WO2002027834A2 - Brennstoffzellenmodul - Google Patents

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WO2002027834A2
WO2002027834A2 PCT/DE2001/003531 DE0103531W WO0227834A2 WO 2002027834 A2 WO2002027834 A2 WO 2002027834A2 DE 0103531 W DE0103531 W DE 0103531W WO 0227834 A2 WO0227834 A2 WO 0227834A2
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fuel cell
fuel
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cell module
recess
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Albert Hammerschmidt
Herbert Hartnack
Arno Mattejat
Igor Mehltretter
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the invention relates to a fuel cell module with a plurality of fuel cell stacks, each of which is formed by a number of fuel cells connected in series.
  • Fuel cells can be used for the environmentally friendly generation of electricity.
  • a process takes place in a fuel cell that essentially represents a reversal of electrolysis.
  • a hydrogen-containing fuel is fed to an anode and an oxygen-containing auxiliary to a cathode.
  • the anode and cathode are electrically separated from one another by an electrolyte layer, the electrolyte layer permitting ion exchange between the fuel and the oxygen, but otherwise ensuring a gas-tight separation of the fuel and auxiliary material.
  • hydrogen contained in the fuel can react with the oxygen to form water, electrons accumulating on the fuel-side electrode or anode and electrons being taken up on the auxiliary-side electrode or cathode.
  • the electrolyte layer which can be designed as a ceramic solid electrolyte in a high-temperature fuel cell or as a polymer membrane in a low-temperature fuel cell, thus has the function of separating the reactants from one another, converting the charge in the form of ions and preventing an electron short circuit ,
  • such a fuel cell Due to the electrochemical potentials of the substances normally used, such a fuel cell can an electrode voltage of approximately 0.6 to 1.0 V is built up under normal operating conditions and maintained during operation.
  • a plurality of fuel cells in the manner of a fuel cell stack are usually electrically connected in series such that the sum of the electrode voltages supplied by the fuel cells corresponds to or exceeds the required total voltage.
  • the number of fuel cells in such a fuel cell stack can be, for example, 50 or more.
  • Each of the fuel cells combined to form such a fuel cell stack is in the region of theirs
  • Electrodes are assigned a volume range to which the media required in each case, such as the fuel or the auxiliary, can be supplied.
  • This volume area can be delimited, for example, by the interfaces to be attributed to the actual fuel cell, the interfaces of two adjacent fuel cells being sealed off from the outside world via a seal arranged between them to form a closed volume area.
  • each fuel cell can be assigned a number of gas spaces, cooling units and pressure cushions, via which the operating materials can be supplied and suitable operating parameters, in particular a suitable operating temperature, can be set.
  • buckling is to be understood in particular to mean a deflection of a central region of the elongate structure in a direction perpendicular to the longitudinal axis. This tendency to buckle depends largely on the length of the respective structure.
  • Such a buckling occurring in a fuel cell stack would, however, seriously impair or completely prevent the operability of the fuel cell stack as a result of a shift of some of the fuel cells from their target position.
  • the number of fuel cells which can be interconnected to form a fuel cell stack is thus only limited.
  • Fuel cell system for applications with comparative high design voltages the interconnection of a comparatively large number of fuel cells, for example 70 or more, may be provided.
  • the possibility of combining any number of fuel cells into one or more fuel cell stacks thus represents an important contribution to the flexibility in the design of a fuel cell module. It may be desirable, in particular for reasons of flexibility, that the fuel cells are suitable for a plurality of fuel cell stacks in one light summarize transportable fuel cell module.
  • the invention is therefore based on the object of specifying a fuel cell module of the type mentioned above, in which even when a comparatively large number of fuel cells are combined to form a plurality of fuel cell stacks, the risk of the fuel cell stacks buckling is reliably avoided.
  • each fuel cell stack at least some of its fuel cells each have an edge element with a number of recesses in their outer region, a number of connecting elements respectively engaging both in a recess in a first and in a recess in a second fuel cell stack ,
  • the invention is based on the consideration that the undesirable tendency of the fuel cell stacks to buckle, on the one hand, from its length and thus from the number of the fuel constituting the respective fuel cell stack. cells depends.
  • the tendency to buckle is also dependent on the characteristic of the mechanical contact between two adjacent fuel cells and in particular on the geometric dimensions in cross section.
  • the ratio of the linear expansion of the respective fuel cell stack to the base area to be taken into account is of particular importance, a comparatively larger base area ensuring comparatively higher stability against buckling.
  • the base area to be taken into account for the tendency to buckle can be kept particularly large by suitably mechanically coupling adjacent fuel cell stacks to one another.
  • the connection of adjacent fuel cell stacks is provided in the manner of a toothing, which acts in the manner of a cross strut.
  • a number of the fuel cells provided with recesses are each adjacent to at least one fuel cell which is not provided with recesses in the corresponding area.
  • the connecting element engaging in the respective recess is adjacent to a surface element of the actual fuel cell arranged there; the spatial fixation of the fuel cells in the longitudinal direction thus also fixes the connecting elements arranged between two fuel cells.
  • each fuel cell in each case comprises an active area that extends over a large area, which is surrounded in cross section by a frame area which comprises the edge element or the edge elements with the recesses provided in each case.
  • the active area is to be understood as the area in which the actual conversion of the hydrogen with the oxygen to water takes place.
  • the active area is thus the area in which the electrolyte, which in particular has a large area, is arranged, surrounded by electrodes which are also extensive in area.
  • the frame area surrounding the active area can be provided in particular for mechanical stabilization, but also for sealing to the outside.
  • the frame area of each fuel cell is expediently designed to supply media in its active area and accordingly comprises a number of channels, for example integrated or incorporated. Furthermore, coolant channels can also be arranged in the frame area.
