DE10323881A1

DE10323881A1 - Kontaktvorrichtung sowie Brennstoffzellenstapel bzw. Brennstoffzellenblock mit einer derartigen Kontaktvorrichtung

Info

Publication number: DE10323881A1
Application number: DE10323881A
Authority: DE
Inventors: Albert Dr. Hammerschmidt; Herbert Hartnack; Arno Dr. Mattejat; Igor Mehltretter
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2003-05-26
Filing date: 2003-05-26
Publication date: 2004-12-23
Also published as: US20070054163A1; KR20060013423A; US8067131B2; WO2004107474A3; WO2004107474A2; EP1627439A2

Abstract

Eine in einem Anschlussraum (49) eines Brennstoffzellenstapels (1) angeordnete Kontaktvorrichtung (4) zur elektrischen Kontaktierung des Brennstoffzellenstapels (1) ist erfindungsgemäß an ihrer Oberfläche zumindest teilweise mit einer hydrophoben Oberflächenschicht (45) versehen. Hierdurch kann die Ausbringung von Wasser, z. B. Kondenswasser, aus dem Anschlussraum (49) und damit aus dem Brennstoffzellenstapel (1) vereinfacht werden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Kontaktvorrichtung zur elektrischen Kontaktierung eines Brennstoffzellenstapels sowie einen Brennstoffzellenstapel bzw. einen Brennstoffzellenblock mit einer derartigen Kontaktvorrichtung.

Brennstoffzellen gewinnen immer mehr an Bedeutung in zukunftsweisenden Konzepten für die Energieerzeugung. Insbesondere Niedertemperatur-Brennstoffzellen auf Basis der Polymer-Elektrolytmembran(PEM)-Technologie werden als umweltfreundliche und effiziente Energiewandler für portable, mobile und stationäre Anwendungen diskutiert und finden bereits erste kommerzielle Verwendung. Sie setzen bei Temperaturen bei kurz über dem Gefrierpunkt bis ca. 90°C Wasserstoff und Sauerstoff in elektrischen Gleichstrom um, als einziges Nebenprodukt entsteht dabei Wasser. Üblicherweise sind hierbei eine Mehrzahl von Brennstoffzellen in Form eines Brennstoffzellenstapels in Reihe geschaltet.

Das entstehende Wasser fällt bei den Betriebstemperaturen überwiegend in flüssiger Form an und muss in geeigneter Form aus den Brennstoffzellen entfernt werden. Dies erfolgt üblicherweise über Anschlussplatten an den Enden des Brennstoffzellenstapels. Dazu wird das Wasser längs durch den Brennstoffzellenstapel geleitet.

Um die bei der Stromerzeugung in den Brennstoffzellen entstehende Verlustwärme abzutransportieren, werden in den Brennstoffzellenstapeln geeignete, von deionisiertem Wasser durchströmte Bauelemente eingesetzt. Die Zu- und Abführung des durch den Stapel geleiteten Kühlwassers erfolgt üblicherweise ebenfalls über die Anschlussplatten an den Enden des Stapels.

Dazu wird das deionisierte Wasser längs durch den Stapel geleitet.

In der Nähe der Anschlussplatten an den Enden des Brennstoffzellenstapels befindet sich in einem betriebsgasfreien Anschlussraum jeweils eine Kontaktvorrichtung, die den Brennstoffzellenstapel elektrisch kontaktiert und den Strom über Anschlussfahnen aus dem Bennstoffzellenstapel herausleitet. Die Kontaktvorrichtung besteht z.B. aus einer Kontaktplatte, die in elektrischem Kontakt mit einer den Brennstoffzellenstapel abschliessenden Pol- oder Bipolarplatte steht und ggfs. Halteelemente, z.B. aus einem Elastomer, aufweist, mit denen sie an dem Brennstoffzellenstapel gehalten und/oder ausgerichtet wird. Zur Verbesserung der elektrischen Anbindung zwischen der Kontaktplatte und der Pol- oder Bipolarplatte kann die Kontaktvorrichtung weitere Bauteile wie z.B. Kontaktfederbleche oder Kontaktfolien umfassen. Alle diese Bauteile sollen den Strom möglichst gut leiten und bestehen daher meist aus einem elektrisch gut leitenden Material, z.B. aus Kupfer oder einer Kupferlegierung.

Bei der Montage dieser Bauteile ist prinzipiell damit zu rechnen, dass sie nass werden und auch der an sich betriebsgasfreie Anschlussraum, in dem sie eingebaut werden, nicht trocken bleibt. Erschwerend kommt hinzu, dass die Atmosphäre, in der die Bauteile eingebaut sind, im Laufe der Zeit ihren Wasserdampfgehalt ändert. Dies kann bei Temperaturwechseln bis zum Auskondensieren der Feuchtigkeit auf den Bauteilen führen.

