DE60224250T2

DE60224250T2 - Brennstoffzellenstapel mit Folienverbindungen und Verbundabstandhaltern

Info

Publication number: DE60224250T2
Application number: DE60224250T
Authority: DE
Inventors: Diane M. Bloomfield England; Sean Michael Churchville Kelly; Subhasish Rochester Mukerjee
Original assignee: Delphi Technologies Inc
Current assignee: Delphi Technologies Inc
Priority date: 2001-10-01
Filing date: 2002-09-09
Publication date: 2008-12-11
Anticipated expiration: 2022-09-10
Also published as: EP1298755A3; US20030064612A1; US20050153190A1; US6821667B2; DE60224250D1; EP1298755A2; EP1298755B1

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft Brennstoffzellen, im Spezielleren Stapel, die eine Vielzahl von einzelnen Zellen umfassen, die durch Verbindungselemente sowohl physikalisch getrennt als auch elektrisch verbunden sind, und insbesondere solche einen Brennstoffzellenstapel, in dem die Verbindungselemente dünne Folien sind und die Abstandhalter Verbundelemente aus Folien sind, die abwechselnd aus einer Superlegierung und einem nachgiebigen Material ausgebildet sind.
Hintergrund der Erfindung
Brennstoffzellen, die durch steuerbares Reagierenlassen von elementarem Wasserstoff und Sauerstoff elektrischen Strom erzeugen, sind gut bekannt. In einer Form solch einer Brennstoffzelle sind eine anodische Schicht und eine kathodische Schicht durch einen durchlässigen Elektrolyten, der aus einem keramischen Festoxid ausgebildet ist, getrennt. Solch eine Brennstoffzelle ist in der Technik als „Festoxid-Brennstoffzelle" (SOFC) bekannt. Entweder reiner Wasserstoff oder ein Reformat strömt entlang der Außenfläche der Anode und diffundiert in die Anode. Sauerstoff, typischerweise aus der Luft, strömt entlang der Außenfläche der Kathode und diffundiert in die Kathode. Jedes O₂-Molekühl wird an der Kathoden/Elektrolyt-Grenzfläche zu zwei O-²-Ionen gespaltet und reduziert. Die Sauerstoffionen diffundieren durch den Elektrolyten und reagieren an der Anoden/Elektrolyt-Grenzfläche mit vier Wasserstoffionen, um zwei Wassermolekühle zu bilden. Die Anode und die Kathode sind extern über eine Last verbunden, um den Kreis zu vervollständigen, wobei vier Elektronen von der Anode zu der Kathode übertragen werden. Wenn der Wasserstoff aus „reformierten" Kohlenwasserstoffen hergeleitet wird, enthält das „Reformat"-Gas CO, das an der Anoden/Elektrolyt-Grenzfläche zu CO₂ umgewandelt wird. Reformiertes Benzin ist ein herkömmlich verwendeter Brennstoff bei Brennstoffzellenanwendungen für Kraftfahrzeuge.
Eine einzelne Zelle ist in der Lage, eine relativ geringe Spannung und Watt-Leistung, typischerweise etwa 0,7 Volt und weniger als etwa 2 Watt pro cm² aktiver Oberfläche, zu erzeugen. In der Praxis ist es daher üblich, eine Vielzahl von Zellen in elektrischer Reihe zusammenzustapeln. Da jede Anode und Kathode einen Freiraum für einen Durchgang von Gas über ihre Oberfläche aufweisen muss, sind die Zellen durch Umfangsabstandhalter getrennt, die entlüftet sind, um eine Strömung von Gas zu den Anoden und Kathoden, wie gewünscht, zuzulassen, die jedoch an ihren axialen Flächen Dichtungen bilden, um einen Gasaustritt aus den Seiten des Stapels zu verhindern. Benachbarte Zellen sind durch „Verbindungs"-Elemente in dem Stapel elektrisch verbunden, wobei die Außenflächen der Anoden und Kathoden mit ihren jeweiligen Verbindungen durch elektrische Kontakte, die innerhalb des Gasströmungsraumes angeordnet sind, typischerweise durch einen Metallschaum oder ein Metallgitter, der/das ohne weiteres gasdurchlässig ist, oder durch leitfähige Filamente elektrisch verbunden sind. Die äußersten oder Endverbindungen des Stapels definieren elektrische Anschlüsse oder „Stromkollektoren", die über eine Last verbunden sind.
