich ähnliche Materialien, die sich in einer für die Wärmeleitfähigkeit relevanten Eigenschaft, beispielsweise der Porosität oder der Beladung mit einem thermisch funktionellen Füllstoff, unterscheiden. Diese Ausführungsform ist durch das Vorhalten an die Abmessungen eines Brennstoffzellenstapels angepasster Abschnitte unterschiedlicher Wärmeleitfähigkeit, welche in einer speziellen Reihenfolge zwischen Stapel und Gehäuse angeordnet werden, einfach umsetzbar.
Bei dem Material des ersten Isolationselements handelt es sich bevorzugt um ein geschäumtes Material, insbesondere um einen geschäumten Kunststoff, wie EPS, XPS, PUR, PIR oder Resol, um ein geschäumtes Elastomer, wie EPDM, oder um einen mineralischen Schaum, wie Bimsstein, Blähton, Kalziumsilikatplatten oder Aerogelplatten. Ebenfalls bevorzugt handelt es sich um ein Fasermaterial, insbesondere um ein mineralisches Fasermaterial, wie Steinwolle, um ein pflanzliches Fasermaterial, wie Heraklith, oder um ein tierisches Fasermaterial, wie Wolle. Besonders bevorzugt handelt es sich bei dem Material des ersten Isolationselements um ein Aerogel und insbesondere um ein faserbeladenes Aerogel, wie beispielsweise ein Cryogel.
Die erfindungsgemäße Brennstoffzellenanordnung weist statt oder zusätzlich zu dem ersten Isolationselement ein zweites Isolationselement auf, das zwischen zumindest einer Endplatte des Brennstoffzellenstapels und der zugehörigen, gegenüberliegenden Gehäusestirnplatte angeordnet ist. Das zweite Isolationselement weist ein mittels einem druckbehafteten Medium dauerhaft expandiertes elastisches Element auf. Das zweite Isolationselement weist insbesondere ein aus einem elastischen Werkstoff gefertigtes expandierbares elastisches Element mit einem für ein bestimmtes Medium dicht verschließbaren Volumen auf. Wird dieses Volumen mit dem druckbehafteten Medium gefüllt, verändern sich Größe und Form des elastischen Elements in Abhängigkeit von dem Druck des eingefüllten Mediums und dem gewählten elastischen Werkstoff beziehungsweise dessen Materialstärke. Das expandierbare Element ist bevorzugt als aufblasbarer oder aufpumpbarer Ballon ausgebildet. Bei dem druckbehafteten Medium handelt es sich bevorzugt um ein Betriebsmedium des Brennstoffzellenstapels oder um ein geschäumtes Material.
Das zweite Isolationselement ermöglicht vorteilhaft das Ausfüllen des Volumens zwischen einem Brennstoffzellenstapel und dessen Gehäuse durch Einstellen des Drucks des Füllmediums beziehungsweise durch Einfüllen eines bestimmten Volumens des druckbehafteten Mediums. Bei bekannten Brennstoffzellensystemen unterscheiden sich die Brennstoffzellenstapel in der Regel nur in ihrer Höhe, das heißt der Anzahl der gestapelten Brennstoffzellen. Das zweite Isolationselement ermöglicht die Verwendung eines Standardgehäuses für Brennstoffzellenstapel verschiedener Höhe. Dabei reduziert das zweite Isolationselement, insbesondere in Kombination mit dem ersten Isolationselement, das freie Volumen in dem Gehäuse und reduziert somit die Gefahr, dass ein zündfähiges H₂/O₂-Gemisch entsteht. Zusätzlich weist das zweite Isolationselement eine Elastizität auf, die eine Vibrations- oder Stoßdämpfung innerhalb des Brennstoffzellenstapels ermöglicht.
In einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Brennstoffzellenanordnung ist das zweite Isolationselement durch Befüllen mit dem druckbehafteten Medium dauerhaft auf ein Volumen expandiert, das zumindest einem Volumen zwischen der Endplatte und der Gehäusestirnfläche im Wesentlichen entspricht. Besonders bevorzugt ist das zweite Isolationselement durch Befüllen mit dem druckbehafteten Medium dauerhaft auf ein Volumen expandiert, das dem Volumen zwischen der zweiten Endplatte und der zweiten Gehäusestirnfläche entspricht. Dabei wird das zweite Isolationselement mit soviel druckbehaftetem Medium befüllt, bis es dieses Volumen ausfüllt und sich an die Endplatte des Stapels und die Gehäusestirnfläche anlegt. Dabei kann das zweite Isolationselement in Stapelrichtung einen Druck auf den Brennstoffzellenstapel ausüben und diesen somit fixieren. Es ist wesentlich für die Funktionalität des zweiten Isolationselements, dass es während der gesamten Betriebsdauer des Stapels auf dieses Volumen expandiert ist. Ein Ablassen des druckbehafteten Mediums während Betriebspausen des Brennstoffzellenstapels ist möglich.
In einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Brennstoffzellenanordnung weist die erste Endplatte Betriebsmitteldurchgangsöffnungen zur Zuleitung und Ableitung von Betriebsmedien des Brennstoffzellenstapels auf und ist das zweite Isolationselement zwischen der zweiten Endplatte und der zweiten Gehäusestirnfläche angeordnet. Die zweite Endplatte dient in dieser Ausführungsform vor allem dem Umlenken der Betriebsmittelströme und weist insbesondere keine außenliegenden Anschlüsse für die Betriebsmittel auf. Die Gefahr von Beschädigungen des zweiten Isolationselements beim Anlegen an die zweite Endplatte ist somit reduziert. Zudem ist die Verwendung des zweiten Isolationselements von der Ausgestaltung der ersten Endplatte des Brennstoffzellenstapels unabhängig.
Ferner bevorzugt weist das zweite Isolationselement zumindest einen Randabschnitt auf, der in ein zwischen der zumindest einen Gehäuseseitenwand und dem Brennstoffzellenstapel angeordnetes Volumen hineinragt. Besonders bevorzugt weist das zweite Isolationselement zumindest zwei gegenüberliegende oder vier solcher Randabschnitte auf. Diese bewirken somit eine Fixierung des Brennstoffzellenstapels in zumindest einer Richtung quer zur Stapelrichtung.
Besonders bevorzugt ist das zweite Isolationselement mit einem Betriebsmittelein- oder -auslass des Brennstoffzellenstapels verbunden. In dieser Ausführungsform ist das zweite Isolationselement bevorzugt nur während des Betriebs des Brennstoffzellenstapels mit dem druckbehafteten Medium befüllt. Das zweite Isolationselement weist ferner bevorzugt ein Sperrmittel auf, um zumindest zeitweilig einen Rückfluss des darin eingeleiteten Betriebsmittels zu unterbinden. Somit können kurze Zeitspannen, in denen der Stapel während seines Betriebs nicht mit dem entsprechenden Betriebsmittel versorgt wird, überbrückt werden. Besonders bevorzugt handelt es sich bei dem Betriebsmittelein- oder -auslass um einen Gasauslass, bevorzugt einen Kathodengasauslass des Brennstoffzellenstapels.
Ebenfalls bevorzugt ist das zweite Isolationselement mit einem in einer Kathodenversorgung des Brennstoffzellenstapels angeordneten Verdichter verbunden. Ebenfalls bevorzugt ist das zweite Isolationselement fluidführend zwischen der Fördereinrichtung oder dem Verdichter und dem Stapel angeordnet. Somit können bereits in dem Brennstoffzellensystem vorhandene Fördereinrichtungen zum Expandieren des zweiten Isolationselements genutzt werden. Ebenfalls bevorzugt handelt es sich bei der Fördereinrichtung um eine in der Anodenversorgung angeordnete Fördereinrichtung. Ein Befüllen des zweiten Isolationselements mit dem Anodenbetriebsmedium erfolgt jedoch nicht.
Das zweite Isolationselement kann als Bestandteil des Brennstoffzellenstapels oder als Bestandteil des Gehäuses ausgebildet sein. Dies bezieht sich vor allem auf die Zuordnung des Anschlusses des zweiten Isolationselements zum Befüllen mit dem druckbehafteten Medium zu einem dieser Bauteile beziehungsweise auf die Befestigung des Isolationselements an einem dieser Bauteile. Alternativ zur oben genannten Ausführungsform wird das zweite Isolationselement einmalig, bevorzugt vor oder während der Anordnung des Stapels in dem Gehäuse, mit einem druckbehafteten Medium beaufschlagt. In diesem Fall ist das zweite Isolationselement gegenüber diesem Füllmedium vollständig dicht verschlossen. Dabei kann das zweite Isolationselement vorteilhaft als vollständig separates Bauteil ausgebildet sein.
