DE19917722A1

DE19917722A1 - Vorrichtung zur Pressung und Medienversorgung eines Festelektrolyt-Brennstoffzellenstapels

Info

Publication number: DE19917722A1
Application number: DE19917722A
Authority: DE
Inventors: Petra Koschany
Original assignee: Manhattan Scientifics Inc
Current assignee: Manhattan Scientifics Inc
Priority date: 1999-04-20
Filing date: 1999-04-20
Publication date: 2000-10-26
Also published as: AU4552900A; WO2000063996A1

Abstract

Die Vorrichtung zur Pressung und Medienversorgung eines Festelektrolyt-Brennstoffzellenstapels besteht aus einer kraftschlüssigen Schraubverbindung mit einem integrierten Kanalsystem (FIG. 1) DOLLAR A Die Vorrichtung ist gleichermaßen für Brennstoff, Oxidationsmittel und Kühlmedium geeignet und verbessert durch Funktionsintegration von Verspannung und Medienversorgung die volumen- und gewichtsspezifische Leistung des Festelektrolyt-Brennstoffzellenstapels.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung, die gleichzeitig zur Pressung ei nes Festelektrolyt-Brennstoffzellenstapels und zur Ver- und Entsorgung mit Reakti ons- und Kühlmedien dieses Festelektrolyt-Brennstoffzellenstapels dient.

Ein Festelektrolyt-Brennstoffzellenstapel (im folgenden kurz Brennstoffzellenstapel genannt) besteht aus Wiederholungseinheiten - den einzelnen Festelektrolyt- Brennstoffzellen - und einem Paar Endplatten (10), (11), die mittels einer Spannvor richtung den Stapel verpressen. Das zentrale Bauelement der Wiederholungsein heiten ist der Festelektrolyt. Er besteht häufig aus einer H+-Ionen leitenden Poly merfolie. Auf beiden Seiten des Festelektrolyts (7) sind Katalysatorschichten und elektrisch leitfähige Diffusions- und/oder Kanalstrukturen (5), (6), (8) angeordnet, wie beispielsweise in Fig. 1 dargestellt. Diese Strukturen bilden den Anoden und den Kathodenraum der Zelle. Die einzelnen Zellen werden durch elektrisch leitfähige aber für Medien undurchlässige Bipolarplatten (9) getrennt.

Brennstoffzellenstapel werden in der Regel durch zwei oder mehrere Schraubverbin dungen gepreßt und damit zusammengehalten. Die Pressung ist notwendig um ge ringe elektrische Übergangswiderstände zwischen den einzelnen Bauteilen zu errei chen. Weiterhin erfordern die meisten Dichtungssysteme eine Anpreßkraft.

Um den Brennstoffzellenstapel in Betrieb zu nehmen, muß in den Anodenraum Brennstoff und in den Kathodenraum Oxidationsmittel zugeführt werden. Die ent sprechenden Reaktionsprodukte sind abzuführen. Als Brennstoffe eignen sich bei spielsweise Wasserstoff oder eine wäßrige Methanollösung. Das Oxidationsmittel ist meist Luft oder reiner Sauerstoff. Die Medienversorgung eines Brennstoffzellensta pels hat unter zwei Aspekten zu erfolgen. Die hier im folgenden näher erörterte Ein bringung der Medien in den Stapel einschließlich der Aufteilung auf die einzelnen Zellen und die hier nicht behandelte Verteilung der Medien parallel zu den einzelnen Zellflächen.

Um die Reaktionswärme aus dem Brennstoffzellenstapel abzuführen wird typischer weise ein zusätzliches Kühlmedium parallel zur Zellfläche geführt. Die dazu notwen digen Bauteile sind in Fig. 1 der Einfachheit halber nicht dargestellt.

Bekannt sind einige Einzweckmedienversorgungssysteme in Form von plattenartigen Gebilden mit Rohr- oder Schlauchanschluß, die seitlich am Brennstoffzellenstapel an gebracht sind wie beispielsweise in DE 197 12 864 A1 dargestellt.

Solche als Stand der Technik üblichen Medienversorgungssysteme erfüllen als Ein zwecksystem nur die Versorgungsfunktion. Sie erhöhen das Gewicht und das Volu men des Brennstoffzellenstapels. Eine Verschlechterung der gewichts- und volu menspezifischen Leistung sind daher die Folge.

