WO2011082752A1 - Brennstoffzellenanordnung - Google Patents

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WO2011082752A1
WO2011082752A1 PCT/EP2010/007422 EP2010007422W WO2011082752A1 WO 2011082752 A1 WO2011082752 A1 WO 2011082752A1 EP 2010007422 W EP2010007422 W EP 2010007422W WO 2011082752 A1 WO2011082752 A1 WO 2011082752A1
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WO
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fuel cell
cell stack
sealing element
longitudinal
additional sealing
Prior art date
Application number
PCT/EP2010/007422
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English (en)
French (fr)
Inventor
Stefan-Ibrahim Peterhans
Anton Trenkler
Original Assignee
Mtu Onsite Energy Gmbh
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Publication date
Application filed by Mtu Onsite Energy Gmbh filed Critical Mtu Onsite Energy Gmbh
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/2465—Details of groupings of fuel cells
    • H01M8/2484—Details of groupings of fuel cells characterised by external manifolds
    • H01M8/2485—Arrangements for sealing external manifolds; Arrangements for mounting external manifolds around a stack
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/12—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte
    • H01M2008/1293—Fuel cells with solid oxide electrolytes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/14—Fuel cells with fused electrolytes
    • H01M2008/147—Fuel cells with molten carbonates
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the present invention relates to a fuel cell assembly according to the preamble of claim 1.
  • Fuel cell assemblies of the present type are known in the art, e.g. from the document WO 2008/110292. They usually comprise a plurality of fuel cells combined to form a stack, as well as a gas distributor (manifold) for supplying and removing the gas streams. Between the fuel cell stack and a gas distributor, a sealing device is arranged regularly.
  • the sealing device is e.g. formed in the form of a (sealing) frame containing the sealing elements, e.g. Longitudinal sealing elements, which follow the longitudinal edge of the gas distributor to form a longitudinal seal and transverse sealing elements.
  • the sealing elements are typically made of electrically non-conductive material, the sealing device e.g. transfers the total load of the cell stack to the gas distributor.
  • the fuel cell stack and the seals move relative to each other. These movements are evoked, e.g. by raising the temperature from room temperature to operating temperature, i.e. about 650 ° C, by different material pairings or chemical processes. Also due to operation for a long time, movements may result due to decreasing or changing dimensions of the cell stack.
  • Fuel cell stack and the longitudinal seal form a leak or a leak in the form of a gap, for example, characterized in that the fuel cell stack from the longitudinal seal in the vertical direction away, for example in a central region.
  • a gap allows an unwanted mixing of anode and cathode gas with each other, resulting in both a dangerous operating condition can result as well as damage to the fuel cell stack.
  • Known seals are unable to seal such a gap or insufficient.
  • the present invention seeks to propose a fuel cell assembly, which mentioned above
  • a fuel cell arrangement with a fuel cell stack which is arranged in the vertical direction next to a gas distributor wherein a longitudinal sealing element between fuel cell stack and gas distributor is provided for sealing between fuel cell stack and gas distributor, wherein the longitudinal sealing element along at least a projecting over the fuel cell stack in the transverse direction supernatant a part of the length of the longitudinal sealing element is formed, wherein a spring element is arranged on the fuel cell stack, which urges an additional sealing element in the direction of the fuel cell stack to the gas distributor permanently against the supernatant and adjacent to the fuel cell stack adjacent to the supernatant in the vertical direction.
  • the spring element essentially has an L-shaped cross section.
  • the L-shaped spring element has a short leg and a comparatively long leg, wherein the end of the short leg is abutted against the additional sealing element and the long leg is fixed to the fuel cell stack ,
  • the additional sealing element has a receptacle for engagement of the spring element, in particular a groove.
  • the additional sealing element is urged by a plurality of spring elements to the plant.
  • the spring element has a small longitudinal extent compared to the vertical extent.
  • Also proposed according to the invention is a fuel cell arrangement, wherein the additional sealing element is a ceramic sealing element.
  • contact surfaces formed by the additional sealing element for engaging the fuel cell stack and the supernatant include a substantially right angle.
  • the abutment surfaces of the additional sealing element are designed as sliding surfaces.
  • a fuel cell arrangement wherein the spring element arranged on the fuel cell stack exerts a force in the vertical direction and in the transverse direction on the additional sealing element.
  • one or more additional sealing elements extend over substantial parts of the longitudinal extent of the fuel cell stack, in particular over its entire length.
  • a fuel cell assembly according to the invention is proposed, wherein two adjacent spring elements in a central region of the fuel cell stack in the longitudinal direction at a smaller distance from one another than in an area adjacent to the central region.
  • FIG. 1 shows by way of example a sectional view of a fuel cell assembly according to a possible embodiment of the invention.
  • FIG. 2 shows by way of example a side view of the fuel cell arrangement according to FIG. 1.