In einer ebenfalls bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Brennstoffzellenanordnung ist das zweite Isolationselement mit dem druckbehafteten Material des ersten Isolationselements befüllt. Mit anderen Worten sind in dieser Ausführungsform das erste und das zweite Isolationselement funktionsintegriert ausgebildet. Besonders bevorzugt weist das zweite Isolationselement gemäß dieser Ausführungsform Randabschnitte auf, die sich in expandierter Form in das gesamte freie Volumen zwischen den Seitenwänden des Brennstoffzellenstapels und der zumindest einen Seitenwand des Gehäuses hinein erstrecken. Ebenfalls bevorzugt ist das erste Isolationselement in dieser Ausführungsform durch ein geschäumtes Material gebildet, wobei die in oder entgegen der Stapelrichtung steigende Wärmeleitfähigkeit bevorzugt mittels einer in oder entgegen der Stapelrichtung abnehmenden Porosität realisiert ist. Beispielsweise ist das zweite Isolationselement mit einem geschäumten Material als dem ersten Isolationselement befüllt, wobei die Zahl der Gaseinschlüsse mit zunehmender Entfernung von der Einfüllöffnung abnimmt.
Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.
Die verschiedenen in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar.
Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
1 einen Brennstoffzellenstapel gemäß dem Stand der Technik;
2 einen Querschnitt einer Brennstoffzellenanordnung gemäß einer ersten Ausführungsform;
3 einen Querschnitt einer Brennstoffzellenanordnung gemäß einer zweiten Ausführungsform;
4 einen Querschnitt einer Brennstoffzellenanordnung gemäß einer dritten Ausführungsform;
5 eine perspektivische Darstellung eines zweiten Isolationselements gemäß der dritten Ausführungsform der Brennstoffzellenanordnung; und
6 einen Querschnitt einer Brennstoffzellenanordnung gemäß einer vierten Ausführungsform.
1 zeigt einen Brennstoffzellenstapel 12 gemäß dem Stand der Technik und wurde bereits einleitend erläutert. Auf eine erneute Beschreibung wird hier verzichtet.
2 zeigt den Querschnitt einer Brennstoffzellenanordnung gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung. Die Brennstoffzellenanordnung weist einen Brennstoffzellenstapel 12 mit einer Vielzahl in Stapelrichtung S gestapelter Brennstoffzellen 14 auf. Der Brennstoffzellenstapel 12 ist in Stapelrichtung S durch Endplatten 16a, b begrenzt und ist innerhalb eines Gehäuses 28 angeordnet. Das Gehäuse weist eine der ersten Endplatte 16a gegenüberliegende erste Gehäusestirnfläche 30a und eine der zweiten Endplatte 16b gegenüberliegende zweite Gehäusestirnfläche 30b auf.
Die beiden Gehäusestirnflächen 30a, b sind mittels vier Gehäuseseitenflächen 32, von denen im Querschnitt lediglich zwei dargestellt sind, miteinander verbunden. Ferner liegen die Gehäusestirnflächen 30a, b in der in 2 gezeigten Ausführungsform direkt an den Endplatten 16a, b an. Die in 2 gezeigte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Brennstoffzellenanordnung weist somit ein nur durch das erste Isolationselement 36 gebildetes Isolationsmaterial 34 auf. Das Isolationsmaterial 34 füllt das zwischen dem Brennstoffzellenstapel 12 und den Seitenwänden 32 des Gehäuses 28 gebildete Volumen vollständig aus.
