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1. WO2006050895 - BRENNSTOFFZELLENSTAPEL MIT EXTERNER MEDIENVERSORGUNG

Anmerkung: Text basiert auf automatischer optischer Zeichenerkennung (OCR). Verwenden Sie bitte aus rechtlichen Gründen die PDF-Version.

[ DE ]

Brennstoffzellenstapel mit externer Medienversorgung

Die Erfindung bezieht sich auf einen Brennstoffzellenstapel mit externer Medienversorgung, umfassend eine Mehrzahl gestapelter Brennstoffzellenelemente, die jeweils eine protonenleitende Polymermembran enthalten, die zwischen einer flächigen Anoden-Elektrode und einer flächigen Kathoden-Elektrode angeordnet ist, die jeweils mit einer Separatorplatte in Kontakt stehen, die Kanalstrukturen zur Zuführung von Reaktionsgas, Abführung von überschüssigem Reaktionsgas und entstehendem Wasser und / oder zur Verteilung eines Wärmeträgers aufweist, und weiter umfassend wenigstens ein mit Kanalstrukturen einer Mehrzahl von Separatorplatten verbundenes Sammel-/Verteilerbehältnis zum Sammeln abgeführten Wassers oder Kühlmittels oder zum Verteilen von Reaktionsgas oder Kühlmittel, wobei das Sammel-/Verteilerbehältnis als eine eine Mehrzahl von Brennstoffzellenelementen überspannende Haube ausgebildet ist, deren Rand gegenüber den überspannten Brennstoffzellenelementen abgedichtet ist, wobei die Abdichtung wenigstens eine erste, als Feststoffdichtung ausgebildete Dichtungsschicht und eine zweite, in unmittelbarem Kontakt zu den überspannten Brennstoffzellenelementen stehende Dichtungsschicht, die Absätze zwischen benachbarten Brennstoffzellenelementen wenigstens teilweise ausgleicht, aufweist.

Eine derartige Brennstoffizellenanordnung ist bekannt aus US 6,660,422 B2.

Es sind unterschiedliche Typen von Brennstoffzellen bekannt. Insbesondere bei sogenannten Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellen (PEMFCs Proton Elektrolyte Membrane Fuel Cells) ist eine protonenleitfähige Membran vorgesehen, die beidseitig von Elektroden kontaktiert wird. Die Elektroden umfassen üblicherweise eine katalytisch aktive Schicht, beispielsweise aus platinbeschichtetem Ruß, welche in direktem Kontakt mit dem Protonenleiter steht, sowie poröse, elektronisch leitfähige Strukturen, die dem Transport der Reaktionsgase zu der katalytisch aktiven Schicht dienen. Letztgenannte Strukturen werden üblicherweise als Gasdiffüsionsstrukturen bezeichnet. Sie können beispielsweise aus porösem Kohlenstoffpapier, -gewebe oder -vlies aufgebaut sein. Membran und Elektroden werden üblicherweise als eine mit „MEA" (Membrane-electrode-assambly) bezeichnete Einheit ausgebildet.

Zum Betrieb der Brennstoffzelle wird der als Anode wirkenden Elektrode Wasserstoffgas oder wasserstofϊhaltiges Gas zugeführt. Die genaue Zusammensetzung des Gases hängt von der speziellen Beschaffenheit der übrigen Brennstoffzelle ab.

Gleichzeitig wird der zweiten, als Kathode wirkenden Elektrode Sauerstoffgas oder sauerstoffhaltiges Gas zugeführt. An der Anode wird der Wasserstoff katalytisch oxidiert:

H2→2H++2e .

Die dabei freiwerdenden Elektronen werden über die Elektrode an den Verbrauer abgeführt und die entstehenden Protonen wandern durch den Elektrolyten auf die Kathodenseite, wo sie mit Sauerstoff zu Wasser umgesetzt werden. Die notwendigen Elektronen werden über die Elektrode zugeführt:

'/2O2 + 2lt+ 2e →H2O.

Der Ladungstransport durch den Elektrolyten erfolgt im Falle der PEMFC beispielsweise über Migration von H3θ+-Ionen und / oder Hoppingprozesse von Protonen.

