DE1771052A1

DE1771052A1 - Brennstoffzellenmodul

Info

Publication number: DE1771052A1
Application number: DE19681771052
Authority: DE
Inventors: Rogers Arthur Carter; Fiorentino Anthony Joseph; Gelting Raymond Lauman
Original assignee: United Aircraft Corp
Current assignee: Raytheon Technologies Corp
Priority date: 1967-03-30
Filing date: 1968-03-28
Publication date: 1972-04-06
Also published as: US3476609A; GB1174731A; FR1583806A

Description

Dr. Ing. E. ßerkenfold

Pckr.r:.r. . ■:.'. j

5 KoIn-Li η den thai 1

Universrtälsstraße 31

Postfach 1149 U 6/114

27. Harz 1968

United Aircraft Corporation, 400 Main Street,

East Hartford, Connecticut, U₀S₀A.

BRENNS TOFFZELLENMODUL

Priorität: Vereinigte Staaten von Amerika Patentanmeldung vom 30. närz 1967, Serial No 627,128

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellenmodul und insbesondere eine Anordnung von einzelnen Brennstoffzelleneinheiten und Abstandsplatten» welche ein wirksames Modul bilden und elektrische Energie bei einer gewünschten Spannung erzeugt.

In den bisher bekannten Anordnungen wurde jede Brennstoffzelle üblicherweise in Form einer Kammer hergestellt, wobei

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eine Wand derselben durch die Oberflache der porösen Elektrode gebildet wurde, und ein Paar dieser Elektroden wurden an entgegengesetzten Seiten einer Matrix angebracht, welche wahrend dem Betrieb der Brennstoffzelle mit einem Elektrolyten durchsetzt ist. Durch eine solche Ausbildung wird jede einzelne Brennstoffzelle verhältnismässig dick und schwer und es entsteht so ein verhältnismässig grosses Brennstoff- · zellenmodul falls eine Anzahl Brennstoffzellen zusammengestapelt wird. In vielen Anlagen, insbesondere wo das Gewicht, und die Grosse eine kritische Rolle spielen, ist es wünschenswert den von jeder einzelnen Brennstoffzelle besetzten Raum auf ein Minimum zu verringern, um so die Grosse des zusammengesetzten Moduls auf ein Mindestmass herabzusetzen.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Brennstoffzellenmodul zu schaffen, in welchem einheitliche Brennstoffzellen, die aus einem Paar an entgegengesetzten Seiten einer Matrix angebrachten Elektroden bestehen, mit Abstandsplatten gestapelt werden. Die Abstandsplatten sind an entgegengesetzten Seiten der Brennstoffzelleneinheit angebracht und bilden Kammern, welche mit den anliegenden Brennstoffzelleneinheiten zusammenwirken um den Elektroden das Oxydations- und Brennstoffmittel zuzuführen.

Die Abstandsplatten sind so angebracht, dass die in der Brennstoffzelle erzeugte Warme leicht von dieser abgeführt

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werden kann. Ausserdem werden geeignete Durchgänge in der Anordnung des Moduls vorgesehen, um das Brennstoff- und Oxydationsmittel in wirksamer Weise den entsprechenden Kammern des Moduls zuzuführen.

Es wird so ein kompaktes Modul erzeugt, welches in der Lage ist, elektrische Energie bei einer bestimmten Spannung zu erzeugen und welches mit einem Minimum von Verbindungen

betriebsfähig ist. . λ

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass ein Brennstoffzellenmodul geschaffen wird, begreifend getrennte Elektroden mit einem sich dazwischen befindenden Elektrolytträger (Matrix), einen Dichtring bestimmter Dicke» welcher die Elektroden in Stellung hält und eine Dichtung bildet um den Elektrolyten zwischen den Elektroden und in der Matrix zurückzuhalten, und dieses ist erfindungsgemäss dadurch gekennzeichnet, dass Brennstoff- und Oxydations- i

abstandsplatten zwischen den Brennstoffzelleneinheiten angebracht werden, wobei jede Abstandsplatte einen Dichtring aufweist, der an dem Dichtring der Brennstoffzelleneinheit anliegt, die Abstandsplatten sind an entgegengesetzten Seiten des Dichtringes nach innen zu ausgehöhlt, um so eine Kammer zwischen der Abstandsplatte und der betreffenden Elektrode an jeder Seite zu bilden, und Durchführungen wenigstens in einem Teil des Dichtringes der Abstandsplatten