Im Stand der Technik sind die Verbindungselemente relativ dicke, ebene Platten, die aus einer Superlegierung oder rostfreiem Stahl ausgebildet sind. Auch sind die Umfangsabstandhalter, die die Gasströmungsräume benachbart zu den Elektroden bilden, typischerweise aus einem Blattmaterial ausgebildet, das eine Dicke aufweist, die derart gewählt ist, dass sich eine gewünschte Höhe des Strömungsraumes ergibt.
Ein Problem, mit dem man bei Brennstoffzellenstapeln nach dem Stand der Technik konfrontiert ist, besteht darin, dass sie relativ sperrig und schwer sind. Es ist höchst wünschenswert, die Höhe und das Gewicht eines Stapels zu reduzieren, ohne dass dies zu Lasten der Leistung geht.
Ein weiteres Problem, mit dem man bei manchen Brennstoffzellenstapeln nach dem Stand der Technik konfrontiert ist, ist die Zerbrechlichkeit der Keramikoxid-Elektrolytelemente. In einigen Brennstoffzellen ist die Anode ein relativ dickes, tragendes Element, das eine dünne Elektrolytschicht und eine dünne Kathodenschicht trägt. Solch eine Brennstoffzelle wird als „anodengestützt" bezeichnet. Die Keramikoxid-Elektrolytelemente, die sich bis zu den Kanten des Stapels in Kontakt mit den Anoden erstrecken, sind typischerweise nicht optisch eben und sind auch recht zerbrechlich. Auch die Anoden können optisch nicht eben sein. Umfangsabstandhalter nach dem Stand der Technik, die monolithisch sind, können sich nicht verdrehen, um Unebenheiten in den Elektrolytelementen und Anoden aufzunehmen, sodass die Abdichtung zwischen den nicht ebenen Flächen schwierig wird. Auch kann auf Grund der nicht ebenen Flächen ein Elektrolytelement während des Zusammenbaus des Stapels zerbrochen werden. In jedem Fall kann ein Schaden des Stapels auftreten. Das Vermeiden dieser Probleme, indem die Elektrolytelemente optisch eben endbearbeitet werden, ist kostenreduzierend.
Es ist ein vordringliches Ziel der vorliegenden Erfindung, einen Brennstoffzellenstapel vorzusehen, der leichter und kleiner als Brennstoffzellen nach dem Stand der Technik mit derselben elektrischen Leistung ist.
Es ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Abstandhaltermittel für einen Brennstoffzellenstapel vorzusehen, der sich abdichtend an die Unebenheiten in den Elektrolytelementen anpassen kann und keine Drehspannung in solchen Elementen induzieren wird.
Zusammenfassung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung ist in ihren verschiedenen Aspekten wie in den beiliegenden Ansprüchen dargelegt.
Kurz gesagt, sind die Verbindungen und Umfangsabstandhalter für einen Brennstoffzellenstapel als flexible Elemente vorgesehen, die sich an Unebenheiten in den Elementen eines Stapels anpassen können. Die Verbindungen sind Folienelemente mit einer Dicke von etwa 0,005 Zoll, die aus einer Superlegierung wie z. B. Hastalloy oder Haynes 230 oder rostfreiem Stahl ausgebildet sind. Die dicken Umfangsabstandhalter umfassen eine Vielzahl von dünnen Abstandhalterelementen. Jedes Abstandhalterelement ist ein Verbund aus einer Superlegierung und einem nachgiebigen, weichen Material, Kupfer, Nickel oder Mica. Die Abstandhalterelemente können aneinander vorbeigleiten; somit können die Umfangsabstandhalter physikalisch dick sein, um Gasströmungsräume innerhalb des Stapels auszubilden, während sie auch torsionselastisch sind.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Diese und weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der nachfolgenden Beschreibung von bestimmten beispielhaften Ausführungsformen der Erfindung in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen besser verständlich und ersichtlich.
1 ist eine schematische Querschnittsansicht eines Zweizellenstapels aus Festoxid-Brennstoffzellen nach dem Stand der Technik;
2 ist eine isometrische Darstellung eines Brennstoffzellenstapels mit fünf Zellen;
3 ist eine isometrische Darstellung wie die in 2 gezeigte, die den Zusatz von Stromabnehmern, Endplatten und Schrauben, um einen vollständigen einsatzbereiten Brennstoffzellenstapel (Explosionsdarstellung) auszubilden, zeigt; und
4 ist eine schematische Querschnittsansicht eines Zweizellenstapels aus Festoxid-Brennstoffzellen gemäß der Erfindung, die die Verwendung eines Verbundfolienabstandhalters und eines Folienverbindungselements zur Bereitstellung der Reformat- und Luftströmungsdurchgänge über die Anoden bzw. Kathoden hinweg zeigt.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
Unter Bezugnahme auf 1 umfasst ein Brennstoffzellenstapel 10 nach dem Stand der Technik Elemente, die im Stand der Technik für Festoxid-Brennstoffzellenstapel mit mehr als einer Brennstoffzelle normal sind. Das gezeigte Beispiel umfasst zwei Brennstoffzellen A und B, die in Reihe verbunden sind, und entspricht einer Klasse von solchen Brennstoffzellen, die insofern als „anodengestützt" bezeichnet werden, als die Anode ein tragendes Element ist, das den/die darauf abgeschiedene/n Elektrolyten und Kathode aufweist. Die Elementdicken sind nicht maßstabgetreu gezeigt.