Zur praktischen Umsetzung wird eine derartige Elementarzelle üblicherweise zwischen zwei Plattenstrukturen eingebettet, die verschiedene Aufgaben übernehmen. Zum einen dienen sie der Stabilisierung der in der Regel flexiblen MEA. Zweitens dienen sie der Zu-und Abfuhr der Reaktionsgase sowie der Abfuhr des entstehenden Wassers. Drittens können sie zum Wärmemanagement, d.h. insbesondere zur Abfuhr der entstehenden Abwärme genutzt werden, wenn separate Kanalstrukturen für einen Wärmeträger (flüssig oder gasförmig) in den einzelnen Platten integriert bzw. eingelassen sind. Viertens dienen sie der Ableitung des erzeugten Stroms. Fünftens werden von diesen Plattenstrukturen Dichtungsaufgaben erfüllt, da eine Mischung bzw. ein Übertritt der Reaktionsgase untereinander und / oder mit Kühlmittel auf jeden Fall vermieden werden muss.

Im Fall von Brennstoffzellen, die aus einem Stapel von Elementarzellen aufgebaut sind, sogenannten Stacks, trennen die Plattenstrukturen jeweils die Anode einer ersten Elementarzelle von der Kathode der benachbarte Elementarzelle. Man spricht daher häufig von Bipolarplatten oder allgemeiner von Bipolarseparatoren. Diese bestehen im Allgemeinen aus Graphit, Graphit-Polymer-Kompositwerkstoffen oder aus Metallen bzw. Metalllegierungen. Die einen Abschnitt eines Brennstoffzellenstapels begrenzenden Separatorplatten, denen keine weitere Elementarzelle benachbart ist, sind selbstverständlich nicht als Bipolar- sondern als Monopolarplatten ausgebildet. Sowohl Bipolar- als auch Monopolarplatten sollen im Rahmen dieser Beschreibung als „Separatorplatten" angesprochen werden.

Zur Versorgung der Separatorplatten mit Reaktionsgasen und / oder Kühlmittel bzw. zur Abführung von überschüssigen Reaktionsgasen und entstehendem Wasser und / oder Kühlmittel sind häufig externe Verteilungs-/Sammelbehältnisse vorgesehen, die mit den entsprechenden Kanalstrukturen der Separatorplatten in Verbindung stehen. Wesentlich ist dabei eine gute Abdichtung der verschiedenen Kreisläufe gegeneinander und gegen die Umgebung, da eine Leckage zu einem Austritt des Wärmeträgers und / oder unbeabsichtigter Reaktionsgasmischung führt, was zu einer Schädigung der Zellen des Brennstoffzellenstapels fuhren kann.

Aus der genannten US 6 660 422 Bl ist ein Brennstoffzellenstapel mit einem externen Verteilerbehältnis für Reaktionsgas bekannt. Das Behältnis ist als Haube ausgebildet, deren Rand über eine Feststoffdichtung auf zwei Endplatten aufliegt, die einen von der Haube überspannten Abschnitt des Brennstoffzellenstapels begrenzen. Die einzelnen Brennstoffzellenelemente des Abschnittes sind aus fertigungstechnischen Gründen unregelmäßig gegeneinander versetzt, so dass zwischen einzelnen Elementen Absätze auftreten, die durch die Feststoffdichtung, zu der sich ein Spalt ergibt, nur ungenügend abgedichtet werden. Eine typische Größenordnung dieser Absätze bzw. des Spaltes liegt bei etwa 0,1 mm.

Um über den gesamten Brennstoffzellenstapel ein dichtendes Aufsitzen des Haubenrandes auf den Kanten der Elementarzellen zu gewährleisten, ist eine zweite Dichtungsschicht aus bei niedrigen Temperaturen aushärtendem Silikonkautschuk vorgesehen. Dieses Material lässt sich in flüssiger Form auf die Kanten der Elementarzellen auftragen und anschließend aushärten, so dass ein formstabiler Ausgleich der Absätze zwischen den Elementarzellen erfolgt. Die Feststoffdichtung wechselwirkt dann mit der ebenen Oberfläche dieser zweiten Dichtungsschicht, so dass insgesamt eine zuverlässige Abdichtung des Haubenrandes gegenüber dem Brennstoffzellenstapel erfolgt. Wird nun der Verteilerraum mit Reaktionsgas befüllt, ist eine Leckage nach außen ausgeschlossen und das Gas dringt ausschließlich in die in den Separatorplatten vorgesehen Kanaleingänge für das Reaktionsgas ein.