  • Order 1 shows by way of example a sectional view (section in transverse direction) of a fuel cell arrangement 1 according to the invention.
  • Order 1 consists of at least one, in the present example, a plurality of fuel cells 2, which in the longitudinal direction (X) one behind the other to form a fuel cell stack 3 summarized, for example, are braced (Fig. 2).
  • Fig. 2 At the end faces of the fuel cell stack 3, for example, in each case an end plate is arranged in a known manner (not shown).
  • the fuel cell stack 3 is arranged in a known manner adjacent to a gas distributor 4 (manifold) in the vertical direction (Y), e.g. an Al-Manifold (AI: Anode Inlet) for the admission of anode gas.
  • the gas distributor 4 is in particular e.g. a strain-resistant gas distributor (as opposed to, for example, elastic gas distributors).
  • a longitudinal seal 5 extending in the longitudinal direction (X) is provided, which is formed, for example, in a known manner in one or more parts by longitudinal sealing elements 6.
  • the longitudinal sealing elements 6 are e.g. made of dielectric material, e.g. In addition to a seal, a potential separation between the gas distributor 4 and the fuel cell stack 3 is effected.
  • further sealing elements 7 may be provided for forming the longitudinal seal 5 or assisting in the sealing, e.g. a ceramic fabric or a sealing felt which is e.g. between a longitudinal sealing element 6 and the fuel cell stack 3 are arranged.
  • the fuel cell stack 3 is supported on the optionally provided with a further sealing element 7 longitudinal seal 5, in particular by means of one for this purpose by a respective one
  • Longitudinal sealing element 6 formed contact surface 6a.
  • one or more longitudinal sealing elements 6 extend in the transverse direction (Z, FIG. 1) beyond the fuel cell stack 3, so that (in the transverse direction (Z) outside the fuel cell stack 3) a balcony or projection 8 is formed, which extends along at least one Part of the length of the longitudinal seal 5 extends, for example in a central region (in longitudinal direction) of the fuel cell stack, preferably over its entire length.
  • the supernatant 8 has e.g. a contact surface 9, which e.g. is designed as a sliding surface, e.g. polished or ground, and which points in the vertical direction in the direction of the fuel cell stack 3.
  • the contact surface 9 may be formed by the contact surface 6a, wherein the contact surface 9 is provided according to the invention to support a further sealing element or an additional sealing element 10, as will be explained below.
  • the supernatant 8 is in particular e.g. formed integrally with one longitudinal sealing element 6, but may also be fixed thereto as a separate device.
  • the supernatant 8, which is formed by one or more longitudinal sealing elements 6, forms in particular e.g. a arranged in a vertical direction over its entire length at substantially the same level bearing surface 9, on which o.a. Additional sealing elements 10 e.g. can be slidably arranged.
  • a lateral gap between the longitudinal sealing elements 6 and the longitudinal seal 5 and the fuel cell stack 3 may form, in particular when the cell stack 3 lifts from its original, intended position (contact with the longitudinal seal 5) in the vertical direction.
  • movements of the fuel cell stack 3 in the transverse direction (and in the longitudinal direction) are also possible, so that the gap can form in different directions in the transverse direction.
  • an additional sealing element 10 is urged to the system that the additional sealing element 10 follows the transverse movements of the fuel cell stack 3 and thereby constantly pushed in the vertical direction against the supernatant 8, ie a lifting movement of the fuel cell stack 3 from the longitudinal seal 5 in the vertical direction does not follow.
  • the additional sealing element 10 both permanently and permanently abuts against the projection 8 and adjacent to it in the vertically adjacent fuel cell stack 3, i. in an area in which a gap formation is to be expected.
  • the auxiliary seal member 10 abuts on the outside of the fuel cell stack 3 at the edge portion 3a (in the vertical direction) in the transverse direction.
  • the additional sealing element 0 has a first 10 a and a second 10 b contact surface, by means of which it rests against the fuel cell stack 3 and the projection 8 (or against the projection 8).
  • the abutment surfaces 10a, 10b include, for example, a substantially right angle and are e.g. designed as sliding surfaces, e.g. polished or polished.
  • the arrangement of the contact surfaces 10a, 10b to one another corresponds in this respect to the arrangement of the contact surface 9 and a contact surface formed in the edge region 3a.
  • the additional sealing element 10 is in this case e.g. also formed of dielectric material, e.g. also a ceramic.
  • the additional sealing element 10 has, for example, a substantially rod-shaped or strip-shaped or elongate shape, for example a cuboid shape, wherein the contact surfaces 10a, 10b are formed, for example, on longitudinal sides for contact in the longitudinal direction.
  • the cross section of the additional sealing element 10 is, for example, substantially square or rectangular, but it is conceivable that only the contact surfaces 10 a, 10 b reaching the fuel cell stack 3 or the projection 9 form a right angle so that other cross sections are possible.