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vorgesehen sind, welche mit einer ausseren Quelle eines Oxydations- und Brennstoffmittels in Verbindung stehen um diese Mittel den betreffenden Brennstoff- und Oxydationskammern zuzuführen« wobei die Durchfuhrungen zu der Oxydationskammer an einer anderen Stelle des Dichtringes gelegen sind als die Durchfuhrungen zu der Brennstoffkammer·

Die Erfindung wird nun anhand der beiliegenden Abbildungen ausfuhrlich beschrieben« wobei alle aus der Beschreibung und den Abbildungen hervorgehenden Einzelheiten oder Merkmale zur Losung der Aufgabe im Sinne der Erfindung beitragen können und mit dem Willen zur Patentierung in die Anmeldung aufgenommen wurden.

Figur 1 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Moduls mit gestapelten Brennstoffzelleneinheiten und einer Luftkammer vor dem Zusammenbau des Moduls.

Figur 2 ist eine perspektivische Ansicht einer Stirnpatte des Stapels mit einer Anzahl Brennstoffzellen vor dem Zusammenbau·

Figur 3 ist eine perspektivische Ansicht der getrennten Teile»' welche eine wirksame Brennstoffzelleneinheit des Stapels darstellen«

Figur 4 ist eine teilweise vergrosserte Ansicht eines Teiles

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der Fiqur 1.

Figur 5 ist ein Schnitt durch eine einheitliche Brennstoffzelleneinheit.

Gemäss der Figur 1 besteht das Modul aus einem Stapel 2 von Brennstoffzelleneinheiten 4 und Abstandsplatten 6* welche durch Stirnplatten 8 zusammengehalten werden. Wie aus Figur ersichtlich ist, erstrecken sich Bolzen 10 durch den ganzen Stapel um die Stirnplatten und die verschiedenen Teile des Stapels festzuklemmen. Die Bolzen IO verlaufen durch die Offnungen 12 in den Stirnplatten und in den Teilen des Stapels und sind vorzugsweise mit einer geeigneten Isolierhülse 14 umgeben«, die aus einem Material wie Teflon bestehen kann« und geeignete IsolierUnterlegscheiben 16 isolieren den Kopf der Bolzen von den Stirnplatten« mit welchen sie in Berührung sind. Durch eine geeignete Isolation der Bolzen wird jeder Kurzschluss des Moduls durch die Bolzen vermieden.

Um die Grosse des Moduls wesentlich herabzusetzen« ist jede Brennstoffzelleneinheit 4 eine dünne zusammengesetzte Brennstoffzelle und besteht« wie in Figur 4 gezeigt« aus den Elektroden 18 und 20« die an entgegengesetzten Seiten einer Matrix 22 angebracht sind. Die Matrix ist wahrend dem Betrieb der Brennstoffzelle mit einem Elektrolyten durchsetzt. Eine Form einer zusammengesetzten Brennstoffzelle ist in der deutschen Patentanmeldung Nr U 14 680 VIb/21b beschrieben.

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Die Elektroden 18 und 20 können mit einem Katalysator imprägnierte Nickelnetztelektroden sein« wobei der Katalysator z.B. eine Mischung von Polytetrafluorethylen und Platin sein kann. Die Matrix kann aus Asbestfibern hergestellt werden* jedoch wird besonders faseriges Material verwendet, welches nicht mit dem Elektrolyten reagiert. Der Elektrolyt selbst kann eine wasserige Kaliumhydroxydlosunq sein. Die Aussenränderder Elektrode sind in einem Rahmen 24» welcher aus einem dielektrischen Material hergestellt ist» eingeklemmt. Die Rahmen sind fur den Elektrolyten undurchlässig und sie werden vollständig durch einen anderen Rahmen 26 zusammengehalten* welcher die Matrix umgibt. Samtliche Rahmen können z.B. aus einem Epoxy hergestellt werden« welches unter Warme and Druck härtbar ist und fest genug wird* um einen wesentlich dauerhaft dimensionierten Dichtrincr für die einzelnen Brennstoffzelleneinheiten zu bilden.

An entgegengesetzten Seiten der Brennstoffzelleneinheiten 4 sind zur Herstellung eines Stapels Dichtungen 28 an der Brennstoffseite der Elektroden und Dichtungen 30 an der Oxydationsseite der Elektroden angebracht. Jede dieser Dichtungen besitzt die Form eines Rahmens und hat die gleichen Abmessungen wie der Rahmen der Brennstoffzelleneinheit· Die Dichtung an der Brennstoffseite besitzt Einkerbungen 32* welche mit den Brennstoffeinlasskanälen 34* die sich durch samtliche Teile des Moduls erstrecken* in Verbindung stehen um den Brennstoff

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zu den einzelnen Brennstoffzellen zu führen. Gemass vorliegender Ausführung sind die Einkerbungen 32 an einer Seite der Dichtung mit den Brennstoffeinlasskanälen 34 in Verbindung und andere Kanäle 36 ermöglichen die Entladung eines OberSchusses von Brennstoff aus der Zelle.