  • each connecting element advantageously has a first cross-section in which
  • the tongues can be adapted to the respective requirements: if a force-related coupling of the adjacent fuel cell stacks is only necessary with regard to pressure, the tongues can be designed, for example, as shaped parts which are essentially rectangular in shape and molded onto a carrier body of the respective connecting element , For energy-related coupling of the adjacent fuel cell stack to pressure and to train, however, the tabs have 'in a further advantageous embodiment of the connecting elements in cross-section in each case one can be brought with the assigned Neten recess in rear grip thickening in the region of its free end on.
  • the connecting elements are advantageously each made of an insulating material, in particular a plastic. This ensures that the elements provided to stabilize the fuel cell stack against buckling are themselves kept potential-free and thus do not contribute to the risk of short-circuits.
  • the advantages achieved by the invention consist in particular in that the mechanical coupling of two adjacent fuel cell stacks in the manner of a toothing means that when components that are actually mechanically unfavorable, such as the sealing elements in the fuel cell stack, are used, they have a particularly high stability with respect to a side Buckling is guaranteed.
  • the base area of each fuel cell stack to be used to maintain the balance is kept particularly large with particularly simple means in the manner of a cross strut.
  • the operational safety of the fuel cell module is not impaired enables the fuel cell stack to be subjected to axial pressure to ensure or promote the required tightness in the media spaces between the individual fuel cells.
  • FIG. 1 shows a fuel cell module with two fuel cell stacks
  • FIG. 2 shows a detail from a longitudinal section through one of the fuel cell stacks
  • FIG. 3 shows a cross section of two adjacent fuel cell stacks according to a first embodiment
  • Figure 5 shows a detail from a longitudinal section through two adjacent fuel cell stacks.
  • the fuel cell module 1 comprises a first fuel cell stack 2 and one adjacent to it. associated second fuel cell stack 4.
  • Each fuel 'cell stack 2, 4 comprises a number of merely indicated in Figure 1 the fuel cell 6, which are electrically connected in series.
  • the structure of the fuel cells 6 forming the fuel cell stacks 2, 4 is shown in detail in FIG. 2. There, essentially three fuel cells 6 are shown in a detail from a longitudinal section through one of the fuel cell stacks 2, 4.
  • each fuel cell 6, in a so-called active area 8, which is only partially shown in FIG. 2, comprises a polymer electrolyte membrane or PEM 10 as the central element as the electrolyte.
  • the PEM 10 is flat and stands on its first side with an anode 12 provided as a first electrode and on its second side with a cathode 14 provided as a second electrode in surface contact. Both the anode 12 and the cathode 14 are covered on their side facing away from the PEM 10 in a manner not shown with a plate made of carbon paper. This is also connected to a sheet metal 16 in the case of the anode 12 and a contact sheet 18 in the case of the cathode 14.
  • the contact plates 16, 18 each have punched contact tongues 20 and 22, respectively. Via the contact tongues 20, the contact plate 16 assigned to a respective anode 12 is in contact with an assigned first plate 24. In an analogous manner, via its contact tongues 22, the contact plate 18 respectively assigned to a cathode 14 is in contact with a second plate 26.
  • the plates 24 , 26 are electrically conductive or metallic. Apart from the outermost or one in the stack direction of the fuel cell stack 2 or 4 indicated by the arrow 28 deviating functional element adjacent fuel cells 6, the first plate 24 is connected in a spatial area outside the active area 8 to the second plate 26 of the fuel cell 6 connected downstream. This connection takes place in each case via a gas-tight weld seam 27. An electrical series connection of the fuel cells 6 forming the respective fuel cell level 2 or 4 is thus realized via the plates 24, 26.
  • the respective first plate 24 assigned to an anode 12 forms, with the contact plate 16 assigned to it, from which it is arranged at a distance via the respective contact tongues 20, a supply space 30 which can be fed with a fuel comprising hydrogen gas for the respective fuel cell 6.
  • the plates 24, 26, which are connected to one another in pairs, of two downstream fuel cells 6 each further form an intermediate space 34 which can be supplied with a coolant.
  • the plates 24, 26 and the welding seam 27 connecting them are designed such that the supply spaces 30, 32 and the intermediate space 34 are designed for a sufficient media pressure, for example for a hydrogen pressure of 2.0 bar and an oxygen pressure of 2.3 bar are.
  • Each intermediate space 34 is adjoined by a channel 36 running in the plate plane of the fuel cells 6, which, like the respective intermediate space 34, is delimited by depressions formed in the respective plates 24, 26 and by joining two adjacent plates 24, 26 arises.
  • the active area 8 is surrounded by a frame area 40, which is essentially formed by a circumferential seal 42.
  • the seal 42 seals the respective fuel cell 6 on the sides.
  • the seal 42 consists, for example, of an elastomer and has a thickness of approximately 3 mm in the exemplary embodiment.
  • a number of bores 44 are arranged in the seal 42, of which only one is shown in the exemplary embodiment.
  • the bores 44 of adjacent fuel cells 6 come to lie one above the other and thus form an axial channel 46 which is extended in the axial direction of the respective fuel cell stack 2, 4.
  • the example in FIG. 2 for all Axial channel 46 shown axial channels is provided for cooling water supply and accordingly connected to the channels 36 via bores provided in the plates 24, 26. Cooling medium or cooling water which is guided in the axial channel 46 and symbolized by the arrows 48 thus reaches the respective intermediate spaces 34 via the channels 36.
  • further axial channels are provided in particular for supplying the spaces 30, 32 with a fuel or an oxidizing agent comprising hydrogen ,
  • the fuel cell stacks 2, 4 constructed according to the diagram in FIG. 2 are electrically connected in series to form the fuel cell module 1 shown in a side view in FIG.
  • the series connection takes place via a pole plate 50 which is common to them and on which the fuel cell stacks 2, 4 are each arranged standing.
  • the fuel cell stack 2 ends in a pole plate 52 and the fuel cell stack 4 ends in a pole plate 54, which is electrically rically isolated from each other via an air gap 56.
