AT16961U1 - - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle (1) mit einen geschichteten Aufbau aus einzelnen Funktionsschichten, wobei die einzelnen Funktionsschichten bevorzugt auf einem gemeinsamen Träger (2) aufgebracht sind, der zur Brennstoffzelle gefaltet oder gewickelt wird. Die einzelnen Funktionsschichten können wahlweise auf einer Seite des Trägers (2) aufgebracht, auf beiden Seiten des Trägers (2) aufgebracht oder als getrennter Einlegeteil vor oder während der Faltung oder Wicklung des Trägers (2) eingebracht werden. Die einzelnen Funktionsschichten sind so auf dem Träger (2) angeordnet, dass nach der Faltung oder Wicklung des Trägers (2) eine funktionsfähige Brennstoffzelle entsteht, wobei die Anordnung der einzelnen Funktionsschichten auf dem Träger (2) von der Art oder Richtung der Faltung oder Wicklung abhängt.
Description
STAND DER TECHNIK [0001] Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
[0002] Brennstoffzellen zur Erzeugung von Strom sind elektrochemische Einrichtungen und bestehen aus wenigen unterschiedlichen Bauteilen, z.B. besteht eine Polymer-Elektrolyt-Membran Brennstoffzelle im Allgemeinen aus einer Reihenschaltung (Stapel) von Bipolarplatte und Membran- Elektrodeneinheit. Die feste Bipolarplatte ist meist aus einem metallischen Blech gefertigt, führt die Reaktanten (Brennstoff bzw. Oxidator) zu und das Reaktionsprodukt (Wasser) ab, stellt die elektrische Verbindung benachbarter Elektroden her, leitet Wärme zur Temperierung und begrenzt die einzelnen Gasräume nach Innen und Außen. Die flexible Membran-Elektrodeneinheit ist mehrschichtig aufgebaut und besteht aus dem Polymer-Elektrolyten in Folienform zum lonenaustausch (lonenaustauschmembran) mit beidseitiger Elektrode für die Reaktanten samt Katalysator und der Gasdiffusionslage aus einem porösen Material zur vollflächigen Versorgung der jeweiligen Elektrode mit Brennstoff bzw. Oxidator.
TECHNISCHE AUFGABE [0003] Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer kostengünstigen Brennstoffzelle in einfacher Bauweise.
TECHNISCHE LÖSUNG
[0004] Die Aufgabe wird durch einen geschichteten Aufbau der Brennstoffzelle aus einzelnen Funktionsschichten erreicht, wobei die einzelnen Funktionsschichten bevorzugt auf einem gemeinsamen Träger aufgebracht sind, der zur Brennstoffzelle gefaltet oder gewickelt wird. AUSFÜHRUNGSFORM
[0005] Die Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung beispielhafter Ausführungsformen und anhand der Figuren.
[0006] Fig. 1 zeigt eine erste beispielhafte Ausführungsform der Brennstoffzelle (1). [0007] Fig. 2 zeigt eine zweite beispielhafte Ausführungsform der Brennstoffzelle (1). [0008] Fig. 3 zeigt eine dritte beispielhafte Ausführungsform der Brennstoffzelle (1). [0009] Fig. 4 zeigt eine vierte beispielhafte Ausführungsform der Brennstoffzelle (1). [0010] Fig. 5 zeigt eine fünfte beispielhafte Ausführungsform der Brennstoffzelle (1). [0011] Fig. 6 zeigt eine sechste beispielhafte Ausführungsform der Brennstoffzelle (1). [0012] Fig. 7 zeigt eine siebente beispielhafte Ausführungsform der Brennstoffzelle (1). [0013] Fig. 8 zeigt eine beispielhafte Faltung des Träger (2).
[0014] Fig. 9 zeigt eine weitere beispielhafte Wicklung des Trägers (2).
[0015] Fig. 10 zeigt eine beispielhafte Falte des Trägers (2)
[0016] Fig. 11 zeigt eine beispielhafte Stapelung zweier Funktionsschichten.