Die Abstandsplatten 6 befinden sich in dem Stapel zwischen benachbarten Brennstoffzellenexnheiten und diese Platten haben

Dichtringe 40 von der gleichen Grosse wie der Dichtring der ^ Brennstoffzelleneinheit. Diese Abstandsplatten halten benachbarte Brennstoffzellenexnheiten in einem geeigneten Abstand und sie sind an entgegengesetzten Seiten, wie dies bei 42 gezeigt ist, ausgehöhlt« um so» wenn das Modul zusammengesetzt ist, eine Brennstoffkammer an der Brennstoffseite der Brennstoffzelle zu bilden, wobei die Ehkerbungen mit der Kammer in Verbindung stehen. An der anderen Seite einer jeden Abstandsplatte entsteht eine Oxydationskammer, welche mit der Oxydationsseite der Brennstoffzelle in Verbindung steht. Die Aushohlungen an entgegengesetzten Seiten der Abstandsplatte sind in der deutschen Patentanmeldung No U 14 367 VIb/2lb beschrieben. Es sei bemerkt, dass, wie in Figur 2 gezeigt ist, die Dichtung an der Oxydationsseite der Abstandsplatte eine Anzahl Nuten 44 aufweist» die sich über die ganze Breite des Dichtringes erstrecken um den Einlass und Auslass des Oxydationsmittels, welches gewohnlich Luft ist, zu und von der Qxydationskammer zu ermöglichen· Es kann

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vorteilhaft sein ahnliche Nuten 46 in den entsprechenden Dichtungen 30 vorzusehen, wie dies in Figur 3 gezeigt ist« Die Nuten 44 und 46 erstrecken sich durch den Dichtring bis zur Oberfläche des Zellenstapels, wie dies in Figur 1 gezeigt ist, um das Oxydationsmittel von einer Quelle ausserhalb des Stapels in das Modul einzuführen.

Die Anzahl der das Modul darstellenden Brennstoffzelleneinheiten wird so gewählt, dass eine geeignete Spannung des Moduls erreicht wird. Die Brennstoffzelleneinheiten sind gemäss der Figur 3 gestapelt, d.h. ausgehend von der Stirnplatte 8 der Figur 1 sind der Reihe nach abwechselnd eine Abstandsplatte 6, (vorzugsweise wird eine Dichtung dazwischen geschoben), eine Dichtung 30, eine Brennstoffzelleneinheit 4, eine Dichtung 28 und eine andere Abstandsplatte 6 angeordnet. Dann wird wieder eine andere Dichtung 30, eine andcxι Brennstoffzelleneinheit 4, usw. angefügt bis der gewünschte Zusammenbau beendet ist. Der letzte hinzuzufugende Teil ist die Schlussabstandsplatte 6 und die andere Stirnplatte, woraufhin dann das ganze Modul zusammengeschraubt wird«

Aus Figur 1 ist ersichtlich,dass die Stirnplatten 8 mit Flanschen 48 versehen sind, welche Ösen 50 aufweisen« Diese Platten dienen zum Befestigen der Luftkammer 52 an dem Modul. Diese Kammer ist im einzelnen in der amerikanischen Patentanmeldung Serial No 586, 252 beschrieben, welche am 12. Oktober

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1966 angemeldet wurde. Da diese Anordnung keinen Bestandteil der vorliegenden Erfindung bildet, genügt es hervorzuheben, dass diese Luftkammer und die zwischen der Kammer und den Flanschen 48 liegenden Dichtungen durch eine Anzahl Bolzen 54 in Stellung gehalten werden. Die Bolzen erstrecken sich durch die ösen 56 in der Luftkammer und die ösen 58 in den verschiedenen Dichtungen. Diese ösen sind vorgesehen um eventuelle Toleranzen bei der Herstellung des Zusammenbaus der gestapelten Brennstoffzellen und der Abstandsplatten auszugleichen. Die mit ösen versehene Anordnung erlaubt es ebenfalls eine zusätzliche Brennstoffzelle und eine Abstandsplatte beizufügen, wenn dies erwünscht sein sollte um eine bestimmte Spannung zu erreichen. Es versteht sich, dass die Luftzufuhrung vom Aussenbereich des Moduls in die Luftkammer durch den Lufteinlasskanal 60 ermöglicht ist um von dort durch die Nuten 44 und 46 zu den Oxydationskammern zu gelangen·