  • the fuel cell module 1 is thus designed for a U-shaped guidance of an operating current which, for example, enters the first fuel cell stack 2 via the pole plate 52 and exits again into the pole plate 50.
  • the operating current passes from the pole plate 50 into the second fuel cell stack 4, flows through it in the opposite direction to the first fuel cell stack 2 and exits again at the pole plate 54.
  • the fuel cell module 1 is designed such that this risk of buckling is kept particularly low.
  • the fuel cells 6 of each fuel cell stack 2, 4 have in their frame region 40 an edge element 60 essentially formed by the respective seal 42.
  • the axial channel 46 for the cooling water supply and further supply channels 62 extending in the axial direction are arranged in the edge elements 60.
  • the frame area 40 of each fuel cell is designed to supply media in its area of action.
  • Fuel cells 6 have a number of recesses 64 arranged in the respective edge element 60.
  • a number of connecting elements 66 are also provided, each of which engages both in a recess 64 in the first fuel cell stack 2 and in a recess 64 in the second fuel cell stack 4. A mechanical coupling of the fuel cell stacks 2, 4 is thus achieved in the manner of a toothing of the fuel cell stacks 2, 4.
  • this interlocking means that the base area to be used for buckling is essentially given jointly by the base area of both fuel cell stacks 2, 4; the stability against buckling thus increases considerably in comparison to only a single fuel cell stack 2 or 4.
  • Each connecting element 66 has in cross-section a first tongue 70, which is adapted in shape to the recess 64 of the first fuel cell stack 2, and a second tongue 70, which is adapted in shape to the recess 64 of the second fuel cell stack 4.
  • the tabs 70 are each approximately rectangular in shape, similar to the recesses 64, and can thus be inserted into the recesses 64 in a direction oriented approximately parallel to the surface of the fuel cells 6.
  • Such an embodiment enables, on the one hand, a comparatively simple assembly of the fuel cell stacks 2, 4 coupled to one another, but on the other hand connects the fuel cell stacks 2, 4 in terms of force only with regard to a load under pressure.
  • the embodiment according to FIG. 4 is designed for coupling the fuel cell stacks 2, 4 both under pressure and under tension.
  • the tabs 70 of the connecting elements 66 in this embodiment each have in cross section a thickening 72 which can be brought into engagement with the associated recess 64.
  • the connecting elements 66 in both embodiments are made of non-conductive or insulating material, in particular of a plastic.
  • each fuel cell 6 provided with recesses 64 has two not with recesses 64 provided fuel cells 6 adjacent.
  • the fuel cells 6 provided with recesses 64 are arranged alternately to fuel cells 6 not provided with recesses 64.
  • a connecting element 66 which interlocks the fuel cell stacks 2, 4 is used only in every second position.
  • the connecting elements 66 are thus fixed in the longitudinal direction by the adjacent fuel cells 6. This structure ensures a particularly compact and inherently stable structure of the fuel cell module 1, both in lateral and in axial terms.

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Abstract

Bei einem Brennstoffzellenmodul (1) mit einer Mehrzahl von Brennstoffzellenstapeln (2, 4), von denen jeder durch eine Anzahl von hintereinandergeschalteten Brennstoffzellen (6) gebildet ist, soll auch bei der Zusammenfassung einer vergleichsweise großen Anzahl von Brennstoffzellen (6) zu einer Mehrzahl von Brennstoffzellenstapeln (2, 4) die Gefahr eines Ausknickens der Brennstoffzellenstapel (2, 4) sicher vermieden sein. Dazu weisen erfindungsgemäß in jedem Brennstoffzellenstapel (2, 4) zumindest einige seiner Brennstoffzellen (6) in ihrem Außenbereich jeweils ein Randelement (60) mit einer Anzahl von Ausnehmungen (64) auf, wobei eine Anzahl von Verbindungselementen (66) jeweils sowohl in eine Ausnehmung (64) eines ersten als auch in eine Ausnehmung eines zweiten Brennstoffzellenstapels (2, 4) eingreift.

Description

Brennstoffzellenmodul .
Die Erfindung bezieht sich auf ein Brennstoffzellenmodul mit einer Mehrzahl von Brennstoffzellenstapeln, von denen jeder durch eine Anzahl von hintereinandergeschalteten Brennstoff- zellen gebildet ist.
Brennstoffzellen können zur umweltfreundlichen Erzeugung von Elektrizität dienen. In einer Brennstoffzelle läuft nämlich ein Prozeß ab, der im wesentlichen eine ümkehrung der Elektrolyse darstellt. In einer Brennstoffzelle wird dafür ein Wasserstoff aufweisender Brennstoff einer Anode und ein Sauerstoff aufweisender Hilfsstoff einer Kathode zugeleitet. Anode und Kathode sind dabei elektrisch über eine Elektrolytschicht voneinander getrennt, wobei die Elektrolytschicht zwar einen Ionenaustausch zwischen dem Brennstoff und dem Sauerstoff zuläßt, ansonsten aber eine gasdichte Trennung von Brennstoff und Hilfsstoff sicherstellt. Infolge des Ionenaus- tauschs kann im Brennstoff enthaltener Wasserstoff mit dem Sauerstoff zu Wasser reagieren, wobei sich an der brennstoff- seitigen Elektrode oder Anode Elektronen anreichern und an der hilfsstoffseitigen Elektrode oder Kathode Elektronen aufgenommen werden. Somit baut sich beim Betrieb der Brennstoffzelle eine Potentialdifferenz oder Spannung zwischen Anode und Kathode auf. Die Elektrolytschicht, die bei einer Hochtemperatur-Brennstoffzelle als keramischer Festelektrolyt oder bei einer Niedertemperatur-Brennstoffzelle als Polymer- Membran ausgebildet sein kann, hat somit die Funktion, die Reaktanten voneinander zu trennen, die Ladung in Form von Ionen zu überführen und einen Elektronenkurzschluß zu verhindern.