Jede Brennstoffzelle umfasst ein Elektrolytelement 14, das ein anodisches Element 16 und ein kathodisches Element 18 trennt. Jede Anode und Kathode steht in direktem chemischen Kontakt mit ihrer entsprechenden Fläche des Elektrolyten und jede Anode und Kathode weist eine entsprechende freie Fläche 20, 22 auf, die eine Wand eines entsprechenden Durchgangs 24, 26 für eine Strömung von Gas über die Fläche hinweg bildet. Die Anode 16 der Brennstoffzelle B ist einer Verbindung 28 zugewandt und mit dieser über Filamente 30, die sich über den Durchgang 26 hinweg erstrecken, diesen jedoch nicht blockieren, elektrisch verbunden. In ähnlicher Weise ist die Kathode 18 der Brennstoffzelle A einer Verbindung 28 zugewandt und mit diesem über Filamente 30, die sich über den Durchgang 24 hinweg erstrecken, diesen jedoch nicht blockieren, elektrisch verbunden. In ähnlicher Weise ist die Kathode 18 der Brennstoffzelle B einem kathodischen Stromabnehmer 32 zugewandt und mit diesem über Filamente 30, die sich über den Durchgang 26 hinweg erstrecken, diesen jedoch nicht blockieren, elektrisch verbunden, und die Anode 16 der Brennstoffzelle A ist einem anodischen Stromabnehmer 34 zugewandt und mit diesem über Filamente 30, die sich über den Durchgang 24 hinweg erstrecken, diesen jedoch nicht blockieren, elektrisch verbunden. Die Stromabnehmer 32, 34 können über eine Last 35 verbunden sein, damit der Brennstoffzellenstapel 10 eine elektrische Arbeit durchführt. Die Durchgänge 24 sind durch Anodenabstandhalter 36 zwischen dem Umfang der Anode 16 und entweder der Verbindung 28 oder dem anodischen Stromabnehmer 34 gebildet. Die Durchgänge 26 sind durch Kathodenabstandhalter 38 zwischen dem Umfang des Elektrolyten 14 und entweder der Verbindung 28 oder dem kathodischen Stromabnehmer 32 gebildet.
Unter Bezugnahme auf 2 und 3 kann eine Vielzahl von einzelnen Brennstoffzellen zusammengestapelt sein, um einen Stapel 12 auszubilden, der dem in 1 gezeigten schematischen Stapel 10 ähnlich ist. Der Stapel 12 umfasst fünf derartige Zellen. Um eine vollständige funktionierende Brennstoffzellenanordnung 13 (3) auszubilden, wird der Stapel 12 zwischen einem anodischen Stromabnehmer 34 und einem kathodischen Stromabnehmer 32 angeordnet, die wiederum zwischen einer oberen Platte 15 und einer Gasverteilungsbasis 17 angeordnet sind, wobei die gesamte Anordnung durch Schrauben 19, die sich durch Bohrungen in der oberen Platte 15 hindurch erstrecken und schraubbar in Bohrungen in der Basis 17 aufgenommen sind, abdichtend miteinander verbunden wird.
Vorzugsweise sind die Verbindung und die Stromabnehmer aus einer Legierung, typischerweise einer „Superlegierung", ausgebildet, die bei den erhöhten Temperaturen, die für einen Brennstoffzellenbetrieb erforderlich sind, allgemein etwa 750°C oder mehr, chemisch und maßstabil ist, z. B. Hastalloy, Haynes 230 oder rostfreier Stahl. Der Elektrolyt ist aus einem Keramikoxid ausgebildet und umfasst vorzugsweise mit Yttriumoxid (Yttria) stabilisiertes Zirconium, das im Stand der Technik als YSZ bekannt ist. Die Kathode ist z. B. aus einem porösen Lanthan-Strontium-Manganat oder Lanthan-Strontium-Eisen ausgebildet und die Anode ist z. B. aus einer Mischung aus Nickel und YSZ ausgebildet.
