DE19712864A1

DE19712864A1 - Brennstoffzellenanordnung mit internen und externen Gasverteilungsvorrichtungen

Info

Publication number: DE19712864A1
Application number: DE19712864A
Authority: DE
Inventors: Peter Kraus; Stefan Rolf
Original assignee: MTU Friedrichshafen GmbH; MTU Motoren und Turbinen Union Friedrichshafen GmbH
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1997-03-27
Filing date: 1997-03-27
Publication date: 1998-10-01
Anticipated expiration: 2017-03-28
Also published as: WO1998044582A1; DE19712864C2

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzellenanordnung nach dem Oberbegriff der Patentansprüche 1, 6 und 9.

Brennstoffzellenanordnungen der hier vorausgesetzten Art, die eine Anzahl von jeweils eine Anode, eine Elektrolytmatrix und eine Kathode enthaltenden, in einem Brennstoffzellenstapel angeordneten Brennstoffzellen mit einem Anodeneingang zur Zuführung von Brenngas zu den Anoden, einem Anodenausgang zur Abführung von verbrauchtem Brenngas von den Anoden, einem Kathodeneingang zur Zuführung von Kathodengas zu den Kathoden und einem Kathodenausgang zur Abführung von verbrauchtem Kathodengas von den Kathoden aufweisen, sind beispielsweise aus der DE 44 25 186 C1 und der DE 44 38 555 C1 der Anmelderin bekannt.

Damit eine möglichst gleichmäßige Energieverteilung und ein guter Wirkungsgrad einer solchen Brennstoffzellenanordnung sichergestellt ist, muß die Zuführung und Abführung der Gase auf alle Zellen gleichmäßig verteilt sein. Dies erfolgt durch Gasverteilungsvorrichtungen, sogenannte Manifolds, welche die von einer externen Gasversorgungseinheit bereitgestellten Gase über die einzelnen Brennstoffzellen sowie über die Zellebene gleichmäßig verteilen sollen.

Heute sind zwei Bauformen von solchen Gasverteilungsvorrichtungen bekannt. Zum einen sind dies externe Gasverteilungsvorrichtungen, welche von außen an den Brennstoffzellenstapel angebaut werden und einen wannen- oder hutzenförmigen Gasraum bilden, welcher eine Verteilung der Gase über die Eintritts- und Austrittsflächen des Brennstoffzellenstapels gestatten. Der Vorteil dieser Art besteht darin, daß praktisch die gesamte Fläche der Brennstoffzelle aktive Fläche ist, das heißt für die Energiewandlung genutzt werden kann. Diese Anordnung ist somit materialsparend. Problematisch dagegen ist bei externen Gasverteilungsvorrichtungen die Abdichtung derselben gegen die Außenflächen des Brennstoffzellenstapels, das Aufrechterhalten einer kraftschlüssigen Verbindung gegen den Druck der in den Gasverteilungsvorrichtungen geführten Gase, insbesondere auch bei thermisch bedingten Verformungen des Brennstoffzellenstapels, sowie die notwendige elektrische Isolation der in der Regel metallischen Gashauben gegen die Brennstoffzellen. Eine zweite Art von Gasverteilungsvorrichtungen besteht in solchen, die im Inneren der Brennstoffzellen bzw. des Brennstoffzellenstapels angeordnet sind und in Form von Gasräumen durch Aussparungen und Verteilerkanäle in der Zellfläche gebildet sind. Probleme bei der Isolierung und Abdichtung lassen sich dabei leichter beherrschen als bei externen Gasverteilungsvorrichtungen, aber es wird ein wesentlicher Teil der Zellfläche für die internen Gasverteilungsvorrichtungen verbraucht, was hohe Materialkosten verursacht.

Die Aufgabe der Erfindung ist es eine Brennstoffzellenanordnung zu schaffen, bei welcher die Undichtigkeiten der Gasverteilungsvorrichtungen vernachlässigbar sind und dabei aber wenig Brennstoffzellenfläche verbraucht wird.

Diese Aufgabe wird gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung bei einer Brennstoffzellenanordnung der vorausgesetzten Art dadurch gelöst, daß am Kathodeneingang und am Kathodenausgang zur Zuführung und Abführung des Kathodengases den Gasstrom außen an den Brennstoffzellen verteilende externe Gasverteilungsvorrichtungen vorgesehen sind, und daß am Anodeneingang zur Zuführung und vorzugsweise auch am Anodenausgang zur Abführung des Brenngases den Gasstrom im Inneren der Brennstoffzellen verteilende interne Gasverteilungsvorrichtungen vorgesehen sind.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist es vorgesehen, daß die das Kathodengas zu- und abführenden externen Gasverteilungsvorrichtungen an zwei gegenüberliegenden Seiten der Brennstoffzellen angeordnet sind, so daß die Kathoden in einer ersten Richtung durchströmt werden, und daß die das Brenngas zu- und abführenden internen Gasverteilungsvorrichtungen an zwei anderen gegenüberliegenden Seiten der Brennstoffzellen angeordnet sind, so daß die Anoden in einer zweiten Richtung quer zu der ersten Richtung durchströmt werden.