[0017] Fig. 1 zeigt eine erste beispielhafte Ausführungsform der Brennstoffzelle (1) mit einem Träger (2) und allen Funktionsschichten einer Brennstoffzelle (1), die getrennt auf einer Seite des Trägers (2) aufgebracht sind: Trennung (oder Separator) (3) zur Abgrenzung der Brennstoffzelle (1), Oxidatorverteiler (4) zur Verteilung des Oxidators und Zuführung des Oxidators zum Oxidatorfeinverteiler (5), Oxidatorfeinverteiler (oder Oxidator-Diffusionsschicht) (5) zur Feinverteilung des Oxidators und Zuführung des Oxidators zur Oxidatorelektrode (6), Oxidatorelektrode (6) mit dem Katalysator für den Oxidator, lonenaustauschmembran (7) zum Austausch von lonen zwi-
schen dem Brennstoff und dem Oxidator, Brennstoffelektrode (8) mit dem Katalysator für den Brennstoff, Brennstofffeinverteiler (oder Brennstoff-Diffusionsschicht) (9) zur Feinverteilung des Brennstoffes und Zuführung des Brennstoffes zur Brennstoffelektrode (8), Brennstoffverteiler (10) zur Verteilung des Brennstoffes und Zuführung des Brennstoffes zum Brennstofffeinverteiler (9), Trennung (oder Separator) (11) zur Abgrenzung der Brennstoffzelle (1) und Kühlmittelverteiler (12) zur Verteilung des Kühlmittels und Kühlung der Brennstoffzelle. Jede einzelne Funktionsschicht am Träger (2) ist mit einem Oxidatoreinlass (13), einem Oxidatorauslass (14), einem Brennstoffeinlass (15), einem Brennstoffauslass (16), einem Kühlmitteleinlass (17) und einem Kühlmittelauslass (18) ausgeführt, die den Oxidator, den Brennstoff und das Kühlmittel durch die einzelnen Funktionsschichten zum zugeordneten Verteiler führen: der Oxidatoreinlass (13) und der Oxidatorauslass (14) sind mit dem Oxidatorverteiler (4) verbunden, der Brennstoffeinlass (15) und der Brennstoffauslass (16) sind mit dem Brennstoffverteiler (10) verbunden und der Kühlmitteleinlass (17) und der Kühlmittelauslass (18) sind mit dem Kühlmittelverteiler (12) verbunden. Jede einzelne Funktionsschicht am Träger (2) ist mit einem geschlossenen Abdichtbereich (19) allseitig um den Oxidatoreinlass (13), allseitig um den Oxidatorauslass (14), allseitig um den Brennstoffeinlass (15), allseitig um den Brennstoffauslass (16), allseitig um den Kühlmitteleinlass (17) und allseitig den Kühlmittelauslass (18) ausgeführt, um eine Vermischung von Oxidator, Brennstoff, Kühlmittel und Umgebung zu verhindern. An den Verbindungsstellen zwischen Oxidatoreinlass (13), Oxidatorauslass (14) und Oxidatorverteiler (4), Brennstoffeinlass (15), Brennstoffauslass (16) und Brennstoffverteiler (10) und zwischen Kühlmitteleinlass (17), Kühlmittelauslass (18) und Kühlmittelverteiler (12) ist der Abdichtbereich (19) nicht ausgeführt. Wahlweise wird auf einzelne oder alle Funktionsschichten im Bereich des Abdichtbereiches (19) ein Abstandshalter als Rahmen zur Erzielung einer bestimmten Flächenpressung aufgebracht. Wahlweise wird ein zusätzlicher Fixierbereich für alle oder einzelne Funktionsschichten am Träger (2) angebracht um die einzelnen Funktionsschichten nach der Faltung oder Wicklung für den weiteren Zusammenbau zu positionieren und zu fixieren. Wahlweise ist der Brennstoffverteiler (10) und/oder der Oxidatorverteiler (4) mehrschichtig aufgebaut und umfasst Funktionsschichten der MembranElektrodeneinheit (20) wie z.B. den Oxidatorfeinverteiler (5), die Oxidatorelektrode (6), den Brennstofffeinverteiler (9) oder die Brennstoffelektrode (8). Wahlweise können die einzelnen Funktionsschichten oder alle Funktionsschichten getrennt gefertigt, zueinander fixiert und gefaltet oder gewickelt werden. Wahlweise können die einzelnen Funktionsschichten oder alle Funktionsschichten getrennt gefertigt, übereinander gestapelt und fixiert werden. Die einzelnen Funktionsschichten können als eigene Schicht auf den wahlweise beschnittenen Träger (2) aufgebracht, oder als eigene Schicht in den beschnittenen Träger eingebracht oder aus dem Träger (2) durch Beschnitt, Umformung (z.B. Prägen) oder sonstige Bearbeitung erzeugt werden. Wahlweise können zusätzliche Elemente wie z.B. Bohrungen zur Lagebestimmung oder für den Zusammenbau in den Träger (2) oder einzelne Schichten des Trägers (2) eingebracht werden.
[0018] Fig. 2 zeigt eine zweite beispielhafte Ausführungsform der Brennstoffzelle (1) mit einem Träger (2) und allen Funktionsschichten einer Brennstoffzelle (1), die getrennt auf einer Seite des Trägers (2) aufgebracht sind, wobei der Oxidatorfeinverteiler (5), die Oxidatorelektrode (6), die lonenaustauschmembran (7), die Brennstoffelektrode (8) und der Brennstofffeinverteiler (9) zur Membran-Elektrodeneinheit (20) zusammengefasst sind und gemeinsam eine Funktionsschicht am Träger (2) darstellen.
