DE10058381A1 - Modulare multifunktionale Brennstoffzelle mit Polymerelektrolytmembranen (PEM) - Google Patents

Modulare multifunktionale Brennstoffzelle mit Polymerelektrolytmembranen (PEM)

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine modulare multifunktionale Mehrzellenbatterie mit Polymer-Elektrolyt-Membranen (PEM-Brennstoffzelle). DOLLAR A Besondere Merkmale sind die faserverstärkten Kunststoffdichtungsträger, in Sandwichbauweise konstruierte Einzelzellen, aus einzelnen teilfunktionsbezogenen und miteinander verbundenen und faserverstärkten Kunststoffdichtungsträger multivalent einsetzbare Funktionselemente.

Description

Die Erfindung betrifft eine modulare multifunktionale elektrochemische Mehrzellenbatterie mit Polymer-Elektrolyt-Membranen, welche insbesondere durch eine besondere Kon­ struktionselementestruktur gekennzeichnet ist, die unterschiedlichste Aufbauten aus we­ nigen Standardkonstruktionselementen mit immer wieder anderen funktionellen Eigen­ schaften zuläßt und eine sehr häufige Wiederverwendbarkeit der Teile ermöglicht.
Aus der Notwendigkeit im Entwicklungsprozeß von Brennstoffzellen ständig in kürzester Zeit und mit minimalem Aufwand unterschiedlichste Konstruktionselemente und Gesamt­ anordnungen zu erproben und dabei dieselben Materialkomponenten immer wieder zu benutzen, entstand die vorliegende erfindungsgemäße Ausführung einer multifunktionalen Mehrzellenbatterie mit Polymer Elektrolyt-Membranen.
Brennstoffzellen mit Polymer Elektrolyt-Membranen sind in den verschiedenen Ausfüh­ rungen Stand der Technik und u. a. in der DE 43 09 976 beschrieben.
Der Nachteil der bekannten und auf dem Markt befindlichen und im Stand der Technik beschriebenen PEM-Brennstoffzellen für die vorgesehene Anwendung bestand in der ungenügenden Anpassungsfähigkeit der PEM-Brennstoffzellen an die verschiedenen An­ wendungen als Energiequelle und die Anpassung der PEM-Brennstoffzellen an die ver­ fügbaren Medien im Anwendungsfall. Die bekannten Anwendungen von Brennstoffzellen untersuchen und beschreiben Anordnungen mit denen Größen wie Volumen, Leistung, Gewicht oder Kosten pro Leistungseinheit optimiert werden. Dabei entstehen einmalige für die jeweilige Anwendung optimierte Brennstoffzellenstacks deren Konstruktionsele­ mente möglichst gleichzeitig mehrere Funktionen übernehmen, um Kosten und Gewicht zu sparen. So trägt bei typischen Ausführungen die Bipolarplatte auf der einen Seite die Kanäle oder das Flowfield für Wasserstoff und auf der anderen Seite Kanäle und Flowfield für Luft.
Aufgabe der Erfindung war es eine Brennstoffzelle als Mehrzellenbatterie mit Polymer- Elektrolyt-Membranen (PEM-Bremmstoffzellen) zu schaffen, die aus möglichst universel­ len funktionsbezogenen Einzelelementen besteht, sowie aus verschiedenen Materialien bestehen kann, um möglichst viele sinnvolle unterschiedliche Stackkonstruktionsvarianten schnell und zuverlässig zu montieren, zu erproben und damit auf den Anwendungsfall bezogen zu realisieren.
Bei einer neuen veränderten Anwendung sollen diese PEM-Brennstoffzellen leicht de­ montiert und wieder neu montiert werden können. Eine solches modulares System ist insbesondere für Forschungen und Entwicklungen, für Materialuntersuchungen, für Pro­ zeßanalysen, für die Lehre und Prüftechnik geeignet. Mit diesem modularen System las­ sen sich genau auf die Anwendung bezogene Energiequellen kostengünstig und schnell herstellen, welche gleichzeitig über eine hohe Funktionssicherheit und einen guten Wir­ kungsgrad verfügen.
