DE3779615T2

DE3779615T2 - Brennstoffzellenstapel mit enddruckplatten.

Info

Publication number: DE3779615T2
Application number: DE8787119149T
Authority: DE
Inventors: Tyler A Briggs
Original assignee: International Fuel Cells Corp
Current assignee: UTC Power Corp
Priority date: 1986-12-24
Filing date: 1987-12-23
Publication date: 1993-01-28
Anticipated expiration: 2007-12-24
Also published as: ES2033293T3; EP0279072A1; DE3779615D1; CA1290009C; JPS63232276A; US4728585A; JPH0752650B2; EP0279072B1

Description

Technisches Gebiet

Diese Erfindung betrifft einen vereinfachten, kompakteren Brennstoffzellenstapel mit einer verbesserten Reaktionsmittel-Sammelleitungsabdichtung. Insbesondere werden die Sammelleitungsdichtungen unmittelbar an die End-Stahldruckplatten auf dem Stapel angesetzt und widerstehen einem Außer-Sitz- Geraten infolge relativer thermischer Ausdehnung der Komponenten des Stapels.

Stand der Technik

Die relativ größeren Brennstoffzellenstapel, beispielsweise wie in dem US-Patent Nr. 4,345,009 von Fahle et al, verwenden obere und untere Endkonstruktionen, die so konstruiert sind, daß sie eine mögliche unterschiedliche thermische Ausdehnung von Stapelbestandteilen während der Hochtemperatur- Betriebsbedingungen, die der Stapel bewirkt, kompensieren. Der Brennstoffzellenstapel, wie sein Name impliziert, ist nur ein Stapel sich wiederholender Brennstoffzellen mit verteilt eingefügten Kühlbestandteilen. Die Zellen und Kühlbereiche bestehen aus plattenähnlichen Elementen, die bei den größeren kommerziellen Stromerzeugungsanlagen aus Kohlenstoff und karbonisiertem Material gebildet sind. Somit besteht der Funktionsbereich oder der die Reaktion unterhaltende Bereich des Stapels von der ersten Zelle bis zur letzten Zelle im wesentlichen aus Kohlenstoff. Die größeren kommerziellen Stapel weisen außerdem größere Reaktionsmittel-Sammelleitungen auf, die an den Seiten des die Reaktion unterhaltenden Bereichs des Stapels befestigt sind und die die gasförmigen Reaktionsmittel den Zellen im Stapel zuführen. Diese Sammelleitungen bestehen aus Metall und sind mit Dichtflanschen versehen, die den Kohlenstoff-Bestandteilen des Stapels zugewandt angeordnet sind. Diese Dichtflansche weisen durch Klebung daran befestigte Dichtungen aus Gore-Tex , einer fibrösen Polytetrafluorethylen-Zusammensetzung, auf. Die Dichtungen liegen beim Stand der Technik an den Kohlenstoff- Bestandteilen des Stapels an und werden dagegengepreßt durch Elemente wie Bänder, Bügel, Verbindungsstangen oder dergleichen. Es wird einzusehen sein, daß die oberen und unteren Dichtflansche der Sammelleitungen jeweils nach oben und unten hin versetzt gegenüber dem obersten und untersten Zellenbestandteil im Stapel sind, um korrekte obere und untere Sammelleitungsabdichtung und eine ausreichende Reaktionsmittelströmung zu der obersten und untersten Zelle im Stapel sicherzustellen. Um diese Aufgabe zu erfüllen, weisen die entsprechend dem Stand der Technik ausgebildeten Stapel dicke Graphit-Endplatten auf, die oberhalb und unterhalb des obersten bzw. untersten Zellenbestandteils angeordnet sind. Die obere und die untere Sammelleitungsflanschabdichtung liegt an der oberen bzw. unteren Graphit-Endplatte an. Der Grund dafür, daß die dicken Graphit-Endplatten verwendet werden für eine der oberen Sammelleitungsflanschabdichtung und der unteren Sammelleitungsflanschabdichtung zugewandte Anordnung ist der, daß eine Leckage ausgehend von den Sammelleitungen entlang der Flansche infolge von Unterschieden in der thermischen Ausdehnung der Stapelbestandteile eliminiert wird. Da die Zellenbestandteile und die Graphit-Endplatten beide aus demselben Material hergestellt sind, sind ihre thermischen Ausdehnungseigenschaften dieselben, und daher wird es keine Unterbrechung der Sammelleitungsabdichtung geben, wo die Abdichtung die Stösse zwischen den Zellenbestandteilsplatten und den Endplatten kreuzt.

