DE102021208254A1

DE102021208254A1 - Brennstoffzelleneinheit

Info

Publication number: DE102021208254A1
Application number: DE102021208254.8A
Authority: DE
Inventors: Matthias Musialek; Stefan Schoenbauer; Dominik Giersch; Manuel Schneiter
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2021-07-29
Filing date: 2021-07-29
Publication date: 2023-02-02

Abstract

Brennstoffzelleneinheit (1) zur elektrochemischen Erzeugung von elektrischer Energie, umfassend gestapelt angeordnete Brennstoffzellen (2) und die Brennstoffzellen (2) jeweils gestapelt angeordnete schichtförmige Komponenten umfassen und die Komponenten der Brennstoffzellen (2) Protonenaustauschermembranen, Anoden, Kathoden, Gasdiffusionsschichten und Bipolarplatten sind, so dass die gestapelten Brennstoffzellen (2) einen Brennstoffzellenstapel (40) bilden, ein Gehäuse (42), welches den Brennstoffzellenstapel (40) umschließt, mit einer dem Brennstoffzellenstapel (40) zugewandten Innenseite (43), einen Zwischenraum (41) zwischen der Innenseite (43) des Gehäuses (42) und dem Brennstoffzellenstapel (40), wobei der Zwischenraum (41) wenigstens teilweise mit einem Schaummaterial (45) ausgefüllt ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennstoffzelleneinheit gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 und ein Brennstoffzellensystem gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 15.
Stand der Technik
Brennstoffzelleneinheiten als galvanische Zellen wandeln mittels Redoxreaktionen an einer Anode und Kathode kontinuierlich zugeführten Brennstoff und Oxidationsmittels in elektrische Energie um. Brennstoffzellen werden in den unterschiedlichsten stationären und mobilen Anwendungen eingesetzt, beispielweise in Häusern ohne Anschluss an ein Stromnetz oder in Kraftfahrzeugen, im Schienenverkehr, in der Luftfahrt, in der Raumfahrt und in der Schifffahrt. In Brennstoffzelleneinheiten sind eine Vielzahl von Brennstoffzellen übereinander in einem Stapel als Stack angeordnet.
Brennstoffzelleneinheiten sind aus einem Brennstoffzellenstapel mit gestapelten Brennstoffzellen und einem Gehäuse ausgebildet. Zwischen dem Gehäuse und dem Brennstoffzellenstapel ist ein Zwischenraum vorhanden. Bei Undichtigkeiten in dem Brennstoffzellenstapel kann Brennstoff, beispielsweise Wasserstoff, in den Zwischenraum gelangen und bei einer ausreichenden Konzentration von Sauerstoff in dem Zwischenraum entsteht ein explosives Knallgasgemisch. Dieses Knallgasgemisch kann sich entzünden, so dass bei einer Explosion eine Druckwelle entsteht, welche erheblichen Schall verursacht und gegebenenfalls Schäden an der Brennstoffzelleneinheit bedingt. Aus diesem Grund ist es bereits bekannt, mit einer Entlüftungsvorrichtung Luft aus der Umgebung durch den Zwischenraum zu leiten, so dass kein explosives Knallgasgemisch entstehen kann. In nachteiliger Weise benötigt jedoch eine teure Entlüftungsvorrichtung ständig elektrische Energie zum Betrieb des Gebläses und ferner ist kein Schutz mehr vorhanden bei einem Ausfall des Gebläses. Damit besteht das Risiko von Schäden an der Brennstoffzelleneinheit und einer großen Schallentwicklung bei einer Explosion des Brennstoffes in dem Zwischenraum. Darüber hinaus sind aufwendige und teure Dichtungen notwendig, um eine geringe Permeation von Brennstoff und Oxidationsmittel durch die Dichtungen zu erzielen.
Offenbarung der Erfindung
Vorteile der Erfindung
Erfindungsgemäße Brennstoffzelleneinheit zur elektrochemischen Erzeugung von elektrischer Energie, umfassend gestapelt angeordnete Brennstoffzellen und die Brennstoffzellen jeweils gestapelt angeordnete schichtförmige Komponenten umfassen und die Komponenten der Brennstoffzellen Protonenaustauschermembranen, Anoden, Kathoden, Gasdiffusionsschichten und Bipolarplatten sind, so dass die gestapelten Brennstoffzellen einen Brennstoffzellenstapel bilden, ein Gehäuse, welches den Brennstoffzellenstapel umschließt, mit einer dem Brennstoffzellenstapel zugewandten Innenseite, einen Zwischenraum zwischen der Innenseite des Gehäuses und dem Brennstoffzellenstapel, wobei der Zwischenraum wenigstens teilweise mit einem Schaummaterial ausgefüllt ist. In einer weiteren Ausführungsform ist der Zwischenraum zu wenigstens 50 Volumen-%, 60 Volumen-%, 70 Volumen-%, 80 Volumen-%, 90 Volumen-%, 95 Volumen-%, 98 Volumen-%, 99 Volumen-% des Volumens des Zwischenraumes mit dem Schaummaterial befüllt.
In einer ergänzenden Ausgestaltung ist der Zwischenraum vollständig mit dem Schaummaterial ausgefüllt.
In einer zusätzlichen Ausführungsform ist das Schaummaterial ein geschlossenzelliges Schaummaterial, vorzugsweise zu wenigstens 30 Vol.-%, 50 Vol.- %, 70 Vol-%, 80 Vol.-% oder 90 Vol.-%, insbesondere vollständig, ein geschlossenzelliges Schaummaterial. Bei einem geschlossenzelligen Schaummaterial sind die Wände zwischen den einzelnen Zellen vollständig geschlossen.
In einer weiteren Ausgestaltung ist der Werkstoff des Schaummaterials ein Kunststoff, insbesondere Polystyrol.
Vorzugsweise ist das Schaummaterial aus einem mineralischen und/oder keramischen Werkstoff ausgebildet.