Im Betrieb (1) wird Reformatgas 21 an Durchgänge 24 an einer ersten Kante 25 der anodenfreien Fläche 20 geliefert, strömt parallel zu der Fläche der Anode über die Anode hinweg in einer ersten Richtung und wird an einer zweiten und entgegengesetzten Kante 29 der Anodenfläche 20 entfernt. Wasserstoff und CO diffundieren in die Anode zu der Grenzfläche mit dem Elektrolyten. Sauerstoff 31, typischerweise in Luft, wird an Durchgänge 26 an einer ersten Kante 39 der kathodenfreien Fläche 22 geliefert, strömt parallel zu der Fläche der Kathode in einer zweiten Richtung orthogonal zu der ersten Richtung des Reformats (die zweite Richtung ist zum besseren Verständnis in 1 weggelassen) und wird an einer zweiten und entgegengesetzten Kante 43 der Kathodenfläche 22 entfernt. Molekulares Sauerstoffgas (O₂) diffundiert in die Kathode und wird durch Aufnahme von vier Elektronen von der Kathode und dem kathodischen Stromabnehmer 32 (Zelle B) der Verbindung 28 (Zelle A) über die Filamente 30 katalytisch zu O-²-Ionen reduziert. Der Elektrolyt ist durchlässig für die O-²-Ionen, die über ein elektrisches Feld durch die Elektrolyten hindurch gelangen und mit vier Wasserstoffatomen reagieren, um zwei Wassermoleküle auszubilden und vier Elektronen an die Anode und den anodischen Stromabnehmer 34 (Zelle A) oder die Verbindung 28 (Zelle B) über die Filamente 30 abzugeben. Daher sind die Zellen A und B elektrisch in Reihe zwischen den zwei Stromabnehmern verbunden und die Gesamtspannung und Watt-Leistung zwischen den Stromabnehmern ist die Summe der Spannung und Watt-Leistung der einzelnen Zellen in einem Brennstoffzellenstapel.
4 zeigt einen verbesserten Zweizellenstapel 44 gemäß der Erfindung. Der Stapel 44 ist ähnlich dem in 1 gezeigten Stapel 10 nach dem Stand der Technik, enthält jedoch mehrere Verbesserungen gegenüber dem Stand der Technik.
Erstens ist ein Verbindungselement 28 nach dem Stand der Technik relativ dick, schwer und unelastisch und weist eine typische Dicke von etwa 3,5 mm oder mehr auf. Seine Dicke und sein Gewicht tragen zu dem/der Gesamtgewicht und -größe eines Stapels nach dem Stand der Technik bei und seine Unelastizität trägt zu der Gefahr bei, ein nicht ebenes Elektrolytelement zu zerbrechen oder das Abdichtungsvermögen zwischen Ele menten, wie oben erläutert, zu beeinträchtigen. Das verbesserte Verbindungselement 28a ist aus einer flexiblen Folie mit einer Dicke von weniger als etwa 0,5 mm und vorzugsweise etwa 0,127 mm (0,005 Zoll) ausgebildet. Wie die Verbindung 28 nach dem Stand der Technik ist die Folienverbindung 28a vorzugsweise aus einer Legierung ausgebildet, die bei den erhöhten Temperaturen, die für einen Brennstoffzellenbetrieb erforderlich sind, chemisch und maßstabil ist, z. B. eine Superlegierung wie z. B. Hastalloy, Haynes 230 oder rostfreier Stahl.
Zweitens sind ein Anodenabstandhalter 36 und ein Kathodenabstandhalter 38 nach dem Stand der Technik monolithisch und aus einem Blattmaterial ausgebildet, das eine Dicke aufweist, die derart gewählt ist, dass sich die gewünschte Höhe der Anodendurchgänge 24 und Kathodendurchgänge 26 ergibt. Dadurch, dass sie unelastisch sind, tragen auch die Abstandhalter nach dem Stand der Technik zu der Gefahr bei, ein nicht ebenes Elektrolytelement beim Zusammenbau des Stapels, wie in 3 gezeigt, zu zerbrechen und/oder das Abdichtungsvermögen zwischen den Elementen zu beeinträchtigen. Wie in 4 gezeigt, sind die Abstandhalter 36, 38 nach dem Stand der Technik durch die verbesserten Abstandhalter 36a, 38a der vorliegenden Erfindung ersetzt, die jeweils eine Vielzahl von dünnen Elementen 46 umfassen, die vorzugsweise jeweils etwa 0,127 mm dick sind. Jedes Element 46 ist als ein Verbund ausgebildet, der eine Superlegierung und ein weiches und verformbares Material, Kupfer, Nickel oder Mica umfasst. Vorzugsweise wird eine Folie aus einem dielektrischen weichen Material wie z. B. Mica 48 neben jedem/r der Elektrolytelemente 14 und Anoden 16 angeordnet, um die Folienverbindung 28a vor einem Kurzschluss über die Elektrolytelemente, wie in 4 gezeigt, elektrisch zu isolieren und gegen einen Gasaustritt abzudichten. Phlogopit und Fluor-Phlogopit-Mica sind bei einer Abdichtung gegen die unregelmäßige und poröse Oberfläche des Elektrolyten besonders wirksam.
