DE10250345A1

DE10250345A1 - Brennstoffzellenanordnung

Info

Publication number: DE10250345A1
Application number: DE10250345A
Authority: DE
Inventors: Lutz-Herbert Dr. Kindermann
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2002-10-29
Filing date: 2002-10-29
Publication date: 2004-05-13

Abstract

Die erfindungsgemäße Brennstoffzellenanordnung weist ein Stapel (2) Hochtemperatur-Brennstoffzellen (2.1) auf, welcher in einem Gehäuse (1) untergebracht ist. Der Stapel (2) ist dabei mittels einer Blähmatte (3) gegenüber dem Gehäuse (1) abgestützt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzellenanordnung mit einem Stapel Hochtemperatur-Brennstoffzellen, welche in einem Gehäuse untergebracht ist gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Eine solche Brennstoffzellenanordnung umfasst eine Anzahl von in einem Brennstoffzellenstapel angeordneten Brennstoffzellen, eine erste Druckplatte und eine zweite Druckplatte, zwischen denen sich der Brennstoffzellenstapel mit seinem ersten Ende bzw. seinen zweiten Ende abstürzt.

Aus dem Stand der Technik DE 198 52 363 C1 ist eine Brennstoffzellenanordnung bekannt, bei der zur Erzeugung eines konstanten Drucks auf den Brennstoffzellenstapel in axialer Richtung ein Ausgleichsbalgen vorgesehen ist. Ein Ende des Brennstoffzellenstapels stützt sich unmittelbar gegen eine Druckplatte ab, während zwischen dem anderen Ende des Brennstoffzellenstapels und einer weiteren Druckplatte ein Ausgleichsbalgen angeordnet ist, welcher Bestandteil einer Ausgleichsvorrichtung ist, deren Zweck darin besteht, den Brennstoffzellenstapel und damit die einzelnen diesen bildenden Brennstoffzellen mit einem gleichmäßigen Druck zu beaufschlagen und unter diesem Druck zu halten. Dazu befindet sich in dem Ausgleichsbalgen ein unter Druck stehendes Gas. Da beim An- und Abschalten der Brennstoffzellenanordnung Temperaturen im Bereich von der Umgebungstemperatur bis ca. 650 °C durchlaufen werden, ist es erforderlich, die Menge des in dem Ausgleichsbalgen befindlichen Gases so zu verändern, dass der Gasdruck in diesen konstant bleibt. Dazu ist ein vom Brennstoffzellenstapel thermisch isolierter Ausgleichsbehälter vorgesehen, der über eine Verbindungsleitung mit dem Ausgleichsbalgen gekoppelt ist. Der Ausgleichsbehälter enthält einen Teil des Gases, wobei dieser Teil über die Verbindungsleitung mit dem Ausgleichsbalgen kommuniziert. Weiterhin enthält der Ausgleichsbehälter eine zweite Phase, die mit dem Gas, das heißt insbesondere mit dem im Ausgleichsbehälter vorhandenen Teil des Gases, im Gleichgewicht steht. Als erstes Ausführungsbeispiel ist angegeben, dass die im Ausgleichsbehälter vorhandene zweite Phase eine Flüssigkeit ist, nämlich die flüssige Phase des in dem Ausgleichsbalgen vorhandenen Gases. Das bedeutet, dass in dem durch den Ausgleichsbehälter gebildeten geschlossenen System die dort vorhandene Gasphase mit der flüssigen Phase im Gleichgewicht steht. Als zweites Ausführungsbeispiel ist angegeben, dass der Ausgleichsbehälter Sorptionsmittel enthält, das in der Lage ist, einen Teil der gasförmigen Phase als sorbierte Phase an sich zu binden. Die sorbierte Phase kann beispielsweise durch Oberflächenanlagerung oder durch chemische Anlagerung an das Sorptionsmittel gebunden sein. Das Sorptionsmittel kann typischerweise durch Aktivkohle oder Zeolithe gebildet sein. Die Gasphase und das Sorptionsmittel stehen in einem Gleichgewicht zueinander. Der Nachteil des diesen Ausführungsformen zugrundeliegenden Prinzips besteht darin, dass das System im Aufbau komplex ist, eine Reihe von Bauelementen erforderlich sind und damit auch kostenintensiv ist. Zudem hat diese Ausführungsform den Nachteil, dass ein derart gelagerter Stapel von Brennstoffzellen nicht gegen Stöße gesichert ist und daher durch ein Stoß beschädigt werden kann.