In einer weiteren Variante beträgt die Porosität der Schaumateriales wenigstens 50%, 50%, 70% oder 90%. Die Porosität ist definiert als 1 minus dem Quotienten aus der Rohdichte oder Schüttdichte zu der Reindichte. Außerdem ist die Porosität definiert als das Verhältnis von dem Hohlraumvolumen zu dem Gesamtvolumen.
In einer zusätzlichen Ausgestaltung ist das Gehäuse wenigstens teilweise, insbesondere vollständig, aus Kunststoff und/oder Metall ausgebildet. Vorzugsweise ist der Kunststoff und/oder das Metall fluiddicht.
In einer ergänzenden Ausgestaltung ist das Gehäuse aus einem thermoplastischen Kunststoff ausgebildet.
Zweckmäßig umfasst das Gehäuse eine Deckwandung und/oder eine Bodenwandung und/oder wenigstens zwei, insbesondere vier, Seitenwandungen. Vorzugsweise ist die Bodenwandung des Gehäuses als Anschlussplatte ausgebildet.
In einer weiteren Ausführungsform sind wenigstens drei der insgesamt sechs Wandungen des Gehäuses aus Kunststoff ausgebildet. Insbesondere sind sämtliche Wandungen des Gehäuses aus Kunststoff und/oder Metall ausgebildet.
In einer zusätzlichen Variante umfasst die Brennstoffzelleneinheit einen Drucksensor zur Erfassung des Druckes in dem Zwischenraum, insbesondere an einer Außenseite des Brennstoffzellenstapels.
In einer ergänzenden Ausgestaltung umfasst die Brennstoffzelleneinheit ein Leckageventil und mit dem Leckageventil ist ein Fluid von dem Zwischenraum in die Umgebung außerhalb des Gehäuses ableitbar.
In einer weiteren Ausführungsform ist eine Außenseite des Brennstoffzellenstapels, insbesondere die Außenseite des Brennstoffzellenstapels im Wesentlichen senkrecht zu fiktiven Ebenen aufgespannt von den Brennstoffzellen und/oder schichtförmigen Komponenten, von einer fluiddichten Folie umhüllt. Im Wesentlichen senkrecht zu den fiktiven Ebenen aufgespannt von den Brennstoffzellen und/oder schichtförmigen Komponenten bedeutet vorzugsweise, dass die Außenseite des Brennstoffzellenstapels mit einer Abweichung von weniger als 30°, 20° oder 10° senkrecht zu den fiktiven Ebenen ausgerichtet ist.
In einer ergänzenden Variante ist der Drucksensor in einem Teilzwischenraum zwischen der Außenseite des Brennstoffzellenstapels und der Folie positioniert.
Erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, umfassend eine Brennstoffzelleneinheit, einen Druckgasspeicher zur Speicherung von gasförmigem Brennstoff, eine Gasfördervorrichtung zur Förderung eines gasförmigen Oxidationsmittels zu den Kathoden der Brennstoffzellen, wobei die Brennstoffzelleneinheit als eine in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebene Brennstoffzelleneinheit ausgebildet ist.
In einer zusätzlichen Ausgestaltung ist das Gehäuse, insbesondere die Anschlussplatte, wenigstens teilweise, insbesondere vollständig, aus Metall, insbesondere Stahl und/oder Messing und/oder Aluminium, ausgebildet.
In einer zusätzlichen Ausführungsform ist das Schaummaterial ein offenzelliges Schaummaterial, vorzugsweise zu wenigstens 30 Vol.-%, 50 Vol.- %, 70 Vol-%, 80 Vol.-% oder 90 Vol.-%, insbesondere vollständig, ein offenzelliges Schaummaterial. Bei einem offenzelligen Schaummaterial sind die Wände zwischen den einzelnen Zellen offen, d. h. nicht geschlossen.
In einer weiteren Variante ist das Schaummaterial ein gemischtzelliges Schaummaterial mit geschlossenzelligem und offenzelligem Schaummaterial.
In einer weiteren Ausgestaltung ist mit dem Drucksensor der Druck in dem Zwischenraum, insbesondere an einer Außenseite des Brennstoffzellenstapels, erfassbar und in Abhängigkeit von dem mit dem Drucksensor erfassten Druck ist wenigstens eine Maßnahme ausführbar, vorzugsweise ist die wenigstens eine Maßnahme eine Fehler- und/oder Schadensmeldung und/oder ein automatisches Abschalten der Brennstoffzelleneinheit und/oder das Ausgeben eines optischen und/oder akustischen Warnsignales.
In einer zusätzlichen Ausgestaltung ist mit dem Leckageventil und vorzugsweise der Leckageleitung ab einem Überschreiten eines vorgegebenen Druckes in dem Zwischenraum, insbesondere eines Druckes an einer Außenseite des Brennstoffzellenstapels, ein Fluid aus dem Zwischenraum in die Umgebung automatisch ableitbar.
In einer ergänzenden Variante ist der Werkstoff des Schaummaterials duroplastischer oder elastomerer Kunststoff. Beispielsweise ist das Schaummaterial aus dem Elastomer ein PUR-Schaum.
In einer ergänzenden Variante ist das Schaummaterial mittels physikalischem Schäumen und/oder chemischen Schäumen und/oder mechanischen Schäumen hergestellt. Beim physikalischen Schäumen wird das Schaummaterial durch einen physikalischen Vorgang geschäumt. Beim chemischen Schäumen wird beispielsweise ein Kunststoffgranulat mit einem Treibmittel geschäumt. Beim mechanischen Schäumen wird beispielsweise Luft in das zu schäumende Harz oder die zu schäumende Paste eingerührt.
In einer weiteren Variante ist das Schaummaterial, insbesondere vollständig, elektrisch isolierend ausgebildet. Stromleitungen können damit einfach in dem Schaummaterial integriert und eingebaut werden und es tritt kein Kurzschluss zwischen den Bipolarplatten des Brennstoffzellenstapels auf.