Gemäß einer anderen Weiterbildung der Erfindung ist es vorgesehen, daß die das Kathodengas zu- und abführenden externen Gasverteilungsvorrichtungen an zwei gegenüberliegenden Seiten der Brennstoffzellen angeordnet sind, so daß die Kathoden in einer ersten Richtung durchströmt werden, und daß die das Brenngas zu- und abführenden Gasverteilungsvorrichtungen an den gleichen zwei gegenüberliegenden Seiten der Brennstoffzellen angeordnet sind, so daß die Anoden in der gleichen Richtung durchströmt werden.

Bei der letztgenannten Ausführungsform können die Kathoden und die Anoden entweder im Gleichstrom durchströmt werden, oder sie können im Gegenstrom durchströmt werden.

Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung ist es bei einer Brennstoffzellenanordnung der vorausgesetzten Art vorgesehen, daß am Kathodeneingang zur Zuführung des Kathodengases eine den Gasstrom außen an den Brennstoffzellen verteilende externe Gasverteilungsvorrichtung vorgesehen ist, daß am Anodeneingang zur Zuführung des Brenngases eine den Gasstrom im Inneren der Brennstoffzellen verteilende interne Gasverteilungsvorrichtung vorgesehen ist, und daß am Kathodenausgang eine externe Gasverteilungsvorrichtung zum Sammeln des verbrauchten Kathodengases vorgesehen ist, in welche auch der Anodenausgang mündet.

Gemäß einer Weiterbildung dieser Brennstoffzellenanordnung ist es vorgesehen, daß am Anodenausgang ein Oxidationskatalysator zur katalytischen Verbrennung von am Anodenausgang noch vorhandenen Brenngasresten angeordnet ist.

Dieser Oxidationskatalysator kann in der externen Gasverteilungseinrichtung angeordnet sein, in welche der Kathodenausgang und der Anodenausgang münden.

Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung ist es bei einer Brennstoffzellenanordnung der vorausgesetzten Art schließlich vorgesehen, daß am Anodeneingang zur Zuführung des Brenngases eine den Gasstrom im Inneren der Brennstoffzellen verteilende interne Gasverteilungsvorrichtung vorgesehen ist, und daß am Kathodeneingang eine externe Gasverteilungsvorrichtung zur Zuführung des Kathodengases vorgesehen ist, wobei die Anoden und die Kathoden im Gegenstrom durchströmt werden und der Anodenausgang in die am Kathodeneingang vorgesehene externe Gasverteilungsvorrichtung mündet, so daß das vom Anodenausgang abgegebene verbrannte Brenngas in den Strom des dem Kathodeneingang zugeführten Kathodengases gemischt wird.

Diese Brennstoffzellenanordnung kann vorteilhafterweise dadurch weitergebildet sein, daß im Bereich des Anodenausgangs und/oder des Kathodeneingangs ein Oxidationskatalysator zur katalytischen Verbrennung von am Anodenausgang noch vorhandenen Brenngasresten vorgesehen ist.

Dabei ist es von besonderem Vorteil, wenn die metallischen Komponenten (Stromkollektoren und Bipolarplatte) der Anodenhalbkammer über die jeweiligen Kathodenausgänge hervorstehen und eine geschlossene Fortsetzung der Anodenhalbkammer in die externe Gasverteilervorrichtung bilden. Der Oxidationskatalysator ist dann im Bereich zwischen den Anodenausgängen und den Kathodeneingängen vorgesehen,
Hierbei kann vorteilhafterweise das Material des Oxidationskatalysators als Beschichtung auf den vorstehenden Enden der Anodenkammer vorgesehen sein.

Alternativ hierzu kann es vorgesehen sein, das Material des Oxidationskatalysators als gasdurchlässiges Füllmaterial zwischen den vorstehenden Enden der Anodenkammern anzuordnen.

Der erfindungsgemäßen Brennstoffzellenanordnung gemäß allen drei genannten Aspekten der Erfindung liegt eine Kombination von internen und externen Gasverteilungsvorrichtungen zugrunde, wobei zumindest die das Brenngas dem Anodeneingang zuführende Gasverteilungsvorrichtung als interne Gasverteilungsvorrichtung ausgebildet ist, welche den Gasstrom des Brenngases im Inneren der Brennstoffzellen verteilt, während die Gasverteilungsvorrichtungen am Eingang und/oder am Ausgang der Kathodenkammern als externe Gasverteilungsvorrichtungen ausgebildet sind, welche den Gasstrom des Kathodengases außen an den Brennstoffzellen verteilen und den Kathodenkammern über deren Stirnseiten zuführen bzw. von dort abführen.

