DE102006015247A1

DE102006015247A1 - Brennstoffzelle mit Isolierelement

Info

Publication number: DE102006015247A1
Application number: DE102006015247A
Authority: DE
Inventors: Stefan Dr. Haufe; Annette Dr. Reiche; Dieter Dr. Melzner; Fabian Walter
Original assignee: Sartorius AG
Current assignee: Elcore GmbH
Priority date: 2006-04-01
Filing date: 2006-04-01
Publication date: 2007-10-04
Also published as: US20070231651A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Isolierelement für Brennstoffzellenstapel, welche aus einem wärmeisolierenden Kunststoff oder Kunststoffverbundmaterial besteht. Das Isolierelement ist mit der Endplatte und der Bipolarendplatte des Stapels verbunden und erzielt nahezu eine Temperatur- und Stromdichtegleichverteilung entlang des Brennstoffzellenstapels im Zellbetrieb. Hierdurch wird die Kondensation von Produktwasser verhindert. Der Wirkungsgrad des Brennstoffzellenstapels wird erhöht, da auf eine externe Heizung des Stapels durch Zellstrom und aufwendige Meß- und Regelungstechnik verzichtet werden kann.

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle mit mindestens einem Isolierelement zur thermischen und elektrischen Isolierung eines Brennstoffzellenstapels.
Planare, bipolar verschaltete Brennstoffzellenstapel bestehen aus einer Vielzahl von seriell verschalteten Membran-Elektroden-Einheiten (MEA), wobei die elektronische Kontaktierung und die Zuführung der Reaktions- und Wärmeaustauschmedien über sogenannte Bipolarplatten (BPP) erfolgt. Die jeweils letzte BPP eines Stapels – auch als Bipolarendplatte (BPEP) bezeichnet – wird von einer Kollektorplatte (KP) kontaktiert, über die der Strom geführt wird.
Ein oder mehrere Einheiten aus einer Membran-Elektroden-Einheit und einer Bipolarplatte wird bzw. werden zwischen zwei Endplatten (EP) beispielsweise mit Zugstangen verspannt, um elektronische Übergangs-/Kontaktwiderstände zu minimieren und gleichzeitig den Anpressdruck für die Dichtungen aufzubringen, die zwischen MEA und BPP bzw. ggf. auch zwischen den beiden Kanalplatten einer BPP, zwischen BPEP und KP und/oder zwischen KP und EP angeordnet sind, um im Stapel die Mediendichtigkeit nach innen und außen zu gewährleisten.
Im Betrieb ist eine homogene Temperaturverteilung über den Brennstoffzellenstapel Voraussetzung für eine homogene Strom-Spannungs-Charakteristik aller Einzelzellen. Insbesondere über die Endplatten wird bei der Brennstoffzellenreaktion freiwerdende, nicht nutzbare Wärme an die Umgebung abgestrahlt, was zu einer ungleichmäßigen Temperaturverteilung entlang des Stapels führt. Beispielsweise kann die Temperatur der Endzellen kälter sein als die der restlichen Zellen des Stapels. Dieser Temperaturunterschied kann beispielsweise zur Kondensation von Wasser im Einlass- oder Auslassbereich des Stapels und zu einer inhomogenen Strom-Spannungskennlinie entlang des Stapels führen.
In US 20010036568 A1 wird offenbart, die Endplatte eines Brennstoffzellenstapels unter Verwendung eines Temperatursensors mit einem elektrischen Heizelement zu beheizen, um eine homogene Temperaturverteilung sicherzustellen. Auf ähnliche Weise wird in WO 2004064182 A2 offenbart, die den BPEP bzw. die den Endplatten EP benachbarten Zellen eines Stapels durch ein parallelgeschaltetes Widerstandsheizelement zu beheizen. Diese Anordnungen weisen den Nachteil auf, dass Strom zur Heizung dem Brennstoffzellenstapel entnommen wird und sich damit der Wirkungsgrad des Brennstoffzellensystems erniedrigt. Weiterhin werden zusätzliche kostenintensive Komponenten benötigt und der Regelungsaufwand erhöht sich.