In einer weiteren Ausgestaltung weist der Werkstoff des Schaummaterials ein Elastizitätsmodul zwischen 0,001 und 20 GPa, insbesondere zwischen 0,005 und 3 GPa, auf.
In einer ergänzenden Ausführungsform ist das Schaummaterial elastisch und/oder plastisch.
In einer weiteren Variante ist das Schaummaterial elektrisch isolierend und/oder aus Kunststoff ausgebildet.
Vorzugsweise ist die Dicke des Schaummaterials zwischen der Außenseite des Brennstoffzellenstapels und der Innenseite des Gehäuses zwischen 1 mm und 200 mm, insbesondere zwischen 2 mm und 50 mm.
In einer weiteren Variante umfasst die Brennstoffzelleneinheit wenigstens eine Verbindungsvorrichtung, insbesondere mehrere Verbindungsvorrichtungen, und Spannelemente.
In einer ergänzenden Variante ist die wenigstens eine Verbindungsvorrichtung von dem Schaummaterial umhüllt, insbesondere weist das Schaummaterial einen Kontakt zu der wenigstens einen Verbindungsvorrichtung auf.
In einer weiteren Ausgestaltung umfassen die Brennstoffzellen jeweils eine Protonenaustauschermembran, eine Anode, eine Kathode, wenigstens eine Gasdiffusionsschicht und wenigstens eine Bipolarplatte.
In einer weiteren Ausführungsform ist die Verbindungsvorrichtung als ein Bolzen ausgebildet und/oder ist stabförmig.
Zweckmäßig sind die Spannelemente als Spannplatten ausgebildet.
In einer weiteren Variante ist die Gasfördervorrichtung als ein Gebläse oder ein Kompressor ausgebildet.
Insbesondere umfasst die Brennstoffzelleneinheit wenigstens 3, 4, 5 oder 6 Verbindungsvorrichtungen.
In einer weiteren Ausgestaltung sind die Spannelemente plattenförmig und/oder scheibenförmig und/oder eben ausgebildet und/oder als ein Gitter ausgebildet.
Vorzugsweise ist der Brennstoff Wasserstoff, wasserstoffreiches Gas, Reformatgas oder Erdgas.
Zweckmäßig sind die Brennstoffzellen und/oder Komponenten im Wesentlichen eben und/oder scheibenförmig ausgebildet.
In einer ergänzenden Variante ist das Oxidationsmittel Luft mit Sauerstoff oder reiner Sauerstoff.
Vorzugsweise ist die Brennstoffzelleneinheit eine PEM-Brennstoffzelleneinheit mit PEM-Brennstoffzellen.
Figurenliste
Im Nachfolgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt:

1 eine stark vereinfachte Explosionsdarstellung eines Brennstoffzellensystems mit Komponenten einer Brennstoffzelle,
2 eine perspektivische Ansicht eines Teils einer Brennstoffzelle,
3 einen Längsschnitt durch eine Brennstoffzelle,
4 eine perspektivische Ansicht eines Brennstoffzellenstapel ohne Gehäuse,
5 einen Schnitt durch eine Brennstoffzelleneinheit mit Gehäuse in einem ersten Ausführungsbeispiel,
6 einen Schnitt durch die Brennstoffzelleneinheit mit Gehäuse in einem zweiten Ausführungsbeispiel,
7 einen Schnitt durch die Brennstoffzelleneinheit mit Gehäuse in einem dritten Ausführungsbeispiel und
8 einen Schnitt durch die Brennstoffzelleneinheit mit Gehäuse in einem vierten Ausführungsbeispiel.

In den 1 bis 3 ist der grundlegende Aufbau einer Brennstoffzelle 2 als einer PEM-Brennstoffzelle 3 (Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle 3) dargestellt. Das Prinzip von Brennstoffzellen 2 besteht darin, dass mittels einer elektrochemischen Reaktion elektrische Energie bzw. elektrischer Strom erzeugt wird. An eine Anode 7 wird Wasserstoff H₂ als gasförmiger Brennstoff geleitet und die Anode 7 bildet den Minuspol. An eine Kathode 8 wird ein gasförmiges Oxidationsmittel, nämlich Luft mit Sauerstoff, geleitet, d. h. der Sauerstoff in der Luft stellt das notwendige gasförmige Oxidationsmittel zur Verfügung. An der Kathode 8 findet eine Reduktion (Elektronenaufnahme) statt. Die Oxidation als Elektronenabgabe wird an der Anode 7 ausgeführt.
Die Redoxgleichungen der elektrochemischen Vorgänge lauten:

Kathode: O₂ + 4 H⁺ + 4 e^- --» 2 H₂O
Anode: 2 H₂ --» 4 H⁺ + 4 e^-
Summenreaktionsgleichung von Kathode und Anode: 2 H₂ + O₂ --» 2 H₂O

Die Differenz der Normalpotentiale der Elektrodenpaare unter Standardbedingungen als reversible Brennstoffzellenspannung oder Leerlaufspannung der unbelasteten Brennstoffzelle 2 beträgt 1,23 V. Diese theoretische Spannung von 1,23 V wird in der Praxis nicht erreicht. Im Ruhezustand und bei kleinen Strömen können Spannungen über 1,0 V erreicht werden und im Betrieb mit größeren Strömen werden Spannungen zwischen 0,5 V und 1,0 V erreicht. Die Reihenschaltung von mehreren Brennstoffzellen 2, insbesondere eine Brennstoffzelleneinheit 1 mit einem Brennstoffzellenstapel 40 von mehreren übereinander angeordneten Brennstoffzellen 2, weist eine höhere Spannung auf, welche der Zahl der Brennstoffzellen 2 multipliziert mit der Einzelspannung je einer Brennstoffzelle 2 entspricht.