Die Verwendung mehrerer dünner Abstandhalter erlaubt es, die Höhe der Strömungsräume zu variieren, wie es zwischen verschiedenen Brennstoffzellenstapeln erwünscht sein kann, indem einfach die Anzahl der für jeden Strömungsraum umfassten Abstandhalter geändert wird. Zum Beispiel ist in einer zurzeit bevorzugten Ausführungsform eines Brennstoffzellenstapels der Kathodenströmungsraum 26 durch fünf derartige Abstandhalter gebildet und der Anodenströmungsraum 24 ist durch drei derartige Abstandhalter ausgebildet. Ferner lässt die Auswahl von Abstandhaltermaterialien gemäß ihren Wärmeausdehnungseigenschaften zu, die Formänderungsbeständigkeit und Wärmeausdehnung eines Stapels festzulegen, und die Wärmeausdehnung der Abstandhalter kann eine Dichtkraft für die Dichtungen gegen die Elektrolytelemente und die Verbindung und die Stromabnehmer bereitstellen. Des Weiteren ergibt das Ausbilden dicker Abstandhalter durch Zusammensetzen einer Vielzahl von dünnen Verbundfolienabstandhaltern, sodass die Folien wie erforderlich aneinander vorbeigleiten können, einen dicken Abstandhalter, der dennoch ausreichend flexibel ist, um sich an ein nicht ebenes Elektrolytelement anzupassen, ohne es zu zerbrechen.

Claims

Umfangsabstandhalter zur Verwendung in einem Brennstoffzellenstapel mit einer Vielzahl von Verbundabstandhalterelementen, wobei zumindest eines der Abstandhalterelemente aus einer Superlegierung ausgebildet ist und zumindest eines der Abstandhalterelemente aus einem weichen Material ausgebildet ist, wobei das weiche Material aus der Gruppe gewählt ist, die Kupfer, Nickel und Mica umfasst.
Umfangsabstandhalter nach Anspruch 1, wobei das weiche Material Mica ist.
Umfangsabstandhalter nach Anspruch 1, der zur Beabstandung eines Elektrolytelementes von einem Verbindungselement ausgebildet ist, wobei der Umfangsabstandhalter zwischen zwei und zehn Verbundabstandhalterelemente aufweist.
Umfangsabstandhalter nach Anspruch 2, wobei zumindest eines der äußersten Verbundabstandhalterelemente aus Mica zur Dichtungs- und Isolierungsanordnung gegen ein Elektrolytelement in dem Brennstoffzellenstapel ausgebildet ist.
Brennstoffzellenstapel zur Erzeugung eines elektrischen Stromes, mit: a) einer ersten Anode und einer ersten Kathode in einer ersten Brennstoffzelle; b) einer zweiten Anode und einer zweiten Kathode in einer zweiten Brennstoffzelle benachbart der ersten Brennstoffzelle in dem Stapel; und c) einem Folienverbindungselement, das zwischen der ersten Anode und der zweiten Kathode angeordnet ist, um die erste und zweite Brennstoffzelle elektrisch zu verbinden; d) einem Elektrolytelement, das in der zweiten Brennstoffzelle benachbart der zweiten Anode angeordnet ist; und e) zumindest einem Umfangsabstandhalter nach einem der Ansprüche 1 bis 4.
Kraftfahrzeug mit einem Brennstoffzellenstapel zur Erzeugung eines elektrischen Stromes, wobei der Brennstoffzellenstapel ein Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 5 ist.
Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 5, wobei das Verbindungselement zur elektrischen Verbindung einer Anode und einer Kathode in benachbarten Brennstoffzellen in dem Brennstoffzellenstapel aus einer flexiblen Folie ausgebildet ist.
Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 7, wobei die Dicke des flexiblen Folienelements kleiner als 0,5 mm ist.
Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 8, wobei die Dicke des Elementes 0,127 mm beträgt.
Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 7, wobei das Element aus einem Material ausgebildet ist, das aus der Gruppe gewählt ist, die umfasst: eine Superlegierung, Hastalloy, Haines 230 und rostfreien Stahl.