Die Aufgabe der Erfindung wird gemäß Anspruch 1 bis 14 gelöst. Anhand von 7 Abbildungen wird der Gegenstand der Erfindung näher erläutert:
Abb. 1 Übersicht des Aufbaues der modularen multifunktionalen Brennstoffzelle mit Polymer-Elektrolyt-Membranen (PEM)
Die modulare multifunktionale Brennstoffzelle mit Polymer-Elektrolyt-Membranen (PEM) besteht beispielsweise aus den faserverstärkten Kunststoffendplatten mit integrierter Me­ dienverteilung und Sensorik (1), aus den gut leitenden Stromabnehmerplatten mit Teilen integrierter Medienkanäle (2), die gemeinsam mit den Teilen integrierter Medienkanäle der Endplatten (1) strömungstechnisch eine optimierte stirnseitige Medienvorverteilung vornehmen, aus den Einzelzellen (3) für Strom und Wärmeerzeugung bzw. Wärmezu- oder -abführung, aus den Dichtungen (4) zwischen den jeweiligen Elementen, aus der Druckverteilungskonstruktion (5), die aus den drucktechnisch aufeinander abgestimmten Teilen Edelstahl- oder hochfeste Kunststoffbolzen, faserverstärkten Kunststoffendplatten (1), faserverstärkten Dichtungsträger für Polymer-Elektrolyt-Membran-Anordnung (6) mit Dichtungen(4), elektrisch leitenden Folien (z. B. Graphitfolie) (7) und Unipolarplatten zur Gasverteilung mit strukturierten Rückseiten (8) besteht. Die Druckverteilung erfolgt dabei so, dass insbesondere folgende Parameter in die Bestimmung und Optimierung einbezo­ gen werden:
Dichtheit bei Betriebs- und Überdruck,
gleichmäßige Flächenpressung,
minimale elektrische Widerstände im Betriebsbereich,
möglichst hohe Einsatzfrequenz für verschiedenste Aufbauten,
Druckausgleich bei Materialermüdung und Temperaturänderungen, Maximaldruckbegren­ zung für druckempfindliche Teile wie Membran, Gasverteilung usw.
Abb. 2
Der Zellenaufbau der modularen multifunktionalen Brennstoffzelle besteht aus der Polymer-Elekrolyt-Membran (11) mit Spann- und Dichtungsrand und den zwischen oder in den Einheiten liegenden Dichtungen (12), Unipolarplatten (8), Gasfein­ verteilungen (9), den gasdichten elektrisch leitfähigen Folien z. B. Graphitfolien (7) mit multivalenter Durch­ bruchsstruktur für verschiedene Aufbauten von Zellenverschaltungen, aus faserverstärkten Kunststoffdichtungsträgern (6) zum Einspannen und Abdichten der Polymer-Elekrolyt-Membranen (11) und zur Aufnahme und Abdichten der Unipolarplatten (8) und der Gasfeinverteilungen (9) sowie im faserverstärkten Kunststoffdichtungsträger befindlichen Kanälen für die Medienverteilung und -zuführung (8). Die Unipolarplatten­ platten (8) können eine Kanalstruktur oder Netzstruktur für die Medienverteilung besitzen.
Abb. 3
Die Stromabnehmerplatte mit Kanälen für die Medienführung enthält auf der der Endplatte (1) zugewandten Seite eine großflächige über Kreuz angebrachte Ver­ tiefung zur Aufnahme der in Abb. 7 dargestellten Dichtung zur Verteilung des An­ preßdruckes (14) sowie eingearbeitete Nuten zur gleichmäßigen Verteilung der Medien Luft und Brenngas die über die an den Außenrändern der Platte angeordneten kanalarti­ gen längsförmigen Öffnungen (13) diese zu den Zellen weitergeleitet werden. An den vier Ecken sind weiter runde Öffnungen zur Weiterleitung der Kühlmedien vorgesehen.
Abb. 4
Der faserverstärkte Kunststoffdichtungsträger für die Polymer Elektrolyt- Membran-Anordnung ist wie dargestellt mit einer großen inneren Öffnung zur Aufnahme der Gasverteilungselemente (8) und (9) sowie der Polymer-Elektrolyt-Membran (11) ver­ sehen. Er erhält weitere Öffnungen an den Außenseiten zur Medienversorgung der Zel­ len und Nuten bzw. Vertiefungen an den Innenseiten zur Zuführung der Medien zu den Gasverteilungselementen (8) und (9) sowie zur Kühlung.