Die erfindungsgemäße Kombination von internen und externen Gasverteilungsvorrichtungen beruht auf dem Grundgedanken, daß die durch die Brennstoffzellen fließenden Gasströme auf der Anoden- und der Kathodenseite stark unterschiedliche Volumina aufweisen. Die Durchflußrate des Kathodengasstroms liegt typischerweise etwa eine Größenordnung über der des anodenseitigen Brenngasstroms. Da hohe Anforderungen an die Dichtigkeit der Gasverteilungsvorrichtungen nur an der Anodenseite, insbesondere bei der Zuführung des frischen Brenngases am Anodeneingang bestehen, wird gemäß der Erfindung zwingend nur die Gasverteilungsvorrichtung zur Zuführung des frischen Brenngases zum Anodeneingang als interne Gasverteilungsvorrichtung ausgebildet, während insbesondere die im Hinblick auf die Dichtigkeit weniger kritischen Gasverteilervorrichtungen an den Eingängen und Ausgängen der Kathodenkammern als externe Gasverteilungsvorrichtungen ausgeführt werden. Dies führt zu beträchtlichen Vorteilen:

- die interne Gasverteilungsvorrichtung für das Brenngas benötigt lediglich einen kleinen Querschnitt, so daß nur geringe Teile der aktiven Zellfläche hierfür verloren gehen;
- die interne Gasverteilungsvorrichtung für das Brenngas erfüllt die Forderung nach guter Abdichtung auf der Anodenseite;
- der große Strom des Kathodengases durchströmt den Brennstoffzellenstapel über die großen Querschnitte der externen Gasverteilervorrichtungen von den Stirnseiten her, ohne eine interne Umlenkung des Kathodengasstroms in die Zellebene und damit mit geringstmöglichem Strömungswiderstand;
- Undichtigkeiten der externen Gasverteilungsvorrichtungen spielen auf der Kathodenseite praktisch keine Rolle, da das Kathodengas im wesentlichen aus Luft besteht und keine brennbaren Bestandteile enthält.

Die erfindungsgemäße Brennstoffzellenanordnung gemäß dem dritten Aspekt der Erfindung hat darüberhinaus noch den besonderen Vorteil, daß sie eine Durchströmung der Anodenkammern und Kathodenkammern im Gegenstrom gestattet und darüberhinaus noch die Möglichkeit bietet, eine integrierte katalytische Oxidationsvorrichtung zwischen den Anodenausgängen und den Kathodeneingängen vorzusehen.

Die Vorteile des Gegenstroms von Brenngas und Kathodengas, wie er gemäß dem dritten Aspekt der Erfindung und bei Ausführungsbeispielen gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung erfolgt, liegt in einer gleichmäßigen Temperaturverteilung in der Brennstoffzellenebene, was zu geringeren mechanischen und korrosionsbedingten Belastungen des Brennstoffzellenstapels führt. Dadurch ist es möglich die gesamte Zellfläche näher an der optimalen Betriebstemperatur zu betreiben und somit die eingesetzten Materialien besser zu nutzen. Dies führt zu höherer elektrischer Leistung und/oder zu erhöhter Lebensdauer.

Die Integration der katalytischen Oxidationsvorrichtung bei der Brennstoffzellenanordnung gemäß dem dritten Aspekt der Erfindung in dem Brennstoffzellenstapel spart eine separate Komponente des Systems und ermöglicht dennoch den Betrieb im Gegenstrom der Gase.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Explosionsansicht einer Brennstoffzellenanordnung gemäß dem Stand der Technik zur Erläuterung des grundsätzlichen Aufbaus einer solchen;

Fig. 2 eine Draufsicht auf eine Bipolarplatte einer Brennstoffzelle mit internen Gasverteilungsvorrichtungen;

Fig. 3 eine schematisierte Schnittansicht eines ersten Ausführungsbeispiels einer räumlich dargestellten Brennstoffzellenanordnung gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung;

Fig. 4 eine schematisierte Schnittansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels einer räumlich dargestellten Brennstoffzellenanordnung gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung;

Fig. 5 eine schematisierte Schnittansicht eines dritten Ausführungsbeispiels einer räumlich dargestellten Brennstoffzellenanordnung gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung;

Fig. 6 eine schematisierte Darstellung in Form eines Blockschaltbildes einer Brennstoffzellenanordnung gemäß dem in Fig. 5 dargestellten dritten Ausführungsbeispiel zur Erläuterung zu deren Betrieb;

Fig. 7 eine stark schematisierte Darstellung eines vergrößerten Ausschnitts eines Brennstoffzellenstapels zur Erläuterung eines vierten Ausführungsbeispiels der Brennstoffzellenanordnung gemäß dem dritten Aspekt der Erfindung; und

Fig. 8 eine schematisierte Ansicht einer Brennstoffzellenanordnung mit zusätzlichen zu deren Betrieb erforderlichen Komponenten zur Erläuterung des Betriebs des vierten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Brennstoffzellenanordnung.