Das erste Isolationselement 36 ist aus einem geschäumten Kunststoffmaterial gebildet und weist eine in Stapelrichtung S zunehmende Porosität auf. Das Kunststoffmaterial weist eine höhere Wärmeleitfähigkeit auf als die in den Hohlräumen 48 eingeschlossene Luft. Somit weist das erste Isolationselement 36 eine entgegengesetzt der Stapelrichtung S zunehmende Wärmeleitfähigkeit auf. Wird der in 2 dargestellte Brennstoffzellenstapel 12 mit einer weitgehend homogenen Temperatur abgeschaltet und kühlt durch Wärmeabgabe über Isolationsmaterial und Gehäuse an die Umgebung ab, stellt sich aufgrund des ersten Isolationsmaterials ein Wärmegradient in Stapelrichtung S ein. Dabei weist eine Brennstoffzelle 14, die näher an der ersten Endplatte 16a angeordnet ist, eine geringere Temperatur auf als eine Brennstoffzelle 14, die näher an der zweiten Endplatte 16b angeordnet ist.
Aufgrund des Temperaturgradienten kommt es in dem Brennstoffzellenstapel 12 zu einem temperaturabhängigen Wassertransport in Richtung der ersten Endplatte 16a. Gleichzeitig wird das Ansammeln einer zündfähigen Menge eines Wasserstoff/Luft-Gemischs zwischen Gehäuse 28 und Stapel 12 weitgehend vermieden.
3 zeigt den Querschnitt einer Brennstoffzellenanordnung gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung. Gleiche Komponenten der Brennstoffzellenanordnung sind mit gleichen Bezugszeichen versehen und werden hier nicht erneut erläutert.
Die in der 3 gezeigte Brennstoffzellenanordnung unterscheidet sich von der in der 2 gezeigten dadurch, dass das erste Isolationselement 36 aus abschnittsweise verschiedenen Materialien gebildet ist. Insgesamt ist das erste Isolationselement 36 aus drei in Stapelrichtung S aufeinanderfolgenden Abschnitten gebildet. Diese drei Abschnitte weisen einen identischen Kunststoff als Grundmaterial auf und unterschieden sich voneinander durch unterschiedliche Füllgrade von Keramikpartikeln als einem thermisch funktionellen Füllstoff, wobei der Füllgrad der Keramikpartikel in Stapelrichtung S zunimmt.
Die Keramikpartikel weisen eine höhere Wärmeleitfähigkeit auf als das Kunststoffgrundmaterial des ersten Isolationselements 36. Somit weist der in Stapelrichtung S zuerst und benachbart zur ersten Endplatte 16a angeordnete Abschnitt des ersten Isolationselements 36 eine geringere Wärmeleitfähigkeit auf als der der in Stapelrichtung S dritte und benachbart zur zweiten Endplatte 16b angeordnete Abschnitt des ersten Isolationselements 36.
Wird der in 3 dargestellte Brennstoffzellenstapel 12 mit einer weitgehend homogenen Temperatur abgeschaltet und kühlt durch Wärmeabgabe über Isolationsmaterial und Gehäuse an die Umgebung ab, stellt sich aufgrund des ersten Isolationselements ein Wärmegradient in Stapelrichtung S ein. Dabei weist eine Brennstoffzelle 14, die näher an der ersten Endplatte 16a angeordnet ist, eine höhere Temperatur auf als eine Brennstoffzelle 14, die näher an der zweiten Endplatte 16b angeordnet ist. Aufgrund des Temperaturgradienten kommt es in dem Brennstoffzellenstapel 12 zu einem temperaturabhängigen Wassertransport in Richtung der zweiten Endplatte 16b. Gleichzeitig wird das Ansammeln einer zündfähigen Menge eines Wasserstoff/Luft-Gemischs zwischen Gehäuse 28 und Stapel 12 weitgehend vermieden.
4 zeigt den Querschnitt einer Brennstoffzellenanordnung gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung. Gleiche Komponenten der Brennstoffzellenanordnung sind mit gleichen Bezugszeichen versehen und werden hier nicht erneut erläutert.
Das erste Isolationselement 36 ist aus einem geschäumten Kunststoffmaterial gebildet und weist eine in Stapelrichtung S zunehmende Beladung mit einem Faserstoff als einem thermisch funktionellen Füllstoff 50 auf. Das Kunststoffmaterial weist eine höhere Wärmeleitfähigkeit auf als die als Füllstoff eingebrachten Fasern. Somit weist das erste Isolationselement 36 eine in der Stapelrichtung S abnehmende Wärmeleitfähigkeit auf.