Abb. 5
Die Endplatte mit integrierter Medienverteilung und Sensorik enthält die gesamten Anschlüsse für die Medienzuführung. Die eingearbeiteten nutenförmigen Ver­ tiefungen (13) dienen in Verbindung mit der in Abb. 3 dargestellten Stromabnehmer­ platte der gleichmäßigen Verteilung der Medien und der Aufnahme der nicht dargestellten Sensoren zur Messung der erforderlichen Parameter für den Betrieb der Brennstoffzelle.
Abb. 6
Bei der dargestellten elektrisch leitenden Folie (z. B. Graphitfolie) werden an einer Seite oder auch an zwei Seiten die Öffnungen zur Medienversorgung verschlossen und somit die Möglichkeit der Reihen- oder Reihen-Parallelschaltung der Medienzufüh­ rung für die im Stack befindlichen Zeilen geschaffen.
Die Zellen des Brennstoffzellenstack aus modularen multifunktionalen Brennstoffzeilen mit Polymer-Elektrolyt-Membranen (PEM) werden nach Anspruch 15 in einer experimentell erprobten Schaltungsvariante durch eine geeignete Anordnung der Öffnungen in den elektrisch leitenden Folien bezüglich Anode und Kathode gasseitig in Reihe geschaltet. Der Vorteil dieser Reihenschaltung besteht in einen höheren Gasumsatz, sowie in einer geringeren Kondenswasserempfindlichkeit der Einzelzellen. Mit dieser Anordnung wird ein stabilerer Betrieb des Brennstoffzellenstacks erreicht.
Abb. 7
Die Dichtung zur Verteilung des Anpreßdruckes wurde in der dargestellten Form experimentell erprobt und unterstützt die in der Abb. 1 beschriebenen Eigen­ schaften des Brennstoffzellenstacks.
Typische Leistungen der modularen multifunktionalen Brennstoffzelle mit Polymer-Elektro­ lyt-Membranen (PEM)) liegen im Bereich zwischen 0,25 und 10 kW.
Bezugszeichen
1
Faserverstärkte Kunststoffendplatte mit integrierter Medienverteilung und Sensorik
2
Stromabnehmerplatte mit Kanälen für die Medienführung
3
Einzelzelle
4
Dichtung zwischen den Einzelzellen
5
Druckverteilungskonstruktion
6
Faserverstärkter Kunststoffdichtungsträger
7
Elektrisch leitfähige gasdichte Folie (z. B. Graphitfolie) mit unterschiedlichen Öffnungen
8
Unipolarplatte als Gasverteiler
9
Gasfeinverteilung
10
Dichtung, die den Anpreßdruck über die Fläche gleichmäßig verteilt
11
Polymer-Elektrolyt-Membran (PEM)
12
Dichtung für PEM-Zellen-Elemente
13
Kanäle für Medienführung
14
Fläche für Dichtung zur Verteilung des Anpreßdruckes
15
Schlitze für elektrische Kontakte
Bezeichnung der Abbildungen
Abb.
1 Übersicht des Aufbaues der modularen multifunktionalen Brennstoffzelle mit Polymer Elektrolyt-Membranen (PEM)
Abb.
2 Zellenaufbau der modularen multifunktionalen Brennstoffzelle
Abb.
3 Stromabnehmerplatte mit Kanälen für die Medienführung
Abb.
4 Faserverstärkter Kunststoffdichtungsträger
Abb.
5 Endplatte mit integrierter Medienverteilung und Sensorik
Abb.
6 Elektrisch leitfähige gasdichte Folie (z. B. Graphitfolie)
Abb.
