DE19917722A1 - Vorrichtung zur Pressung und Medienversorgung eines Festelektrolyt-Brennstoffzellenstapels - Google Patents
Vorrichtung zur Pressung und Medienversorgung eines Festelektrolyt-BrennstoffzellenstapelsInfo
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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.
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 (12)
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.
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