  • the additional sealing element 10 is urged by a spring-elastic element or spring element 11 against the fuel cell stack 3 (in the edge region 3a) and at the same time against the projection 8, wherein the spring element 11 in the present example has the form of an L-shaped spring.
  • the use of a V-shaped spring or other spring elements is conceivable.
  • the spring element 11 is arranged on the fuel cell stack 3 or fixed, for example, in the vertical direction spaced from the additional sealing element, so that it moves together with the fuel cell stack 3 and insofar causes a tracking of him pushed to the plant additional sealing element 10.
  • known fastening methods and devices can be used, for example, an attachment by means of spacer elements 12 is conceivable, which establish a distance between spring element 11 and fuel cell stack 3 in the transverse direction, for example, to reduce thermal influences on the spring element 11.
  • the spring element 11 is formed as an (in cross-section) L-shaped spring, which, e.g. a long leg 11a and a short leg 11b, wherein the L-shaped spring is fixed by means of its long leg 11a to the fuel cell assembly 3, such that the short leg 11b faces with its free end to the fuel cell stack 3.
  • the spring element 11 arranged on the fuel cell stack 3 is fixed in a spaced manner in the vertical direction from the additional sealing element 10 such that a free end of the spring element or the free end of a leg can be urged against the additional sealing element 10 resting against the fuel cell stack 3 and the projection 8 , Present example, the free end of the short leg 11b.
  • the additional sealing element 10 has a receptacle 13 in, for example, a groove, for example a longitudinal groove, wherein the receptacle 13, for example, on the contact surface 10a opposite, the fuel cell assembly 3 facing away from the additional sealing element 10 is arranged.
  • the receptacle 13 may extend in the longitudinal direction, for example over the entire length of the additional sealing element 10.
  • the spring element 11 in this case has in comparison with the vertical extent, e.g. a small longitudinal extent so that it is sufficiently elastic, e.g. Also to be able to follow at least a small longitudinal movement.
  • one or more additional sealing elements 10 extend over the entire length of the cell stack 3.
  • the additional sealing elements 10 are arranged one behind the other in the longitudinal direction, wherein they can be braced in the longitudinal direction , so that a complete seal can be realized.
  • each additional sealing element 10 two or more spring elements 11 are arranged adjacent to each other in the longitudinal direction and urged to the additional sealing element 10 to the plant to obtain a continuous over the length pressing force.
  • the distances between two adjacent spring elements 11 in the longitudinal direction compared to a region adjacent to the central region may be lower in order to achieve a high pressure force there to achieve where a gap with large dimensions or a large amplitude of movement of the fuel cell stack 3 is expected.
  • the spring elements 11 are at the same vertical distance from the e.g. Longitudinal sealing elements 6 are arranged, wherein the fastening device, e.g. allows such an adjustment.
  • the spring element 11 may be formed with different stiffness, wherein in the case of a spring, e.g. the L-shaped spring, also a corresponding cutting to length, e.g. of the leg 11a forming the free end allows adjustment or e.g. an adjustment of the fixing position in the vertical direction.

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Abstract

Brennstoffzellenanordnung (1) mit einem Brennstoffzellenstapel (3), welcher in vertikaler Richtung benachbart zu einem Gasverteiler (4) angeordnet ist, wobei zur Abdichtung zwischen Brennstoffzellenstapel (3) und Gasverteiler (4) in Längsrichtung ein Längsdichtungselement (6) zwischen Brennstoffzellenstapel (3) und Gasverteiler (4) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Längsdichtungselement (6) einen den Brennstoffzellenstapel (3) in Querrichtung überragenden Überstand (8) entlang zumindest eines Teils der Länge des Längsdichtungselements (6) ausbildet, wobei ein Federelement (11) an dem Brennstoffzellenstapel (3) angeordnet ist, welches ein Zusatzdichtungselement (10) in Richtung vom Brennstoffzellenstapel (3) zum Gasverteiler (4) dauerhaft gegen den Überstand (8) als auch dazu benachbart an den in vertikaler Richtung an den Überstand (8) angrenzenden Brennstoffzellenstapel (3) drängt.

Description

Brennstoffzellenanordnung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennstoffzellenanordnung gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
Brennstoffzellenanordnungen der vorliegenden Art sind im Stand der Technik bekannt, z.B. aus der Druckschrift WO 2008/110292. Sie umfassen meist mehrere zu einem Stapel zusammengefasste Brennstoffzellen sowie Gasverteiler (manifold) zum Zuführen und Abführen der Gasströme. Zwischen dem Brennstoffzellenstapel und einem Gasverteiler ist regelmäßig eine Dichtungsvorrichtung angeordnet. Die Dichtungsvorrichtung ist z.B. in Form eines (Dichtungs-)Rahmens gebildet, welcher die Dichtungselemente enthält, z.B. Längsdichtungselemente, welche dem Längsrand des Gasverteilers zur Bildung einer Längsdichtung folgen und Querdichtungselemente. Die Dichtungselemente bestehen typischerweise aus elektrisch nichtleitendem Material, wobei die Dichtungsvorrichtung z.B. die Gesamtlast des Zellstapels auf den Gasverteiler überträgt.