Darstellung der Erfindung

Diese Erfindung betrifft einen verbesserten, vereinfachten Brennstoffzellenstapel von im allgemeinen der Größe einer kommerziellen Stromerzeugungsanlage, bei dem die dicken Graphit-Endplatten, die Stromkollektorplatten und die überhängenden Stahldruckplatten vom Stapel eliminiert sind. In dem erfindungsgemäßen Stapel sind die dicken Graphit- Endplatten durch Stahldruckplatten ersetzt, die verkleinert sind auf dieselbe Größe wie die Graphit-Endplatten, die sie ersetzen. Die Stahldruckplatten sind benachbart zu den Zellenplattenbestandteilen angeordnet, und bei Umgebungstemperaturen sind die Druckplatten von gleicher Ausdehnung im Querschnitt mit dem Rest des Stapels. Zwischen den Stahldruckplatten und den Zellenbestandteilsplatten aus Graphit sind dünne, poröse, mit PTFE imprägnierte Graphitplatten angeordnet, die eine Gasabdichtung zwischen den Graphitplatten und den Stahlplatten schaffen, jedoch den Durchtritt von Strom von den Graphitplatten in die Stahlplatten nicht hemmen. Das PTFE in diesen dünnen Platten ist tatsächlich in interstitielle Zwischenräume in den porösen Graphitplatten hineingepreßt an jedem Ende des Stapels. Die poröse Graphitplatte schafft ein anpassungsfähiges Element zwischen benachbarten Bestandteilen aus Stahl und aus Graphit. Die Gore- Tex -Dichtungen, die die Ränder der Reaktionsmittelsammelleitungen abdichten, sind auf beiden Flächen mit einem Fluorkohlenstoff-Kleber beschichtet. Die adhäsive Beschichtung auf der Sammelleitungsflanschseite dient zum Festhalten der Dichtungen an den Sammelleitungsflanschen. Die adhäsive Beschichtung auf der Plattenseite der Dichtungen dient jedoch einem zusätzlichen Zweck. Da die Stahlplatte und die Graphitplatte aneinander anliegen und diese Materialien unterschiedliche thermische Ausdehnungseigenschaften besitzen, tritt eine seitliche Stufe zwischen den Staplplattenseitenkanten und den benachbarten Graphitplattenseitenkanten auf, wenn die Temperatur des Stapels während des Betriebs ansteigt. Die Stufe ist nicht vorhanden, wenn der Stapel zusammengebaut wird oder heruntergefahren ist, da die Platten in gleicher Größe hergestellt sind. Diese Stufe oder Stufen treten infolge der Tatsache auf, daß in erwärmtem Zustand Stahl in größerem Ausmaß expandiert als Graphit. Die Klebeschicht zwischen der Dichtung und den Stapelplatten zwingt die geschmeidige Dichtung, sich diesen Stufen anzupassen, da die Haftkräfte sehr viel größer sind als die für die Veränderung der Dichtungsdicke erforderlichen Kräfte, und erhält die Abdichtung während solcher Perioden thermischer Ausdehnung aufrecht. Der Strom kann direkt von der oberen und der unteren Oberfläche der Stahldruckplatten abgegriffen werden. Halter sind an den Ecken der Druckplatten befestigt und erstrecken sich hiervon nach außen, um Befestigungsflächen für die Verbindungsstangen zu schaffen, die den Stapel zusammenpressen. Die Halter sind mit Isolierhülsen versehen, die die Verbindungsstangen elektrisch von dem Rest der stromführenden Stapelbestandteile isolieren. Diese Anordnung schafft einen zusätzlichen Vorteil dadurch, daß sie Zugang zu der oberen Seite und der unteren Seite der Sammelleitungen ermöglicht, was andererseits das Anordnen von Reaktionsmittelöffnungen an diesen Flächen erlaubt. Die Möglichkeit, Zugang zu den Reaktionsmittelsammelleitungen durch ihre obere Seite und untere Seite herzustellen, führt zu einer besseren Reaktionsmittelverteilung in den Sammelleitungen.
Es ist daher eine Aufgabe dieser Erfindung, einen Brennstoffzellenstapelaufbau zu schaffen, der weniger kostenaufwendig und weniger kompliziert ist.
Es ist eine weitere Aufgabe dieser Erfindung, einen Stapelaufbau der beschriebenen Art zu schaffen, bei dem Stahldruckplatten unmittelbar an den endnächsten Zellenbestandteilsplatten aus Graphit auf dem Stapel anliegen.
Es ist eine weitere Aufgabe dieser Erfindung, einen Stapelaufbau der beschriebenen Art zu schaffen, bei dem eine gasdichte Verbindung zwischen den Stahlplatten und den Graphitplatten während des Betriebs des Stapels trotz unterschiedlicher thermischer Ausdehnungseigenschaften des Stahls und des Graphits aufrechterhalten wird.
Es ist darüber hinaus eine Aufgabe dieser Erfindung, einen Stapelaufbau der beschriebenen Art zu schaffen, bei dem Gasabdichtungen zwischen der Sammelleitung und dem Stapel trotz der unterschiedlichen thermischen Ausdehnungseigenschaften des Stahls und des Graphits aufrechterhalten werden.
Diese und andere Aufgaben und Vorteile dieser Erfindung werden leichter verständlich für den Fachmann aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnungen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist eine Draufsicht eines Brennstoffzellenstapels, ausgebildet entsprechend dieser Erfindung;
Fig. 2 ist eine Teilschnittansicht längs dem Schnittlinienverlauf 2-2 in Fig. 1;
Fig. 3 ist eine auseinandergezogene Teilschnittansicht der den Stoß zwischen den Stahldruckplatten und den endnächsten Graphitzellenplatten im Stapel bildenden Bestandteile;
Fig. 4 ist eine vergrößerte Teilschnittansicht mit der Sammelleitungsdichtung und des horizontalen Stosses zwischen der Stahldruckplatte und der endnächsten Graphitzellenplatte im Stapel ziemlich bei Umgebungstemperaturen; und
Fig. 5 ist eine Ansicht ähnlich Fig. 4, jedoch mit Darstellung der Änderung des Stosses, herrührend aus einem unterschiedlichen thermischen Kriechen, und unter Darstellung, wie die Dichtigkeit der Dichtung trotz der Stoßänderung aufrechterhalten wird.

