DE10058381B4

DE10058381B4 - Modularer multifunktionaler Brennstoffzellenstapel mit Polymer-Eektrolyt-Membranen (PEM)

Info

Publication number: DE10058381B4
Application number: DE10058381A
Authority: DE
Inventors: Jürgen Dr.-Ing. Arnold; Frank Dipl.-Ing. Beckmann; Berndt Schneider
Original assignee: INHOUSE ENGINEERING GmbH
Current assignee: INHOUSE ENGINEERING GMBH, 12555 BERLIN, DE
Priority date: 2000-11-24
Filing date: 2000-11-24
Publication date: 2008-07-03
Anticipated expiration: 2020-11-25
Also published as: DE10058381A1

Abstract

Modularer multifunktionaler Brennstoffzellenstapel mit Polymer-Elektrolyt-Membranen (PEM), bei dem eine modulare und multifunktionale Bauweise und hohe Konstruktionsvariantenvielfalt erreichbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Einzelzellen an den Außenseiten durch gasundurchlässige, den elektrischen Strom gut leitende Folien (7) mit unterschiedlichen Öffnungen abgeschlossen sind, die durch unterschiedlichen Einbau in die jeweilige Zelle verschiedene medienbezogene Zusammenschaltungen der Einzelzellen als Reihen-, Parallel- oder Reihenparallelschaltung ermöglichen und die Zellen unabhängig ihrer medienbezogenen Zusammenschaltung aus jeweils gleichen Konstruktionselementen bestehen, und zwar aus
– dem faserverstärkten Kunststoffträger (6) für eine Dichtung (4) zum Einspannen und Abdichten der Polymer-Elektrolyt-Membran (11)
– Polymer-Elektrolyt-Membran (11) mit Spann- und Dichtungsrand, mit beidseitig auf die Fläche aufgebrachten Elektroden
– der Monopolarplatte (8) als Gasverteiler
– der Gasfeinverteilung (9) und
– der Dichtung (4) für die PEM-Zellen-Elemente
– der elektrisch leitfähigen und gasdichten Folie (7) mit unterschiedlichen Öffnungen für die Medienflüsse
und die für den Aufbau des Brennstoffzellenstapels...

Description

Die Erfindung betrifft eine modulare multifunktionale elektrochemische Mehrzellenbatterie mit Polymer-Elektrolyt-Membranen, welche durch eine besondere Konstruktionselementestruktur des Brennstoffzellenstapels gekennzeichnet ist, die unterschiedlichste Aufbauten aus wenigen Standardkonstruktionselementen mit immer wieder anderen funktionellen Eigenschaften 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 Gesamtanordnungen 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 Ausführungen Stand der Technik und u. a. in der DE 43 09 976 A1 , DE 197 13 250 A1 , DE 200 08 539 U1 , DE 199 17 722 A1 und DE 22 58 482 B2 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 Anwendungen als Energiequelle und die Anpassung der PEM-Brennstoffzellen an die verfügbaren Medien im Anwendungsfall. Die in der DE 22 58 482 B2 beschriebene Brennstoffbatterie arbeitet mit einem flüssigen Elektrolyten und ist damit keine PEM-Brennstoffzelle. 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 Konstruktionselemente des Brennstoffzellenstapels möglichst gleichzeitig mehrere Funktionen übernhmen, 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-Brennstoffzellen) zu schaffen, die aus möglichst universellen, funktionsbezogenen Einzelelementen besteht und aus verschiedenen Materialien bestehen kann, um unterschiedliche Stackkonstruktionsvarianten zu ermöglichen.
Diese PEM-Brennstoffzellen sollen bei einer neuen veränderten Anwendung leicht demontiert und wieder neu montiert werden können. Ein solches modulares System ist insbesondere für Forschungen und Entwicklungen, für Materialuntersuchungen, für Prozessanalysen, für die Lehre und Prüftechnik geeignet. Mit diesem modularen System lassen sich genau auf die Anwendung bezogene Energiequellen kostengünstig und schnell herstellen, welche gleichzeitig über eine hohe Funktionssicherheit und einen guten Wirkungsgrad verfügen.
Die Aufgabe der Erfindung wird gemäß Anspruch 1 bis 11 gelöst. Anhand von 7 Abbildungen wird der Gegenstand der Erfindung näher erläutert:
1
Übersicht des Aufbaues der modularen multifunktionalen Brennstoffzelle mit Polymerelektrolytmembranen (PEM).
Die modulare multifunktionale Brennstoffzelle mit Polymer-Elektrolyt-Membranen (PEM) besteht beispielsweise