Nachteilig bei dieser bekannten Abdichtung ist, dass bei einem Austausch einzelner Brennstoffzellenelemente die ausgehärtete zweite Dichtungsschicht wenigstens bereichsweise zerstört werden muss. Dies liegt zum einen an der erheblichen Adhäsion des ausgehärteten Materials an den Kanten der Elementarzellen und zum anderen an der unvollkommenen Reproduzierbarkeit des Versatzes beim Einsetzen eines neuen Elementes. Es ist daher stets erforderlich, nach Einsatz eines neuen Elementes die zweite Dichtungsschicht entweder vollständig zu entfernen und neu aufzutragen oder nur einen Teilbereich neu aufzutragen, wobei es jedoch an den Stoßstellen „alter" Dichtung mit „neuem" Dichtungsmaterial zu Brüchen und Undichtigkeiten kommen kann.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen gattungsgemäßen Brennstoffzellenstapel derart weiterzubilden, dass nach Auswechseln eines Brennstoffzellenelementes eine erneute Abdichtung weniger aufwendig und zuverlässiger als bislang erfolgen kann.

Diese Aufgabe wird in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriff von Anspruch 1 dadurch gelöst, dass die zweite Dichtungsschicht aus einem hochviskosen, dauerplastischen Kunststoffmaterial besteht.

Im Unterschied zum Stand der Technik wird erfindungsgemäß für die zweite Dichtungsschicht ein Kunststoffmaterial verwendet, das nicht aushärtet. Es verbleibt in einem hochviskosen, plastischen, d.h. im Wesentlichen zähflüssigen Zustand, ohne dass eine nennenswerte Materialumwandlung erfolgt. Die notwendige Dichtwirkung und Formstabilität wird durch die hohe Viskosität gewährleistet, die vorzugsweise zwischen 5x105 und 2x106 mPas (Millipascalsekunden) und besonders bevorzugt zwischen 9, 5x105 und l,65xlθ6 mPas liegt.

Insbesondere für Hochtemperatur-Brennstoffzellen weist das für die dauerplastische

Dichtung verwendete Kunststoffinaterial eine Temperaturstabilität im Bereich von -50°C bis mindestens +200°C und besonders bevorzugt wenigstens kurzfristig über +250°C auf.

Obgleich dem Fachmann verschiedene derartige Materialien bekannt sind, wird die Wahl eines Polyesterharzes oder eines Polyurethans bevorzugt. Derartige Materialien sind beispielsweise unter den Handelsnamen Plast-o-Seal der Fa. Weicon GmbH & Co KG, Münster, Deutschland, bzw. unter dem Namen Hylomar der Fa. UKA-Knoch, Bruchsal, Deutschland, erhältlich.

Vorzugsweise erstreckt sich die Feststoffdichtung über einen Abschnitt der

Brennstoffzellenanordnung, der von zwei endständigen Separatorplatten, auf deren Kanten die Feststoffdichtung jeweils aufliegt, begrenzt ist, wobei kein Brennstoffzellenelement des Abschnitts über die von den Kanten der endständigen Separatorplatten aufgespannten Ebene hinausragt. Dies ist günstig, da hierdurch die Oberfläche der zweiten Dichtungsschicht durch die Unterseite der Feststoffdichtung in einer Ebene definiert werden kann. Würden einzelne Elementarzellen über die durch die Kanten der endständigen Separatorplatten definierte Ebene hinausragen, hätte dies eine entsprechende Verwerfung der Feststoffdichtung zur Folge, was wiederum zu ungenügender Dichtung des Sammel-/yerteilerbehältnisses fuhren könnte.

Kleinere derartige Verwerfungen ließen sich jedoch bei entsprechend dicker und elastischer Ausgestaltung der Feststoffdichtung, die vorzugsweise als Flach- oder Profildichtung ausgebildet ist, kompensieren. Die Feststoffdichtung weist daher vorzugsweise nur eine mittlere bis geringe Härte im Bereich der Shore-A-Härte 90 bis 20 auf. Als Materialien für die Feststoffdichtung eignen sich insbesondere Perfluor-Kautschuk (FFKM, FFPM), Fluor-Kautschuk (FPM), Fluorkarbon-Kautschuk (FKM), Fluor-Silikon-Kautschuk (MFQ, FVMQ), Silikon-Kautschuk (MVQ, VMQ), Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk (EPDM) und andere. Die genannten Materialien sind insbesondere für höhere Temperaturbereiche, d.h. Hochtemperatur-Brennstoffzellen mit Arbeitstemperaturen bis ca. 200°C geeignet.