Aufgrund der elektrochemischen Potentiale der üblicherweise eingesetzten Stoffe kann in einer derartigen Brennstoffzelle unter normalen Betriebsbedingungen eine Elektrodenspannung von etwa 0,6 bis 1,0 V aufgebaut und während des Betriebs aufrechterhalten werden. Für technische Anwendungen, in denen abhängig vom Einsatzzweck oder der geplanten Belastung eine wesentlich höhere Gesamtspannung gefordert sein kann, sind daher üblicherweise eine Mehrzahl von Brennstoffzellen in der Art eines Brennstoffzellenstapels derart elektrisch in Reihe geschaltet, daß die Summe der von den Brennstoffzellen jeweils gelieferten Elektrodenspannungen der geforderten Ge- samtspannung entspricht oder diese übersteigt. Je nach geforderter Gesamtspannung kann die Anzahl der Brennstoffzellen in einem derartigen Brennstoffzellenstapel beispielsweise 50 oder mehr betragen.
Jeder der zu einem derartigen Brennstoffzellenstapel zusam- mengefaßten Brennstoffzellen ist dabei im Bereich ihrer
Elektroden ein Volumenbereich zugeordnet, dem die jeweils erforderlichen Medien wie beispielsweise der Brennstoff oder der Hilfsstoff zuführbar sind. Dieser Volumenbereich kann beispielsweise durch der eigentlichen Brennstoffzelle zuzu- rechnende Grenzflächen begrenzt sein, wobei die Grenzflächen zweier benachbarter Brennstoffzellen zur Bildung eines abgeschlossenen Volumenbereichs über eine zwischen ihnen angeordnete Dichtung der Außenwelt gegenüber abgedichtet sind. Weiterhin kann jeder Brennstoffzelle eine Anzahl von Gasräumen, Kühleinheiten und Druckkissen zugeordnet sein, über die eine Bespeisung mit den Betriebsstoffen sowie die Einstellung geeigneter Betriebsparameter, insbesondere einer geeigneten Betriebstemperatur, vorgenommen werden kann.
Zur Herstellung der erforderlichen Dichtigkeit zwischen be- nachbarten Brennstoffzellen im Hinblick auf die Zu- und Abfuhr der Medien wie Brennstoff und Hilfsstoff oder auch eines Kühlmediums kann es notwendig sein, den Brennstoffzellenstapel in seiner Längsrichtung einer gewissen Verspannung oder Vorspannung zu unterwerfen. Dies entspricht einer andauernden Belastung des Brennstoffzellenstapels in seiner Längsrichtung auf Druck. Dadurch ist sichergestellt, daß einerseits jede Brennstoffzelle mit den ihr benachbarten Brennstoffzellen in mechanischem Kontakt bleibt, wobei andererseits, insbesondere bei der Verwendung von Dichtungen aus elastischem Material zwischen den Brennstoffzellen, infolge des in Längsrichtung aufgebrachten Anpressdrucks die erforderliche Dichtwirkung auch tatsächlich vorliegt.
Eine derartige Belastung auf Druck kann jedoch bei langgestreckten Gebilden wie Stäben, Türmen oder Verstrebungen gemäß den Knickbedingungen nach Euler oder Tetmajer zu einer Tendenz zum Ausknicken führen. Unter Ausknicken ist hierbei insbesondere ein Ausweichen eines mittleren Bereiches des langgestreckten Gebildes in eine Richtung senkrecht zur Längsachse zu verstehen. Diese Tendenz zum Ausknicken ist wesentlich von der Länge des jeweiligen Gebildes abhängig. Ein derartiges, bei einem Brennstoffzellenstapel auftretendes Ausknicken würde jedoch infolge einer Verschiebung einiger der Brennstoffzellen aus ihrer Sollage die Betriebsfähigkeit des Brennstoffzellenstapels gravierend beeinträchtigen oder vollständig unterbinden. Je nach dem für die Verbindung von benachbarten Brennstoffzellen vorgesehenen Dichtungssystem und daraus resultierender geforderter Spannkraft in Längsrichtung des Brennstoffzellenstapels ist die Anzahl der miteinander zu einem Brennstoffzellenstapel verschaltbaren Brennstoffzellen somit nur begrenzt.
Andererseits kann jedoch gerade bei der Auslegung eines
Brennstoffzellensystems für Anwendungen mit vergleichsweise hohen Auslegungsspannungen die Zusammenschaltung einer vergleichsweise hohen Zahl von Brennstoffzellen, beispielsweise 70 oder mehr, vorgesehen sein. Die Möglichkeit, beliebig viele Brennstoffzellen zu einem oder mehreren Brennstoffzel- lenstapeln zusammenzufassen, stellt somit einen wichtigen Beitrag für die Flexibilität bei der Auslegung eines BrennstoffZeilenmoduls dar. Dabei kann es insbesondere aus Flexibilitätsgründen wünschenswert sein, die Brennstoffzellen geeignet zu einer Mehrzahl von Brennstoffzellenstapeln in einem leicht transportierbaren Brennstoffzellenmodul zusammenzufassen.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Brennstoffzellenmodul der oben genannten Art anzugeben, bei dem auch bei der Zusammenfassung einer vergleichsweise großen An- zahl von Brennstoffzellen zu einer Mehrzahl von Brennstoffzellenstapeln die Gefahr eines Ausknickens der Brennstoffzellenstapel sicher vermieden ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst, indem in jedem Brennstoffzellenstapel zumindest einige seiner Brennstoffzel- len in ihrem Außenbereich jeweils ein Randelement mit einer Anzahl von Ausnehmungen aufweisen, wobei eine Anzahl von Verbindungselementen jeweils sowohl in eine Ausnehmung eines ersten als auch in eine Ausnehmung eines zweiten Brennstoffzellenstapels eingreift.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, daß die unerwünschte Neigung der Brennstoffzellenstapel zum Ausknicken zwar einerseits von dessen Länge und somit von der Anzahl der den jeweiligen Brennstoffzellenstapel bildenden Brennstoff- zellen abhängt. Andererseits ist die Neigung zum Ausknicken aber auch abhängig von der Charakteristik des mechanischen Kontakts zweier benachbarter Brennstoffzellen und insbesondere von den geometrischen Abmessungen im Querschnitt. Dabei ist gerade das Verhältnis der Längenausdehnung des jeweiligen Brennstoffzellenstapels zu der zu berücksichtigenden Grundfläche von Bedeutung, wobei eine vergleichsweise größere Grundfläche eine vergleichsweise höhere Stabilität gegenüber Ausknicken gewährleistet. Gerade bei der Verwendung mehrerer Brennstoffzellenstapel in einem Brennstoffzellenmodul kann die für die Neigung zum Ausknicken zu berücksichtigende Grundfläche besonders groß gehalten sein, indem benachbarte Brennstoffzellenstapel geeignet mechanisch miteinander gekoppelt werden. Dazu ist die Verbindung benachbarter Brennstoff- zellenstapel in der Art einer Verzahnung vorgesehen, die in der Art einer Querverstrebung wirkt.
