DE10013900C1

DE10013900C1 - Brennstoffzelle mit einer Durchbrechungen aufweisenden und elektrisch kontaktierten Flächenelektrode

Info

Publication number: DE10013900C1
Application number: DE10013900A
Authority: DE
Inventors: Klaus Ruthrof
Original assignee: Piller GmbH
Current assignee: Poweravenue Corp Nashville Tenn Us
Priority date: 2000-03-21
Filing date: 2000-03-21
Publication date: 2001-10-04
Anticipated expiration: 2020-03-22

Abstract

Bei einem Verfahren und einer Anordnung zur gasdichten Durchführung elektrischer Leiter, insbesondere bei einer Brennstoffzelle, wird mindestens ein elektrischer Leiter (1) im Bereich (4) einer Durchführung in eine Mehrzahl von Teilleitern (5) unterteilt, wobei die Teilleiter (5) mit zumindest abschnittsweisem lateralem Abstand (6) angeordnet und mindestens in einem Teilbereich der Durchführung vollständig in eine gasdichte Dichtmasse (7) eingebettet werden.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Brennstoffzelle nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Wenn elektrische Leiter gasdicht aus einem Raum herausgeführt werden sollen, in dem eine andere Atmosphäre und/oder ein anderer Druck herrscht als in der Umgebung des Raums, muß für einen gasdichten Anschluß am Umfang des jeweiligen Leiters gesorgt werden. Bei mehradrigen Leitern muß zudem eine Abdich tung innerhalb des Bündels der einzelnen Adern erreicht werden. Wenn eine solche Abdichtung durch einfaches Vergießen mit einer Gießmasse erreicht werden soll, die anschließend zu einer Dicht masse ganz oder zumindest teilweise ausgehärtet wird, besteht die Gefahr, daß die Gießmasse nicht ganzflächig gasdicht an den Umfang des Leiters anschließt, insbesondere nachdem kaum zu vermeidende Schrumpfungsprozesse der Gießmasse beim Aushärten zu der Dichtmasse aufgetreten sind. So treten am Umfang des Leiters und auch zwischen den Adern eines mehradrigen Leiters leicht freie Kanäle auf, durch die Gase aus dem Raum hindurchtreten können.

Zur Beseitigung des Problems des Eindringens von Feuchtigkeit in die Zwischenräume eines mehradrigen Kabels ist es aus der DE 10 90 737 B bekannt, die Adern im Bereich einer Durchführung mit lateralem Abstand anzuordnen, den Bereich der Durchführung mit einer Gießmasse zu vergießen, wobei die Gießmasse zwischen den Adern hindurchtritt, so daß die Adern vollständig in die Gieß masse eingebettet sind, und die Gießmasse zu einer Dichtmasse auszuhärten.

Aus der WO 99/36 924 A1 und der DE 69 29 944 U ist es bekannt, einen elektrischen Leiter im Bereich einer druckfesten Durch führung durch eine Dichtmasse mit Durchbrechungen zu versehen, damit die durch die Durchbrechungen hindurchtretende Dichtmasse den Leiter im Bereich der Durchführung festhält.

Bei bekannten Brennstoffzellen werden ein Brenngas, üblicher weise Wasserstoff, und Sauerstoff, beispielsweise in Form von Luft, über eine Ionenaustauschschicht zur Gewinnung von Strom miteinander reagiert. Dabei ist eine direkte Vermischung des Brenngases mit dem Sauerstoff höchst unerwünscht, weil dabei explosionsgefährliche Gemische (Knallgas) entstehen können. Entsprechend müssen die Bereiche des Brenngases und des Sauer stoffs insbesondere am Rand der Ionenaustauschschicht gasdicht gegeneinander versperrt werden. Hierzu wird bei einer aus der DE 298 11 922 U bekannten Brennstoffzelle nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 der Schichtaufbau in dem Randbereich der Ionen austauschschicht mit einer in eine Dichtmasse aushärtenden Gießmasse gasdicht vergossen. Gleichzeitig müssen bei einer Brennstoffzelle die durchbrochenen Flächenelektroden auf beiden Seiten der Ionenaustauschschicht elektrisch kontaktiert werden, um den erzeugten Strom abzuleiten. Dabei sollte die Kontak tierung möglichst großflächig erfolgen, um den Innenwiderstand der Brennstoffzelle möglichst klein zu halten, und im Zuge einer entsprechenden Durchführung eines elektrischen Leiters darf die Gasdichtigkeit der Brennstoffzelle nicht in Frage gestellt werden.