In WO 2004006370 A2 weisen die Zellen eines Brennstoffzellenstapels eine modifizierte Verteilerstruktur für die Betriebsmittel auf. Der Zufluß über die Verteilerstruktur variiert in Abhängigkeit von der Lage der Einzelzelle im Brennstoffzellenstapel und erlaubt die Einstellung eines Volumenstroms für die äußeren Endzellen, der um mindestens 30% von dem der mittleren Zelle im Stapelinneren abweicht. Durch diese Modifizierung der Endzellen gegenüber den innenliegenden Zellen kann nahezu eine Temperaturgleichverteilung entlang des Stapels erreicht werden. Konstruktions- und regelungstechnisch nachteilig ist, daß die erste und letzte Brennstoffzelle des Stapels aufgrund der modifizierten Verteilerstruktur eine andere Bauweise erfordern als die dazwischenliegenden Brennstoffzellen.
Aus der JP 9007628 ist eine Brennstoffzelle mit einem thermischen Isolierblock aus Kohlenstoff bekannt, der zwischen Endplatten und einer Kohlenstoffplatte angeordnet ist. Die Kohlenstoffplatte begrenzt die letzte bzw. erste elektrische Zelle in einem Brennstoffzellenstapel. Mittels des Isolierblocks soll eine gleichmäßige Temperaturverteilung in der Brennstoffzelle erreicht werden. Nachteilig ist die große Raumbeanspruchung durch den Isolierblock, seine mechanische Empfindlichkeit auf Grund des verwendeten Materials und seine komplizierte Kanalstruktur, durch welche Medien, elektrische Kabel und Meßvorrichtungen geführt werden.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine einfach aufgebaute Brennstoffzelle mit großem Wirkungsgrad vorzuschlagen, deren Reaktionswärmeverlust an die Umgebung minimiert und deren Temperatur entlang des Stapels weitestgehend konstant ist.
Diese Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen definierten Gegenstände gelöst. Die erfindungsgemäße Brennstoffzelle weist mindestens ein Kunststoffe enthaltendes Isolierelement auf, welches aufgrund seiner wärmeisolierenden Eigenschaften den im Brennstoffzellenstapel herrschenden Temperaturgradienten minimiert. Unter Temperaturgradient soll die zwischen den zu den Endplatten benachbarten Zellen und den Zellen im Stapelinneren herrschende Temperaturdifferenz verstanden werden. Das erfindungsgemäße Isolierelement minimiert die Abkühlung der Endplatten im Außenbereich des Brennstoffzellenstapels gegenüber den Zellen im Innenbereich des Stapels und verhindert die Kondensation von Produktwasser. Das führt dazu, daß entlang des Stapels eine weitestgehend homogene Strom-Spannungskennlinie für alle Einzelzellen realisiert wird.
Das Isolierelement ist aus Kunststoff kostengünstig herstellbar und rasch in den Herstellungsprozeß für Brennstoffzellenstapel integrierbar, ohne daß die Einzelzellen des Stapels regelungstechnisch modifiziert werden müssen.
Die Erfindung soll anhand der 1, 2 und 3 und anhand des Ausführungsbeispiels näher beschrieben werden. Dabei zeigt die 1 den Aufbau eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapels mit mindestens einem Isolierelement 1. 2 zeigt eine Isolatorplatte 1 in der Aufsicht und 3 eine Isolatorplatte 1 im Schnitt. Gemäß 1 ist jeweils zwischen Endplatte 2 und Kollektorplatte 3 ein Isolierelement 1, bevorzugt in Form einer Isolierplatte, angeordnet. An die Kollektorplatte schließen sich zum Stapelinneren eine BPEP 4, eine an die BPEP grenzende MEA 5 und x Wiederholungseinheiten aus MEA 6 und Bipolarplatte 7 an, wobei x eine positive, ganze Zahl einschließlich 0 ist.
Die Isolatorplatte 1 weist nach den 2 und 3 Durchbrüche 8, bevorzugt in rechteckiger Form mit abgerundeten Ecken, für die Medienzuführung von Brenn- und Oxidationsmittel sowie für einen Wärmeträger auf. Die Durchbrüche sind durch Dichtungen ggf. zwischen EP 2 und Isolierelement 1 und/oder Isolierelement 1 und KP 3 abdichtbar. Die Dichtungen haben dieselbe Form wie die Durchbrüche 8, bevorzugt rechteckig mit abgerundeten Ecken, wobei eine Nut 9 als Vertiefung zur Aufnahme eines abdichtenden O-Ringes (nicht gezeigt) gleicher Form wie die Nut vorgesehen ist.