Für eine Stabilisierung der Verbindungselemente in Längsrichtung des jeweiligen Brennstoffzellenstapels ist in vorteilhafter Ausgestaltung in Längsrichtung des jeweiligen Brenn- stoffzellenstapels gesehen eine Anzahl der mit Ausnehmungen versehenen Brennstoffzellen jeweils zumindest einer Brennstoffzelle benachbart, die im entsprechenden Bereich nicht mit Ausnehmungen versehen ist. Somit ist das in die jeweilige Ausnehmung eingreifende Verbindungselement in Längsrichtung des Brennstoffzellenstapels gesehen jeweils einem Flächenelement der eigentlichen dort angeordneten Brennstoffzelle benachbart; die räumliche Fixierung der Brennstoffzellen in Längsrichtung bewirkt somit ebenfalls eine Fixierung der zwischen zwei Brennstoffzellen angeordneten Verbindungselemente.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung umfaßt jede Brennstoffzelle jeweils einen flächig ausgedehnten Aktivbereich, der im Querschnitt von einem Rahmenbereich umgeben ist, der das Randelement oder die Randelemente mit den jeweils vorgesehenen Ausnehmungen umfaßt. Unter Aktivbereich ist dabei derjenige Bereich zu verstehen, in dem die eigentliche Umset- zung des Wasserstoffs mit dem Sauerstoff zu Wasser stattfindet. Der Aktivbereich ist somit derjenige Bereich, in dem der insbesondere flächig ausgedehnte Elektrolyt, umgeben von ebenfalls flächig ausgedehnten Elektroden, angeordnet ist. Der den Aktivbereich umgebende Rahmenbereich kann dabei ins- besondere zur mechanischen Stabilisierung, aber auch zur Abdichtung nach außen hin, vorgesehen sein. Zweckmäßigerweise ist dabei der Rahmenbereich jeder Brennstoffzelle zur Medienzufuhr in deren Aktivbereich ausgelegt und umfaßt dementsprechend eine Anzahl von — beispielsweise integrierten oder ein- gearbeiteten - Kanälen. Weiterhin können auch Kühlmittelkanäle im Rahmenbereich angeordnet sein.
Zur Herstellung einer im Querschnitt formschlüssigen Verbindung zwischen den jeweiligen Brennstoffzellenstapeln und den zugeordneten Verbindungselementen weist vorteilhafterweise jedes Verbindungselement im Querschnitt eine erste, in der
Form an die Ausnehmung des ersten Brennstoffzellenstapels angepaßte Steckzunge und eine zweite, in der Form an die Ausnehmung des zweiten Brennstoffzellenstapels angepaßte Steck- zύnge auf. Die Formgebung der Steckzungen kann dabei an die jeweiligen Anforderungen angepaßt sein: falls eine kräftemäßige Verkopplung der benachbarten Brennstoffzellenstapel lediglich im Hinblick auf Druck erforderlich ist, können die Steckzungen beispielsweise als im Schnitt im wesentlichen rechteckig ausgebildete, an einen Trägerkörper des jeweiligen Verbindungselements angeformte Formteile ausgebildet sein. Für eine kräftemäßige Verkopplung der benachbarten Brenn- ' stoffzellenstapel auf Druck und auf Zug weisen in weiterer vorteilhafter Ausgestaltung jedoch die Steckzungen der Verbindungselemente im Querschnitt jeweils eine mit der zugeord- neten Ausnehmung in Hintergriff bringbare Verdickung im Bereich ihres freien Endes auf.
Bei der Zusammenschaltung von Brennstoffzellen zu einem Brennstoffzellenstapel können insbesondere an den Randbereichen der Brennstoffzellen spannungsführende Bauteile oder Elektroden zugänglich sein. Um dennoch auch beim Einsatz in der Umgebung von exponierten oder geerdeten Teilen die Gefahr von Kurzschlüssen und einen dadurch bedingten Ausfall des BrennstoffZeilenmoduls sicher auszuschließen, sind vorteilhafterweise die Verbindungselemente jeweils aus einem isolie- renden Material, insbesondere aus einem Kunststoff, gefertigt. Somit ist sichergestellt, daß die zur Stabilisierung der Brennstoffzellenstapel gegen Ausknicken vorgesehenen Elemente selbst potentialfrei gehalten sind und somit nicht zur Gefahr der Bildung von Kurzschlüssen beitragen.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß durch die mechanische Verkopplung zweier benachbarter Brennstoffzellenstapel in der Art einer Verzahnung auch bei der Verwendung von in mechanischer Hinsicht eigentlich ungünstigen Komponenten wie beispielsweise den Dich- tungselementen in den Brennstoffzellenstapel eine besonders hohe Stabilität gegenüber einem seitlichen Ausknicken gewährleistet ist. Dabei ist mit besonders einfachen Mitteln in der Art einer Querverstrebung die zur Aufrechterhaltung des Gleichgewichts heranzuziehende Grundfläche jedes Brennstoff- zellenstapels besonders groß gehalten. Somit ist ohne Beeinträchtigung der Betriebssicherheit des Brennstoffzellenmoduls eine Beaufschlagung der Brennstoffzellenstapel mit axialem Druck zur Sicherstellung oder Begünstigung einer erforderlichen Dichtigkeit in den Medienräumen zwischen den einzelnen Brennstoffzellen ermöglicht. Durch eine Verspannung der Brennstoffzellenstapel in axialer Richtung, insbesondere durch die Verwendung von Spannmitteln in Kombination mit an den Polplatten angeordneten Zugankern, ist zudem ein besonders kompaktes und vergleichsweise leicht transportierbares Brennstoffzellenmodul bereitstellbar .