Aus der DE 44 43 945 C1 ist eine Brennstoffzellenanordnung von mehreren elektrisch in Reihe geschalteten Brennstoffzellen bekannt, bei der die untere Flächenelektrode jeder Brennstoff zelle bis auf die letzte der Reihe mit der oberen Flächen elektrode der ihr folgenden Brennstoffzelle elektrisch leitend, gasdicht und dauerhaft verbunden ist. Die Gesamtspannung dieser in Bezug auf die miteinander verbundenen Flächenelektroden treppenförmigen Anordnung liegt zwischen der oberen Flächen elektrode der ersten Brennstoffzelle der Reihe und der unteren Flächenelektrode der letzten Brennstoffzelle der Reihe an. Für die gesamte Anordnung ist jeweils eine gemeinsame Versorgung aller Brennstoffzellen einerseits mit Wasserstoff und anderer seits mit Sauerstoff vorgesehen.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine Brennstofzelle nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 aufzuzeigen, die die oben ange führten Anforderungen bezüglich der elektrischen Kontaktierung ihrer Flächenelektrode auf besonders einfache Weise erfüllt.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Brennstoffzelle mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausfüh rungsformen sind in den Unteransprüchen 2 bis 6 beschrieben.

Bei der neuen Brennstoffzelle werden die Durchbrechungen der Flächenelektrode über den Bereich fortgesetzt, in dem die Durch brechungen für die Gasversorgung einer Ionenaustauschschicht benötigt werden, um eine gasdichte elektrische Kontaktierung der Flächenelektrode durch den Bereich der Dichtmasse hindurch zu erreichen. Insbesondere wird diese Anordnung im Randbereich der Ionenaustauschschicht vorgesehen, in dem diese durch die Dicht masse gleichzeitig gasdicht eingefaßt ist, um eine Vermischung des Brenngases mit dem Sauerstoff unter Umgehung der Ionen austauschschicht auszuschließen.

Die zwei Flächenelektroden einer Brennstoffzelle, die auf den beiden Seiten der Ionenaustauschschicht angeordnet sind, können in demselben oder in unterschiedlichen Randbereichen der Ionen austauschschicht durch die Dichtmasse hindurchgeführt werden. Eine besonders einfache spätere Handhabung der Brennstoffzelle ist gegeben, wenn die Flächenelektroden in einander gegenüber liegenden Randbereichen der Ionenaustauschschicht nach außen vortreten.

Besondere Vorteile erbringt die Erfindung bei einer speziellen Anordnung von zwei oder mehr benachbarten Brennstoffzellen, bei der eine Flächenelektrode, die auf einer Seite der Ionenaustauschschicht einer ersten Brennstoffzelle angeordnet ist, in einem Randbereichen der Ionenaustauschschicht durch die Dicht masse hindurchgeführt ist und sich jenseits der Dichtmasse in Form einer Flächenelektrode einer der ersten Brennstoffzelle benachbarten zweiten Brennstoffzelle fortsetzt, welche auf der gegenüberliegenden Seite einer Ionenaustauschschicht der benachbarten zweiten Brennstoffzelle angeordnet ist.

Wenn dabei die einander benachbarten Brennstoffzellen über einfache, über die einzelnen Brennstoffzellen hinweg durch gehende Gasführungskanäle auf der jeweils einen Seite der Ionen austauschschichten mit Brenngas und auf der anderen Seite mit Sauerstoff versorgt werden, ergibt sich eine Addition der von allen benachbarten Brennstoffzellen erzeugten Spannungen. Ohne den Seitenwechsel der durchgehenden Flächenelektroden ergibt sich eine Addition der jeweils erzeugten Ströme.