Die Dichtung wird von den zwei Nuten 9 der jeweils abzudichtenden, benachbarten Platten und dem einzulegenden O-Ring gebildet. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform enthält das Isolierelement 1 noch Durchbrüche 10 zur Komponentenfixierung beim Stapeln, bevorzugt kreisförmig, und eine weitere Nut 11 gleicher Ausführung wie 9, um durch einen weiteren O-Ring das Isolierelement mit der Nut seiner benachbarten Platte, bevorzugt einer EP 2 oder KP 3, abdichtbar zu verbinden.
In einer alternativen Ausführungsform (nicht gezeigt) ist die Anordnung so gestaltet, daß die Endplatte auf ihrer zum Stapeläußeren weisenden Seite von dem Isolierelement und auf ihrer zum Stapelinneren weisenden Seite von der einen Kollektorplatte eingeschlossen wird, wobei die Kollektorplatte zum Stapelinneren an die eine Bipolarendplatte grenzt.
In einer weiteren Ausführungsform (nicht gezeigt) befindet sich das erste Isolierelement zwischen Kollektorplatte und der ersten Endplatte als äußerer Stapelbegrenzung wie nach 1, während die zweite Endplatte sich zwischen der zweiten Isolierplatte als äußerer Stapelbegrenzung und der Kollektorplatte befindet. Beide Isolierplatten sind aus demselben Material oder aus verschiedenen Materialien gefertigt.
In einer weiteren alternativen Ausführungsform sind Isolierelement und Endplatte zu einem einziges Element fusioniert, das plattenförmig sein kann und dessen zum Stapelinneren weisende Seite an eine Kollektorplatte grenzt, wobei die Kollektorplatte zum Stapelinneren an eine Bipolarendplatte grenzt.
Die Wärmeleitfähigkeit der Isolatorplatte ist vorzugsweise geringer als 1,0 W/(Km), bevorzugt geringer als 0,9 W/(Km) und besonders bevorzugt geringer als 0,8 W/(Km). Die Dicke der Platte beträgt vorzugsweise 0,05 bis 5,00 cm, bevorzugt 0,1 bis 3,0 cm und besonders bevorzugt 0,4 bis 2,0 cm und erlaubt eine wenig Bauraum beanspruchende Montage.
Die Isolatorplatte 1 besteht vorzugsweise aus Kunststoff wie Polyimid, Polyamidid, Polyetheretherketon, Polyetherimid, Polyethersulfon, Polytetrafluorethylen oder Polyphenylensulfid oder Kunststoffverbundmaterialien, die diese Kunststoffe mit Glasfaser- oder Kohlenstofffaserverstärkung enthalten. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind auch geschäumte Polymere oder ein Verbundmaterial, dessen Kern aus mikroporös geschäumten Polymeren besteht, verwendbar.
Kunststoffe zeichnen sich neben einer geringen Wärmeleitfähigkeit auch dadurch aus, dass sie größtenteils elektrisch isolierend sind. Somit ist ein Kurzschluss über die Endplatten 2, die z.B. aus Stahl, Titan oder Aluminium bestehen, ausgeschlossen.
Das Material der Isolatorplatte 1 wird auf den Betriebstemperaturbereich der Brennstoffzelle abgestimmt. Die bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Isolierelements 1 können im Betriebstemperaturbereich bis 250 °C eingesetzt werden. Das für die Isolatorplatte 1 verwendete Material wird durch die Dauergebrauchstemperatur gekennzeichnet, welche zweckmäßig oberhalb der Betriebstemperatur des Brennstoffzellenstapels liegt. Bei der Dauergebrauchstemperatur ist das Isolierelement 1 nahezu unbegrenzt ohne chemische, thermische oder mechanische Zersetzung unter Erhalt der erfindungsgemäßen isolierenden Eigenschaften einsetzbar. Eine Übersicht zu den für das Isolierelement 1 verwendeten Materialien und deren Eigenschaften enthält Tabelle 1.