Zur Vermeidung von Wasseransammlungen in dem Anschlussraum der Kontaktvorrichtung muss eine kontinuierliche, zumindest regelmäßige Trocknung der Atmosphäre im Rahmen von Servicemaßnahmen an den Brennstoffzellenstapeln erfolgen. Die Trocknung kann z.B. durch Spülung des Raumes mit trockenen Gasen wie Stickstoff oder durch Anlegen von Vakuum erfolgen. Diese Verfahren sind jedoch zeit- und kostenaufwendig.

Es ist deshalb Aufgabe vorliegender Erfindung, eine Kontaktvorrichtung zu schaffen, die die Ausbringung von Wasser aus dem Anschlussraum vereinfacht.

Die Lösung dieser Aufgabe gelingt erfindungsgemäß durch eine Kontaktvorrichtung gemäß Anspruch 1. Ein Brennstoffzellenstapel bzw. ein Brennstoffzellenblock mit einer derartigen Kontaktvorrichtung ist Gegenstand des Anspruches 15 bzw. 16.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind jeweils Gegenstand der Unteransprüche.

Die Erfindung geht von der Überlegung aus, dass die Oberfläche der Kontaktvorrichtung Poren aufweist. Diese Poren besitzen insbesondere bei metallischen Oberflächen hydrophile Eigenschaften. Wasser auf der Oberfläche der Kontaktvorrichtung wird damit in Poren regelrecht hineingesaugt wie in eine Kapillare.

Durch die auf der Oberfläche der Kontaktvorrichtung vorgesehene hydrophobe (wasserabstoßende) Oberflächenschicht werden diese Poren "verschlossen". Je feiner eine Pore ist, umso größere Kräfte sind aufzubringen, um die Flüssigkeit in die Pore hineinzudrücken. Selbst ein Kondenswassertropfen, der sich in der Pore bildet, wandert aus ihr heraus, je größer er wird. Das Wasser verbleibt somit unter Tröpfchenbildung an der Oberfläche der Kontaktvorrichtung. Die Wassertröpfchen weisen eine nur sehr gering Haftung auf dieser Oberfläche auf und können von dort mit einem sehr geringen Gasstrom entfernt werden. Die Ausbringung des Wassers aus dem Anschlussraum kann hierdurch wesentlich vereinfacht und kostengünstiger gestaltet werden.

Wenn die Kontaktvorrichtung Halteelemente, insbesondere aus einem Elastomer, zur Halterung und/oder Ausrichtung der Kontaktvorrichtung an einem Brennstoffzellenstapel aufweist, kann die Ausbringung des Wassers dadurch noch vereinfacht werden, dass diese Halteelemente ebenfalls zumindest teilweise mit der hydrophoben Oberflächenschicht versehen sind.

Eine gute Stromleitfähigkeit der Kontaktvorrichtung und gleichzeitig eine gute Ausbringung des Wassers aus dem Anschlussraum ist dadurch möglich, dass die Dicke der hydrophoben Oberflächenschicht im Bereich elektrischer Verbindungsstellen, z.B. zwischen der Kontaktvorrichtung und einer anliegenden Pol- oder Bipolarplatte, auf ein Optimum zwischen einem niedrigen elektrischen Übergangswiderstand und einer hohen Hydrophobizität eingestellt ist.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung enthält die hydrophobe Oberflächenschicht Polytetrafluorethylen (PTFE). Dieses Material zeichnet sich durch gute Haftbarkeit auf Metall- oder Elastomerschichten aus. An den elektrischen Verbindungsstellen besteht die Oberflächenschicht zur Erzielung eines geringen elektrischen Übergangswiderstandes vorteilhafterweise aus einem PTFE-Metall oder PTFE-Kohle-Gemisch.

In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung besteht die hydrophobe Oberflächenschicht aus einem in einem Lösemittel lösbaren hydrophobierenden Material. Dieses Material kann in gelöstem Zustand auf die Oberfläche der Kontaktvorrichtung aufgebracht und damit sehr dünne Schichten erzielt werden. Hierdurch kann zum einen die für die einfache Wasserausbringung benötigte Hydrophobizität der Oberfläche der Kontaktvorrichtung, zum anderen aber auch ein geringer Übergangswiderstand an den elektrischen Verbindungsstellen gewährleistet werden. Der Kontaktvorrichtung kann somit eine gute Stromleitfähigkeit mitgegeben werden, die z.B. mit reinen PTFE-Beschichtungen nicht erreichbar ist. Die hydrophobe Oberflächenschicht aus dem in einem Lösemittel lösbaren, hydrophobierenden Material ist deshalb insbesondere für elektrische Verbindungsstellen geeignet.