Beste Ausführungsform der Erfindung

Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ist in Fig. 1 das obere Ende eines Brennstoffzellenstapels, allgemein mit der Nummer 2 bezeichnet, dargestellt, der den Endaufbau und die Sammelleitungsabdichtungen gemäß dieser Erfindung aufweist. Der Stapel 2 weist eine obere Stahldruckplatte 4 auf, die an jeder Ecke an ihre obere Fläche angeschraubte Halter 6 hat. Die Halter 6 sind Verbindungsstangen- Halter, wie nachfolgend näher erläutert wird. Ein Lastkabel 8 ist auf der oberen Fläche der Platte 4 zum Fortleiten von durch den Stapel 2 erzeugter Elektrizität befestigt. Reaktionsmittel-Sammelleitungen 10 und 12 sind an benachbarten Seitenflächen des Stapels 12 angebracht, wobei eine der Sammelleitungen eine Oxidationsmittel-Sammelleitung und die andere Sammelleitung eine Brennstoff-Sammelleitung ist. Es versteht sich, daß die Sammelleitungen 10 und 12 die Strömung der Reaktionsmittel-Gase zum Stapel 2 hin und von dem Stapel 2 weg führen.
Unter Bezugnahme auf Fig. 2 wird man feststellen, daß die Stahldruckplatte 4 unmittelbar auf den Zellenbestandteilsplatten ruht, die gemeinschaftlich durch die Nummer 14 bezeichnet sind. Die Zellenbestandteilsplatten 14 sind relativ dünne Graphitplatten, in denen die elektrochemische Reaktion des Stapels stattfindet. Die Stapelbestandteile sind untereinander mittels Verbindungsstangen 16 verbunden, die durch Öffnungen in den Haltern 6 hindurchgehen und die durch Muttern 18 befestigt sind. Man erkennt, daß die Halteröffnungen mit Isolierhülsen versehen sind, durch die die Stangen 16 führen, und die obere Flansche aufweisen, gegen die die Muttern 18 verspannt sind. Auf diese Art sind die Verbindungsstangen 16 elektrisch vom Stapel isoliert. Die Sammelleitung 10 ist ein rechteckiger Bestandteil, der schalenförmig ist und Seitenwände 20 und umlaufende Dichtungsflansche 22 mit nach außen abgebogenen freien Rändern 24 aufweist. Eine Dichtung 26 ist in Sandwich-Anordnung zwischen dem Dichtungsflansch 22 und den Zellenbestandsteilsplatten 14 und der Druckplatte 4 angeordnet, um das Innere der Sammelleitung 10 von der Umgebung abzudichten. Die Dichtungen 26 sind vorzugsweise aus einer Polytetrafluorethylen-Zusammensetzung hergestellt, vertrieben durch W. L. Gore and Associates, Elktron, Maryland, unter dem Warenzeichen Gore-Tex . Dieses Material ist in den US-Patenten Nr. 3,953,566 und 4,187,390 beschrieben. Es wird darauf hingewiesen, daß die Druckplatte 4 im Querschnitt im wesentlichen übereinstimmend mit den Zellenbestandteilsplatten 14 hergestellt ist.
Unter Bezugnahme auf Fig. 3 ist der Aufbau des horizontalen Grenzflächen-Stosses zwischen der Druckplatte 4 und der obersten Zellenbestandteilsplatte 15 aus Graphit dargestellt. Die Platte 15 ist hergestellt aus einem porösen Graphitmaterial, und beim Zusammenbau wird ein dünnes Blatt aus Fluorkohlenstoff-Kunststoff oder -Gummi oben auf der Platte 15 angeordnet. Die Stahlplatte 4 wird dann über dem Blatt 5 angeordnet. Die Dicke des Blattes 5 liegt in der Größenordnung von etwa 0,3 mm (0,010 inch), und nachdem die Platte 4 sich an Ort und Stelle befindet, führt vertikales Zusammendrücken der Stapelbestandteile während der Erwärmung dazu, daß das thermisch erweichte Blatt 5 nach unten in die interstitiellen Zwischenräume der Platte 15 fließt. Das Blatt 5 dichtet somit den Stoß zwischen der Platte 15 und der Druckplatte 4 ab, ohne den Elektronenfluß zwischen den Platten 15 und 4 zu stören.