Während des Betriebes bewegen sich der Brennstoffzellenstapel sowie die Dichtungen relativ zueinander. Hervorgerufen werden diese Bewegungen z.B. durch Temperaturerhöhung von Raumtemperatur auf Betriebstemperatur, i.e. ca. 650°C, durch unterschiedliche Werkstoffpaarungen oder chemische Prozesse. Auch infolge des Betriebs über eine geraume Zeit können sich Bewegungen aufgrund abnehmender bzw. sich ändernder Abmessungen des Zellstapels ergeben.
Infolge derartiger Bewegungen kann sich im Bereich zwischen dem
Brennstoffzellenstapel und der Längsdichtung ein Leck bzw. eine Undichtigkeit in Form eines Spalts bilden, z.B. dadurch, dass sich der Brennstoffzellenstapel von der Längsdichtung in vertikaler Richtung entfernt, z.B. in einem Mittenbereich. Ein solcher Spalt ermöglicht ein ungewolltes Vermischen von Anoden- und Kathodengas miteinander, woraus sowohl ein gefährlicher Betriebszustand resultieren kann als auch eine Schädigung des Brennstoffzellenstapels. Bekannte Dichtungen vermögen einen solchen Spalt nicht oder nur unzureichend abzudichten.
Im Stand der Technik ist es bekannt, z.B. ein teils mehrlagiges Keramikgewebe zwischen Zellstapel und Längsdichtung anzuordnen, welches insbesondere bei geringer Verpressung undicht ist und sich bei Belastung durch die Stapelmasse pulverisiert. Das dabei entstehende Pulver kann bei einem sich öffnenden Spalt durch Druckdifferenzen über die Dichtung ausgeblasen werden, woraufhin die Abdichtung nicht mehr gewährleistet ist.
Ausgehend hiervon liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Brennstoffzellenanordnung vorzuschlagen, welche oben genannte
Nachteile überwindet und die Abdichtung eines im Bereich zwischen Brennstoffzellenstapel und Längsdichtung gebildeten Spalts zuverlässig ermöglicht.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Vorgeschlagen wird erfindungsgemäß eine Brennstoffzellenanordnung mit einem Brennstoffzellenstapel, welcher in vertikaler Richtung benachbart zu einem Gasverteiler angeordnet ist, wobei zur Abdichtung zwischen Brennstoffzellenstapel und Gasverteiler in Längsrichtung ein Längsdichtungselement zwischen Brennstoffzellenstapel und Gasverteiler vorgesehen ist, wobei das Längsdichtungselement einen den Brennstoffzellenstapel in Querrichtung überragenden Überstand entlang zumindest eines Teils der Länge des Längsdichtungselements ausbildet, wobei ein Federelement an dem Brennstoffzellenstapel angeordnet ist, welches ein Zusatzdichtungselement in Richtung vom Brennstoffzellenstapel zum Gasverteiler dauerhaft gegen den Überstand als auch dazu benachbart an den in vertikaler Richtung an den Überstand angrenzenden Brennstoffzellenstapel drängt.
Bei einer erfindungsgemäßen Ausführungsform der Brennstoffzellenanordnung weist das Federelement im Wesentlichen einen L-förmigen Querschnitt auf. Bei einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform der Brennstoffzellenanordnung weist das L-förmige Federelement einen kurzen Schenkel und einen im Vergleich dazu langen Schenkel auf, wobei das Ende des kurzen Schenkels an dem Zusatzdichtungselement zur Anlage gebracht bzw. gedrängt ist und der lange Schenkel an dem Brennstoffzellenstapel fixiert ist.
Bei noch einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform der Brennstoffzellenanordnung weist das Zusatzdichtungselement eine Aufnahme zum Eingriff des Federelements auf, insbesondere eine Nut.
Gemäß einem Aspekt der erfindungsgemäßen Brennstoffzellenanordnung ist das Zusatzdichtungselement von einer Mehrzahl von Federelementen zur Anlage gedrängt.
Gemäß noch einem erfindungsgemäßen Aspekt der Brennstoffzellenanordnung weist das Federelement eine im Vergleich zur vertikalen Erstreckung geringe Längserstreckung auf.
Vorgeschlagen wird erfindungsgemäß auch eine Brennstoffzellenanordnung, wobei das Zusatzdichtungselement ein keramisches Dichtungselement ist.