Bevorzugt besteht das lösbare, hydrophobierende Material ganz oder teilweise aus einem amorphen Fluoropolymer, alternativ eignen sich auch Polisiloxanverbindungen oder Alkylsilane. Diese Materialien weisen eine besonderes gute Haftbarkeit auf Metallen auf.

Unter den amorphen Fluoropolymeren eignen sich insbesondere amorphe Modifikationen von Teflon. Dieses Material kann in geeigneten Lösungsmitteln bezogen und vor Gebrauch auf eine optimale Konzentration verdünnt werden. Die Lösung kann dann durch ein übliches Aufbringverfahren wie Sprühen, Wischen, Pinseln, Tauchen, Drucken auf die Korrosionsschutzschicht aufgebracht, das Lösungsmittel verdampft und das verbleibende Material ggf. durch einen Temperaturschritt bei erhöhter Temperatur auf der Korrosionsschutzschicht immobilisiert werden. Nach dem Verdampfen des Lösungsmittels bleibt ein sehr dünner Teflonfilm zurück, der insbesondere die Innenflächen der Poren bedeckt.

Die erfindungsgemäße Kontaktvorrichtung eignet sich besonders vorteilhaft zum Abgreifen des von einem Brennstoffzellenstapel erzeugten Stromes.

Weiterhin kann sie vorteilhaft bei einem Brennstoffzellenblock mit mehreren Brennstoffzellenstapeln zur elektrischen Verbindung von zumindest zwei der Brennstoffzellenstapel genutzt werden.