Die Brennstoffzelle 2 umfasst außerdem eine Protonenaustauschermembran 5 (Proton Exchange Membrane, PEM), welche zwischen der Anode 7 und der Kathode 8 angeordnet ist. Die Anode 7 und Kathode 8 sind schichtförmig bzw. scheibenförmig ausgebildet. Die PEM 5 fungiert als Elektrolyt, Katalysatorträger und Separator für die Reaktionsgase. Die PEM 5 fungiert außerdem als elektrischer Isolator und verhindert einen elektrischen Kurzschluss zwischen der Anode 7 und Kathode 8. Im Allgemeinen werden 12 µm bis 150 µm dicke, protonenleitende Folien aus perfluorierten und sulfonierten Polymeren eingesetzt. Die PEM 5 leitet die Protonen H⁺ und sperrt andere Ionen als Protonen H⁺ im Wesentlichen, so dass aufgrund der Durchlässigkeit der PEM 5 für die Protonen H⁺ der Ladungstransport erfolgen kann. Die PEM 5 ist für die Reaktionsgase Sauerstoff O₂ und Wasserstoff H₂ im Wesentlichen undurchlässig, d. h. sperrt die Strömung von Sauerstoff O₂ und Wasserstoff H₂ zwischen einem Gasraum 31 an der Anode 7 mit Brennstoff Wasserstoff H₂ und dem Gasraum 32 an der Kathode 8 mit Luft bzw. Sauerstoff O₂ als Oxidationsmittel. Die Protonenleitfähigkeit der PEM 5 vergrößert sich mit steigender Temperatur und steigenden Wassergehalt.
Auf den beiden Seiten der PEM 5, jeweils zugewandt zu den Gasräumen 31, 32, liegen die Elektroden 7, 8 als die Anode 7 und Kathode 8 auf. Eine Einheit aus der PEM 5 und Anode 7 sowie Kathode 8 wird als Membranelektrodenanordnung 6 (Membran Electrode Assembly, MEA) bezeichnet. Die Elektroden 7, 8 sind mit der PEM 5 verpresst. Die Elektroden 7, 8 sind platinhaltige Kohlenstoffpartikel, die an PTFE (Polytetrafluorethylen), FEP (Fluoriertes Ethylen-Propylen-Copolymer), PFA (Perfluoralkoxy), PVDF (Polyvinylidenfluorid) und/oder PVA (Polyvinylalkohol) gebunden sind und in mikroporösen Kohlefaser-, Glasfaser- oder Kunststoffmatten heißverpresst sind. An den Elektroden 7, 8 sind auf der Seite zu den Gasräumen 31, 32 hin normalerweise jeweils eine Katalysatorschichten 30 aufgebracht. Die Katalysatorschicht 30 an dem Gasraum 31 mit Brennstoff an der Anode 7 umfasst nanodisperses Platin-Ruthenium auf grafitierten Rußpartikeln, die an einem Bindemittel gebunden sind. Die Katalysatorschicht 30 an dem Gasraum 32 mit Oxidationsmittel an der Kathode 8 umfasst analog nanodisperses Platin. Als Bindemittel werden beispielsweise Nation®, eine PTFE-Emulsion oder Polyvinylalkohol eingesetzt.
Abweichend hiervon sind die Elektroden 7, 8 aus einem lonomer, beispielsweise Nation®, platinhaltigen Kohlenstoffpartikeln und Zusatzstoffen aufgebaut. Diese Elektroden 7, 8 mit dem lonomer sind aufgrund der Kohlenstoffpartikel elektrisch leitfähig und leiten auch die Protonen H⁺ und fungieren zusätzlich auch als Katalysatorschicht 30 wegen der platinhaltigen Kohlenstoffpartikel. Membranelektrodenanordnungen 6 mit diesen Elektroden 7, 8 umfassend das lonomer bilden Membranelektrodenanordnungen 6 als CCM (catalyst coated membran).
Auf der Anode 7 und der Kathode 8 liegt eine Gasdiffusionsschicht 9 (Gas Diffusion Layer, GDL) auf. Die Gasdiffusionsschicht 9 an der Anode 7 verteilt den Brennstoff aus Kanälen 12 für Brennstoff gleichmäßig auf die Katalysatorschicht 30 an der Anode 7. Die Gasdiffusionsschicht 9 an der Kathode 8 verteilt das Oxidationsmittel aus Kanälen 13 für Oxidationsmittel gleichmäßig auf die Katalysatorschicht 30 an der Kathode 8. Die GDL 9 zieht außerdem Reaktionswasser in umgekehrter Richtung zur Strömungsrichtung der Reaktionsgase ab, d. h. in einer Richtung je von der Katalysatorschicht 30 zu den Kanälen 12, 13. Ferner hält die GDL 9 die PEM 5 feucht und leitet den Strom. Die GDL 9 ist beispielsweise aus einem hydrophobierten Kohlepapier und einer gebundenen Kohlepulverschicht aufgebaut.
Auf der GDL 9 liegt eine Bipolarplatte 10 auf. Die elektrisch leitfähige Bipolarplatte 10 dient als Stromkollektor, zur Wasserableitung und zur Leitung der Reaktionsgase durch eine Kanalstruktur 29 und/oder ein Flussfeld 29 und zur Ableitung der Abwärme, welche insbesondere bei der exothermischen elektrochemischen Reaktion an der Kathode 8 auftritt. Zum Ableiten der Abwärme sind in die Bipolarplatte 10 Kanäle 14 zur Durchleitung eines flüssigen oder gasförmigen Kühlmittels eingearbeitet. Die Kanalstruktur 29 an dem Gasraum 31 für Brennstoff ist von Kanälen 12 gebildet. Die Kanalstruktur 29 an dem Gasraum 32 für Oxidationsmittel ist von Kanälen 13 gebildet. Als Material für die Bipolarplatten 10 werden beispielsweise Metall, leitfähige Kunststoffe und Kompositwerkstoffe oder Grafit eingesetzt. Die Bipolarplatte 10 umfasst somit die drei Kanalstrukturen 29, gebildet von den Kanälen 12, 13 und 14, zur getrennten Durchleitung von Brennstoff, Oxidationsmittel und Kühlmittel. In einer Brennstoffzelleneinheit 1 mit einem Brennstoffzellenstapel 40 als einem Brennstoffzellenstack 40 sind mehrere Brennstoffzellen 2 fluchtend gestapelt angeordnet (4). Die Brennstoffzellen 2 und die Komponenten 5, 6, 7, 8, 9, 10 der Brennstoffzellen 2 sind schichtförmig und/oder scheibenförmig ausgebildet und spannen fiktive Ebenen 37 (3) auf. Die Komponenten 5, 6, 7, 8, 9, 10 der Brennstoffzellen 2 sind Protonenaustauschermembranen 5, Anoden 7, Kathoden 8, Gasdiffusionsschichten 9 und Bipolarplatten 10.