Bei einer erfindungsgemäßen Ausführungsform der Brennstoffzellenanordnung schließen vom Zusatzdichtungselement ausgebildete Anlageflächen zur Anlage an dem Brennstoffzellenstapel und dem Überstand einen im Wesentlichen rechten Winkel ein.
Bei einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform der Brennstoffzellenanordnung sind die Anlageflächen des Zusatzdichtungselements als Gleitflächen ausgebildet. Vorgeschlagen wird erfindungsgemäß auch eine Brennstoffzellenanordnung, wobei das an dem Brennstoffzellenstapel angeordnete Federelement eine Kraft in vertikaler Richtung und in Querrichtung auf das Zusatzdichtungselement ausübt.
Bei einem Aspekt der erfindungsgemäßen Brennstoffzellenanordnung erstrecken sich ein oder mehrere Zusatzdichtungselemente über wesentliche Teile der Längserstreckung des Brennstoffzellenstapels, insbesondere über dessen gesamte Länge.
Weiterhin wird erfindungsgemäße eine Brennstoffzellenanordnung vorgeschlagen, wobei zwei benachbarte Federelemente in einem Mittenbereich des Brennstoffzellenstapels in Längsrichtung einen geringeren Abstand zueinander aufweisen als in einem zum Mittenbereich benachbarten Bereich.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, anhand der Figuren der Zeichnungen, die erfindungswesentliche Einzelheiten zeigen, und aus den Ansprüchen. Die einzelnen Merkmale können je einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination bei einer Variante der Erfindung verwirklicht sein.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 exemplarisch eine Schnittansicht einer Brennstoffzellenanornd- nung gemäß einer möglichen Ausführungsform der Erfindung; und
Fig. 2 exemplarisch eine Seitenansicht der Brennstoffzellenanordnung gemäß Fig. 1.
In der nachfolgenden Beschreibung und den Zeichnungen entsprechen gleichen Bezugszeichen Elemente gleicher oder vergleichbarer Funktion.
Fig. 1 zeigt exemplarisch eine Schnittansicht (Schnitt in Querrichtung) einer erfindungsgemäßen Brennstoffzellenanordnung 1. Die Brennstoffzellenan- Ordnung 1 besteht aus zumindest einer, vorliegend beispielsweise einer Mehrzahl von Brennstoffzellen 2, welche in Längsrichtung (X) hintereinander liegend zu einem Brennstoffzellenstapel 3 zusammengefasst, z.B. verspannt sind (Fig. 2). An den Stirnseiten des Brennstoffzellenstapels 3 ist z.B. jeweils eine Endplatte auf bekannte Weise angeordnet (nicht dargestellt).
Der Brennstoffzellenstapel 3 ist in vertikaler Richtung (Y) auf bekannte Weise benachbart zu einem Gasverteiler 4 (manifold) angeordnet, z.B. einem Al-Manifold (AI: Anoden Inlet) zum Einlass von Anodengas. Der Gasverteiler 4 ist insbesondere z.B. ein verformungssteifer Gasverteiler (im Gegensatz zu z.B. elastischen Gasverteilern). Zur Abdichtung entlang des Brennstoffzellenstapels 3 zwischen dem Gasverteiler 4 und dem Brennstoffzellenstapel 3 ist eine sich in Längsrichtung (X) erstreckende Längsdichtung 5 vorgesehen, welche zum Beispiel auf bekannte Weise ein- oder mehrteilig durch Längsdichtungselemente 6 gebildet ist.
Die Längsdichtungselemente 6 sind z.B. aus dielektrischem Material gefertigt, z.B. einer Keramik, und bewirken neben einer Abdichtung auch eine Po- tentialtrennung zwischen Gasverteiler 4 und Brennstoffzellenstapel 3. Daneben können weitere Dichtelemente 7 zur Bildung der Längsdichtung 5 bzw. Unterstützung bei der Abdichtung vorgesehen sein, z.B. ein Keramikgewebe oder ein Dichtfilz, welche z.B. zwischen einem Längsdichtungselement 6 und dem Brennstoffzellenstapel 3 angeordnet sind. Der Brennstoffzellenstapel 3 stützt sich dabei an der ggf. mit einem weiteren Dichtelement 7 versehenen Längsdichtung 5 ab, insbesondere mittels einer zu diesem Zweck von je einem
Längsdichtungselement 6 ausgebildeten Anlagefläche 6a.
Erfindungsgemäß erstrecken sich ein oder mehrere Längsdichtungselemente 6 in Querrichtung (Z, Fig. 1) über den Brennstoffzellenstapel 3 hinaus, so dass (in Querrichtung (Z) außerhalb des Brennstoffzellenstapels 3) ein Balkon bzw. Überstand 8 ausgebildet wird, welcher sich entlang zumindest eines Teils der Länge der Längsdichtung 5 erstreckt, z.B. in einem Mittenbereich (in Längs- richtung) des Brennstoffzellenstapels, vorzugsweise z.B. über deren gesamte Länge.