Die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung gemäß Merkmalen der Unteransprüche werden im Folgenden anhand eines schematisch ausgeführten Ausführungsbeispieles in den Figuren näher erläutert; darin zeigen:
1 einen Querschnitt durch einen Brennstoffzellenstapel mit einer erfindungsgemäßen Kontaktvorrichtung;
2 einen Teil der Kontaktvorrichtung von 1 in vergrößerter Darstellung.
Ein in 1 dargestellter Brennstoffzellenstapel 1 besteht aus mehreren jeweils abwechselnd aufeinandergestapelten Membran-Elektroden-Einheiten 3 und Bipolarplatten 5 und wird durch eine Bipolarplatte 5a abgeschlossen. Eine Membran-Elektroden-Einheit 3 besteht hierbei jeweils aus einer Anode 7, einer Membran 9 und einer Kathode 11. Die Membran-Elektroden-Einheiten 3 und die Bipolarplatten 5, 5a sind in Dichtungen 13 gelagert.
Während des Betriebs des Brennstoffzellenstapels 1 strömt befeuchteter Wasserstoff in die Anodengasräume 23, die jeweils zwischen der Anode 7 einer Membran-Elektroden-Einheit 3 und einer anliegenden Bipolarplatte 5 angeordnet sind. Außerdem strömt mit Wasser befeuchteter Sauerstoff in die Kathodengasräume 25, die jeweils zwischen der Kathode 11 einer Membran-Elektroden-Einheit 3 und einer anliegenden Bipolarplatte 5 angeordnet sind. Im Fall der abschließenden Bipolarplatte 5a werden nur die Kathodengasräume 25 mit befeuchtetem Sauerstoff beströmt. Die den Kathodengasräumen 25 abgewandte Seite der Bipolarplatte 5a grenzt an einen Anschlussraum 49, der frei von den Betriebsgasen Wasserstoff und Sauerstoff ist.
Zum Abtransport der Reaktionswärme strömt während des Betriebs des Brennstoffzellenstapels 1 Kühlwasser aus einem Axialkanal 27 in die Hohlräume 19 der Bipolarplatten 5 bzw. 5a. Die durch die Bipolarplatte 5 bzw. 5a in deren Hohlräume 19 einströmende Reaktionswärme wird vom Kühlwasser aufgenommen, das im weiteren Verlauf in einen weiteren Axialkanal 31 strömt und von dort aus dem Brennstoffzellenstapel 1 abgeführt wird.
Der Abgriff des von dem Brennstoffzellenstapel 1 erzeugten Stromes erfolgt mit Hilfe einer den Anschlussraum 49 abschließenden, die abschließende Bipolarplatte 5a elektrisch kontaktierenden Kontaktvorrichtung 4. Diese umfasst eine Kontaktplatte 42, die über Kontaktfedern 43 und eine Kontaktfolie 44 mit der Bipolarplatte 5a in elektrischem Kontakt steht. Die Bauteile 42, 43, 44 bestehen zur Gewährleistung einer besonders guten Leitfähigkeit in ihrem Grundmaterial aus Kupfer oder einer Kupferlegierung. Die Kontaktfedern 43 dienen zum Ausgleich von Toleranzen zwischen der Kontaktplatte 42 und dem Brennstoffzellenstapel 1, die Kontaktfolie 44 bewirkt einen besonders geringen Kontaktwiderstand zwischen der Bipolarplatte 5a und den Kontaktfedern 43.
Wie in Detail aus 2 ersichtlich ist, sind die Kontaktplatte 42, die Kontaktfedern 43 und die Kontaktfolie 44 auf ihrer Oberfläche mit einer hydrophoben Oberflächenschicht 45 versehen. Ein besonders geringer Übergangswiderstand zwischen der hydrophoben Oberflächenschicht 45 und dem Grundmaterial der Kontaktplatte 42, der Kontaktfedern 43 bzw. der Kontaktfolie 44 wird dadurch erzielt, dass zusätzlich zwischen dem Grundmaterial und der hydrophoben Oberflächenschicht 45 eine hochleitfähige Kontaktschicht 46 aus einem oder mehreren Edelmetallen, insbesondere aus Gold und Nickel, vorgesehen ist.
Die Kontaktvorrichtung 4 weist ferner Halteelemente 47 aus einem Elastomer zur Halterung und Ausrichtung der Kontaktvorrichtung 4 am Brennstoffzellenstapel 1 auf, die auch zur Abdichtung des Anschlussraumes 49 gegenüber dem Axialkanal 27 bzw. 31 dienen. Durch den Elastomerwerkstoff ist außerdem ein Ausgleich von Toleranzen in dem Brennstoffzellenstapel 1 möglich. Die Halteelemente 47 sind teilweise ebenfalls mit einer hydrophoben Oberflächenschicht 45 versehen.
Durch die hydrophobe Oberflächenschicht 45 werden die an der Oberfläche der Kontaktvorrichtung 4 bzw. der Kontaktplatte 42, der Kontaktfedern 43, der Kontaktfolie 44 und der Halteelemente 47 vorhandenen Poren verschlossen, Kommt Wasser auf die Oberfläche der Kontaktvorrichtung, so kommt es zu Tröpf chenbildung, wobei die Tröpfchen nur eine geringe Haftung auf der Oberfläche aufweisen und mit einem nur geringen Gasstrom aus dem Anschlussraum 49 und damit aus dem Brennstoffzellenstapel 1 ausgebracht werden können.
Die hydrophobe Oberflächenschicht besteht bevorzugt aus einer amorphen Modifikation von Teflon (zum Beispiel einem amorphen Copolymer aus 65 – 99 Mol % Perfluoro-2,2-Dimethyl-1,3-Dioxol mit einer Komplementärmenge von Tetrafluorethylen, unter dem Produktnamen Teflon^®AF von DuPont Fluoroproducts erhältlich). Dieses Material ist aufgrund seiner guten Lösbarkeit in Lösemitteln mit geringer Dicke auf die Bauteile 42,43,44 der Kontaktvorrichtung 4 aufbringbar und eignet sich somit insbesondere für die elektrischen Verbindungsstellen 48 sowohl zwischen den einzelnen Bauteilen 42,43,44 der Kontaktvorrichtung 4 sowie von der Kontaktvorrichtung 4 zu der Bipolarplatte 5a.
Um einen guten Stromfluss im Bereich der elektrischen Verbindungsstellen 48 zwischen der Kontaktplatte 42, den Kontaktfedern 43, der Kontaktfolie 44 und der angrenzenden Bipolarplatte 5 und gleichzeitig eine einfache Ausbringung von Wasser aus dem Anschlussraum 49 zu ermöglichen, ist die Dicke der hydrophoben Oberflächenschicht 45 aus amorphem Teflon an diesen Verbindungsstellen 48 auf ein Optimum zwischen einem niedrigem Kontaktwiderstand und einer hohen Hydrophobizität eingestellt. Dies ist insbesondere dadurch möglich, dass die hydrophobe Oberflächenschicht 45 an diesen elektrischen Verbindungsstellen 48 eine Dicke im Bereich von 0,1 nm bis 10 nm, insbesondere 0,5 nm bis 0,7 nm, aufweist. Hierzu hat sich eine Verdünnung des amorphen Teflon mit einem Lösungsmittel im Verhältnis von 1:200 als geeignet erwiesen. Die dadurch erzielbare dünne Schicht auf der Kontaktfolie 44 kann z.B. von den Kontaktfedern 43 mechanisch zur Seite geschoben werden. In den Poren bleibt dann das Teflon zurück und bewirkt die gewünschte Hydrophobizität, während die Kontaktstellen auf der Kontaktfolie 44 frei von Teflon sind und somit einen nur geringen Übergangswiderstand aufweisen.
Im Bereich außerhalb der elektrischen Verbindungsstellen 48, z.B. auf den Elastomer-Halteelementen 47, kann das amorphe Teflon unverdünnt aufgetragen werden. Die Dicke der hydrophoben Schicht beträgt dort vorteilhafterweise 0,01 μm bis 100 μm, insbesondere 0,01 μm bis 1 μm.