Fig. 1 zeigt in perspektivischer Explosionsansicht den Aufbau einer Brennstoffzellenanordnung mit einem Brennstoffzellenstapel 1 herkömmlicher Art. Eine Anzahl von Brennstoffzellen, die eine Anode 2, eine Elektrolytmatrix 3 und eine Kathode 4 enthalten, sind jeweils durch eine Bipolarplatte 5 voneinander getrennt. Die Bipolarplatten 5 dienen der elektrischen Kontaktierung der anliegenden Elektroden der benachbarten Brennstoffzellen, also in der Fig. 1 jeweils der Anode 2 der darunterliegenden Zelle und der Kathode 4 der darüberliegenden Zelle. Außerdem bilden die Bipolarplatten 5 Strömungswege für die die Brennstoffzellen durchströmenden Gase, nämlich das die Anode durchströmende bzw. an dieser vorbeigeführte Brenngas und das die Kathode durchströmende bzw. an dieser vorbeigeführte Oxidationsgas, wobei diese Gase in Fig. 1 durch Pfeile dargestellt sind. Das Brenngas und das Oxidationsgas werden an den Stirnseiten der Brennstoffzellen den durch die Bipolarplatten 5 gebildeten Strömungswegen zugeführt, wofür externe Gasverteilungsvorrichtungen vorgesehen sind, von denen in Fig. 1 zum Zwecke der besseren Übersichtlichkeit nur die externe Gasverteilungsvorrichtung 43 zur Zuführung des Kathodengases, des oxidierenden Gases, dargestellt ist. Diese externen Gasverteilungsvorrichtungen sind Hauben oder Hutzen, die an ihren Rändern am Brennstoffzellenstapel 1 abgedichtet sind. An der Oberseite und der Unterseite des Brennstoffzellenstapels sind Isolationen 6 vorgesehen, durch welche die Brennstoffzellen gegen Endplatten 8 elektrisch isoliert sind. Die Endplatten 8 sind durch Zugstangen 7 gegeneinander verspannt, wodurch die Brennstoffzellen aneinander gepreßt und der Brennstoffzellenstapel stabilisiert wird. Das Brenngas wird den Anoden an einem Anodeneingang 11 zugeführt und an einem Anodenausgang 12 von diesen abgeführt, das Oxidationsgas bzw. Kathodengas wird den Kathoden an einem Kathodeneingang 13 zugeführt und an einem Kathodenausgang 14 von diesen abgeführt.

Fig. 2 zeigt eine Draufsicht auf eine Bipolarplatte 5 eines Brennstoffzellenstapels, bei welchem das Brenngas und das Kathodengas durch interne Gasverteilungsvorrichtungen im Inneren der Brennstoffzellen verteilt und den Anoden bzw. den Kathoden zugeführt wird. Hierzu dienen ein Brenngaseinlaß 31 und ein Brenngasauslaß 32 sowie ein Kathodengaseinlaß 33 und ein Kathodengasauslaß 34. Diese Einlässe und Auslässe werden an einer Stirnseite des Brennstoffzellenstapels von außen in das Innere des Brennstoffzellenstapels geführt und setzten sich dort durch alle Brennstoffzellen fort, um diese mit den Gasströmen zu versorgen bzw. zu entsorgen. Vom Brenngaseinlaß 31 wird das Brenngas über eine interne Gasverteilungsvorrichtung 51 einer Seite des durch die Bipolarplatte 5 an der Anode 2 gebildeten Anodengasraums zugeführt und von dort an der Anode 2 bis zu einer gegenüberliegenden internen Gasverteilungsvorrichtung 52 geleitet, wo der Gasstrom wieder gesammelt und dem Brenngasauslaß 32 zugeführt wird, über welchen er den Brennstoffzellenstapel wieder verläßt. In entsprechender Weise wird das Kathodengas auf der in Fig. 2 nicht zu sehenden Rückseite der Bipolarplatte 5 zwischen dem Kathodengaseinlaß 32 und dem Kathodengasauslaß 34 über die Kathode 4 der Brennstoffzelle geführt.

Fig. 3 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel der Brennstoffzellenanordnung gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung. An einem Brennstoffzellenstapel 1 sind an zwei aneinander gegenüberliegenden Seiten externe Gasverteilungsvorrichtungen 43 und 44 in Form von Hauben oder Hutzen angeordnet, welche der Zuführung und Abführung des Kathodengases zu den Kathoden der in dem Brennstoffzellenstapel 1 enthaltenen Brennstoffzellen dienen. Das Kathodengas (Oxidationsgas) wird von außen über einen Kathodengaseinlaß 33 in das Innere der externen Gasverteilungsvorrichtung 43 geliefert und von dort den Kathoden über die an den Stirnseiten der Brennstoffzellen befindlichen Kathodeneingänge 13 zugeführt. Nach dem Durchströmen der Kathoden verläßt das verbrauchte Kathodengas die Brennstoffzellen an den gegenüberliegenden Stirnseiten derselben und wird von der externen Gasverteilungsvorrichtung 44 gesammelt und über einen Kathodengasauslaß 34 als Abgas abgeführt. Zwischen den externen Gasverteilungsvorrichtungen 43, 44 und dem Brennstoffzellenstapel 1 ist eine elektrische Isolierung 15 angeordnet. Zur Zuführung, Verteilung und Abführung des die Anoden der Brennstoffzellen durchströmenden Brenngases sind interne Gasverteilungsvorrichtungen 51 und 52 im Inneren der Brennstoffzellen vorgesehen. Das Brenngas tritt über einen Brenngaseinlaß 31 in das Innere des Brennstoffzellenstapels 1 und der einzelnen Brennstoffzellen ein und wird von dort durch eine interne Gasverteilungsvorrichtung 51 an dem einen, in Fig. 3 unteren Ende der Anoden verteilt. Nach dem Durchströmen der Anoden 2 wird das Brenngas am gegenüberliegenden, in Fig. 3 oberen Ende des Brennstoffzellenstapels durch eine interne Gasverteilungsvorrichtung 52 gesammelt und über den Brenngasauslaß 32 von den Brennstoffzellen und aus dem Brennstoffzellenstapel 1 abgeführt. Somit durchströmt das Kathodengas bei der in Fig. 3 gezeigten Brennstoffzellenanordnung die Brennstoffzellen in einer ersten Richtung, nämlich von rechts nach links, während das Brenngas die Brennstoffzellen in einer dazu senkrechten Richtung, nämlich von unten nach oben quer dazu durchströmt.

