DE19517451A1 - Fuel-cell stack assembly with bipolar metal sheets - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzellenanordnung, die eine Anzahl von in einem Stapel angeordnete, durch Bipo larbleche voneinander getrennte und jeweils eine von einem Brenngas angeströmte Anode, eine von einem Kathodengas an geströmte Kathode und eine zwischen Anode und Kathode ange ordnete Elektrolytmatrix aufweisenden Brennstoffzellen ent hält.The invention relates to a fuel cell arrangement, the a number of stacked, by bipo larbleche separated and one by one Anode, supplied by fuel gas, one from a cathode gas flowed cathode and one between anode and cathode ordered electrolyte matrix having fuel cells holds.
Bei den heute am meisten verbreiteten Brennstoffzellenan ordnungen sind eine Anzahl von einzelnen Brennstoffzellen, die jeweils eine Anode, eine Kathode und eine zwischen An ode und Kathode angeordnete Elektrolytmatrix sowie eine Bi polarplatte zur Trennung und elektrischen Kontaktierung von Anode und Kathode benachbarter Brennstoffzellen umfassen, in Form eines Brennstoffzellenstapels übereinander angeord net. Die Bipolarplatten dienen neben der elektrischen Kon taktierung und der gastechnischen Trennung benachbarter Brennstoffzellen der Aufgabe, an der jeweiligen Anode bzw. Kathode der benachbarten, von der Bipolarplatte getrennten Brennstoffzellen den für das Vorbeiströmen des Brenngases bzw. des Kathodengases benötigten Gasraum zur Verfügung zu stellen. Auf diese Weise sind die Brennstoffzellen mit Hilfe der Bipolarplatten elektrisch seriell verschaltet. Gastechnisch gesehen sind die Brennstoffzellen dagegen par allel verschaltet, da sie von dem Brenngas von einer Brenn gaseinlaßseite zu einer Brenngasauslaßseite in einer ersten Richtung durchströmt werden, wogegen sie von dem Kathoden gas von einer Kathodengaseinlaßseite zu einer Kathodengas auslaßseite in einer zweiten, überlicherweise zu der ersten Richtung senkrechten Richtung durchströmt werden.The most common fuel cells today regulations are a number of individual fuel cells, the one anode, one cathode and one between an ode and cathode arranged electrolyte matrix and a bi polar plate for separation and electrical contacting of Anode and cathode of adjacent fuel cells include arranged one above the other in the form of a fuel cell stack net. The bipolar plates are used in addition to the electrical con clocking and the gas separation of neighboring Fuel cells of the task at the respective anode or Cathode of the neighboring one, separated from the bipolar plate Fuel cells for the flow of fuel gas or the cathode gas required gas space available put. In this way, the fuel cells are with With the help of the bipolar plates electrically connected in series. In terms of gas technology, however, the fuel cells are par allel interconnected because it is from the fuel gas from a burner gas inlet side to a fuel gas outlet side in a first Direction are flowed through, whereas the cathode gas from a cathode gas inlet side to a cathode gas outlet side in a second, usually to the first Flow in the direction vertical direction.