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
Figur 1 ein Brennstoffzellenmodul mit zwei Brennstoffzel- lenstapeln,
Figur 2 einen Ausschnitt aus einem Längsschnitt durch einen der Brennstoffzellenstapel,
Figur 3 im Querschnitt zwei benachbarte Brennstoffzellen- Stapel gemäß einer ersten Ausführungsform,
Figur 4 im Querschnitt zwei benachbarte Brennstoffzellenstapel gemäß einer zweiten Ausführungsform, und
Figur 5 einen Ausschnitt aus einem Längsschnitt durch zwei benachbarte Brennstoffzellenstapel .
Gleiche Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugs- zeichen versehen.
Das Brennstoffzellenmodul 1 gemäß Figur 1 umfaßt einen ersten Brennstoffzellenstapel 2 und einen zu diesem benachbart ange- ordneten zweiten Brennstoffzellenstapel 4. Jeder Brennstoff- ' zellenstapel 2, 4 umfaßt eine Anzahl von in Figur 1 lediglich angedeuteten Brennstoffzellen 6, die elektrisch hintereinander geschaltet sind. Im Detail ist der Aufbau, der die Brenn- stoffzellenstapel 2, 4 bildenden Brennstoffzellen 6 in Figur 2 dargestellt. Dort sind im wesentlichen drei Brennstoffzellen 6 in einem Ausschnitt aus einem Längsschnitt durch einen der Brennstoffzellenstapel 2, 4 gezeigt.
Wie aus Figur 2 ersichtlich ist, umfaßt jede Brennstoffzelle 6 jeweils in einem sogenannten Aktivbereich 8, der in Figur 2 lediglich teilweise dargestellt ist, als zentrales Element als Elektrolyten eine Polymer-Elektrolyt-Membran oder PEM 10. Die PEM 10 ist flächig ausgebildet und steht an ihrer ersten Seite mit einer als erste Elektrode vorgesehenen Anode 12 und an ihrer zweiten Seite mit einer als zweite Elektrode vorgesehenen Kathode 14 in flächigem Kontakt. Sowohl die Anode 12 als auch die Kathode 14 sind an ihrer der PEM 10 abgewandten Seite in nicht näher dargestellter Weise mit einer Platte aus Kohlepapier bedeckt. An diese schließen sich jeweils ebenfalls flächig ausgebildet im Falle der Anode 12 ein Kontaktblech 16 und im Falle der Kathode 14 ein Kontaktblech 18 an.
Die Kontaktbleche 16, 18 weisen dabei jeweils ausgestanzte Kόntaktzungen 20 bzw. 22 auf. Über die Kontaktzungen 20 steht das einer jeweiligen Anode 12 zugeordnete Kontaktblech 16 in Kontakt mit einer zugeordneten ersten Platte 24. In analoger Weise steht über seine Kontaktzungen 22, das jeweils einer Kathode 14 zugeordnete Kontaktblech 18 in Kontakt mit einer zweiten Platte 26. Die Platten 24, 26 sind dabei elektrisch leitend oder metallisch ausgebildet. Dabei ist - abgesehen von den in durch den Pfeil 28 angedeutete Stapelrichtung des Brennstoffzellenstapels 2 bzw. 4 gesehen äußersten oder einem abweichenden Funktionselement benachbarten Brennstoffzellen 6 die erste Platte 24 in einem Raumbereich außerhalb des Aktivbereiches 8 mit der zweiten Platte 26 der jeweils nachgeschalteten Brennstoffzelle 6 verbunden. Diese Verbindung er- folgt dabei jeweils über eine gasdicht ausgeführte Schweißnaht 27. Somit ist über die Platten 24, 26 eine elektrische Hintereinanderschaltung der den jeweiligen Brennstoffzellen- stand 2 bzw. 4 bildenden Brennstoffzellen 6 verwirklicht.