Beispiel:
Die Isolatorplatte 1 besteht aus mit 40 Gew.% Glasfaser verstärktem Polyphenylensulfid (Tecatron GF 40, Ensinger). Das Material besitzt eine Dauergebrauchstemperatur von 230 °C und hat eine Wärmeleitzahl von 0,25 W/(Km) sowie einen spezifischen Durchgangswiderstand von 10¹³ Ωcm (vgl. Tabelle 1). Die Isolatorplatte 1 ist 5,0 mm dick und weist, wie in 2 und 3 dargestellt, jeweils einen Durchbruch 8 für Luft und Brenngas auf. Die Abdichtung der Mediendurchbrüche in der Isolatorplatte 1 zur Kollektorplatte 3 und zur Endplatte 2 erfolgt mittels eines in einer Nut 9 befindlichen O-Rings. Der O-Ring (38,0 × 1,5 mm) besteht aus Viton (FPM 80) und liegt 1,0 mm in der Nut 9. Tab. 1:

Claims

Brennstoffzelle mit zwei Endplatten (2), welche mindestens einen Brennstoffzellenstapel sandwichartig halten, der wenigstens aus einer Abfolge von einer ersten Kollektorplatte (3), einer ersten Bipolarendplatte (4), einer Membranelektrodeneinheit (5), einer Anzahl x Wiederholungseinheiten aus Bipolarplatte (7) und Membranelektrodeneinheit (6), einer zweiten Bipolarendplatte (4) und einer zweiten Kollektorplatte (3) besteht, wobei x eine positive ganze Zahl, einschließlich 0, ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoffzelle zu den Endplatten benachbarte, Kunststoff enthaltende Isolierelemente (1) aufweist.
Brennstoffzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierelemente (1) wenigstens thermische Isolierelemente sind.
Brennstoffzelle nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierelemente (1) thermische und elektrische Isolierelemente sind.
Brennstoffzelle nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierelemente (1) auf der dem Brennstoffzellenstapel zugewandten Seite der Endplatten (2) angeordnet sind.
Brennstoffzelle nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierelemente (1) in die Endplatte (2) integriert sind.
Brennstoffzelle nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierelemente (1) eine Wärmeleitfähigkeit von weniger als 1,0 W/(Km) aufweisen.
Brennstoffzelle nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierelemente (1) Platten darstellen.
Brennstoffzelle nach den Ansprüchen 1 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Platten der Isolierelemente (1) mindestens 0,05 cm beträgt.
Brennstoffzelle nach den Ansprüchen 1, 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Platte Durchbrüche (8) für die Zuführung von mindestens einem Medium hat.
Brennstoffzelle nach den Ansprüchen 1 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchbrüche (8) Dichtungen aufweisen.
Brennstoffzelle nach den Ansprüchen 1, 9 und 10, dadurch gekennzeichnet, daß mittels der Dichtungen die Durchbrüche (8) zwischen Endplatte (2) und Isolierelement (1) und/oder zwischen Isolierelement (1) und der Kollektorplatte (3) abdichtbar sind.
Brennstoffzelle nach den Ansprüchen 1 und 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das mindestens eine Medium ein Brennstoff und/oder Oxidationsmittel und/oder ein Wärmeaustauschmittel ist.
Brennstoffzelle nach den Ansprüchen 1 und 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Platten der Isolierelemente (1) aus mindestens einem Kunststoffverbundmaterial bestehen.
Brennstoffzelle nach den Ansprüchen 1 und 7 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der mindestens eine Kunststoff Polytetrafluorethylen, Polyphenylensulfid, Polyimid, Polyamidid, Polyetheretherketon, Polyetherimid, Polysulfon und/oder ein geschäumtes Polymer ist.
Brennstoffzelle nach den Ansprüchen 1 und 7 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß das mindestens eine Kunststoffverbundmaterial glasfaser- oder kohlenstofffaserverstärktes Polytetrafluorethylen, glasfaser- oder kohlenstofffaserverstärktes Polyphenylensulfid, glasfaser- oder kohlenstofffaserverstärktes Polyimid, glasfaser- oder kohlenstofffaserverstärktes Polyamidimid, glasfaseroder kohlenstofffaserverstärktes Polyetheretherketon, glasfaser- oder oder kohlenstofffaserverstärktes Polyetherimid, und/oder glasfaser- oder oder kohlenstofffaserverstärktes Polysulfon ist.
Brennstoffzelle nach den Ansprüchen 1, 13 und 15, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens der Kern des mindestens einen Kunststoffverbundmaterials aus einem mikroporösen, geschäumten Polymer besteht.
Brennstoffzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die im Betriebstemperaturbereich des Brennstoffzellenstapels bis 250 °C einsetzbar ist.