Die erfindungsgemäße Abdichtung mittels einer zweiten, dauerelastischen Dichtungsschicht ist für Absatzhöhen bzw. Spaltbreiten von weniger als ca. 0, 1 mm gut geeignet. Bei größeren Absatzhöhen oder Spaltbreiten kann es sein, dass die Viskosität des Materials nicht ausreicht, um genügende Formstabilität und somit gute Dichtung zu ermöglichen. Bei einer Weiterbildung der Erfindung ist daher vorgesehen, dass zwischen der ersten Dichtungsschicht und der zweiten Dichtungsschicht eine dritte Dichtungsschicht vorgesehen ist, die aus einem flüssig aufgetragenen und anschließend ausgehärteten Kunststoffmaterial besteht. Bei dieser Ausführungsform wird der unmittelbare Kontakt zu den unebenen Kanten des Brennstoffzellenstapels wiederum durch die dauerplastische, hochviskose, zweite Dichtungsschicht gewährleistet. Lediglich die Absätze, die durch diese zweite Dichtungsschicht nicht vollständig ausgeglichen werden konnten, werden vorteilhafterweise durch diese zusätzliche, dritte Schicht aus aushärtendem Kunststoff ausgeglichen. Auch eine eventuelle Auffüllung des Spaltes bis zum Niveau der Kanten der endständigen Separatorplatten, auf denen die Feststoflfdichtung aufliegt, kann von der dritten Dichtungsschicht gewährleistet werden. Als Material hierfür eignet sich u.a. beispielsweise Silikon-Kautschuk (MVQ, VMQ).

Zwar zeigt diese dritte Dichtungsschicht den oben im Rahmen der Diskussion des Standes der Technik erwähnten Nachteil, dass sie beim Austausch eines einzelnen Brennstoffzellenelementes wenigstens teilweise zerstört werden muss. Allerdings ist das Problem stark reduziert, da zum einen die Adhäsion zwischen dritter Dichtungsschicht und Brennstoffzellenstapel durch die hochviskose, dauerplastische zweite Dichtungsschicht deutlich verringert ist. Zum anderen fallen mögliche Unvollkommenheiten an der Grenze „alter" und „neuer" Dichtung nicht stark ins Gewicht, da die wesentliche Dichtung im Bereich der Kante des Brennstoffzellenstapels weiter von der dauerplastischen zweiten Dichtungsschicht gewährleistet wird.

Aufgrund seines im Wesentlichen flüssigen Zustandes kann das dauerplastische Dichtungsmaterial mit einer Spritze oder ähnlichen Hilfsmitteln positionsgenau in Form eines Rahmens auf die Kanten des Brennstoffzellenstapels aufgetragen und z.B. mit einem Pinsel vergleichmäßigt werden. In einem nächsten Schritt können dann die Feststoffdichtung und im Anschluss das Verteilerbehältnis aufgesetzt werden. Letzteres wird über Endplatten mit dem Stapel verspannt. Im Fall der Abdichtung mittels dreier Dichtungsschichten wird zunächst die dauerplastische Dichtung in vorgenannter Weise aufgetragen. In einem zweiten Schritt wird das aushärtende Elastomer aufgebracht, vergleichmäßigt (beispielsweise durch Anpressen eines Rahmens (aus PTFE-Folie oder ähnlichem Material) und ausgehärtet. Dies kann, je nach Materialwahl, durch Temperatur, Feuchtigkeit oder auf ähnliche Weise erfolgen. Nach Abziehen des Vergleichmäßigungsrahmens werden dann die Feststoffdichtung und das Verteilerbehältnis aufgesetzt.

Die Vorteile der Erfindung sind offensichtlich. So ermöglicht die Erfindung ein schnelleres Zusammenbauen von Stapeln im Prototypenbau, bei dem aus Kostengründen häufig auf Elemente mehrfach zurückgegriffen wird. Ein aufwendiges Reinigen der Platten von Resten ausgehärteten Dichtungsmaterials entfällt. Weiter ist ein schnelles Wechseln einzelner defekter Elemente des Stapels möglich, was zu Zeit- und Kostenersparnis fuhrt. Weiter wird ein leichteres Recycling des Brennstoffzellenstapels bei der Entsorgung ermöglicht, da ein aufwendiges Reinigen der einzelnen Elemente von Dichtungsmaterial entfällt. Schließlich wird die Abdichtung des Sammel-/Verteilerbehältnisses gegenüber dem Brennstoffzellenstapel zuverlässiger.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden, speziellen Beschreibung sowie den Zeichnungen.

Es zeigen:

Figur 1 : eine schematische Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen

Brennstoffszellenstapels gemäß einer ersten Ausfuhrungsform;

Figur 2: eine schematische Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen Brennstoffszellenstapels gemäß einer zweiten Ausfuhrungsform;

Figur 3: eine schematische Draufsicht auf einen erfindungsgemäßen

Brennstoffzellenstapel vor Aufsetzen des Sammel-/Verteilerbehältnisses.