Der Überstand 8 weist z.B. eine Anlagefläche 9 auf, welche z.B. als Gleitfläche ausgebildet ist, z.B. poliert oder geschliffen ist, und welche in vertikaler Richtung in Richtung Brennstoffzellenstapel 3 weist. Die Anlagefläche 9 kann durch die Anlagefläche 6a gebildet sein, wobei die Anlagefläche 9 erfindungsgemäß dazu vorgesehen ist, ein weiteres Dichtungselement bzw. ein Zusatzdichtungselement 10 abzustützen, wie nachfolgend erläutert wird.
Der Überstand 8 ist insbesondere z.B. integral mit je einem Längsdichtungselement 6 gebildet, kann jedoch auch daran als eigenständige Vorrichtung fixiert sein. Der Überstand 8, welcher durch ein oder mehrere Längsdichtungselemente 6 gebildet ist, bildet insbesondere z.B. eine in vertikaler Richtung über seine gesamte Länge auf im Wesentlichen gleichem Niveau angeordnete Anlagefläche 9 aus, auf welcher o.a. Zusatzdichtungselemente 10 z.B. gleitbar angeordnet werden können.
Infolge einer Bewegung bzw. Verformung des Brennstoffzellenstapels 3, z.B. aufgrund thermischer oder chemischer Vorgänge, kann sich ein seitlicher Spalt zwischen den Längsdichtungselementen 6 bzw. der Längsdichtung 5 und dem Brennstoffzellenstapel 3 bilden, insbesondere wenn sich der Zellstapel 3 aus seiner ursprünglichen, vorgesehenen Lage (Anlage an der Längsdichtung 5) in vertikaler Richtung abhebt. Daneben sind im Betrieb auch Bewegungen des Brennstoffzellenstapels 3 in Querrichtung (und in Längsrichtung) möglich, so dass sich der Spalt in Querrichtung an unterschiedlichen Stellen bilden kann.
Zur Abdichtung insbesondere eines solchen Spalts zwischen Brennstoffzellenstapel 3 und der Längsdichtung 5, ist erfindungsgemäß vorgesehen, ein oder mehrere Zusatzdichtungselemente 10 gegen den Brennstoffzellenstapel 3 (bzw. dessen Außenseite in Querrichtung) als auch den durch ein Längsdichtungselement 6 gebildeten Überstand 8 zu drängen. Dabei wird ein Zusatzdichtungselement 10 derart zur Anlage gedrängt, dass das Zusatzdichtungselement 10 den Querbewegungen des Brennstoffzellenstapels 3 folgt und dabei in vertikaler Richtung ständig gegen den Überstand 8 gedrängt bleibt, i.e. einer Abhebebewegung des Brennstoffzellenstapels 3 von der Längsdichtung 5 in vertikaler Richtung nicht folgt.
Das Zusatzdichtungselement 10 liegt dabei sowohl ständig bzw. dauerhaft an dem Überstand 8 an sowie benachbart dazu an dem in vertikaler Richtung angrenzenden Brennstoffzellenstapel 3, d.h. in einem Bereich, in welchem eine Spaltbildung zu erwarten ist. Im Fall des Brennstoffzellenstapels 3 liegt das Zusatzdichtungselement 10 folglich in Querrichtung außen an dem Brennstoffzellenstapel 3 an einem Randbereich 3a (in vertikaler Richtung) an.
Das Zusatzdichtungselement 0 weist zum Zwecke der abdichtenden Anlage eine erste 10a und eine zweite 10b Anlagefläche auf, mittels welcher es an dem Brennstoffzellenstapel 3 und dem Überstand 8 anliegt (bzw. an dem Überstand 8 aufliegt). Die Anlageflächen 10a, 10b schließen zum Beispiel einen im Wesentlichen rechten Winkel ein und sind z.B. als Gleitflächen ausgebildet, z.B. poliert oder geschliffen. Die Anordnung der Anlageflächen 10a, 10b zueinander korrespondiert insofern mit der Anordnung der Anlagefläche 9 und einer im Randbereich 3a gebildeten Anlagefläche. Das Zusatzdichtungselement 10 ist dabei z.B. ebenfalls aus dielektrischem Material gebildet, z.B. ebenfalls einer Keramik.