[0019] Fig. 3 zeigt eine dritte beispielhafte Ausführungsform der Brennstoffzelle (1) mit einem Träger (2) und allen Funktionsschichten einer Brennstoffzelle (1), die getrennt auf einer Seite des Trägers (2) aufgebracht sind, wobei der Oxidatorverteiler (4), der Oxidatorfeinverteiler (5), die Oxidatorelektrode (6), die lonenaustauschmembran (7), die Brennstoffelektrode (8) und der Brennstofffeinverteiler (9) und der Brennstoffverteiler (10) zur Membran-Elektrodeneinheit (21) zusammengefasst sind und gemeinsam eine Funktionsschicht am Träger (2) darstellen.
[0020] Fig. 4 zeigt eine vierte beispielhafte Ausführungsform der Brennstoffzelle (1) mit einem Träger (2) und allen Funktionsschichten einer Brennstoffzelle (1), wobei auf beiden Seiten des Trägers (2) Funktionsschichten aufgebracht sind und der Oxidatorfeinverteiler (5), die Oxidatorelektrode (6), die lonenaustauschmembran (7), die Brennstoffelektrode (8) und der Brennstoff-
feinverteiler (9) zur Membran-Elektrodeneinheit (20) zusammengefasst sind und gemeinsam eine Funktionsschicht am Träger (2) darstellen.
[0021] Fig. 5 zeigt eine fünfte beispielhafte Ausführungsform der Brennstoffzelle (1) mit einem Träger (2) und allen Funktionsschichten einer Brennstoffzelle (1), wobei auf beiden Seiten des Trägers (2) Funktionsschichten aufgebracht sind und der Oxidatorverteiler (4), der Oxidatorfeinverteiler (5), die Oxidatorelektrode (6), die lonenaustauschmembran (7), die Brennstoffelektrode (8) und der Brennstofffeinverteiler (9) und der Brennstoffverteiler (10) zur Membran-Elektrodeneinheit (21) zusammengefasst sind und gemeinsam eine Funktionsschicht am Träger (2) darstellen.
[0022] Fig. 6 zeigt eine sechste beispielhafte Ausführungsform der Brennstoffzelle (1) mit einem Träger und den Funktionsschichten Oxidatorverteiler (4), Brennstoffverteiler (10), Trennung (11) und Kühlmittelverteiler (12) auf beiden Seiten des Trägers (2) und einer separaten MembranElektrodeneinheit (20), die nicht Bestandteil des Trägers (2) ist, sondern eingelegt wird.
[0023] Fig. 7 zeigt eine siebente beispielhafte Ausführungsform der Brennstoffzelle (1) mit einem Träger und den Funktionsschichten Trennung (3), Trennung (11) und Kühlmittelverteiler (12) auf beiden Seiten des Trägers und einer separaten Membran-Elektrodeneinheit (21), die nicht Bestandteil des Trägers (2) ist, sondern eingelegt wird.
[0024] Fig. 8 zeigt eine beispielhafte Faltung des Trägers (2). [0025] Fig. 9 zeigt eine beispielhafte Wicklung des Trägers (2).
[0026] Fig. 10 zeigt eine beispielhafte Falte des Trägers (2) wobei zumindest eine Funktionsschicht auf dem Träger (2) so ausgeführt ist, dass ein bauchiger Bauteil entsteht.
[0027] Fig. 11 zeigt eine beispielhafte Stapelung zweier Funktionsschichten, wobei zumindest eine Funktionsschicht so ausgeführt ist, sodass ein bauchiger Bauteil entsteht.
[0028] Wahlweise wird die Brennstoffzelle (1) ohne Oxidatorauslass (14) und/oder Brennstoffauslass (16) ausgeführt. Wahlweise wird die Brennstoffzelle (1) ohne Kühlung, d.h. ohne Kühlmitteleinlass (17), ohne Kühlmittelauslass (18) und ohne Kühlmittelverteiler (12) ausgeführt.
[0029] Die einzelnen Funktionsschichten sind so auf dem Träger (2) angeordnet, dass nach der Faltung und/ oder Wicklung des Trägers (2) eine funktionsfähige Brennstoffzelle entsteht, wobei die Anordnung der einzelnen Funktionsschichten auf dem Träger (2) von der Richtung bzw. Art der Faltung oder der Wicklung abhängt. Die einzelnen Funktionsschichten des Träger (2) werden nach der Faltung oder Wicklung zur Brennstoffzelle (1) durch Pressen, Kleben, Clinchen, Nadeln oder Nähen, Schweißen, Löten, Laminieren, Umspritzen, einem separaten Klebeband oder dergleichen für die Weiterverarbeitung fixiert.