Weiterhin ist aus dem Stand der Technik DE 43 36 850 A1 eine Vorrichtung zum Verpressen eines Stapels von Hochtemperatur-Brennstoffzellen bekannt. Auch bei dieser Ausführungsform ist zwischen dem einen Ende des Stapels und einem Rahmen, innerhalb dessen der Stapel angeordnet ist, ein mit einem Innendruck beaufschlagter Balg vorgesehen. Um den Innendruck aufbauen zu können, ist der Balg mit einer Zuleitung für ein Druckmittel versehen, über die z.B. ein Druckgas dort eingespeist werden kann. Bei dieser Ausführungsform besteht ebenfalls der Nachteil, dass das so aufgebaute System komplex ist und eine Reihe von Bauelementen erforderlich sind, was zusätzliche Kosten verursacht. Auch hier besteht der Nachteil, dass der Stapel nicht gegen Stöße gesichert ist und daher dadurch beschädigt werden kann.

Bei einer weiteren aus dem Stand der Technik EP 0 329 161 B1 bekannten Ausführungsform werden zur Erzeugung eines axialen Drucks auf den Brennstoffzellenstapel zwei ausdehnbare Elemente verwendet. Das erste ausdehnbare Element befindet sich am einen Ende der Stapels zwischen dem Stapel und einer ersten Druckplatte. Das zweite ausdehnbare Element befindet sich am anderen Ende der Stapels zwischen dem Stapel und einer zweiten Druckplatte. Als ausdehnbare Elemente dienen zwei hohle Platten, die jeweils einen versiegelten Hohlraum aufweisen. Um diesen zu bilden weist die hohle Platte zwei scheibenförmige, übereinander angeordnete dünne Platten auf, die miteinander verschweißt sind. Zwischen den beiden dünnen Platten befindet sich ein poröses Material. Gegenüber den beiden vorigen Ausführungsformen ist ein derartiger Aufbau zwar einfach realisierbar, da keine externe Ausgleichsvorrichtung erforderlich ist, aber der Aufbau der beiden ausdehnbaren Elemente ist nach wie vor aufwendig. Zudem kann auch hier der Brennstoffzellen-Stapel durch seitliche Stöße beschädigt werden, da der Stapel gegen derartige Stöße nicht gesichert ist.

Eine Aufgabe der Erfindung ist es daher eine Brennstoffzellenanordnung anzugeben, die einfach herstellbar ist, gegen Stöße aus jeder Richtung gesichert ist und einen optimalen Kontakt zwischen den einzelnen Brennstoffzellen gewährleistet.

Die Aufgabe wird durch eine Brennstoffzellenanordnung mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1 gelöst.

So weist die erfindungsgemäße Brennstoffzellenanordnung ein Stapel Hochtemperatur-Brennstoffzellen auf, welcher in einem Gehäuse untergebracht ist. Der Stapel ist dabei mittels einer Blähmatte gegenüber dem Gehäuse abgestützt.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den in den abhängigen Patentansprüchen angegebenen Merkmalen.

Entsprechend einer bevorzugten Ausführungsvariante sind bei der erfindungsgemäßen Brennstoffzellenanordnung die beiden Enden des Stapels gegenüber dem Gehäuse mittels der Blähmatte abgestützt.

Bei einer Weiterbildung der erfindungsgemäßen Brennstoffzellenanordnung ist die Umfangsfläche des Stapels gegenüber dem Gehäuse mittels der Blähmatte abgestützt.

Darüber hinaus kann bei der erfindungsgemäßen Brennstoffzellenanordnung das Gehäuse als Stahlmantel ausgebildet sein.

Zur Lösung der Aufgabe wird ferner vorgeschlagenen, dass die Hochtemperatur-Brennstoffzellen der Brennstoffzellenanordnung als Festoxidbrennstoffzellen ausgebildet sind.

Vorteilhafterweise wird die erfindungsgemäße Brennstoffzellenanordnung in einem Kraftfahrzeug verwendet.