In 1 ist eine Explosionsdarstellung von zwei gestapelt angeordneten Brennstoffzellen 2 abgebildet. Eine Dichtung 11 dichtet die Gasräume 31, 32 fluiddicht ab. In einem Druckgasspeicher 21 (1) ist Wasserstoff H₂ als Brennstoff mit einem Druck von beispielsweise 400 bar bis 800 bar gespeichert. Aus dem Druckgasspeicher 21 wird der Brennstoff durch eine Hochdruckleitung 18 zu einem Druckminderer 20 geleitet zur Reduzierung des Druckes des Brennstoffes in einer Mitteldruckleitung 17 von ungefähr 10 bar bis 20 bar. Aus der Mitteldruckleitung 17 wird der Brennstoff zu einem Injektor 19 geleitet. An dem Injektor 19 wird der Druck des Brennstoffes auf einen Einblasdruck zwischen 1 bar und 3 bar reduziert. Von dem Injektor 19 wird der Brennstoff einer Zufuhrleitung 16 für Brennstoff (1) zugeführt und von der Zufuhrleitung 16 den Kanälen 12 für Brennstoff, welche die Kanalstruktur 29 für Brennstoff bilden. Der Brennstoff durchströmt dadurch den Gasraum 31 für den Brennstoff. Der Gasraum 31 für den Brennstoff ist von den Kanälen 12 und der GDL 9 an der Anode 7 gebildet. Nach dem Durchströmen der Kanäle 12 wird der nicht in der Redoxreaktion an der Anode 7 verbrauchte Brennstoff und gegebenenfalls Wasser aus einer kontrollieren Befeuchtung der Anode 7 durch eine Abfuhrleitung 15 aus den Brennstoffzellen 2 abgeleitet.
Eine Gasfördereinrichtung 22, beispielsweise als ein Gebläse 23 oder ein Kompressor 24 ausgebildet, fördert Luft aus der Umgebung als Oxidationsmittel in eine Zufuhrleitung 25 für Oxidationsmittel. Aus der Zufuhrleitung 25 wird die Luft den Kanälen 13 für Oxidationsmittel, welche eine Kanalstruktur 29 an den Bipolarplatten 10 für Oxidationsmittel bilden, zugeführt, so dass das Oxidationsmittel den Gasraum 32 für das Oxidationsmittel durchströmt. Der Gasraum 32 für das Oxidationsmittel ist von den Kanälen 13 und der GDL 9 an der Kathode 8 gebildet. Nach dem Durchströmen der Kanäle 13 bzw. des Gasraumes 32 für das Oxidationsmittel 32 wird das nicht an der Kathode 8 verbrauchte Oxidationsmittel und das an der Kathode 8 aufgrund der elektrochemischen Redoxreaktion entstehenden Reaktionswasser durch eine Abfuhrleitung 26 aus den Brennstoffzellen 2 abgeleitet. Eine Zufuhrleitung 27 dient zur Zuführung von Kühlmittel in die Kanäle 14 für Kühlmittel und eine Abfuhrleitung 28 dient zur Ableitung des durch die Kanäle 14 geleiteten Kühlmittels. Die Zu- und Abfuhrleitungen 15, 16, 25, 26, 27, 28 sind in 1 aus Vereinfachungsgründen als gesonderte Leitungen dargestellt und sind konstruktiv tatsächlich am Endbereich in der Nähe der Kanäle 12, 13, 14 als fluchtende Fluidöffnungen (nicht dargestellt) am Endbereich der aufeinander liegenden Membranelektrodenanordnungen 6 ausgebildet. Analog sind auch an plattenförmigen Verlängerungen (nicht dargestellt) der Bipolarplatten 10 Fluidöffnungen (nicht dargestellt) ausgebildet und die Fluidöffnungen in den plattenförmigen Verlängerungen der Bipolarplatten 10 fluchten mit den Fluidöffnungen (nicht dargestellt) an den Membranelektrodenanordnungen 6 zur teilweisen Ausbildung der Zu- und Abfuhrleitungen 15, 16, 25, 26, 27, 28. Die Brennstoffzelleneinheit 1 zusammen mit dem Druckgasspeicher 21 und der Gasfördereinrichtung 22 bildet ein Brennstoffzellensystem 4.
In der Brennstoffzelleneinheit 1 sind die Brennstoffzellen 2 zwischen zwei Spannelementen 33 als Spannplatten 34 angeordnet. Eine obere Spannplatte 35 liegt auf der obersten Brennstoffzelle 2 auf und eine untere Spannplatte 36 liegt auf der untersten Brennstoffzelle 2 auf. Die Brennstoffzelleneinheit 1 umfasst ungefähr 200 bis 400 Brennstoffzellen 2, die aus zeichnerischen Gründen nicht alle in 4 bis 8 dargestellt sind. Die Spannelemente 33 bringen auf die Brennstoffzellen 2 eine Druckkraft auf, d. h. die obere Spannplatte 35 liegt mit einer Druckkraft auf der obersten Brennstoffzelle 2 auf und die untere Spannplatte 36 liegt mit einer Druckkraft auf der untersten Brennstoffzelle 2 auf. Damit ist der Brennstoffzellenstapel 40 verspannt, um die Dichtheit für den Brennstoff, das Oxidationsmittel und das Kühlmittel, insbesondere aufgrund der elastischen Dichtung 11, zu gewährleisten und außerdem den elektrischen Kontaktwiderstand innerhalb des Brennstoffzellenstapels 40 möglichst klein zu halten. Zur Verspannung der Brennstoffzellen 2 mit den Spannelementen 33 sind an der Brennstoffzelleneinheit 1 vier Verbindungsvorrichtungen 38 als Bolzen 39 ausgebildet, welche auf Zug beansprucht sind. Die vier Bolzen 39 sind mit den Spannplatten 34 fest verbunden.