Das Zusatzdichtungselement 10 weist z.B. eine im Wesentlichen stab- bzw. leistenförmige oder längliche Form auf, z.B. eine Quaderform, wobei die Anlageflächen 10a, 10b z.B. je an Längsseiten zur Anlage in Längsrichtung gebildet sind. Der Querschnitt des Zusatzdichtungselements 10 ist z.B. im Wesentlichen quadratisch oder rechteckig, wobei jedoch denkbar ist, dass lediglich die zur Anlage an dem Brennstoffzellenstapel 3 bzw. dem Überstand 9 gelangenden Anlageflächen 10a, 10b einen rechten Winkel einschließen, so dass andere Querschnitte möglich sind. Das Zusatzdichtungselement 10 wird von einem federelastischen Element bzw. Federelement 11 gegen den Brennstoffzellenstapel 3 (im Randbereich 3a) und gleichzeitig gegen den Überstand 8 gedrängt, wobei das Federelement 11 vorliegend zum Beispiel die Form einer L-förmigen Feder aufweist. Daneben ist z.B. die Verwendung einer V-förmigen Feder oder anderer Federelemente denkbar. Das Federelement 11 ist an dem Brennstoffzellenstapel 3 angeordnet bzw. fixiert, z.B. in vertikaler Richtung beabstandet von dem Zusatzdichtungselement, so dass es sich zusammen mit dem Brennstoffzellenstapel 3 bewegt und insofern eine Nachführung des von ihm zur Anlage gedrängten Zusatzdichtungselements 10 bewirkt. Zur Fixierung an dem Brennstoffzellenstapel 3, z.B. an den Reformiereinheiten oder anderen Komponenten des Brennstoffzellenstapels 3, können bekannte Befestigungsverfahren und -Vorrichtungen verwendet werden, z.B. ist auch eine Befestigung mittels Abstandselementen 12 denkbar, welche einen Abstand zwischen Federelement 11 und Brennstoffzellenstapel 3 in Querrichtung herstellen, um z.B. thermische Einflüsse am Federelement 11 zu reduzieren.
Vorliegend ist das Federelement 11 als (im Querschnitt) L-förmige Feder ausgebildet, welche z.B. einen langen Schenkel 11a und einen kurzen Schenkel 11b aufweist, wobei die L-förmige Feder mittels ihres langen Schenkels 11a an der Brennstoffzellenanordnung 3 fixiert ist, derart, dass der kurze Schenkel 11 b mit seinem freien Ende zum Brennstoffzellenstapel 3 weist.
Das an dem Brennstoffzellenstapel 3 angeordnete Federelement 11 ist derart in vertikaler Richtung vom Zusatzdichtungselement 10 beabstandet fixiert, dass ein freies Ende des Federelements bzw. das freie Ende eines Schenkels gegen das an dem Brennstoffzellenstapel 3 und dem Überstand 8 anliegende Zusatzdichtungselement 10 zur Anlage gedrängt werden kann, vorliegend z.B. das freie Ende des kurzen Schenkels 11b. Zur dauerhaften Anordnung bzw. Positionsfixierung des Schenkelendes an dem Zusatzdichtungselement 10 in Querrichtung und vertikaler Richtung weist das Zusatzdichtungselement 10 eine Aufnahme 13 in z.B. Form einer Nut, z.B. einer Längsnut auf, wobei die Aufnahme 13 z.B. auf der der Anlagefläche 10a gegenüberliegenden, der Brennstoffzellenanordnung 3 abgewandten Seite des Zusatzdichtungselements 10 angeordnet ist. Die Aufnahme 13 kann sich in Längsrichtung z.B. über die gesamte Länge des Zusatzdichtungselements 10 erstrecken.
Wird das Federelement 11 bzw. das freie Schenkelende an der Aufnahme 13 bzw. der Nut in Eingriff gezwungen, erfolgt erfindungsgemäß eine Verspannung des Federelements 11 , welches zuvor bereits durch die Fixierung an dem Brennstoffzellenstapel 3 vorgespannt sein kann. Durch die Verspannung erfährt das Federelement 11 z.B. eine Durchbiegung, so dass sich eine konstant anliegende Andruckkraft am Zusatzdichtungselement 10 einstellt. Mittels der durch das Federelement 11 eingeleiteten Andruckkraft wird dabei in vertikaler Richtung gegen den Überstand 8 und in Querrichtung gegen den Brennstoffzellenstapel 3 durch das Zusatzdichtungselement 10 Druck ausgeübt, womit eine dauerhafte Abdichtung erzielt wird. Das Federelement 11 weist dabei im Vergleich zur vertikalen Erstreckung z.B. eine geringe Längserstreckung aus, so dass es ausreichend elastisch ist, z.B. auch einer zumindest geringen Längsbewegung folgen zu können.
Um eine Abdichtung entlang der gesamten Länge des Brennstoffzellenstapels 3 zu erzielen, erstrecken sich ein oder mehrere Zusatzdichtungselemente 10 über die gesamte Länge des Zellstapels 3. Im Fall mehrerer Zusatzdichtungselemente 10 sind die Zusatzdichtungselemente 10 dabei in Längsrichtung hintereinander angeordnet, wobei sie in Längsrichtung verspannt sein können, so dass sich eine lückenlose Abdichtung realisieren lässt.