Fig. 2 zeigt in perspektivischer Darstellung einen heraus gebrochenen Teil einer herkömmlichen Bipolarplatte. Diese Bipolarplatte ist aus fünf einzelnen Elementen aufgebaut. Dies sind ein üblicherweise aus Edelstahl hergestelltes und anodenseitig vernickeltes Bipolarblech 16, welches die Trennung der Gasräume bewirkt, ein perforierter, wellblech artig geformter anodenseitiger Stromkollektor 15a ebenfalls aus vernickelten Edelstahl, dessen Aufgabe es ist, den Strom an der Anode zu Sammeln, den anodenseitigen Gasraum zu bilden und der weiterhin Platz für die Aufnahme eines Katalysatormaterials in Form von Katalysatorpellets 19 für eine interne Reformierung bieten kann. Über dem anodensei tigen Stromkollektor 15a ist eine anodenseitige perforierte Platte 17a aus Nickel angeordnet, welche die unmittelbare Kontaktfläche für die Anode bildet. Auf der entgegengesetz ten Seite des Bipolarblechs 16 befindet sich ein perforier ter, wellblechartig geformter kathodenseitiger Stromkollek tor aus Edelstahl, der den kathodenseitigen Gasraum bildet. Auf der dem Bipolarblech 16 entgegengesetzten Seite dessel ben ist eine kathodenseitige perforierte Platte 17b ange ordnet, welche die Kathode abstützt und kontaktiert. Durch an den Längsseiten des Bipolarblechs 16 angeordnete Schie nen 18 werden die Gasräume an den Anoden bzw. Kathoden seitlich begrenzt. Fig. 2 shows a perspective view of a part of a conventional bipolar plate broken out. This bipolar plate is made up of five individual elements. These are a bipolar plate 16 , which is usually made of stainless steel and is nickel-plated on the anode side, which effects the separation of the gas spaces, a perforated, corrugated sheet-shaped anode-side current collector 15 a, also made of nickel-plated stainless steel, whose job it is to collect the current at the anode, the anode-side To form gas space and which can also offer space for the accommodation of a catalyst material in the form of catalyst pellets 19 for internal reforming. Above the anodensei term current collector 15 a, an anode-side perforated plate 17 a made of nickel is arranged, which forms the direct contact surface for the anode. On the opposite side of the bipolar plate 16 there is a perforated, corrugated sheet shaped cathode-side current collector made of stainless steel, which forms the cathode-side gas space. On the opposite side of the bipolar plate 16 ben is a cathode-side perforated plate 17 b is arranged, which supports and contacts the cathode. By arranged on the long sides of the bipolar plate 16 rails 18 , the gas spaces at the anodes or cathodes are laterally limited.
Bei einer Brennstoffzellenanordnung, bei der die einzelnen Brennstoffzellen durch eine solchermaßen aufgebaute Bipo larplatte voneinander getrennt sind, besteht ein Nachteil darin, daß die dabei verwendeten perforierten wellblechar tigen Stromkollektoren als teure Tiefziehteile aus Nickel blech hergestellt werden müssen. Die bei der Perforierung des Nickelblechs für die Stromkollektoren und die perfo rierten Platten entstehenden Stanzgrate bieten Angriffs punkte für die in den Brennstoffzellen herrschende korro sive Atmosphäre, wodurch die Lebensdauer der Brennstoffzel len begrenzt wird. Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß die verwendeten Stromkollektoren keine Federeigenschaften haben und somit der Brennstoffzellenstapel in sich sehr steif ist, somit Probleme hinsichtlich der bei seinem Be trieb vorkommenden thermischen Dehnungen auftreten können.In a fuel cell arrangement in which the individual Fuel cells through a bipo constructed in this way Larplatte are separated from each other, there is a disadvantage in that the perforated wellblechar used current collectors as expensive deep-drawn parts made of nickel sheet must be manufactured. The perforation of the nickel sheet for the current collectors and the perfo Stamped burrs created on the plates offer attack points for the corro in the fuel cells sive atmosphere, which increases the lifespan of the fuel cell len is limited. Another disadvantage is that the current collectors used have no spring properties have and thus the fuel cell stack in itself very is stiff, thus problems with regard to its loading occurring thermal expansions can occur.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Brenn stoffzellenanordnung anzugeben, bei der der Stromkollektor einfach herstellbar ist, aus wenigen Bestandteilen besteht und eine hohe Lebensdauer aufweist.The object of the present invention is a burning specify cell arrangement in which the current collector is easy to manufacture, consists of a few components and has a long service life.
Diese Aufgabe wird gemäß der vorliegenden Erfindung dadurch gelöst, daß zwischen der Anode und dem der Anode benachbar ten Bipolarblech und zwischen der Kathode und dem der Ka thode benachbarten Bipolarblech jeweils ein durch ein Drahtgewebematerial gebildeter Stromkollektor angeordnet ist, der an der jeweiligen Anode bzw. Kathode einen Strö mungsquerschnitt zum Vorbeiführen des Brenngases bzw. Ka thodengases und einen elektrischen Kontakt zu dem jeweils benachbarten Bipolarblech herstellt.This object is achieved according to the present invention solved that between the anode and that of the anode adjacent ten bipolar plate and between the cathode and that of the Ka adjacent bipolar plate one by one Arranged wire mesh material formed current collector is a current at the respective anode or cathode mungsquerschnitt for passing the fuel gas or Ka gas and an electrical contact to each produces adjacent bipolar plates.