Bezugnehmend auf die Fig. 4 und 5 ist die Art und Weise dargestellt, in der die vertikalen, seitlichen Sammelleitungsabdichtungen an dem horizontalen Stoß zwischen den Platten 15 und 4 während des Betriebs des Stapels aufrechterhalten werden. Die PTFE-Dichtung 26 weist eine innere Klebeschicht 28 auf und eine äußere Klebeschicht 30, die darauf aufgetragen sind. Die Kleber sind Fluorkohlenstoff- Kleber, wobei die innere Schicht 28 eine Dicke im Bereich von etwa 0,127 mm bis etwa 0,254 mm (etwa 0,005 bis etwa 0,010 inch) aufweist und die äußere Schicht 30 eine Dicke von etwa 0,127 mm bis etwa 0,254 mm (etwa 0,005 bis etwa 0,010 inch). In Fig. 4 ist der Stapel bei Umgebungs- oder nahezu Umgebungstemperaturen dargestellt. Wie erwähnt, ist die Platte 4 mit einer Querschnittskonfiguration ausgebildet, die mit derjenigen der Bestandteilsplatten 14 übereinstimmt. Infolgedessen sind im zusammengebauten Zustand die benachbarten Kanten C und D der Platten 4 und 15 coplanar, so daß die Dichtung 26 die Sammelleitung abdichten kann, wo sie den Stoß zwischen den Platten 4 und 15 kreuzt. Wenn der Stapel 2 sich im Betrieb zur Erzeugung von Elektrizität befindet, arbeitet er bei Temperaturen deutlich oberhalb der Umgebungstemperatur, beispielsweise Temperaturen im Bereich von etwa 177ºC bis etwa 204ºC (etwa 350ºF bis etwa 400ºF) für ausgedehnte Zeiträume bis hin zu 40.000 Stunden. Da die Platte 4 aus Stahl besteht, expandiert sie stärker als die Platte 15, die aus Graphit besteht, wenn sie den erhöhten Betriebstemperaturen ausgesetzt ist. Diese ungleiche Ausdehnung führt dazu, daß die Kante C sich aus der Flucht mit der Kante D bewegt, so daß sich eine kleine Stufe zwischen den Platten 4 und 15, wie in Fig. 5 dargestellt, ausbildet. Wenn dies auftritt, veranlaßt die innere Klebeschicht 28 die geschmeidige Dichtung dazu, sich zu dehnen und die Stufe an den Kanten C und D auszufüllen, so daß die Abdichtung zwischen der Sammelleitung 10 oder 12 und den Stapelplatten nicht unterbrochen wird. Da die Sammelleitungen 10 und 12 die Seiten der Druckplatte 4 überlagern, ist ein schützender Überzug eines Fluorkohlenstoff- Harzes auf den vertikalen Seiten der Platte 4 appliziert, um deren Korrosion durch Säure, die in den Sammelleitungen 10 und l2 kondensieren kann, zu verhindern.
Man erkennt, daß die erfindungsgemäße Konstruktion des Stapelendes weniger komplex und weniger kostenaufwendig ist als die Endkonstruktion entsprechend dem Stand der Technik, da die dicke Graphit-Endplatte von beiden Enden des Stapels eliminiert ist. Die Eliminierung der überhängenden Druckplatte ermöglicht Zugang zu der oberen Endfläche und der unteren Endfläche der Reaktionsmittel-Sammelleitungen, so daß Reaktionsmittel-Leitungen in die Sammelleitungen durch die obere Endwandung und die untere Endwandung eingeführt werden können. Dies ermöglicht eine wirksamere und gleichmäßigere Verteilung von Reaktionsmittel-Gasen zu den Zellen im Stapel.