Durch die Ausbildung der Flächenelektrode auch im Bereich der Durchführung als offenes Gewebe oder als Lochband ergibt sich eine feste Verankerung der Flächenelektrode auch gegenüber Zugbelastungen in ihrer Haupterstreckungsrichtung in der Dichtmasse. Dabei ist die Ausbildung des Flächenelektrode als Lochband besonders bevorzugt, weil bei einem Lochband die von der Dichtmasse aufzufüllenden Freiräume, d. h. insbesondere die Durchbrechungen, definierter vorgegeben werden können, als beispielsweise die Freiräume im Kontaktbereich der Einzeldrähte eines Drahtgewebes. Es ist dabei wichtig, möglichst wenig Frei räume im Bereich der Durchführung zu belassen, die nicht von der Dichtmasse ausgefüllt werden. Derartige Freiräume stellen grund sätzlich die Gefahr dar, daß aus ihnen unerwünschte Gaskanäle entstehen.

Günstig bei der neuen Brennstoffzelle ist es, wenn die Flächenelektrode vor dem Vergießen mit einer die Dichtmasse ergebenden Gießmasse behandelt ist, um eine Grenzflächenenergie zwischen der Flächenelektrode und der Gießmasse herabzusetzen. Auf diese Weise wird eine möglichst vollständige Benetzung der Flächenelektrode durch die Gießmasse gefördert.

Als Gießmasse kann ein Kunstharz, ein Klebstoff oder auch ein Glas verwendet werden. Die Art der Gießmasse ist auf die neben der Gießmasse verwendeten Materialien und natürlich auch auf die Einsatzumgebung der jeweiligen Durchführung abzustimmen.

Das Aushärten der Gießmasse kann so vorgenommen werden, daß eine noch elastische Dichtmasse entsteht. Die Gießmasse kann aber auch zu einer harten Dichtmasse ausgehärtet werden.

Der Flächenelektrode muß nicht aus Metall ausgebildet sein. Sie kann auch beispielsweise aus einem Kunststoff mit auf Graphit basierender Leitfähigkeit bestehen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert und beschrieben. Dabei zeigt:

Fig. 1 einen Querschnitt durch eine Brennstoffzelle mit zwei erfindungsgemäßen Durchführungen für die Flächenelek troden der Brennstoffzelle und

Fig. 2 einen Querschnitt durch eine Anordnung mehrerer, ein ander benachbarter Brennstoffzellen mit erfindungs gemäßen Durchführungen für die Flächenelektroden zwischen den Brennstoffzellen.

Fig. 1 zeigt den Aufbau einer sogenannten PEM-Brennstoffzelle 13, in deren Mitte eine Polymerelektrolytmembran 14 als Ionen austauschschicht 15 angeordnet ist. Beidseitig an die Ionenaus tauschschicht grenzen Diffusorschichten 16 an, die einmal ein Brenngas, in der Regel Wasserstoff, und zum anderen Sauerstoff, beispielsweise in Form von Luft, an die Ionenaustauschschicht 15 herantreten lassen. Rückwärtig sind die Diffusorschichten 16 durch Flächenelektroden 17 kontaktiert, die mit Durchbrechungen 18 versehen sind, um die beiden Reaktionsgase aus Gasführungs kanälen 19 in die jeweilige Diffusorschicht 16 eintreten zu lassen. Dieser Schichtaufbau ist im Randbereich zwischen zwei die Gasführungskanäle 19 ausbildenden Gehäusehälften 20 unter Ausbildung von Dichtmasse 7 vergossen. Die Dichtmasse 7 sorgt dafür, daß die Reaktionsgase ausschließlich über die Ionenaus tauschschicht 15 reagieren und sich nicht daneben ein explo sionsfähiges Gasgemisch (Knallgas) aus ihnen ausbilden kann. Die Flächenelektroden 17 sind gasdicht durch die Dichtmasse 7 hindurchgeführt, indem ihre Durchbrechungen 18 zumindest bis in die Bereiche 4 der Dichtmasse 7 hinein fortgesetzt sind. So sind die Flächenelektroden 17 gasdicht und ohne die Gefahr von uner wünschten Gaskanälen entlang ihrer Oberflächen in die Dicht massen 7 eingebettet.