Figur 1 zeigt die Schnittansicht eines Brennstoffzellenstapels 10. Der Brennstoffzellenstapel 10 ist aufgebaut aus einer Mehrzahl von Brennstoffzellenelementen 12. Ein mehrere Elemente 12 umfassender Abschnitt des Brennstoffzellenstapels 10 ist durch endständige Separatorplatten 14 begrenzt, die in elektrischem Kontakt zu Stromableitungen 16a, 16b unterschiedlicher Polarität stehen. Der Brennstoffzellenstapel 10, der im gezeigten Ausfuhrungsbeispiel aus nur einem Stapelabschnitt besteht, wird außen durch Endplatten 18 begrenzt, über die mittels einer nicht dargestellten Verspannvorrichtung die Elemente 12 zu einem Stapel zusammengepresst und gehalten werden.

Aus fertigungstechnischen Gründen können beim Aufbau des Stapels die einzelnen Elemente 12 oft nicht bündig aneinander gelegt werden, so dass zwischen den Rändern der einzelnen Elemente Absätze entstehen, wie im oberen Bereich von Figur 1 deutlich erkennbar.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, die Absätze zwischen den Elemente 12 mittels eines dauerplastischen, hochviskosen Dichtungsmittels 20 dichtend auszugleichen. Durch die hohe Viskosität ist eine hinreichende Formstabilität gegeben, um dauerhafte Dichtung zu gewährleisten. Man beachte, dass die Absätze zwischen den Elementen 12 in Figur 1 übertrieben und nicht maßstabsgerecht dargestellt sind. Übliche Größenordnungen dieser Absätze liegen im Bereich von ca. 0,1 mm.

Die in Figur 1 obere Oberfläche der Dichtungsschicht 20 bildet die Kontaktfläche zu einer FeststofFdichtung 22, welche auf den endständigen Separatorplatten 14 aufliegt und die Elemente 12 überspannt. Die FeststofFdichtung 22, die beispielsweise als Flach- oder Profildichtung ausgebildet sein kann, dichtet die Ränder eines haubenartigen Sammel-/Verteilerbehältnisses 24 ab, welches einen abgedichteten Sammel-/Verteilerraum 25 bildet, der mit den Kanten der Elemente 12 in Kontakt steht.

Figur 2 zeigt eine weitere Ausfuhrungsform der Erfindung, die in Fällen vorteilhaft ist, in denen die Absätze zwischen den Elementen 12 bzw. der Spalt zwischen den Elementen 12 und der FeststofFdichtung 22 größer als ca. 0,1 mm sind. Auch in diesem Fall wird eine Schicht 20 aus dauerplastischem, hochviskosem Dichtungsmaterial unmittelbar auf die Kanten der Elemente 12 aufgetragen. Allerdings ist eine Viskosität, die noch eine flüssige Auftragung mit Pinsel oder Spritze erlaubt, nicht ausreichend, um größere Spalte mit ausreichender Formstabilität zu überbrücken. Es ist daher, wie in Figur 2 gezeigt, vorgesehen, zwischen der dauerplastischen Dichtungsschicht 20 und der Feststoffdichtung 22 eine weitere Dichtungsschicht 26 aus einem aushärtenden Elastomer anzuordnen. Nach Aushärten dieser zusätzlichen Dichtungsschicht 26 ist die erforderliche Formstabilität der Dichtung insgesamt gewährleistet, wobei jedoch die Vorteile, die sich aus der erfindungsgemäßen Auftragung einer dauerplastischen, hochviskosen unteren Dichtungsschicht 20 ergeben, erhalten bleiben.

Figur 3 zeigt eine Draufsicht auf die Brennstoffzellenanordnung der Figuren 1 und 2, jedoch ohne aufgesetztes Sammel-/Verteilerbehältnis. Die in Figur 3 angegebenen Bezugszeichen entsprechenden denjenigen in den Figuren 1 und 2.

Natürlich stellen die in der speziellen Beschreibung und den Figuren erläuterten Ausfuhrungsbeispiele lediglich illustrative Ausfuhrungsformen der Erfindung dar, die vom Fachmann in vielfältiger Weise abgeändert werden können. Insbesondere sind Anzahl, Größe und geometrische Anordnung der Elemente 12 im Brennstoffzellenstapel 10 in weiten Bereichen variierbar. Auch könnte, anders als in Figur 2 dargestellt, die zusätzliche Dichtungsschicht 26 aus aushärtbarem Elastomer auch die Endplatten 14 überlappen, so dass die Haube des Sammel-/Verteilerbehältnisses 24 im Bereich der entständigen Separatorplatten 14 auf einer doppelten Dichtungsschicht aufliegt.