In 5 ist ein erstes Ausführungsbeispiel der Brennstoffzelleneinheit 1 dargestellt. Der Brennstoffzellenstapel 40 ist von einem Gehäuse 42 und einer Anschlussplatte 47 umschlossen (5). Das Gehäuse 42 ist von insgesamt sechs Wandungen 55 gebildet, nämlich einer Deckwandung 52, einer Bodenwandung 53 und vier Seitenwandungen 54 gebildet. Die Bodenwandung 53 bildet auch die Anschlussplatte 47. Das Gehäuse 42 weist eine dem Brennstoffzellenstapel 40 zugewandte Innenseite 43 und eine gegenüberliegend zu der Innenseite 43 ausgerichtete Außenseite 44 zugewandt zu der Umgebung auf. Die Seitenwandungen 54 sind mit Fixierungselementen 48 als Schrauben 49 oder Bolzen an der Bodenwandung 53 als Anschlussplatte 47 befestigt. Dabei ist zwischen der einteiligen Deckwandung 53 und den Seitenwandung 54 sowie der einteiligen Bodenwandung 53 eine elastische Dichtung 50 angeordnet, so dass das Gehäuse 42 fluiddicht ist, d. h. keine Fluide von einem Zwischenraum 41 in die Umgebung gelangen können und umgekehrt. Zwischen dem Gehäuse 42 einerseits und dem Brennstoffzellenstapel 40 andererseits ist der Zwischenraum 41 vorhanden. In der Anschlussplatte 47 und der unteren Spannplatte 36 ist eine Öffnung 60 und/oder Leitung 60 zum Einleiten des Oxidationsmittels in den Brennstoffzellenstapel 40 und eine Öffnung 61 und/oder Leitung 61 zum Ausleiten des Oxidationsmittels aus dem Brennstoffstapel 40 ausgebildet. Die Leitung 60, 61 ist auch in dem Zwischenraum 41 ausgebildet. Außerdem sind in der Anschlussplatte 47 und der unteren Spannplatte 36 und/oder Zwischenraum 41 je eine Öffnung und/oder Leitung (nicht dargestellt) zum Einleiten des Brennstoffes und des Kühlmittels in den Brennstoffzellenstapel 40 und je eine Öffnung und/oder Leitung (nicht dargestellt) zum Ausleiten des Brennstoffes und Kühlmittels aus dem Brennstoffstapel 40 ausgebildet. In der Anschlussplatte 47 und der unteren Spannplatte 36 und/oder dem Zwischenraum 41 sind somit insgesamt 6 Öffnung und/oder Leitungen zum Einleiten und Ausleiten der Prozessfluide Oxidationsmittel, Brennstoff und Kühlmittel ausgebildet.
Das Gehäuse 42, d. h. die Wandungen 55 des Gehäuses 42, sind vollständig aus Kunststoff ausgebildet und damit fluiddicht und elektrisch isolierend. Der Kunststoff der Wandungen 55 des Gehäuses 42 ist fluiddicht und weist im Wesentlichen keine Permeation auf. Damit können im Wesentlichen keine Fluide durch das Gehäuse 42 von dem Zwischenraum 41 in die Umgebung diffundieren. Der Zwischenraum 41 ist vollständig mit einem Schaummaterial 45 aus dem Werkstoff Kunststoff als einem Polymer, vorzugsweise Polystyrolschaum (EPS) oder Polyurethanschaum, ausgefüllt. Das Schaummaterial 45 ist elektrisch isolierend und geschlossenzellig. Die Abnahme des Stromes erfolgt mit einer oberen Stromabnehmerplatte (nicht dargestellt) an der obersten Bipolarplatte 10 und einer unteren Stromabnehmerplatte an der untersten Bipolarplatte 10. Die nicht dargestellten Stromabnehmerplatten sind elektrisch von den Spannplatten 34 isoliert. Gegebenenfalls sind die obere und untere Stromabnehmerplatte von der Bipolarplatte 10 selbst gebildet. Aufgrund der elektrisch isolierenden Wirkung des Schaummaterials 45 sind die Stromleitungen 51, welche mit der oberen und unteren Stromabnehmerplatte elektrisch verbunden sind, in dem Zwischenraum 41 positioniert in einem Abstand zu dem Brennstoffzellenstapel 40 und damit auch zu den Bipolarplatten 10. Aufgrund des Abstandes der Stromleitungen 41 zu dem Brennstoffzellenstapel 40 und aufgrund der elektrisch isolierenden Wirkung des Schaummaterials 45 ist keine weitere elektrische Isolierung für die Stromleitungen 51 notwendig und diese können einfach in dem Zwischenraum 41 durch das Gehäuse 42, d. h. durch fluiddicht abgedichtete Öffnungen (nicht dargestellt) in der Seitenwandung 54, nach außen geführt werden an einer beliebigen Stelle. Damit können die Stromleitungen 51 besonders einfach in den Zwischenraum 41 integriert und an einer für die Anwendung optimalen Position an der Außenseite 44 des Gehäuses 42 nach außen geführt werden.