Im folgenden wird die Erfindung anhand einer Figur weiter erläutert.
Die Figur zeigt in Form einer dreidimensionalen Ansicht den prinzipiellen Aufbau der erfindungsgemäßen Brennstoffzellenanordnung.
Bei der in der Figur gezeigten dreidimensionalen Ansicht einer erfindungsgemäßen Brennstoffzellenanordnung ist ein Gehäuse 1 sowie eine Blähmatte 3 nur zum Teil dargestellt, um auch das Innere der Brennstoffzellenanordnung zeigen zu können. Das Gehäuse 1 umfasst einen zylinderförmigen Mantel 1.2, einen Gehäusedeckel 1.1 und einen Gehäuseboden, welche in der Figur jedoch nicht dargestellt ist. Vorzugsweise ist das Gehäuse 1 aus Stahl. Um die Brennstoffzellen 2.1 mit Gas zu versorgen, weist das Gehäuse 1, vorzugsweise im Gehäusedeckel 1.1 eine Öffnung für den Gaseinlass auf. Aufgrund der nur teilweisen Darstellung des Gehäuses 1 ist der Gaseinlass im Gehäuse 1 nicht gezeigt. Innerhalb des Gehäuses 1 befindet sich ein Stapel 2 aus Hochtemperatur-Brennstoffzellen 2.1. Die Hochtemperatur-Brennstoffzellen 2.1 sind mittels beispielsweise Glaslot miteinander verbunden und gegenüber der Umgebung gasdicht abgedichtet. Die einzelnen Brennstoffzellen 2.1 weisen jeweils ein Gaseinlass 4.1 und einen in der Figur nicht dargestellten Gasauslass auf. Bei der in der Figur gezeigten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Brennstoffzellenanordnung ist der Stapel 2 ringsum mit einer Blähmatte 3 umgeben. So ist der Stapel 2 an seinem oberen axialen Ende 2.2 gegenüber der Innenseite des Gehäusedeckels 1.1 durch eine obere Blähmatte 3.2 beabstandet angeordnet. Gegenüber der Innenseite des Gehäusebodens ist das untere axiale Ende 2.3 des Stapels 2 ebenfalls mit einer unteren Blähmatte 3.3 beabstandet angeordnet. Und schließlich ist auch der Stapel 2 in Längsrichtung, das heißt entlang seiner Umfangsfläche, gegenüber der zylinderförmigen Gehäusewand 1.2 durch eine Blähmatte 3.1 beabstandet angeordnet. Dabei wird der Stapel 2 durch die jeweiligen Blähmatten innerhalb des Gehäuses 1 gehalten.
Der Stapel 2 ist, wie in der Figur mit Ausnahme der Unterseite des Stapels 2 zu sehen ist, somit auf allen Seiten von einer Blähmatte umgeben und wird durch diese eingespannt gehalten.
Bedarfsweise kann auf der Unterseite zwischen dem Gehäuseboden und dem unteren Ende des Stapels 2 auf die Blähmatte 3.3 auch verzichtet werden.
Beim Aufheizen des Stapels 2 dehnt sich die Blähmatte 3 aus und verleiht dem Stapel 2 einen festen Halt im Gehäuse 1. Dadurch wird der Stapel 2 durch die zylinderförmige Gehäusewand 1.2 und der Blähmatte 3.1 in einer die radialer Richtung verpresst. Die obere Blähmatte 3.2 und die untere Blähmatte zwischen den beiden Enden des Stapels 2 und den Innenseiten des Gehäusedeckels 1.1 und des Gehäusebodens des Gehäuses 1 verpressen den Stapel 2 in axialer Richtung. Durch die Verpressung in axialer Richtung werden die einzelnen Hochtemperatur-Brennstoffzellen 2.1 aufeinander gedrückt, was zu einer verbesserten Kontaktierung der einzelnen Hochtemperatur-Brennstoffzellen 2.1 führt. Die verbesserte Kontaktierung wiederum führt zu einer höheren Leistungsdichte. Die Verpressung in axialer Richtung hat zudem den Vorteil, dass der Stapel 2 auch mit einem höheren Druck beaufschlagt werden kann, was wiederum zu einer Erhöhung der Leistungsdichte führt.
Die Verpressung in radialer Richtung sorgt dafür, dass der Stapel 2 sicher gegenüber Stößen gelagert ist und daher bei einem Stoß nicht mehr beschädigt wird.
Damit genügt die erfindungsgemäße Brennstoffzellenanordnung den Anforderungen in einem Fahrzeug.
Die keramischen Hochtemperatur-Brennstoffzellen 2.1, die zusammen den Stapel 2 bilden, sind als Festoxidbrennstoffzellen ausgebildet. Festoxidbrennstoffzellen werden in diesem Zusammenhang auch als Solid Oxide Fuel Cell (SOFC) bezeichnet.
Die vorhergehende Beschreibung der Ausführungsbeispiele gemäß der vorliegenden Erfindung dient nur zu illustrativen Zwecken und nicht zum Zwecke der Beschränkung der Erfindung. Im Rahmen der Erfindung sind verschiedene Änderungen und Modifikationen möglich, ohne den Umfang der Erfindung sowie ihre Äquivalente zu verlassen.

Claims

Brennstoffzellenanordnung mit einem Stapel (2) Hochtemperatur-Brennstoffzellen (2.1), welcher in einem Gehäuse (1) untergebracht ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Stapel (2) mittels einer Blähmatte (3) gegenüber dem Gehäuse (1) abgestützt ist.
Brennstoffzellenanordnung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass beide axialen Enden (2.2, 2.3) des Stapels (2) gegenüber dem Gehäuse (1) mittels der Blähmatte (3.2, 3.3) abgestützt sind.
Brennstoffzellenanordnung nach Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Umfangsfläche des Stapels (2) gegenüber dem Gehäuse (1) mittels der Blähmatte (3.1) abgestützt ist.
Brennstoffzellenanordnung nach einem der Patentansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (1) als Stahlmantel ausgebildet ist.
Brennstoffzellenanordnung nach einem der Patentansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Hochtemperatur-Brennstoffzellen (2.1) als Festoxidbrennstoffzellen ausgebildet sind.
Verwendung der Brennstoffzellenanordnung nach einem der Patentansprüche 1 bis 5, in einem Kraftfahrzeug.