Es ist dabei z.B. vorgesehen, dass je Zusatzdichtungselement 10 zwei oder mehrere Federelemente 11 in Längsrichtung benachbart zueinander angeordnet und am Zusatzdichtungselement 10 zur Anlage gedrängt werden, um eine über die Länge kontinuierliche Andruckkraft zu erhalten. In einem Mittenbereich des Brennstoffzellenstapels 3 können dabei die Abstände zweier benachbarter Federelemente 11 in Längsrichtung im Vergleich zu einem zum Mittenbereich benachbarten Bereich geringer sein, um eine hohe Andruckkraft dort zu erzielen, wo ein Spalt mit großen Abmessungen bzw. eine große Bewegungsamplitude des Brennstoffzellenstapels 3 zu erwarten ist.
Vorgesehen ist ferner, dass sämtliche Federelemente 11 in gleichem vertikalen Abstand zu den z.B. Längsdichtungselementen 6 angeordnet sind, wobei die Befestigungsvorrichtung z.B. eine derartige Einstellung ermöglicht. Zur Einstellung einer vorgesehenen Andruckkraft kann das Federelement 11 mit verschiedener Steifigkeit ausgebildet sein, wobei im Falle einer Feder, z.B. der L-förmigen Feder, auch ein entsprechendes Ablängen z.B. des Schenkels 11a, welcher das freie Ende ausbildet, eine Einstellung ermöglicht oder z.B. eine Anpassung der Fixierposition in vertikaler Richtung.

Claims

Patentansprüche
1. Brennstoffzellenanordnung (1) mit einem Brennstoffzellenstapel (3), welcher in vertikaler Richtung benachbart zu einem Gasverteiler (4) angeordnet ist, wobei zur Abdichtung zwischen Brennstoffzellenstapel (3) und Gasverteiler (4) in Längsrichtung ein Längsdichtungselement (6) zwischen Brennstoffzellenstapel (3) und Gasverteiler (4) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Längsdichtungselement (6) einen den Brennstoffzellenstapel (3) in Querrichtung überragenden Ü- berstand (8) entlang zumindest eines Teils der Länge des Längsdichtungselements (6) ausbildet, wobei ein Federelement (11) an dem Brennstoffzellenstapel (3) angeordnet ist, welches ein Zusatzdichtungselement (10) in Richtung vom Brennstoffzellenstapel (3) zum Gasverteiler (4) dauerhaft gegen den Überstand (8) als auch dazu benachbart an den in vertikaler Richtung an den Überstand (8) angrenzenden
Brennstoffzellenstapel (3) drängt.
2. Brennstoffzellenanordnung (1) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Federelement (11) im Wesentlichen einen L-förmigen Querschnitt aufweist.
3. Brennstoffzellenanordnung (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das L-förmige Federelement (11) einen kurzen Schenkel (11b) und einen im Vergleich dazu langen Schenkel (11a) aufweist, wobei das Ende des kurzen Schenkels (11b) an dem Zusatzdichtungselement (10) zur Anlage gebracht ist und der lange Schenkel (11a) an dem Brennstoffzellenstapel (3) fixiert ist.
4. Brennstoffzellenanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Zusatzdichtungselement (10) eine Aufnahme (13) zum Eingriff des Federelements (11) aufweist, insbesondere eine Nut.
5. Brennstoffzellenanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Zusatzdichtungselement (10) von einer Mehrzahl von Federelementen (11) zur Anlage gedrängt ist.
6. Brennstoffzellenanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Federelement (11) eine im Vergleich zur vertikalen Erstreckung geringe Längserstreckung aufweist.
7. Brennstoffzellenanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Zusatzdichtungselement (10) ein keramisches Dichtungselement ist.
8. Brennstoffzellenanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vom Zusatzdichtungselement (10) ausgebildete Anlageflächen (10a, 10b) zur Anlage an dem Brennstoffzellenstapel (3) und dem Überstand (8) einen im Wesentlichen rechten Winkel einschließen.
9. Brennstoffzellenanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anlageflächen (10a, 10b) des Zusatzdichtungselements (10) als Gleitflächen ausgebildet sind.
10. Brennstoffzellenanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das an dem Brennstoffzellenstapel (3) angeordnete Federelement (11) eine Kraft in vertikaler Richtung und in Querrichtung auf das Zusatzdichtungselement (10) ausübt.
11. Brennstoffzellenanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich ein oder mehrere Zusatzdichtungselemente (10) über wesentliche Teile der Längserstreckung des Brennstoffzellenstapels (3), insbesondere über dessen gesamte Länge, erstrecken.
12. Brennstoffzellenanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwei benachbarte Federelemente (11) in einem Mittenbereich des Brennstoffzellenstapels (3) in Längsrichtung einen geringeren Abstand zueinander aufweisen als in einem zum Mittenbereich benachbarten Bereich.
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