Die Dichtungen 11 des Brennstoffzellenstapels 40 weisen eine bestimmte Permeation auf, sodass dadurch der Brennstoff Wasserstoff und das Oxidationsmittel Luft in den Zwischenraum 41 gelangen. Die Poren bzw. die Zellen des Schaummaterials 45 sind derart klein, dass Knallgasreaktionen als kleine Explosionen lediglich lokal an einzelnen Zellen bzw. Poren des Schaummaterials 45 möglich sind und aufgrund des kleinen Volumens dieser Poren bzw. Zellen derartige Knallgasreaktionen keine schädigenden Auswirkungen auf die Brennstoffzelleneinheit 1 haben. Der Brennstoffzellenstapel 40 ist vollständig von dem Schaummaterial 45 umhüllt, sodass ein derartiger Schutz vor schädigenden Knallgasreaktionen an der gesamten Außenseite des Brennstoffzellenstapels 40 vorhanden ist.
Optional ist an einer Außenseite des Brennstoffzellenstapels 40, insbesondere an einer Außenseite des Brennstoffzellenstapels 40 senkrecht zu der fiktiven Ebene 37, zusätzlich eine fluiddichten Folie 56 positioniert. Die Folie 56, insbesondere aus Kunststoff ausgebildet, begrenzt somit einen Teilzwischenraum zwischen der Außenseite des Brennstoffzellenstapels 40 und der Folie 56. Der Teilzwischenraum ist somit ein Teil des Zwischenraumes 41. In dem Teilzwischenraum ist ein Drucksensor 57 und ein Leckageventil 58 angeordnet. Von dem Leckageventil 58 ist eine Leckageleitung 59 in die Umgebung außerhalb des Gehäuses 42 geführt. Der optionale Drucksensor 57 kann einen sehr großen Überdruck in dem Teilzwischenraum erfassen, beispielsweise bei einer sehr großen Undichtigkeit an einer Dichtung 11, und bei einem Überschreiten eines vorgegebenen Überdrucks in dem Teilzwischenraum wird eine Fehler- und/oder Schadensmeldung abgegeben. Das optionale Leckageventil 58 und die optionale Leckageleitung 59 ermöglicht es, dass bei einem Überschreiten eines vorgegebenen Überdrucks ist in dem Teilzwischenraum Fluid in die Umgebung durch die Leckageleitung 59 abgegeben werden kann. In die Bodenwandung 53 ist eine optionale Membran 46 integriert. Die Membran 46 ermöglicht es, dass Feuchtigkeit und/oder Wasser durch die Membran 46 in die Umgebung diffundieren kann. Damit kann es in vorteilhafter Weise vermieden werden, dass sich in dem Zwischenraum 41, insbesondere in einem Bereich über der Bodenwandung 53, größere Mengen an Wasser und/oder Feuchtigkeit ansammeln.
In 6 ist ein zweites Ausführungsbeispiel der Brennstoffzelleneinheit 1 dargestellt. Im Nachfolgenden werden im Wesentlichen nur die Unterschiede zu dem ersten Ausführungsbeispiel gemäß 5 beschrieben. Die Bodenwandung 53 des Gehäuses 42 liegt unmittelbar auf der unteren Spannplatte 36 auf. Damit ist zwischen der unteren Spannplatte 36 als dem Spannelemente 33 und der Bodenwandung 53 als der Anschlussplatte 47 kein Schaummaterial 45 positioniert.
In 7 ist ein drittes Ausführungsbeispiel der Brennstoffzelleneinheit 1 dargestellt. Im Nachfolgenden werden im Wesentlichen nur die Unterschiede zu dem ersten Ausführungsbeispiel gemäß 5 beschrieben. Die Bodenwandung 53 des Gehäuses 42 liegt unmittelbar auf der unteren Spannplatte 36 auf und außerdem ist an einer seitlichen Seite des Brennstoffzellenstapels 40 keine Wandlung 55 des Gehäuses 42 ausgebildet, sodass eine Seitenwandung 54 des Gehäuses 42 auf eine Oberseite der oberen Spannplatte 35 als dem Spannelemente 33 geführt ist.
In 8 ist ein viertes Ausführungsbeispiel der Brennstoffzelleneinheit 1 dargestellt. Im Nachfolgenden werden im Wesentlichen nur die Unterschiede zu dem zweiten Ausführungsbeispiel gemäß 6 beschrieben. Die Bodenwandung 53 des Gehäuses 42, welches auch die Anschlussplatte 47 bildet, ist nicht aus Kunststoff, sondern aus Metall, insbesondere Stahl ausgebildet. Mit dieser Anschlussplatte 47 aus Stahl kann die Brennstoffzelleneinheit 1 insgesamt eine sehr hohe Steifigkeit aufweisen, beispielsweise für die Integration in die Karosserie eines Kraftfahrzeuges. Außerdem ist an der Außenseite des Brennstoffzellenstacks 40 keine Folie 56 angeordnet.
Insgesamt betrachtet sind mit der erfindungsgemäßen Brennstoffzelleneinheit 1 und dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem 4 wesentliche Vorteile verbunden. Die Dichtungen 11 der Brennstoffzelleneinheit 1 können einfach und preiswert hergestellt werden, da eine geringe Permeation von Brennstoff und Oxidationsmittel durch die Dichtungen 11 keine negativen Auswirkungen auf die Brennstoffzelleneinheit 1 haben. Aufgrund der kleinen Poren und/oder Zellen des Schaummateriales 45 können in dem Zwischenraum 41 keine schädigenden, größeren Knallgasreaktionen auftreten. Das Schaummaterial 45 weist außerdem eine gute thermische Isolation auf, sodass auch nach einem längeren Stillstand der Brennstoffzelleneinheit 1 diese nur sehr langsam von einer Betriebstemperatur im Bereich zwischen 80° und 100° abgekühlt. Auch bei einem längeren Stillstand der Brennstoffzelleneinheit 1 von mehreren Stunden bei einer Umgebungstemperatur unter 0 °C kann damit ein notwendiger Start der Brennstoffzelleneinheit 1 mit gefrorenem Wasser, d. h. Eis, in der Brennstoffzelleneinheit 1 als Kaltstart vermieden werden, weil die Brennstoffzelleneinheit 1 noch nicht unter 0 °C abgekühlt ist.