Ferner erfordern herkömmliche Gasversorgungssysteme einen höheren technischen Aufwand und erzeugen damit auch höhere Kosten als die hier im folgenden darge stellte Erfindung.

Die nach dem Stand der Technik verwendeten Vorrichtungen zum Verspannen der Endplatten sind Verschraubungen oder Spannbänder. Sie sind ebenfalls als Ein zwecksysteme ausgeführt.

Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung einer Vorrichtung, die gleichzeitig zur Verspannung und als Medienversorgungssystem eines Brennstoffzellenstapels dient.

Die Lösung erfolgt erfindungsgemäß im Sinne von Funktionsbündelung durch Inte gration mindestens eines Medienversorgungskanals in die Vorrichtung zur Verpres sung des Brennstoffzellenstapels nach Anspruch 1.

Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung finden sich in den Unteransprüchen.

Erfindungsgemäß wird, wie in Fig. 1 dargestellt, eine Schraubverbindung so gestal tet, daß durch dort angebrachte Bohrungen ein Kanalsystem entsteht durch das z. B. das Brenngas Wasserstoff dem Brennstoffzellenstapel zugeführt wird. Die Mutter der Verschraubung kann als Anschluß für Schläuche oder Rohre, hier als Schlauchtülle ausgeführt sein. Im Sinne einer Ventilation des Brennstoffzellenstapels werden an geeigneter Stelle nicht reaktionsfähige Verunreinigungen des zugeführten Gases durch eine gleich konstruierte Verschraubung abgeleitet.

Die Verschraubung eignet sich gleichermaßen für die Medien Brennstoff, Oxidati onsmittel und Kühlmittel. Der Brennstoffzellenstapel kann auch mit mehreren Medien gleichzeitig erfindungsgemäß versorgt werden. Es können alle oder nur ein Teil der Spannelemente erfindungsgemäß ausgeführt sein.

Zur gleichmäßigen Verteilung und/oder Durchströmung der Zellflächen können für ein Medium mehrere Zuführungen und/oder mehrere Abführungen vorgesehen wer den.

Die erfindungsgemäßen Verschraubungen müssen sich nicht notwendig wie in Fig. 1 nahegelegt im Randbereich des Brennstoffzellenstapels befinden. Aus statischen Gründen ist eine Verteilung der Verschraubungen über die gesamte Endplattenfläche zu bevorzugen. Die Endplatten können dann dünner und leichter ausgeführt werden.

Die Verschraubung kann bevorzugt aus Kunststoff oder aus Metall bestehen. Bei Ausführung aus Metall ist zur Vermeidung von Kurzschlüssen der Schraubenschaft im Bereich des elektrisch leitfähigen Schichtmaterials des Brennstoffzellenstapels mit einem geeigneten Isoliermaterial, z. B. Isolierlack elektrisch zu isolieren.

Zur besseren Medienverteilung können auch mehrere Querbohrungen am Schrau benschaft angebracht werden. Eine Nut (Fig. 5) oder Fläche (Fig. 6) entlang des Schraubenschaftes in Verbindung mit einer oder mehreren Querbohrungen gewähr leistet gleichermaßen eine gute Verteilung des zugeführten Mediums in der (z. B. kreisförmigen) Aussparung in den Schichtmaterialien des Brennstoffzellenstapels.

Bei dieser Ausführung ist jedoch auf stellungsrichtige Montage der Nut oder Fläche in der gewünschten Strömungsrichtung zu achten. Bei einer Verkleinerung des Schaftdurchmessers z. B. auf den Gewindekerndurchmesser wie bei Ausführung nach Fig. 1, Fig. 3 und Fig. 4 ist dies nicht erforderlich. Der tragende Querschnitt der Schraube wird bei Reduzierung auf den Kerndurchmesser nicht verkleinert. Fig. 3 und Fig. 4 unterscheiden sich in der Gestaltung der Einschraubteile.

Die Wahl der jeweils optimalen Verschraubungsvariante wird durch den Medienver sorgungsbedarf des Brennstoffzellenstapels und die damit verbundene Dimensionie rung der Verschraubung bestimmt. Bei sehr kleinen Verschraubungen (<M3) be stimmen vor allem die festigkeitstechnischen Eigenschaften der Verschraubung die optimale Variante.