Die Brennstoffzellenanordnung weist ferner ein zweites Isolationselement 38 als Teil des Isolationsmaterials 34 auf. Dieses ist durch eine Gummiblase 42 als elastisches Element gebildet, die mit Druckluft 44 als druckbehaftetem Medium befüllt und dadurch expandiert ist. In der expandierten Form weist das zweite Isolationselement 38 ein Volumen auf, das im Wesentlichen dem zwischen der zweiten Endplatte 16b und der zweiten Gehäusestirnwand 30b angeordneten Volumen entspricht. Abweichungen dieser Volumina ergeben sich insbesondere aufgrund der beidseitig an dem zweiten Isolationselement 38 angeordneten Randabschnitte 44. Diese Randabschnitte 44 sind durch Ausstülpungen des zweiten Isolationselements 38 gebildet, die sich in die zwischen Brennstoffzellenstapel 12 und Gehäuseseitenwänden 32 eingeschlossenen Volumina erstrecken.
Eine perspektivische Detaildarstellung des zweiten Isolationselements 38 ist in 5 dargestellt. Darin ist neben den zwei Randabschnitten 44 des zweiten Isolationselements 38 ferner eine Einfüllöffnung 46 dargestellt, durch die das elastische Element 42 mit Druckluft befüllbar ist. In der in der 4 gezeigten Ausführungsform füllen das erste Isolationselement 36 und das zweite Isolationselement 38 gemeinsam im Wesentlichen das gesamte freie Volumen zwischen dem Brennstoffzellenstapel 12 und dem Gehäuse 28 aus.
6 zeigt den Querschnitt einer Brennstoffzellenanordnung gemäß einer vierten Ausführungsform der Erfindung. Gleiche Komponenten der Brennstoffzellenanordnung sind mit gleichen Bezugszeichen versehen und werden hier nicht erneut erläutert.
In dieser Ausführungsform weist das elastische Element 42 des zweiten Isolationselements 38 Randabschnitte 44 auf, die in ihrem expandierten Zustand nahezu das gesamte von Brennstoffzellenstapel 12 und den Gehäuseseitenwänden 32 eingeschlossene Volumen ausfüllen. Ein Hauptabschnitt des elastischen Elements 42 füllt im Wesentlichen das Volumen zwischen der zweiten Endplatte 16v und der zweiten Gehäusestirnfläche 30b aus. Das expandierte elastische Element 42 ist mit dem Material des ersten Isolationselements 36 gefüllt, das eine in Stapelrichtung S ansteigende Beladung mit dem thermisch funktionellen Füllstoff 50 aufweist. Das Material des ersten Isolationselements 36 besteht aus einem geschäumten Kunststoff als Grundelement, der eine geringere thermische Leitfähigkeit aufweist als der thermisch funktionelle Füllstoff 50. Somit weist das Isolationsmaterial 34 insgesamt eine in Stapelrichtung S zunehmende Wärmeleitfähigkeit auf.
Wird der in 6 dargestellte Brennstoffzellenstapel 12 mit einer weitgehend homogenen Temperatur abgeschaltet und kühlt durch Wärmeabgabe über Isolationsmaterial und Gehäuse an die Umgebung ab, stellt sich aufgrund des Isolationsmaterials 34 ein Wärmegradient in Stapelrichtung S ein. Dabei weist eine Brennstoffzelle 14, die näher an der ersten Endplatte 16a angeordnet ist, eine höhere Temperatur auf als eine Brennstoffzelle 14, die näher an der zweiten Endplatte 16b angeordnet ist. Aufgrund des Temperaturgradienten kommt es in dem Brennstoffzellenstapel 12 zu einem temperaturabhängigen Wassertransport in Richtung der zweiten Endplatte 16b. Gleichzeitig ist die Gefahr, dass sich eine zündfähige Menge eines Wasserstoff/Luft-Gemischs zwischen Gehäuse 28 und Stapel 12 ansammelt, deutlich reduziert.