Ein Vorteil eines solchermaßen hergestellten Stromkollektor ist es, daß dieser aus endlosem Draht herstellbar ist, und somit keine Grate aufweist, die Ansatzpunkte für Korrosion sein können. Ein weiterer Vorteil sind die guten Federei genschaften des verwendeten Drahtgewebematerials. Ein wei terer Vorteil ist die Möglichkeit zur schnellen und einfa chen Herstellung. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß durch die Wahl der Stärke des für das Gewebe verwendeten Drahtes, die Art der Herstellung des Gewebes sowie die Formgebung desselben die Federeigenschaften in definierter Weise vorgegeben werden können. An advantage of a current collector manufactured in this way is that it can be made from endless wire, and thus has no burrs, the starting points for corrosion could be. The good feathering is another advantage properties of the wire mesh material used. A white Another advantage is the ability to quickly and easily Chen manufacture. Another advantage is that by choosing the strength of the used for the fabric Wire, the type of fabric production as well as the Shaping the same the spring properties in a defined Way can be specified.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Un teransprüchen gekennzeichnet.Advantageous developments of the invention are in the Un marked claims.
Im folgenden soll ein Ausführungsbeispiel der Erfindung an hand der Zeichnung erläutert werden. Darin zeigen:In the following an embodiment of the invention be explained by the drawing. In it show:
Fig. 1 in perspektivischer Darstellung ein Ausführungsbei spiel einer Brennstoffzellenanordnung nach der vorliegenden Erfindung; und Figure 1 is a perspective view of a game Ausführungsbei a fuel cell assembly according to the present invention. and
Fig. 2 in perspektivischer Ansicht eine herkömmliche Bipo larplatte, wie sie bei einer Brennstoffzellenanordnung nach dem Stand der Technik verwendet wird. Fig. 2 is a perspective view of a conventional Bipo larplatte, as used in a fuel cell arrangement according to the prior art.
Fig. 1 zeigt eine Brennstoffzellenanordnung gemäß der vor liegenden Erfindung, bei der die Bezugsziffer 1 ein Anoden-Elektrolytmatrix-Kathoden-Element bedeutet, das aus einer Anode 2, einer Kathode 4 und einer zwischen Anode und Ka thode eingebetteten Elektrolytmatrix 3 besteht. Typischer weise ist die Anode 2 aus einer porösen Nickellegierung und die Kathode 4 aus mit Lithium dotiertem Nickeloxid herge stellt. Die dazwischenliegende Elektrolytmatrix besteht ty pischerweise aus einem in einem Matrixmaterial eingelager ten Lithium- und Kaliumkarbonatschmelzelektrolyten. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf Schmelzkarbonat brennstoffzellen dieser Art beschränkt, sie kann auch bei jedweder anderer Brennstoffzellenanordnung Verwendung fin den. Fig. 1 shows a fuel cell arrangement according to the prior invention, in which the reference numeral 1 means an anode electrolyte matrix-cathode element, which consists of an anode 2 , a cathode 4 and an electrolyte matrix 3 embedded between anode and Ka. Typically, the anode 2 is made of a porous nickel alloy and the cathode 4 is made of lithium doped nickel oxide. The electrolyte matrix in between typically consists of a lithium and potassium carbonate melt electrolyte embedded in a matrix material. However, the present invention is not limited to molten carbonate fuel cells of this type, it can also be used in any other fuel cell arrangement.