Im Sinne der Erfindung sind auch alle bisher bekannten kraftschlüssigen Verbindun gen Alternativen zu Schraubverbindungen.

Fig. 1 stellt beispielhaft die Versorgung eines Brennstoffzellenstapels mit Brenngas - hier Wasserstoff - dar. Um die Funktion zu gewährleisten wurde durch entsprechen de Dichtungen Fig. 1 (3) und (4) sichergestellt, daß sich das Brenngas ausschließlich im Wasserstoffraum des Brennstoffzellenstapels verteilt. Austreten des Brenngases in den Luftraum des Brennstoffzellenstapels wird durch die Dichtung Fig. 1 (4) ver hindert. Die Dichtung kann direkt an der Membran oder auch an der Katalysator schicht anliegen. Aufgrund der nur geringen Porosität und Dicke der Katalysator schicht wird eine ausreichende Dichtwirkung erzielt.

Eine mögliche Variante der Abdichtung im Bereich der Endplatte auf der Gasan schlußseite des Brennstoffzellenstapels ist in Fig. 2 dargestellt. Abweichend von Fig. 1 wird die Dichtung (15) durch die Endplatte über den Luftraum des Brennstoff zellenstapels auf die Katalysatorschicht der Membran geführt. Dadurch erspart man eine Dichtung und hat zwei Dichtflächen weniger.

Die insgesamt mit dieser Erfindung erreichten Vorteile decken sich mit der Aufga benstellung einen Brennstoffzellenstapel durch Funktionsintegration von Medienver sorgung und Verspannung, leichter, kleiner und kostengünstiger herstellen zu kön nen.

Legende zu den Abbildungen

1

Schraube mit gebohrten Gaskanälen

2

Schlauchtülle mit Innengewinde

3

Flachdichtung

4

Dichtung

5

Kanalplatte für das Oxidationsmittel (Luft)

6

Brennstoffelektrode

7

Membran mit beidseitiger Katalysatorschicht

8

Sauerstoffelektrode

9

Bipolarplatte

10

Endplatte unten

11

Endplatte auf Gasanschlußseite (oben)

12

Kunststoffschlauch

13

Abdichtung stirnseitig (symbolisch dargestellt)

14

Schraube mit Gasanschluß

15

Dichtung

Die Darstellungen in Fig. 1 bis Fig. 6 sind nicht maßstabsgetreu.

Claims

1. Vorrichtung zur Pressung von Brennstoffzellenstapeln, dadurch gekennzeichnet, daß die für den Betrieb von Brennstoffzellenstapeln erforderlichen Medienversor gungskanäle für die Einbringung und Aufteilung der Medien auf die einzelnen Zellen ganz oder teilweise integriert sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein oder mehrere Medien vollständig oder teilweise zu- und/oder abgeführt werden.

3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein oder mehrere Teilvorrichtungen als Zuführungen von mindestens einem Medium dienen und/oder ein oder mehrere Teilvorrichtungen als Abführung von mindestens einem Medium dienen.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß sie als Schraubverbindung ausgeführt ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein mit einem Gewinde versehenes, kraftübertragendes Teil als Rohr oder als Schlauchanschluß ausgeführt ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Schraube und der Rohr- oder Schlauchanschluß aus einem Stück nach dem Prinzip von Fig. 3 (14) bestehen.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß sie vorwiegend aus korrosionsbeständigem Metall (z. B. Edelstahl) besteht.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß sie vorwiegend aus Kunststoff, insbesondere faserverstärktem Kunststoff be steht.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaft der Schraube, zumindest über den Bereich des elektrisch leitfähi gen Schichtmaterials des Brennstoffzellenstapels zur Vermeidung von Kurz schlüssen mit einer geeigneten Isolierung, insbesondere Isolierlack überzogen ist.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaft der Schraube mindestens auf den Kerndurchmesser des Gewindes zurückgenommen ist und eine oder mehrerer Querbohrungen im Bereich des Schichtmaterials dort angebracht sind.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Schraube [Fig. 5 (1)] mit einer oder mit mehreren Querbohrungen in Ver bindung mit einer Längsnut am Schaft im Bereich des Schichtmaterials ge staltet ist.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Schraube [Fig. 6 (1)] mit einer oder mit mehreren Querbohrungen in Ver bindung mit einer Fläche entlang des Schafts über den Bereich des Schicht materials gestaltet ist.