Bezugszeichenliste

12: Brennstoffzellenstapel
14: Brennstoffzelle
16a: erste Endplatte
16b: zweite Endplatte
18: Zugelemente
20: Membran-Elektroden-Anordnung
22: Membran
24: Gasdiffusionslage
26: Bipolarplatte
28: Gehäuse
30a: erste Gehäusestirnfläche
30b: zweite Gehäusestirnfläche
32: Gehäuseseitenwand
34: Isoliermaterial
36: erste Isolationselement
38: zweite Isolationselement
40: druckbehaftetes Medium
42: expandiertes elastisches Element
44: Randabschnitt
46: Einfüllöffnung
48: Pore
50: thermisch funktioneller Füllstoff
S: Stapelrichtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102014203259 A1 [0012]
WO 2010/102815 A1 [0013]

Claims

Brennstoffzellenanordnung, aufweisend: einen Brennstoffzellenstapel (12) mit einer Vielzahl zwischen einer ersten Endplatte (16a) und einer zweiten Endplatte (16b) in Stapelrichtung (S) gestapelter Brennstoffzellen (14); ein den Brennstoffzellenstapel (12) umgebendes Gehäuse (28) mit einer der ersten Endplatte (16a) gegenüberliegenden ersten Gehäusestirnfläche (30a), einer der zweiten Endplatte (16b) gegenüberliegenden zweiten Gehäusestirnfläche (30b) und zumindest einer Gehäuseseitenwand (32); und ein zwischen dem Brennstoffzellenstapel (12) und dem Gehäuse (28) angeordnetes Isolationsmaterial (34) mit einem zwischen einer Endplatte (16a, b) und einer Gehäusestirnfläche (30a, b) angeordneten zweiten Isolationselement (38) und/oder einem zwischen dem Brennstoffzellenstapel (12) und der zumindest einen Gehäuseseitenwand (32) angeordneten ersten Isolationselement (36), dadurch gekennzeichnet, dass das erste Isolationselement (36) ein Material mit einer in oder entgegengesetzt zur Stapelrichtung (S) steigenden Wärmeleitfähigkeit aufweist, und das zweite Isolationselement (38) ein mittels einem druckbehafteten Medium (40) dauerhaft expandiertes elastisches Element (42) aufweist.
Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Isolationselement (36) ein Volumen zwischen der zumindest einen Gehäuseseitenwand (32) und dem Brennstoffzellenstapel (12) zumindest zu 90 % ausfüllt.
Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Isolationselement (36) eine in oder entgegengesetzt zur Stapelrichtung (S) steigende Porosität (48) und/oder steigende Beladung eines thermisch funktionellen Füllstoffs (50) aufweist.
Brennstoffzellenanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Isolationselement (36) in oder entgegengesetzt zur Stapelrichtung (S) abschnittsweise verschiedene Materialien aufweist.
Brennstoffzellenanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Isolationselement (36) ein geschäumtes Material, ein Fasermaterial und/oder ein Aerogel aufweist.
Brennstoffzellenanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Isolationselement (38) durch Befüllen mit dem druckbehafteten Medium (40) zumindest auf ein Volumen expandiert ist, das einem Volumen zwischen der Endplatte (16a, b) und der dieser gegenüberliegenden Gehäusestirnfläche (30a, b) im Wesentlichen entspricht.
Brennstoffzellenanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Isolationselement (38) zumindest einen in ein Volumen zwischen der zumindest einen Gehäuseseitenwand (32) und dem Brennstoffzellenstapel (12) hineinragenden Randabschnitt (44) aufweist.
Brennstoffzellenanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Endplatte (16a) Betriebsmitteldurchgangsöffnungen zur Zuleitung und Ableitung von Betriebsmedien des Brennstoffzellenstapels (12) aufweist und das zweite Isolationselement (38) zwischen der zweiten Endplatte (16b) und der zweiten Gehäusestirnfläche (30b) angeordnet ist.
Brennstoffzellenanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Isolationselement (38) mit einem Betriebsmittelein- oder -auslass des Brennstoffzellenstapels (12) oder einem in einer Kathodenversorgung des Brennstoffzellenstapels (12) angeordneten Verdichter fluidführend verbunden und/oder für das Medium (40) vollständig dicht verschlossen ist.
Brennstoffzellenanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Isolationselement (38) mittels des druckbehafteten Materials des ersten Isolationselements (36) dauerhaft expandiert ist.