Die Anoden-Elektrolytmatrix-Kathoden-Elemente 1 der einzel nen Brennstoffzellen sind durch Bipolarbleche 6 voneinander getrennt, die typischerweise aus Edelstahl gefertigt und anodenseitig mit Nickel beschichtet sind, um das Edelstahl blech gegenüber der im Anodenraum herrschenden korrosiven aufkohlenden Atmosphäre zu schützen. Zwischen dem Bipolar blech 6 und der Anode 2 der darunter befindlichen benach barten Brennstoffzelle befindet sich ein Stromkollektor 5b, der einerseits den elektrischen Kontakt zwischen der Anode 2 und dem Bipolarblech 6 im Sinne einer elektrischen Se rienschaltung in Bezug zu der benachbarten Brennstoffzelle herstellt und andererseits den Strömungsquerschnitt zur Verfügung stellt, der notwendig ist, um das für den Betrieb der Brennstoffzelle benötigte Brenngas B an der Anode vor beizuführen. Bei der in Fig. 1 dargestellten Brennstoff zellenanordnung ist der Stromkollektor wellenförmig aus ge bildet, wobei die Längsachse der Wellungen so orientiert ist, daß das Brenngas B in der mit dem Pfeil gekennzeichne ten Richtung an der Anode 2 vorbeistreichen kann. In ent sprechender Weise ist zwischen dem Bipolarblech 6 und der Kathode 4 der darüber befindlichen benachbarten Brennstoff zelle ein Stromkollektor 5a angeordnet, der ebenfalls durch ein gewelltes Drahtgewebematerial gebildet ist. Die Wellun gen des kathodenseitigen Stromkollektors 5a sind gegenüber denen des anodenseitigen Stromkollektors 5b um 90° ver setzt, so daß für das Kathodengas K an der Kathode 4 ein Strömungsweg gebildet wird, in welchem das Kathodengas K in der mit dem Pfeil gekennzeichneten Richtung an der Kathode vorbeistreichen kann. Somit werden die Brennstoffzellen mit Strömen des Brenngases B und des Kathodengases K beauf schlagt, die zueinander quer verlaufen. Die Verteilung des Brenngases B und des Kathodengas es K an den Einlaß- und Auslaßseiten der Brennstoffzellenanordnung erfolgt durch in der Figur nicht dargestellte Gasverteiler. Zum Zwecke der besseren Übersichtlichkeit sind in Fig. 1 nur zwei Brenn stoffzellen dargestellt, tatsächlich enthält die Brenn stoffzellenanordnung jedoch eine größere Anzahl von Brenn stoffzellen, die übereinander zu einem Brennstoffzellensta pel zusammengefaßt und elektrisch in Serie geschaltet sind.The anode-electrolyte matrix-cathode elements 1 of the individual fuel cells are separated from one another by bipolar plates 6 , which are typically made of stainless steel and are coated on the anode side with nickel, in order to protect the stainless steel plate from the corrosive carburizing atmosphere prevailing in the anode space. Between the bipolar plate 6 and the anode 2 of the adjacent fuel cell beneath it is a current collector 5 b, which on the one hand produces the electrical contact between the anode 2 and the bipolar plate 6 in the sense of an electrical series circuit in relation to the adjacent fuel cell and on the other provides the flow cross-section that is necessary to supply the fuel gas B required for the operation of the fuel cell at the anode before. In the fuel cell arrangement shown in Fig. 1, the current collector is wavy from ge, the longitudinal axis of the corrugations being oriented so that the fuel gas B in the direction marked with the arrow th can pass the anode 2 . In a corresponding manner, a current collector 5 a is arranged between the bipolar plate 6 and the cathode 4 of the adjacent fuel cell above it, which is also formed by a corrugated wire mesh material. The corrugations of the cathode-side current collector 5 a are compared to those of the anode-side current collector 5 b ver 90 °, so that for the cathode gas K at the cathode 4 a flow path is formed in which the cathode gas K in the direction indicated by the arrow the cathode can pass. Thus, the fuel cells are supplied with flows of the fuel gas B and the cathode gas K, which are transverse to each other. The distribution of the fuel gas B and the cathode gas es K on the inlet and outlet sides of the fuel cell arrangement is carried out by gas distributors, not shown in the figure. For the sake of clarity, only two fuel cells are shown in FIG. 1, but the fuel cell arrangement actually contains a larger number of fuel cells which are stacked together to form a fuel cell stack and are electrically connected in series.
Die Stromkollektoren 5a und 5b sind bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel aus einem Drahtgewebematerial herge stellt, dessen Drähte aus Nickel bestehen. Durch die Ver wendung von Nickeldraht sind die Stromkollektoren in hohem Maße korrosionsfest.The current collectors 5 a and 5 b are in the illustrated embodiment made of a wire mesh material Herge whose wires are made of nickel. The use of nickel wire makes the current collectors highly corrosion-resistant.
Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind die Strom kollektoren 5a, 5b aus einem Drahtgewebeschlauch herge stellt, der aus endlosem Nickeldraht hergestellt ist. Da durch werden die sonst an den Drahtenden auftretenden Schnittstellen und Grate vermieden, welche bevorzugte An griffspunkte für Korrosion bilden. Um den Drahtgewebe schlauch in die in Fig. 1 ersichtliche Form für die Strom kollektoren 5a, 5b zu bringen, wird dieser flach zusammen gelegt, daß das Material doppelt zu liegen kommt und dann in die ersichtliche Wellenform gebracht. Die Festigkeit an den gewellten Rändern der Stromkollektoren 5a, 5b wird er höht, wenn die Wellungen des Drahtgewebematerials so ge wählt werden, daß sie quer zur Längsrichtung des Schlauches verlaufen. Alternativ können die Stromkollektoren 5a, 5b jedoch auch aus einfach gelegtem Drahtgewebematerial gebil det sein.According to a preferred embodiment, the current collectors 5 a, 5 b are made of a wire mesh tube, which is made of endless nickel wire. Since the interfaces and burrs that otherwise occur at the wire ends are avoided, which form preferred points of attack for corrosion. In order to bring the wire mesh hose into the form shown in FIG. 1 for the current collectors 5 a, 5 b, this is put flat together so that the material comes to lie twice and then brought into the visible wave form. The strength at the corrugated edges of the current collectors 5 a, 5 b, it is increased if the corrugations of the wire mesh material are chosen so that they run transversely to the longitudinal direction of the hose. Alternatively, the current collectors 5 a, 5 b, however, can also be formed from simply laid wire mesh material.
Das Drahtgewebematerial kann gewebt oder gewirkt sein. Die Wellungen können in verschiedener Weise durch Falten oder Plissieren hergestellt sein. Die Höhe, der gegenseitige Ab stand und die Geometrie der Falten bestimmt den für das je weilige vorbei streichende Gas zur Verfügung stehenden freien Strömungsquerschnitt sowie die mechanischen Eigen schaften der Stromkollektoren 5a, 5b. Unter den mechani schen Eigenschaften der Stromkollektoren steht insbesondere deren Elastizität bzw. deren Federeigenschaft im Vorder grund. Durch diese Federeigenschaft ist der durch eine grö ßere Anzahl von Brennstoffzellen gebildete Brennstoffzel lenstapel in der Lage die bei seinem Betrieb und insbeson dere bei Betriebsaufnahme und -beendigung auftretenden thermischen Dehnungen aufzunehmen. Die Federeigenschaft ist bestimmt durch die Dicke des verwendeten Drahtes, den Ab stand der Drähte im Gewebe zueinander, die Art der Herstel lung des Gewebes, sowie die Geometrie der Wellungen, bzw. Faltungen.The wire mesh material can be woven or knitted. The corrugations can be made in various ways by folding or pleating. The height, the mutual Ab stood and the geometry of the folds determines the available free flow cross-section for each passing gas and the mechanical properties of the current collectors 5 a, 5 b. Among the mechanical properties of the current collectors, their elasticity and spring properties are particularly important. Due to this spring property, the fuel cell lenstapel formed by a larger number of fuel cells is able to absorb the thermal expansions that occur during its operation and in particular during the start-up and termination of operation. The spring property is determined by the thickness of the wire used, the distance from the wires in the fabric to each other, the type of manufacture of the fabric, and the geometry of the corrugations or folds.
Weiterhin von Bedeutung ist die Größe der durch die Wellun gen an Anode 2 bzw. Kathode 4 erzeugten Kontaktfläche sowie der gegenseitige Abstand der Wellungen zueinander. Auch dies kann durch die Geometrie der Wellungen in einem weiten Bereich frei gewählt werden.Also of importance is the size of the contact surface generated by the corrugations on anode 2 or cathode 4 and the mutual spacing of the corrugations to one another. This can also be freely selected in a wide range due to the geometry of the corrugations.
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