Die jeweils einer Anode 12 zugeordnete erste Platte 24 bildet mit der ihr zugeordneten Kontaktplatte 16, von der sie über die jeweiligen Kontaktzungen 20 beabstandet angeordnet ist, jeweils einen Versorgungsraum 30, der mit einem Wasserstoffgas umfassenden Brennstoff für die jeweilige Brennstoffzelle 6 bespeisbar ist. In analoger Weise bildet die zweite Platte 26 mit der der jeweiligen Kathode 14 zugeordneten Kontaktplatte 18, von der sie über die Kontaktzungen 22 beabstandet angeordnet ist, jeweils einen Versorgungsraum 32, der mit einem Oxidationsmittel, insbesondere mit Sauerstoffgas, bespeisbar ist. Die paarweise miteinander verbundenen Platten 24, 26 zweier nachgeschalteter Brennstoffzellen 6 bilden weiterhin jeweils einen Zwischenraum 34, der mit einem Kühlmittel bespeisbar ist. Die Platten 24, 26 und die sie jeweils verbindende Schweißnaht 27 sind dabei derart ausgeführt, daß die Versorgungsräume 30, 32 und der Zwischenraum 34 für einen ausreichenden Mediendruck, beispielsweise für einen Wasserstoffdruck von 2,0 bar und einen Sauerstoffdruck von 2,3 bar ausgelegt sind. An jeden Zwischenraum 34 schließt sich dabei ein jeweils in der Plattenebene der Brennstoffzellen 6 ver- laufender Kanal 36 an, der ebenso wie der jeweilige Zwischenraum 34 durch in den jeweiligen Platten 24, 26 eingeformte Vertiefungen begrenzt ist und durch das Zusammenfügen zweier benachbarter Platten 24, 26 entsteht. Der Aktivbereich 8 ist von einem Rahmenbereich 40 umgeben, der im wesentlichen durch eine umlaufende Dichtung 42 gebildet ist. Die Dichtung 42 dichtet dabei die jeweilige Brenn- stoffzelle 6 nach den Seiten ab. Die Dichtung 42 besteht dabei beispielsweise aus einem Elastomer und hat im Ausführungsbeispiel eine Dicke von etwa 3 mm. In der Dichtung 42 ist eine Anzahl von Bohrungen 44 angeordnet, von denen im Ausführungsbeispiel lediglich eine gezeigt ist. Durch das Zu- sammenfügen der Brennstoffzellen 6 zu einem Brennsto fzellenstapel 2, 4 kommen dabei die Bohrungen 44 benachbarter Brennstoffzellen 6 übereinander zu liegen und bilden somit einen in axialer Richtung des jeweiligen Brennstoffzellenstapels 2, 4 ausgedehnten Axialkanal 46. Der in Figur 2 beispielhaft für sämtlich axialen Kanäle gezeigte Axialkanal 46 ist dabei zur Kühlwasserbespeisung vorgesehen und dementsprechend über in den Platten 24, 26 vorgesehene Bohrungen mit den Kanälen 36 verbunden. Im Axialkanal 46 geführtes, durch die Pfeile 48 symbolisiertes Kühlmedium oder Kühlwasser gelangt somit über die Kanäle 36 in die jeweiligen Zwischenräume 34. In analoger Weise sind insbesondere weitere axiale Kanäle zur Bespeisung der Räume 30, 32 mit einem Wasserstoff umfassenden Brennstoff bzw. einem Oxidationsmittel vorgesehen.
Die nach dem Schema gemäß Figur 2 aufgebauten Brennstoffzellenstapel 2, 4 sind zur Bildung des in Figur 1 in seitlicher Ansicht dargestellten Brennstoffzellenmoduls 1 elektrisch in Reihe geschaltet. Die Hintereinanderschaltung erfolgt dabei über eine ihnen gemeinsame Polplatte 50, auf der die Brenn- stoffzellenstapel 2, 4 jeweils stehend angeordnet sind. An ihrer der gemeinsamen Polplatte 50 abgewandten Seite enden der Brennstoffzellenstapel 2 in einer Polplatte 52 und der Brennstoffzellenstapel 4 in einer Polplatte 54, die elekt- risch über einen Luftspalt 56 gegeneinander isoliert sind. Das Brennstoffzellenmodul 1 ist somit für eine U-förmige Führung eines Betriebsstroms ausgelegt, der beispielsweise über die Polplatte 52 in den ersten Brennstoffzellenstapel 2 ein- und aus diesem in die Polplatte 50 wieder austritt. Von der Polplatte 50 gelangt der Betriebsstrom in den zweiten Brennstoffzellenstapel 4, durchströmt diesen in Gegenrichtung zum ersten Brennstoffzellenstapel 2 und tritt an der Polplatte 54 wieder aus .
Infolge des geschichteten Aufbaus der Brennstoffzellenstapel 2, 4 besteht insbesondere bei der Zusammenfassung einer großen Anzahl von Brennstoffzellen 6 zum jeweiligen Brennstoffzellenstapel 2, 4 und bei einer Beaufschlagung der Brennstoffzellenstapel 2, 4 mit einem Druck in Längsrichtung zur Herstellung einer ausreichenden Lichtwirkung der Dichtungen 42 die Gefahr eines Ausknickens in seitlicher Richtung. Das Brennstoffzellenmodul 1 ist jedoch derart ausgelegt, daß diese Gefahr des Ausknickens besonders gering gehalten ist.
Dazu weisen die Brennstoffzellen 6 jedes Brennstoffzellenstapels 2, 4 in ihrem Rahmenbereich 40 ein im wesentlichen durch die jeweilige Dichtung 42 gebildetes Randelement 60 auf. Wie in Figur 3 in einer ersten Ausführungsform und im Querschnitt der jeweiligen Brennstoffzellen 6 gezeigt, sind in den Randelementen 60 dabei der Axialkanal 46 für die Kühlwasserversorgung sowie weitere in axialer Richtung sich erstreckende Versorgungskanäle 62 angeordnet. Somit ist der Rahmenbereich 40 jeder Brennstoffzelle zur Medienzufuhr in deren Aktionsbe- reich ausgelegt.
Zur Stabilisierung des jeweiligen Brennstoffzellenstapels 2, 4 weisen dabei zumindest einige der diese jeweils bildenden Brennstoffzellen 6 eine Anzahl von im jeweiligen Randelement 60 angeordneten Ausnehmungen 64 auf. Zur mechanischen Stabilisierung der Brennstoffzellenstapel 2, 4 ist zudem eine Anzahl von Verbindungselementen 66 vorgesehen, von denen jedes jeweils sowohl in eine Ausnehmung 64 des ersten Brennstoffzellenstapels 2 als auch in eine Ausnehmung 64 des zweiten Brennstoffzellenstapels 4 eingreift. Somit ist in der Art einer Verzahnung der Brennstoffzellenstapel 2, 4 miteinander eine mechanische Verkopplung der Brennstoffzellenstapel 2, 4 erreicht. Diese Verzahnung bewirkt in der Art einer Querverstrebung, daß die für ein Ausknicken zugrundezulegende Grundfläche im wesentlichen durch die Grundfläche beider Brennstoffzellenstapel 2, 4 gemeinsam gegeben ist; die Stabilität gegenüber einem Ausknicken erhöht sich somit beträchtlich im Vergleich zu lediglich einem einzelnen Brennstoffzellenstapel 2 oder 4.