Fig. 4 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel einer Brennstoffzellenanordnung gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung. Ein Brennstoffzellenstapel 1 ist an zwei gegenüberliegenden Seiten, nämlich an dessen Oberseite und Unterseite mit externen Gasverteilungsvorrichtungen 43 und 44 zur Zuführung und Abführung des Kathodengases zu den Kathoden der Brennstoffzellen versehen. An den gleichen zwei gegenüberliegenden Seiten des Brennstoffzellenstapels, nämlich ebenfalls oben und unten, sind auch interne Gasverteilungsvorrichtungen 51 und 52 zum Zuführen und Abführen des Brenngases zu und von den Anoden der Brennstoffzellen vorgesehen. Auf diese Weise werden sowohl die Anoden als auch die Kathoden des Brennstoffzellenstapels 1 in der gleichen Richtung, nämlich vertikal durchströmt. Das Brenngas wird über einen Brenngaseinlaß 31 in das Innere des Brennstoffzellenstapels 1 geführt und dort mittels der internen Gasverteilungsvorrichtungen 51 auf die Anoden der einzelnen Brennstoffzellen verteilt. Nach dem Durchströmen der Anoden wird das verbrannte Brenngas mittels der internen Gasverteilungsvorrichtungen 52 gesammelt und über einen Brenngasauslaß 32 durch den Brennstoffzellenstapel 1 und aus diesem herausgeführt. Das Kathodengas wird über einen Kathodengaseinlaß 33 einer ersten externen Gasverteilungsvorrichtung 43 zugeführt und von dort auf die Kathoden bzw. die durch die Bipolarplatten gebildeten Kathodengasräume der einzelnen Brennstoffzellen verteilt, welche im Gegensatz zu den Anoden bzw. den durch die Bipolarplatten gebildeten Anodengasräumen der Brennstoffzellen an den der externen Gasverteilungsvorrichtung 43 zugewandten Stirnseiten offen sind. Nach dem Durchströmen der Kathoden verläßt das verbrauchte Kathodengas die Kathoden an den wiederum im Gegensatz zu den Anoden offenen Stirnseiten der Kathoden bzw. der durch die Bipolarplatten gebildeten Kathodengasräume, worauf es gesammelt und über einen Kathodengasauslaß 34 abgeführt wird. Zwischen den externen Gasverteilungsvorrichtungen 43, 44 und dem Brennstoffzellenstapel 1 ist eine elektrische Isolierung 15 angeordnet.

Die in Fig. 4 gezeigte Brennstoffzellenanordnung ermöglicht einen Betrieb der Brennstoffzellen mit einer Durchströmung der Anoden und der Kathoden im Gleichstrom, wie auch im Gegenstrom. Bei Gleichstrom von Brenngas und Anodengas befindet sich der Kathodengaseinlaß 33 und damit die einlaßseitige externe Gasverteilungsvorrichtung 43 für das Kathodengas an der Unterseite des Brennstoffzellenstapels, wohingegen sich für einen Betrieb mit Gegenstrom der Kathodengaseinlaß 33 und damit die kathodeneinlaßseitige externe Gasverteilungsvorrichtung 43 an der Oberseite des Brennstoffzellenstapels 1 befindet. Die Strömungsrichtung des Kathodengases ist in Fig. 4 für den Fall des Gleichstroms durch einen durchgezogenen Pfeil und für den Fall des Gegenstroms durch einen gestrichelten Pfeil dargestellt.