7 Dichtung zur Verteilung des Anpreßdruckes

Claims (15)

1. Modulare multifunktionale Brennstoffzelle mit Polymer Elektrolyt-Membranen (PEM), bei der eine modulare und multifunktionale Bauweise und hohe Konstruktionsvarian­ tenvielfalt erreicht wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Zellen aus jeweils gleichen Konstruktionselementen, wie
(1) die faserverstärkte Kunststoffendplatte mit integrierter Medienverteilung und Sensorik,
(2) die Stromabnehmerplatte mit Kanälen für die Medienführung,
(6) dem faserverstärkten Kunststoffdichtungsträger zur Aufnahme,
(11) der Polymer-Elektrolyt-Membran,
(8) der Unipolarplatte als Gasverteiler,
(9) der Gasfeinverteilung und
(12) der Dichtung für die PEM-Zellen-Elemente,
(7) der elektrisch leitfähigen und gasdichten Folie (z. B. Graphitfolie) mit unter­ schiedlichen Öffnungen für die Medienflüsse,
(10) der Dichtung, die den Anpreßdruck über die Fläche gleichmäßig verteilt
bestehen,
wobei der faserverstärkte Kunststoffdichtungsträger die Zelle mechanisch stabilisiert und nach außen thermisch isoliert wird und durch die unterschiedliche Anordnung der Elemente für die Gastrennung, die Gasverteilung, die Gasfeinverteilung eine Anpas­ sung des Brennstoffzellenstacks an die Medien und die Energieverbraucher bzw. den Einsatzbedingungen möglich ist.
2. Modulare multifunktionale Brennstoffzelle mit Polymer-Elektrolyt-Membranen (PEM) nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Einzelzellen an den Außenseiten durch gasundurchlässige, den elektrischen Strom gut leitende Folien (z. B. Graphitfo­ lie) mit unterschiedlichen Öffnungen (7), abgeschlossen werden, die durch unter­ schiedlichen Einbau in die jeweilige Zelle verschiedene medienbezogene Zusammen­ schaltungen der Einzelzellen z. B. als Reihen-, Parallel- oder Reihenparallelschaltung ermöglichen.
3. Modulare multifunktionale Brennstoffzelle mit Polymer-Elektrolyt-Membranen (PEM) nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß Unipolarplatten (8) aus Graphit einge­ setzt werden, die auf der dem Medienfluß abgewandten Seite eine strukturierte Ober­ fläche aufweisen, die die Gesamtfläche der Unipolarplatten (8) so verkleinert, daß an der Kontaktseite zu der elektrisch leitfähigen und gasdichten Folie (z. B. Graphitfolie) (7) ein Optimum bezüglich der Wärmeleitfähigkeit, Stromleitung und Flächenpressung erreicht wird.
4. Modulare multifunktionale Brennstoffzelle mit Polymer-Elektrolyt-Membranen (PEM) nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Stromabnehmerplatte mit Kanälen für die Medienführung (2) und die aus einem faserverstärkten Kunststoff bestehenden Endplatten (1) so mit Kanälen für die Medienführung (13) versehen sind, daß sie ge­ meinsam ein Gas- und Wasserführungskanalsystem bilden, durch das die in der Bat­ terie befindlichen Zellen über einen Verteilungskanal gleichmäßig mit den Medien Luft, Brennstoff und Wasser versorgt werden.
5. Modulare multifunktionale Brennstoffzelle mit Polymer-Elektrolyt-Membranen (PEM) nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die aus faserverstärktem Kunststoff bestehenden Dichtungsträger (6) so konstruiert sind, dass sie innerhalb der Einzel­ zellen, der Gasfeinverteilung (9), den Unipolarplatten (8) und den außenliegenden elektrisch leitfähigen und gasdichten Folien (7) über Dichtungen (12) so verbinden, daß die Einzelzellen ebenso wie Teile von diesen immer wieder zerstörungsfrei mon­ tiert und demontiert werden können, ohne daß sich die Anordnung zum Beispiel infol­ ge der Feuchtigkeit der benutzten Membran verzieht oder anderweitig so verändert, dass die Funktionsfähigkeit negativ beeinflußt wird.
6. Modulare multifunktionale Brennstoffzelle mit Polymer-Elektrolyt-Membranen (PEM) nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Druckverteilung über die gesamte aktive Fläche der Zellen und über den Zellenstapel durch ein adaptives Druckvertei­ lungssystem nach Abb. 1 gleichmäßig, unabhängig von anderen Einflüssen wie Tem­ peratur, Druck, Feuchte konstant gehalten wird.