Aufgrund der im Wesentlichen diffusionsdichten Eigenschaften des Schaummaterials 45 mit einer kleinen Permeation sammelt sich Brennstoff, welcher durch die Dichtungen 11 an die Außenseite des Brennstoffzellenstapels 40 diffundiert ist, an der Außenseite des Brennstoffzellenstapels 40 an. Auch nach dem Abschalten der Brennstoffzelleneinheit 1 ist damit an der Außenseite des Brennstoffzellenstapels 1 Brennstoff vorhanden, sodass der in den Kanälen 12 für Brennstoff vorhandene Brennstoff nur sehr langsam durch die Dichtungen 11 nach außen diffundiert. Damit bleibt auch eine sehr lange Zeit nach dem Abschalten der Brennstoffzelleneinheit 1 eine ausreichende Menge an Brennstoff in den Kanälen 12 für Brennstoff vorhanden. Luft bzw. Oxidationsmittel in den Kanälen 12 für Brennstoff hat negative Auswirkungen auf die Brennstoffzelleneinheit 1 bei einem Neustart, d. h. einem sogenannten Luft-Luft-Start. Luft in den Kanälen 12 für Brennstoff schädigt bei einem Neustart der Brennstoffzelleneinheit 1 die Protonenaustauschermembranen 5 und bewirkt eine schnelle Alterung hieraus resultierend der Brennstoffzelleneinheit 1 im Stand der Technik. Aufgrund der Anreicherung von Brennstoff an der Außenseite des Brennstoffzellenstapels 40 kann ein derart schädigender Luft-Luft-Start über einen sehr langen Zeitraum von mehreren Tagen nach dem Abschalten der Brennstoffzelleneinheit 1 vermieden werden.

Claims

Brennstoffzelleneinheit (1) zur elektrochemischen Erzeugung von elektrischer Energie, umfassend - gestapelt angeordnete Brennstoffzellen (2) und die Brennstoffzellen (2) jeweils gestapelt angeordnete schichtförmige Komponenten (5, 6, 7, 8, 9, 10) umfassen und die Komponenten (5, 6, 7, 8, 9, 10) der Brennstoffzellen (2) Protonenaustauschermembranen (5), Anoden (7), Kathoden (8), Gasdiffusionsschichten (9) und Bipolarplatten (10) sind, so dass die gestapelten Brennstoffzellen (2) einen Brennstoffzellenstapel (40) bilden, - ein Gehäuse (42), welches den Brennstoffzellenstapel (40) umschließt, mit einer dem Brennstoffzellenstapel (40) zugewandten Innenseite (43), - einen Zwischenraum (41) zwischen der Innenseite (43) des Gehäuses (42) und dem Brennstoffzellenstapel (40), dadurch gekennzeichnet, dass der Zwischenraum (41) wenigstens teilweise mit einem Schaummaterial (45) ausgefüllt ist.
Brennstoffzelleneinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Zwischenraum (41) vollständig mit dem Schaummaterial (45) ausgefüllt ist.
Brennstoffzelleneinheit nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaummaterial (45) ein geschlossenzelliges Schaummaterial (45) ist.
Brennstoffzelleneinheit nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstoff des Schaummaterials (45) ein Kunststoff, insbesondere Polystyrol, ist.
Brennstoffzelleneinheit nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaummaterial (45) aus einem mineralischen und/oder keramischen Werkstoff ausgebildet ist.
Brennstoffzelleneinheit nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Porosität der Schaumateriales (45) wenigstens 50%, 50%, 70% oder 90% beträgt.
Brennstoffzelleneinheit nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (42) wenigstens teilweise, insbesondere vollständig, aus Kunststoff und/oder Metall ausgebildet ist.
Brennstoffzelleneinheit nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (42) aus einem thermoplastischen Kunststoff ausgebildet ist.
Brennstoffzelleneinheit nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (42) eine Deckwandung (52) und/oder eine Bodenwandung (53) und/oder wenigstens zwei, insbesondere vier, Seitenwandungen (54) umfasst.
Brennstoffzelleneinheit nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens drei der insgesamt sechs Wandungen (55) des Gehäuses (42) aus Kunststoff ausgebildet sind.
Brennstoffzelleneinheit nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzelleneinheit (1) einen Drucksensor (57) zur Erfassung des Druckes in dem Zwischenraum (41), insbesondere an einer Außenseite des Brennstoffzellenstapels (40), umfasst.
Brennstoffzelleneinheit nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzelleneinheit (1) ein Leckageventil (58) umfasst und mit dem Leckageventil (58) ein Fluid von dem Zwischenraum (41) in die Umgebung außerhalb des Gehäuses (42) ableitbar ist.
Brennstoffzelleneinheit nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Außenseite des Brennstoffzellenstapels (40), insbesondere die Außenseite des Brennstoffzellenstapels (40) im Wesentlichen senkrecht zu fiktiven Ebenen (37) aufgespannt von den Brennstoffzellen (2) und/oder schichtförmigen Komponenten (5, 6, 7, 8, 9, 10), von einer fluiddichten Folie (56) umhüllt ist.
Brennstoffzelleneinheit nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Drucksensor (57) in einem Teilzwischenraum zwischen der Außenseite des Brennstoffzellenstapels (40) und der Folie (56) positioniert ist.
Brennstoffzellensystem (4), insbesondere für ein Kraftfahrzeug, umfassend - eine Brennstoffzelleneinheit (1), - einen Druckgasspeicher (21) zur Speicherung von gasförmigem Brennstoff, - eine Gasfördervorrichtung (22) zur Förderung eines gasförmigen Oxidationsmittels zu den Kathoden (8) der Brennstoffzellen (2), dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzelleneinheit (1) als eine Brennstoffzelleneinheit (1) nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche ausgebildet ist.