Fig. 5 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel der Brennstoffzellenanordnung gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung. An der Unterseite eines Brennstoffzellenstapels 1 ist eine externe Gasverteilungsvorrichtung 43 zur Verteilung des über einen Kathodengaseinlaß 33 zugeführten Kathodengases auf die Kathodeneingänge der Brennstoffzellen vorgesehen. Ebenfalls an der Unterseite des Brennstoffzellenstapels 1 befindet sich eine interne Gasverteilungsvorrichtung 51 zur Verteilung des über einen Brenngaseinlaß 31 zugeführten Brenngases auf die Anodeneingänge der Brennstoffzellen. Die in Form einer Haube oder Hutze ausgebildete externe Gasverteilungsvorrichtung 43 ist mittels einer elektrischen Isolierung 15 gegen den Brennstoffzellenstapel 1 isoliert. Wie auch bei den vorher beschriebenen Ausführungsbeispielen sind die Stirnseiten der Kathoden bzw. der durch die Bipolarplatten gebildeten Kathodengasräume zu der externen Gasverteilungsvorrichtung 44 hin offen, um ein Einströmen des Kathodengases zu gestatten, wohingegen die Anoden bzw. die durch die Bipolarplatten gebildeten Anodengasräume an dieser Stelle geschlossen sind. Das am Kathodengaseinlaß 33 zugeführte Kathodengas und das am Brenngaseinlaß 31 zugeführte Brenngas durchströmen die Brennstoffzellen im Gleichstrom von unten nach oben. An der Oberseite des Brennstoffzellenstapels sind sowohl die Anoden bzw. die Anodengasräume als auch die Kathoden bzw. die Kathodengasräume der Brennstoffzellen an ihren Stirnseiten offen, so daß das verbrannte Brenngas und das verbrauchte Kathodengas in eine externe Gasverteilungsvorrichtung 44 eintreten können, welche an der Oberseite des Brennstoffzellenstapels 1 zum Sammeln des verbrauchten Kathodengases vorgesehen ist. An den Anodenausgängen 12 und den Kathodengasausgängen 14 der Brennstoffzellen ist ein Oxidationskatalysator 16 vorgesehen, welcher der katalytischen Verbrennung von im Anodengas noch vorhandenen brennbaren Restbestandteilen dient. Das verbrannte Abgas verläßt die Brennstoffzellenanordnung durch einen Abgasauslaß 35.

Fig. 6 zeigt in einem schematischen Blockschaltbild den Aufbau einer Anlage mit einer Brennstoffzellenanordnung, wie sie in Fig. 5 gezeigt ist. Dem Brenngaseinlaß 31 des Brennstoffzellenstapels 1 wird Brenngas von einer Brenngaszuführung 25 über eine Brenngasregelung 21 zugeführt. Dem an der externen Gasverteilungsvorrichtung 43 befindlichen Kathodengaseinlaß 33 wird Luft als Oxidationsgas bzw. Kathodengas über einen Lufteinlaß 24, eine Frischluftregelung 18 und ein Umluftgebläse 19 zugeführt. Die in dem Brennstoffzellenstapel 1 umgesetzten Gase verlassen nach dem Passieren eines Oxidationskatalysators 16 die Brennstoffzellenanordnung am Kathodengasauslaß 34, von wo das heiße Abgas in einen Wärmetauscher 20 eintritt, welcher der Kühlung des Abgasstroms und der Gewinnung von Nutzwärme dient. Ein Teil des gekühlten Abgases verläßt die Anlage über einen Abgasauslaß 23, wogegen das übrige Abgas in der Frischluftregelung 18 mit der am Lufteinlaß 24 eintretenden Frischluft gemischt und mittels des Umluftgebläses 19 wieder dem Kathodengaseinlaß 33 zugeführt wird.

Fig. 7 zeigt einen Ausschnitt eines Brennstoffzellenstapels gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel in Verwirklichung des dritten Aspekts der Erfindung. In der Figur sind stark schematisiert lediglich abwechselnd angeordnete Anodenkammern 2' und Kathodenkammern 4' dargestellt, zum Zwecke der besseren Übersichtlichkeit jedoch die Elektrolytmatrizen 3 und die die einzelnen Brennstoffzellen trennenden Bipolarplatten 5 weggelassen. In der Darstellung sollen die Anodenkammern 2' und die Kathodenkammern 4' auch die durch die nicht dargestellten Bipolarplatten gebildeten Anodengasräume und Kathodengasräume beinhalten. Sowohl die Anodenkammern 2' als auch die Kathodenkammern 4' sind an ihren unteren Stirnseiten offen. Den in der Figur nicht gezeigten Anodeneingängen 11 wird ähnlich wie bei den vorherigen Ausführungsbeispielen das Brenngas mittels einer den Gasstrom im Inneren der Brennstoffzellen verteilenden internen Gasverteilungsvorrichtung zugeführt. Das Brenngas durchströmt die Anodenkammern 2' in der Darstellung der Fig. 7 von oben nach unten. Den Kathodenkammern 4' wird das Kathodengas mittels einer in der Figur nur angedeuteten externen Gasverteilungsvorrichtung 43 an deren Unterseite zugeführt, so daß das Kathodengas die Kathodenkammern 4' von unten nach oben im Gegenstrom zum Anodengas durchströmt. Das die Anodenkammern 2' an den Anodenausgängen 12 verlassende verbrannte Brenngas wird dem Strom des Kathodengases beigemischt und den Kathodeneingängen 13 zusammen mit diesem zugeführt.