Claims

1. Brennstoffzellenstapel (2) aufweisend:

a) eine Mehrzahl dünner Kohlenstoff-Brennstoffzellen- Bestandteilsplatten (14), die zur Schaffung eines Reaktionsbereichs des Stapels aufeinander gestapelt sind;

b) eine Stahldruckplatte (4), die auf einer obersten der Kohlenstoffplatten (14) angeordnet ist, wobei die Stahldruckplatte bei Umgebungstemperaturen seitlich von gleicher Ausdehnung ist wie die Kohlenstoffplatten;

c) mindestens eine Reaktionsmittel-Sammelleitung (10; 12), der an einer Seite des Stapels befestigt ist, wobei die Sammelleitung einen umlaufenden Dichtflansch (22) besitzt, der den Seitenflächen der Kohlenstoffplatten (14) und einer entsprechenden Seitenfläche der Druckplatte (4) zugewandt ist;

d) eine geschmeidige Polymer-Schließdichtung (26), die zwischen dem Dichtflansch (22) der Sammelleitung und benachbarten Seitenflächen der Kohlenstoffplatten (14) und der Druckplatte (4) angeordnet ist, um eine Abdichtung zwischen dem Inneren der Sammelleitung und der Umgebung zu schaffen; und

e) eine Klebstoffschicht (28) in Sandwich-Anordnung zwischen der Dichtung (26) und benachbarten Seitenflächen der Kohlenstoffplatten (14) und der Druckplatte (4) zwecks Haftung der Dichtung an den benachbarten Seitenflächen, wobei die Klebstoffschicht (28) wirksam ist, jede Diskontinuität, die an benachbarten Kanten der Druckplatte (4) und einer obersten (15) der Kohlen- Kohlenstoffplatten (14) auftreten kann wegen der unterschiedlichen thermischen Ausdehnung der Druckplatte und der Kohlenstoffplatten während des Betriebs des Stapels, auszufüllen, wodurch das Innere der Sammelleitung während Perioden erhöhter Stapeltemperaturen beim Betrieb abgedichtet bleibt.

2. Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 1, weiterhin aufweisend Halter (6), die an Ecken der Druckplatte (4) befestigt sind und sich davon nach außen erstrecken zur Aufnahme von Verbindungsstangen (16) zum Zusammendrücken des Stapels.

3. Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 1 oder 2, weiterhin aufweisend ein Blatt (5) aus Fluorkohlenstoff-Gummi oder -Kunststoff, das zwischen der Druckplatte (4) und der obersten (15) der Kohlenstoffplatten (14) angeordnet ist, wobei das Blatt (5) eine Gasdichtung zwischen den Platten bildet, aber den Durchfluß von Strom erlaubt.

4. Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 3, bei dem das Blatt (5) in Leerräume der obersten der Kohlenstoffplatten (14) gepreßt ist.

5. Brennstoffzellenstapel nach einem der Ansprüche 1 bis 4, weiterhin aufweisend ein mit der Druckplatte (4) verbundenes Lastkabel (8) zum Abführen von Strom aus dem Stapel.