Claims

Kontaktvorrichtung (4) zur elektrischen Kontaktierung eines Brennstoffzellenstapels (1), wobei die Kontaktvorrichtung an ihrer Oberfläche zumindest teilweise mit einer hydrophoben Oberflächenschicht (45) versehen ist.
Kontaktvorrichtung (4) nach Anspruch 1 wobei die Kontaktvorrichtung Halteelemente (47), insbesondere aus einem Elastomer, zur Halterung und/oder Ausrichtung der Kontaktvorrichtung (4) an einem Brennstoffzellenstapel (1) aufweist, die zumindest teilweise mit der hydrophoben Oberflächenschicht (45) versehen sind.
Kontaktvorrichtung (4) nach Anspruch 1, wobei die Dicke der hydrophoben Oberflächenschicht (45) im Bereich elektrischer Verbindungsstellen (48) auf ein Optimum zwischen einem niedrigen elektrischen Übergangswiderstand und einer hohen Hydrophobizität eingestellt ist.
Kontaktvorrichtung (4) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die hydrophobe Oberflächenschicht (45) Polytetrafluorethylen (PTFE) enthält.
Kontaktvorrichtung (4) nach Anspruch 4, wobei die hydrophobe Oberflächenschicht (45) an elektrischen Verbindungsstellen (48) aus einem PTFE-Metall- oder PTFE-Kohle-Gemisch besteht.
Kontaktvorrichtung (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 3 wobei die hydrophobe Oberflächenschicht (45) aus einem in einem Lösemittel lösbaren, hydrophobierenden Material besteht.
Kontaktvorrichtung (4) nach Anspruch 6 wobei das hydrophobierende Material ganz oder teilweise aus einem amorphem Fluoropolymer besteht.
Kontaktvorrichtung (4) nach Anspruch 7 wobei das amorphe Fluoropolymer eine amorphe Modifikation von Teflon ist.
Kontaktvorrichtung (4) nach Anspruch 6 wobei das hydrophobierende Material ganz oder teilweise aus einer Polisiloxanverbindung oder aus Alkylsilanen besteht.
Kontaktvorrichtung (4) nach einem der Ansprüche 6 bis 9, mit einer Dicke der hydrophoben Oberflächenschicht (45) im Bereich einer elektrischen Verbindungsstelle (48) im Bereich von 0,1 nm bis 10 nm, insbesondere 0,5 nm bis 0,7 nm.
Kontaktvorrichtung (4) nach einem der Ansprüche 7 bis 10, mit einer Dicke der hydrophoben Oberflächenschicht (45) außerhalb des Bereiches einer elektrischen Verbindungsstelle (48) im Bereich von 0,01 μm bis 100 μm, insbesondere 0,01 μm bis 1 μm.
Kontaktvorrichtung (4) nach Anspruch 1, wobei die Kontaktvorrichtung (4) in ihrem Grundmaterial aus Kupfer oder einer Kupferlegierung besteht.
Kontaktvorrichtung (4) nach Anspruch 12, mit einer hochleitfähigen Kontaktschicht (46) aus einem oder mehreren Edelmetallen, insbesondere aus Gold und Nickel, zwischen dem Grundmaterial und der hydrophoben Oberflächenschicht(45).
Kontaktvorrichtung (4) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, mit mehreren in elektrischem Kontakt stehenden und jeweils zumindest teilweise mit einer hydrophoben Oberflächenschicht (45) versehenen Bauteilen (42,43,44).
Brennstoffzellenstapel (1) mit einer Kontaktvorrichtung (4) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche zum Abgreifen des von dem Brennstoffzellenstapel (1) erzeugten Stromes.
Brennstoffzellenblock mit mehreren Brennstoffzellenstapeln (1) und mit einer Kontaktvorrichtung (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 14 zur elektrischen Verbindung von zumindest zwei der Brennstoffzellenstapel (1).