Jedes Verbindungselement 66 weist dabei im Querschnitt jeweils eine erste, in der Form an die Ausnehmung 64 des ersten Brennstoffzellenstapels 2 angepaßte Steckzunge 70 und eine zweite, in der Form an die Ausnehmung 64 des zweiten Brennstoffzellenstapels 4 angepaßte Steckzunge 70 auf. In der Ausführungsform gemäß Figur 3 sind die Steckzungen 70 dabei ähnlich wie die Ausnehmungen 64 jeweils annähernd rechteckförmig ausgebildet und können somit in annähernd parallel zur Fläche der Brennstoffzellen 6 orientierter Richtung in die Ausnehmungen 64 eingeführt werden. Eine derartige Ausgestaltung ermöglicht einerseits eine vergleichsweise einfache Montage der miteinander verkoppelten Brennstoffzellenstapel 2, 4, verbin- det die Brennstoffzellenstapel 2 , 4 andererseits aber kräftemäßig lediglich hinsichtlich einer Belastung auf Druck. Im Gegensatz dazu ist die Ausführungsform gemäß Figur 4 für eine Verkopplung der Brennstoffzellenstapel 2, 4 sowohl auf Druck als auch auf Zug ausgebildet. Dazu weisen die Steckzungen 70 der Verbindungselemente 66 in dieser Ausführungsform im Querschnitt jeweils eine mit der zugeordneten Ausnehmung 64 in Hintergriff bringbare Verdickung 72 auf.
Zur Vermeidung einer Gefahr von Kurzschlüssen sind die Verbindungselemente 66 in beiden Ausführungsformen aus nicht leitendem oder isolierendem Material, insbesondere aus einem Kunststoff gefertigt.
Für eine Stabilisierung der Verbindungselemente 66 auch in Längsrichtung 28 der Brennstoffzellenstapel 2, 4 ist im Aus- führungsbeispiel, wie in Figur 5 gezeigt, in Längsrichtung 28 des jeweiligen Brennstoffzellenstapels 2, 4 gesehen, jede mit Ausnehmungen 64 versehene Brennstoffzelle 6 jeweils zwei nicht mit Ausnehmungen 64 versehenen Brennstoffzellen 6 benachbart. Mit anderen Worten: Wie in Figur 5 erkennbar, sind die mit Ausnehmungen 64 versehenen Brennstoffzellen 6 alternierend zu nicht mit Ausnehmungen 64 versehenen Brennstoffzellen 6 angeordnet. Somit kommt lediglich in jeder zweiten Lage ein die Brennstoffzellenstapel 2, 4 verzahnendes Verbindungselement 66 zum Einsatz. In demjenigen Bereich, in dem in einigen der Brennstoffzellen 6 die Ausnehmungen 64 vorgesehen sind, werden die Verbindungselemente 66 somit durch die benachbarten Brennstoffzellen 6 in Längsrichtung fixiert. Durch diesen Aufbau ist sowohl in lateraler als auch in axialer Hinsicht ein besonders kompakter und in sich stabiler Aufbau des Brennstoffzellenmoduls 1 gewährleistet.

Claims

Patentansprüche
1. Brennstoffzellenmodul (1) mit einer Mehrzahl von Brennstoffzellenstapeln (2, 4), von denen jeder durch eine Anzahl von hintereinandergeschalteten Brennstoffzellen (6) gebildet ist, wobei in jedem Brennstoffzellenstapel (2, 4) zumindest einige seiner Brennstoffzellen (6) in ihrem Außenbereich jeweils ein Randelement (60) mit einer Anzahl von Ausnehmungen (64) aufweisen, und wobei eine Anzahl von Verbindungselementen (66) jeweils sowohl in eine Ausnehmung (64) eines ersten als auch in eine Ausnehmung (64) eines zweiten Brennstoffzellenstapels (2, 4) eingreift.
2. Brennstoffzellenmodul (1) nach Anspruch 1, bei dem in Längsrichtung des jeweiligen Brennsto fzellenstapels (2, 4) gesehen eine Anzahl der mit Ausnehmungen (64) versehenen Brennstoffzellen (6) jeweils zumindest einer Brennstoffzelle (6.) benachbart ist, die im entsprechenden Bereich nicht mit Ausnehmungen (64) versehen ist.
3. Brennstoffzellenmodul (1) nach Anspruch 1 oder 2 , bei dem jede Brennstoffzelle (6) jeweils einen flächig ausgedehnten Aktivbereich (8) umfaßt, der im Querschnitt von einem Rahmenbereich (40) umgeben ist, der das Randelement (60) oder die Randelemente (60) mit den jeweils vorgesehenen Ausnehmungen (64) umfaßt.
4. Brennstoffzellenmodul (1) nach Anspruch 3, bei dem der Rahmenbereich ( 40 ) jeder Brennstoffzelle (6) zur Medienzufuhr in deren Aktivbereich (8) ausgelegt ist.
5. Brennstoffzellenmodul (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem jedes Verbindungselement ( 66 ) im Querschnitt eine erste, in der Form an die Ausnehmung (64) des ersten Brenn- stoffzellenstapels (2) angepaßte Steckzunge (70) und eine zweite, in der Form an die Ausnehmung (64) des zweiten Brennstoffzellenstapels (4) angepaßte Steckzunge (70) aufweist.
6. Brennstoffzellenmodul (1) nach Anspruch 5, bei dem die Steckzungen (70) der Verbindungselemente (66) im Querschnitt jeweils eine mit der zugeordneten Ausnehmung (64) in Hintergriff bringbare Verdickung (72) aufweisen.
7. Brennstoffzellenmodul (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dessen Verbindungselemente (66) jeweils aus einem isolie- renden Material, insbesondere aus einem Kunststoff, gefertigt sind.
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