Da die Anodenkammern 2' und die Kathodenkammern 4' jeweils so bemessen sind, daß die Enden der Anodenkammern 2' mit den jeweiligen Anodenausgängen 12 über die Enden der Kathodenkammern 4' mit den jeweiligen Kathodeneingängen 13 vorstehen, wird an der Außenseite der vorstehenden Enden der Anodenkammern 2' eine Fläche gebildet, auf welcher in Form einer katalytischen Beschichtung ein Oxidationskatalysator 22 vorgesehen ist. Dieser Oxidationskatalysator 22 dient der Verbrennung von noch in dem Anodenabgas enthaltenen brennbaren Restbestandteil.

Fig. 8 zeigt in vereinfachter Darstellung eine Anlage mit einer Brennstoffzellenanordnung, die einen entsprechend Fig. 7 aufgebauten Brennstoffzellenstapel 1 enthält. Der Brennstoffzellenstapel 1 ist im Inneren eines Schutzgehäuses 26 angeordnet. Einer unterhalb des Brennstoffzellenstapels 1 angeordneten und durch eine elektrische Isolierung 15 von dem Brennstoffzellenstapel 1 elektrisch isolierten externen Gasverteilungseinrichtung 43 wird mittels eines Umluftgebläses 19 Frischluft von einem Frischlufteinlaß 24 zugeführt. Das Brenngas wird den Anodeneingangen 11 der Brennstoffzellen über einen an der Oberseite des Brennstoffzellenstapels 1 befindlichen Brenngaseinlaß 31 zugeführt. Das die Unterseite des Brennstoffzellenstapels I an den Anodenausgängen 12 verlassende verbrannte Brenngas wird dem zugeführten Frischluftstrom beigemischt und tritt nach katalytischer Oxidation wieder in die Kathodeneingänge 13 an der Unterseite des Brennstoffzellenstapels 1 ein. Nach dem Durchlaufen der an die Kathoden 4 grenzenden Kathodenkammern verläßt der Gasstrom den Brennstoffzellenstapel an den an dessen Oberseite befindlichen Kathodenausgängen 14, welche in eine an der Oberseite des Schutzgehäuses 26 ausgebildete externe Gasverteilungsvorrichtung 44 münden. Ein Teil des Abgases wird über einen Abgasauslaß 23 nach außen abgeführt, wogegen das übrige Abgas nach dem Durchlaufen eines der Entnahme von Nutzwärme und der Abkühlung des Abgasstroms dienenden Wärmetauschers 20 über eine Regelklappe 27 dem von dem Umluftgebläse 19 umgewälzten Frischluftstrom beigemischt wird.

Bezugszeichenliste

1

Brennstoffzellenstapel

2

Anode

2

' Anodenhalbkammer

3

Elektrolytmatrix

4

Kathode

4

' Kathodenhalbkammer

5

Bipolarplatte

6

Isolation

7

Zugstange

8

Endplatte

11

Anodeneingang (Brenngas)

12

Anodenausgang

13

Kathodeneingang (Oxidationsgas)

14

Kathodenausgang

15

elektrische Isolierung

16

katalytischer Oxidator

17

Abgashutze

18

Frischluftregelung

19

Umluftgebläse

20

Wärmetauscher

21

Brenngasregelung

22

katalytische Beschichtung

23

Abgasauslaß

24

Lufteinlaß (Frischluft)

25

Brenngaszuführung

26

Schutzgehäuse

27

Regelklappe

31

Brenngaseinlaß

32

Brenngasauslaß

33

Kathodengaseinlaß

34

Kathodengasauslaß

35

Abgasauslaß

41-44

externe Gasverteilungsvorrichtungen

51-54

interne Gasverteilungsvorrichtungen

Claims

1. Brennstoffzellenanordnung mit einer Anzahl von jeweils eine Anode (2), eine Elektrolytmatrix (3) und eine Kathode (4) enthaltenden, in einem Brennstoffzellenstapel (1) angeordneten Brennstoffzellen mit einem Anodeneingang (11) zur Zuführung von Brenngas zu den Anoden (2), einem Anodenausgang (12) zur Abführung von verbranntem Brenngas von den Anoden (2), einem Kathodeneingang (13) zur Zuführung von Kathodengas zu den Kathoden (4) und einem Kathodenausgang (14) zur Abführung von verbrauchtem Kathodengas von den Kathoden (4), dadurch gekennzeichnet, daß am Kathodeneingang (13) und am Kathodenausgang (14) zur Zuführung und Abführung des Kathodengases den Gasstrom von außen an den Brennstoffzellen verteilende externe Gasverteilungsvorrichtungen (43,44) vorgesehen sind, und daß am Anodeneingang (11) zur Zuführung des Brenngases den Gasstrom im Inneren der Brennstoffzellen verteilende interne Gasverteilungsvorrichtungen (51) und am Anodenausgang (12) zur Abführung des Brenngases externe oder interne (52) Gasverteilungsvorrichtungen vorgesehen sind.

2. Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die das Kathodengas zu- und abführenden externen Gasverteilungsvorrichtungen (43, 44) an zwei gegenüberliegenden Seiten der Brennstoffzellen angeordnet sind, so daß die Kathoden (4) in einer ersten Richtung durchströmt werden, und daß die das Brenngas zu- und abführenden Gasverteilungsvorrichtungen (51, 52) an zwei anderen gegenüberliegenden Seiten der Brennstoffzellen angeordnet sind, so daß die Anoden (2) in einer zweiten Richtung quer zu der ersten Richtung durchströmt werden.

3. Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die das Kathodengas zu- und abführenden externen Gasverteilungsvorrichtungen (41, 42) an zwei gegenüberliegenden Seiten der Brennstoffzellen angeordnet sind, so daß die Kathoden (4) in einer ersten Richtung durchströmt werden, und daß die das Brenngas zu- und abführenden Gasverteilungsvorrichtungen (51, 52) an den gleichen zwei gegenüberliegenden Seiten der Brennstoffzellen angeordnet sind, so daß die Anoden (2) in der gleichen Richtung durch strömt werden.

4. Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathoden (4) und die Anoden (2) im Gleichstrom durchströmt werden.

5. Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathoden (4) und die Anoden (2) im Gegenstrom durchströmt werden.

6. Brennstoffzellenanordnung mit einer Anzahl von jeweils eine Anode (2), eine Elektrolytmatrix (3) und eine Kathode (4) enthaltenden, in einem Brennstoffzellenstapel (1) angeordneten Brennstoffzellen mit einem Anodeneingang (11) zur Zuführung von Brenngas zu den Anoden (2), einem Anodenausgang (12) zur Abführung von verbranntem Brenngas von den Anoden (2), einem Kathodeneingang (13) zur Zuführung von Kathodengas zu den Kathoden (4) und einem Kathodenausgang (14) zur Abführung von verbrauchtem Kathodengas von den Kathoden (4), dadurch gekennzeichnet, daß am Kathodeneingang (13) zur Zuführung des Kathodengases eine den Gasstrom außen an den Brennstoffzellen verteilende externe Gasverteilungsvorrichtung (43) vorgesehen ist, daß am Anodeneingang (11) zur Zuführung des Brenngases eine den Gasstrom im Inneren der Brennstoffzellen verteilende interne Gasverteilungsvorrichtung (51) vorgesehen ist, und daß am Kathodenausgang (14) eine externe Gasverteilungsvorrichtung (44) zum Sammeln des verbrauchten Kathodengases vorgesehen ist, in welche auch der Anodenausgang (12) mündet.

7. Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß am Anodenausgang (12) ein Oxidationskatalysator (16) zur katalytischen Verbrennung von am Anodenausgang noch vorhandenen Brenngasresten angeordnet ist.

8. Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Oxidationskatalysator (16) in der externen Gasverteilungsvorrichtung (44) angeordnet ist, in welche der Kathodenausgang (14) und der Anodenausgang (12) münden.

9. Brennstoffzellenanordnung mit einer Anzahl von jeweils eine Anode (2), eine Elektrolytmatrix (3) und eine Kathode (4) enthaltenden, in einem Brennstoffzellenstapel (1) angeordneten Brennstoffzellen mit einem Anodeneingang (11) zur Zuführung von Brenngas zu den Anoden (2), einem Anodenausgang (12) zur Abführung von verbranntem Brenngas von den Anoden (2), einem Kathodeneingang (13) zur Zuführung von Kathodengas zu den Kathoden (4) und einem Kathodenausgang (14) zur Abführung von verbrauchtem Kathodengas von den Kathoden (4), dadurch gekennzeichnet, daß am Anodeneingang (11) zur Zuführung des Brenngases eine den Gasstrom im Inneren der Brennstoffzellen verteilende interne Gasverteilungsvorrichtung (51) vorgesehen ist, und daß am Kathodeneingang (13) eine externe Gasverteilungsvorrichtung (43) zur Zuführung des Kathodengases vorgesehen ist, wobei die Anoden (2) und die Kathoden (4) im Gegenstrom durchströmt werden und der Anodenausgang (12) in die am Kathodeneingang (13) vorgesehene externe Gasverteilungsvorrichtung (43) mündet, so daß das vom Anodenausgang (12) abgegebene verbrannte Brenngas in den Strom des dem Kathodeneingang (13) zugeführten Kathodengases gemischt wird.

10. Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich des Anodenausgangs (12) und/oder des Kathodeneingangs (13) ein Oxidationskatalysator (22) zur katalytischen Verbrennung von am Anodenausgang (12) noch vorhandenen Brenngasresten vorgesehen ist.

11. Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die metallischen Komponenten der Anodenhalbkammern mit den jeweiligen Anodenausgängen (12) über die jeweiligen Kathodeneingänge (13) in die externe Gasverteilungsvorrichtung (43) vorstehen, und daß der Oxidationskatalysator (22) im Bereich zwischen den Anodeneingängen (12) und den Kathodeneingängen (13) vorgesehen ist.

12. Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Material des Oxidationskatalysators (22) als Beschichtung auf den vorstehenden Enden der Anoden (2) vorgesehen ist.

13. Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Material des Oxidationskatalysators (22) als gasdurchlässiges Füllmaterial zwischen den vorstehenden Enden der Anoden (2) vorgesehen ist.