Fig. 2 zeigt eine Anordnung von mehreren, hier drei, in einer Ebene nebeneinander angeordneten Brennstoffzellen 13, 13', 13". Dabei sind die Flächenelektroden 17, die auf den beiden Seite der Ionenaustauschschicht 15 der mittleren Brennstoffzelle 13 angeordnet sind, in den beiden Randbereichen dieser Ionen austauschschicht 15 jeweils durch die Dichtmasse 7 hindurch geführt und setzen sich in Form von Flächenelektroden 17', 17" der beiden benachbarten Brennstoffzellen 13', 13" fort. Die Flächenelektroden 17', 17" sind bezüglich der mit ihnen elek trisch verbundenen Flächenelektroden 17 jeweils auf der gegenüberliegenden Seite der Ionenaustauschschichten 15', 15" der benachbarten Brennstoffzellen 13', 13" angeordnet. Gleich zeitig werden alle benachbarten Brennstoffzellen 13, 13', 13" über durchgehende Gasführungskanäle 19 auf der einen Seite der in einer Ebene liegenden Ionenaustauschschichten 15, 15', 15" mit Brenngas und auf der anderen Seite mit Luft bzw. Sauerstoff versorgt. So ergibt sich trotz der über die einzelnen Brenn stoffzellen 13, 13', 13" hinweg durchgehenden Gasführungskanäle 19 eine Addition der von den Brennstoffzellen 13, 13', 13" erzeugten Einzelspannungen U_o, was in Fig. 2 zeichnerisch angedeutet ist.

Claims

1. Brennstoffzelle mit mindestens einer Durchbrechungen aufweisenden Flächenelektrode, die auf einer Seite einer Ionen austauschschicht angeordnet und durch eine gasdichte Dichtmasse hindurch elektrisch kontaktiert ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Flächenelektrode (17) selbst durch die Dichtmasse (7) durch geführt ist, wobei sie die Durchbrechungen (18) auch im Bereich der Dichtmasse (7) aufweist und unter Auffüllung der Durchbre chungen (18) vollständig in die Dichtmasse (7) eingebettet ist.

2. Brennstoffzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtmasse (7) einen Randbereich der Ionenaustausch schicht (15) gasdicht einfaßt.

3. Brennstoffzelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Flächenelektroden (17), die auf den beiden Seiten der Ionenaustauschschicht (15) angeordnet sind, in demselben Rand bereich der Ionenaustauschschicht (15) durch die Dichtmasse (7) hindurchgeführt sind.

4. Brennstoffzelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Flächenelektroden (17), die auf den beiden Seiten der Ionenaustauschschicht (15) angeordnet sind, in unterschiedlichen Randbereichen der Ionenaustauschschicht (15) durch die Dicht masse (7) hindurchgeführt sind.

5. Brennstoffzelle nach Anspruch 2, 3 oder 4, dadurch gekenn zeichnet, daß eine Flächenelektrode (17), die auf einer Seite der Ionenaustauschschicht (15) der Brennstoffzelle (13) angeord net ist, in einem Randbereich der Ionenaustauschschicht (15) durch die Dichtmasse (7) hindurchgeführt ist und sich jenseits der Dichtmasse (7) in Form einer Flächenelektrode (17') einer benachbarten Brennstoffzelle (13') fortsetzt, die auf der gegenüberliegenden Seite einer Ionenaustauschschicht (15') der benachbarten Brennstoffzelle (13') angeordnet ist, wobei die Versorgung der benachbarten Brennstoffzellen (13, 13') über durchgehende Gasführungskanäle (19) auf der einen Seite der Ionenaustausch schichten (15, 15') mit Brenngas und auf der anderen Seite mit Sauerstoff erfolgt.

6. Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Flächenelektrode (17) als offenes Gewebe oder als Lochband ausgebildet ist.

7. Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Dichtmasse (7) ein Kunstharz, ein Klebstoff oder ein Glas vorgesehen ist.

8. Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtmasse (7) dauerelastisch ist.

9. Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtmasse (7) hart ist.

10. Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Flächenelektrode (17) aus Metall oder einem leitfähigen Kunststoff ausgebildet ist.