Die Abstandsplatten 6 haben sich nach aussen erstreckende Flansche 62 an entgegengesetzten Seiten und diese Flansche sind vorzugsweise dünner als der Dichtring der Abstandsplatten. Die dünneren Flansche verringern das Gesamtgewicht des Moduls und verbessern zur gleichen Zeit den Kühlluftstrom über die Flansche, wenn das Modul in Betrieb ist«

Durch den Zusammenbau des vorherbeschriebenen Moduls wird eine wirksame Einheit geschaffen« welche in ein Brennstoff-

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zellensystem eingebaut werden kann« Die Ausgangsleistung des Stapels kann von den Schlussabstandsplatten abgenommen werden, wie es ersichtlich ist, und der Stapel kann in Betrieb gesetzt werden indem Brennstoff wie z.B. Wasserstoff durch die Einlasskanäle 34 und Sauerstoff, wie z.B. Luft durch die Oxydationseinlässkanäle 60 eingeführt wird.

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Claims

Patentansprüche

1. Brennstoffzellenmodul, begreifend getrennte Elektroden mit einer sich dazwischen befindenden Matrix, einen Dichtring bestimmter Dicke, welcher die Elektroden in Stellung halt und eine Dichtung bildet um den Elektrolyten zwischen den Elektroden und in der Matrix zurückzuhalten, dadurch gekennzeichnet, dass Brennstoff- und Oxydationsabstandsplatten zwischen den Brennstoffzelleneinheiten angebracht werden, wobei jede Abstandsplatte einen Dichtring aufweist, der an dem Dichtring der Brennstoffzelleneinheit anliegt, die Abstandsplatten sind an entgegengesetzten Seiten des Dichtringes nach innen zu ausgehöhlt, um so eine Kammer zwischen der Abstandsplatte und der betreffenden Elektrode an jeder Seite zu bilden, und Durchführungen wenigstens in einem Teil des Dichtringes der Abstandsplatten vorgesehen sind, welche mit einer äusseren Quelle eines Oxydations- und Brennstoff mittels in Verbindung stehen um diese Mittel den betreffenden Brennstoff- und Oxydationskammern zuzuführen, wobei die Durchführungen zu der Oxydationskammer an einer anderen Stelle des Dichtringes gelegen sind als die Durchführungen zu der Brennstoffkammer«

2. Brennstoffzellenmodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Dichtung an jeder Seite der Abstandsplatte angebracht ist, welche mit dem Dichtring der Abstandsplatten und der benachbarten Brennstoffzelleneinheit in Berührung ist.2 09815/0385

3. Brennstoffzellenmodul nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass an entgegengesetzten Enden des Moduls Stirnplatten angefügt werden und dieselben mit dem ganzen Modul durch Bolzen verbunden sind.

4. Brennstoffzellenmodul nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die das Modul zusammenhaltenden Bolzen durch die Dichtringe des Moduls verlaufen·

5. Brennstoffzellenmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Bolzen von einer Isolierhülse umgeben sind um einen Kurzschluss zwischen den Stirnplatten zu vermeiden.

6. Brennstoffzellenmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchfuhrungen fur das Oxydationsmittel mit dem Aussenbereich des Moduls in Verbindung stehen und dass eine auf das Modul angebrachte Luftkammer die Zufuhr des Oxydationsmittels zu allen Oxydationsmittelkammern gewahrleistet.

7. Brennstoffzellenmodul nach einem der Ansprüche

1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoffeinlasskanal in dem Dichtring der Elektroden und der Abstandsplatten angebracht ist und dass die Abstandsplatten mit Einkerbungen versehen sind, die sich von dem Br enns toffe inlas skanal in die Brennstoffkammer der Abstandsplatten erstrecken.

8. Brennstoffzellenmodul nach einem der Ansprüche

1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstandsplatten zur Kühlung des Moduls mit wenigstens längs einer Seite ange-

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brachte Rippen versehen sind, die sich von dem Dichtring nach aussen erstrecken.

9. Brennstoffzellenmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass in dem ausgehöhlten Bereich einer jeden Abstandsplatte VorSprunge angebracht sind die, wenn das Modul zusammengebaut ist, die benachbarte Elektrode berühren.

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