7. Modulare multifunktionale Brennstoffzelle mit Polymer-Elektrolyt-Membranen (PEM) nach Anspruch 1 und 6 dadurch gekennzeichnet, daß das Druckverteilungssystem aus Edelstahlbolzen (5), faserverstärkter Kunststoffdichtungsträger (6), angepaßten Dichtungen (4) und elektrisch leitender und gasdichter Folie (7) besteht, wobei die Edelstahlbolzen(5) durch die auf der Innenseite nicht ebenen Endplatten(1) und ab­ standshaltenden faserverstärkten Kunststoffdichtungsträger (6) der Einzelzellen (3) geführt werden und an mindestens einem Ende Spiraltellerfedern mit integrierten Un­ terlegscheiben zur Verspannung des Zellenstapels und für den gleichmäßigen Druck­ aufbau und die Druckhaltung eingesetzt werden.
8. Modulare multifunktionale Brennstoffzelle mit Polymer-Elektrolyt-Membranen (PEM) nach Anspruch 1 und 6 dadurch gekennzeichnet, daß die für die Prozeßsteuerung er­ forderliche Sensorik zum Beispiel für die Messung von Druck, Temperatur und Feuchte in den Endplatten (1) mit ihren Medienzuführungskanälen integriert ist und damit Meßwertfehler auf ein Minimum reduziert werden.
9. Modulare multifunktionale Brennstoffzelle mit Polymer-Elektrolyt-Membranen (PEM) nach Anspruch 1 und 6 dadurch gekennzeichnet, daß in die gut leitenden und gas­ dichten Folie (z. B. Graphitfolie) (7) jeder Zelle Schlitze (15) eingebracht sind, über die einfach die Kontakte für eine Einzelzellspannungsmessung angeschlossen werden können, ohne daß größere Kontaktübergangswiderstände oder Kontaktunsicherheiten entstehen.
10. Modulare multifunktionale Brennstoffzelle mit Polymer-Elektrolyt-Membranen (PEM) nach Anspruch 1 und 6 dadurch gekennzeichnet, daß die aktiven Wärmequellen in den Zellen nach außen nahezu vollständig durch die faserverstärkten Kunststoffdichtungs­ träger und die Endplatten aus Kunststoff (1) wärmetechnisch und elektrisch isoliert sind.
11. Modulare multifunktionale Brennstoffzelle mit Polymer Elektrolyt-Membranen (PEM) nach Anspruch 1 bis 10 dadurch gekennzeichnet, daß die elektrochemische multi­ funktionale Mehrzellenbatterie ein Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzellenstack ist.
12. Modulare multifunktionale Brennstoffzelle mit Polymer Elektrolyt-Membranen (PEM) nach Anspruch 11 dadurch gekennzeichnet, daß als Medien Luft, mit Sauerstoff ange­ reicherte Luft, Wasserstoff oder wasserstoffreiches Reformatgas und deionisiertes Wasser oder Isolieröl verwendet werden.
13. Modulare multifunktionale Brennstoffzelle mit Polymer-Elektrolyt-Membranen (PEM) nach Anspruch 11 dadurch gekennzeichnet, daß die zwei faserverstärkten Kunststoff­ dichtungsträger (6) einer Zelle, die entweder direkt oder über Dichtungen die Polymer- Elektrolyt-Membran mit einem Dichtungsrand zwischen sich einspannen und entweder über die Oberflächenkräfte nach einmaligem Verpressen allein zusammenhalten oder durch Nippel so miteinander verbunden werden, daß sie wieder gelöst werden können und daß sie den Preßvorgang des Stacks nicht behindern.
14. Modulare multifunktionale Brennstoffzelle mit Polymer-Elektrolyt-Membranen (PEM) nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß alternativ zu Anspruch 13 die Einzel­ kostruktion des faserverstärkten Kunststoffdichtungsträgers (6) als selbsthaltende Kunststoffkonstruktion aufgebaut ist, wobei die Verzahnung der Ränder ein Zusam­ menhaften von zwei faserverstärkte Kunststoffdichtungsträger ohne zusätzliche Befe­ stigungselemente ermöglicht und jeder faserverstärkte Kunststoffdichtungsträger gleichzeitig so ausgestattet ist, dass er eine Aufnahme für die Halterung der Polymer- Elektrolyt-Membran, zugehöriger Dichtungen und frei austauschbarer Flowfields ent­ hält.
15. Modulare multifunktionale Brennstoffzelle mit Polymer-Elektrolyt-Membranen (REM) nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß in einer Schaltungsvariante alle Zellen durch eine geeignete Anordnung der Öffnungen in den elektrisch leitenden Folien be­ züglich Anode und Kathode gasseitig in Reihe geschaltet sind.
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