[0030] Als Ausgangsmaterial für den Träger (2) wird bevorzugt Rollenware aus Kohlenstoff oder Graphit verwendet. Wahlweise kann auch eine Metall- oder Keramikfolie, eine pulvermetallurgisch hergestellte Folie oder pulvermetallurgisch hergestelltes Papier oder eine Kombination (graphitierte Metallfolie) für den Träger (2) verwendet werden. Wahlweise können die Funktionsschichten des Trägers (2) zur mechanischen Stabilisierung der Brennstoffzelle (1) aus unterschiedlichen Materialien hergestellt werden (z.B. beschnittenes Metallblech als Kühlmittelverteiler (12) auf den Träger (2)) oder eingelegt.
[0031] Wahlweise werden einzelne Funktionsschichten der Brennstoffzelle (1) oder einzelne Bereiche einer Funktionsschicht (z.B. mit PTFE) beschichtet.
[0032] Mit dem beschriebenen Aufbau können alle Brennstoffzellentypen aufgebaut werden, wobei für Brennstoffzellen (1) mit flüssigem Elektrolyten die lonenaustauschmembran durch einen elektrolytdurchlässigen oder elektrolytgetränkten Werkstoff ersetzt wird und/oder bei Bedarf ein zusätzlicher Elektrolyteinlass und Elektrolytauslass am Träger (2) ausgeführt wird.
Claims (3)
1. Brennstoffzelle (1) mit zehn Funktionsschichten bestehend aus einer ersten Trennung (3) zur Abgrenzung der Brennstoffzelle (1), einem Oxidatorverteiler (4) zur Verteilung des Oxidators und Zuführung des Oxidators zum Oxidatorfeinvertreiler (5), einem Oxidatorfeinverteiler (5) zur Feinverteilung des Oxidators und Zuführung des Oxidators zur Oxidatorelektrode (6), einer Oxidatorelektrode (6) mit dem Katalysator für den Oxidator, einer lonenaustauschmembran (7) zum Austausch von lonen zwischen dem Brennstoff und dem Oxidator, einer Brennstoffelektrode (8) mit dem Katalysator für den Brennstoff, einem Brennstofffeinverteiler (9) zur Feinverteilung des Brennstoffes und Zuführung des Brennstoffes zur Brennstoffelektrode (8), einem Brennstoffverteiler (10) zur Verteilung des Brennstoffes und Zuführung des Brennstoffes zum Brennstofffeinverteiler (9), einer Trennung (11) zur Abgrenzung der Brennstoffzelle (1) und einem Kühlmittelverteiler (12) zur Verteilung des Kühlmittels und Kühlung der Brennstoffzelle, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Funktionsschichten und/oder zusammengefasste Funktionsschichten auf einer Seite oder auf beiden Seiten eines Trägers (2) angeordnet sind und der Träger (2) zu einer funktionsfähigen Brennstoffzelle (1) gefaltet und/oder gewickelt ist.
2. Brennstoffzelle (1) mit zehn Funktionsschichten bestehend aus einer ersten Trennung (3) zur Abgrenzung der Brennstoffzelle (1), einem Oxidatorverteiler (4) zur Verteilung des Oxidators und Zuführung des Oxidators zum Oxidatorfeinverteiler (5), einem Oxidatorfeinverteiler (5) zur Feinverteilung des Oxidators und Zuführung des Oxidators zur Oxidatorelektrode (6), einer Oxidatorelektrode (6) mit dem Katalysator für den Oxidator, einer lonenaustauschmembran (7) zum Austausch von lonen zwischen dem Brennstoff und dem Oxidator, einer Brennstoffelektrode (8) mit dem Katalysator für den Brennstoff, einem Brennstofffeinverteiler (9) zur Feinverteilung des Brennstoffes und Zuführung des Brennstoffes zur Brennstoffelektrode (8), einem Brennstoffverteiler (10) zur Verteilung des Brennstoffes und Zuführung des Brennstoffes zum Brennstofffeinverteiler (9), einer Trennung (11) zur Abgrenzung der Brennstoffzelle (1) und einem Kühlmittelverteiler (12) zur Verteilung des Kühlmittels und Kühlung der Brennstoffzelle, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Funktionsschichten und/oder zusammengefasste Funktionsschichten auf einer Seite oder auf beiden Seiten eines Trägers (2) angeordnet sind und die Träger (2) zu einer funktionsfähigen Brennstoffzelle (1) gestapelt sind.
3. Brennstoffzelle (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger (2) aus Kohlenstofffolie, Kohlenstoffpapier, Graphitfolie, Graphitpapier, Keramikfolie, Keramikpapier, pulvermetallurgisch hergestellter Folie oder pulvermetallurgisch hergestelltem Papier besteht.
Hierzu 6 Blatt Zeichnungen
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2020
- 2020-04-14 AT ATGM44/2020U patent/AT17218U1/de unknown
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AT17218U1 (de) | 2021-09-15 |
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