– aus faserverstärkten Kunststoffendplatten mit integrierter Medienverteilung und Messfühlern (Sensoren) (1);
– aus den elektrisch leitenden Stromabnehmerplatten mit Teilen integrierter Medienkanäle (2), die gemeinsam mit den Teilen integrierter Medienkanäle der Kunststoffendplatten (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 hochfesten Kunststoffbolzen, faserverstärkten Kunststoffendplatten (1), dem faserverstärkten Dichtungsträger (6) für Polymer-Elektrolyt-Membran-Anordnung (11) mit den Dichtungen (4), elektrisch leitenden Folien (z. B. Graphitfolie) (7) und Monopolarplatten (8) zur Gasverteilung mit strukturierten Rückseiten besteht.

Die Druckverteilung erfolgt dabei so, dass insbesondere folgende Parameter in die Bestimmung und Optimierung einbezogen werden:

• Dichtheit bei Betriebs- und Überdruck,
• gleichmäßige Flächenpressung,
• minimale elektrische Widerstände im Betriebsbereich,
• möglichst hohe Einsatzfrequenz für verschiedenste Aufbauten,
• Druckausgleich bei Materialermüdung und Temperaturänderungen, Maximaldruck begrenzung für druckempfindliche Teile wie Membran, Gasverteilung usw.

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 (4), Monopolarplatten (8), Gasfeinverteilungen (9), den elektrisch leitfähigen gasdichten Folien z. B. Graphitfolien (7), mit multivalenter Durchbruchsstruktur für verschiedene Aufbauten von Zellenverschaltungen, aus den faserverstärkten Kunststoffträgern (6) für eine Dichtung zum Einspannen und Abdichten der Polymer-Elekrolyt-Membranen (11) und zur Aufnahme und Abdichten der Monopolarplatten (8) und der Gasfeinverteilungen (9). Die im faserverstärkten Kunststoffträger (6) für eine Dichtung befindlichen Kanäle dienen der Medienverteilung und -zuführung für die Monopolarplatten (8).
Die verwendeten Polymer-Elektrolyt-Membranen (11) mit Spann- und Dichtungsrand besitzen beidseitig auf die Fläche aufgebrachte Elektroden, die nach bekanntem Stand der Technik (vgl. vorstehend genannte Druckschriften) ausgeführt sind.
Die Monopolarplatten (8) können eine Kanalstruktur oder Netzstruktur für die Medienverteilung besitzen.
3

1. Die Stromabnehmerplatte mit Kanälen für die Medienführung enthält auf der der Kunststoffendplatte (1) zugewandten Seite eine großflächige über Kreuz angebrachte Vertiefung (14) zur Aufnahme der in 7 dargestellten Dichtung (10) zur Verteilung des Anpressdruckes sowie eingearbeitete Nuten (12) zur gleichmäßigen Verteilung der Medien Luft und Brenngas, die über die an den Außenrändern der Platte angeordneten kanalartigen längsförmigen Öffnungen (13) zu den Zellen weitergeleitet werden. An den vier Ecken sind weiter runde Öffnungen zur Weiterleitung der Kühlmedien vorgesehen. Die faserverstärkten Kunststoffendplatten (1) mit den Kanälen für die Medienführung (13) und die Stromabnehmerplatten bilden gemeinsam ein Gas- und Wasserführungskanalsystem, durch das die in der Batterie befindlichen Zellen über einen Verteilungskanal gleichmäßig mit den Medien Luft, Brennstoff und Wasser versorgt werden.

4
Der faserverstärkte Kunststoffträger (6) für eine Dichtung für die Polymer-Elektrolyt-Membran-Anordnung ist mit einer großen inneren Öffnung zur Aufnahme der Gasverteilungselemente (8) und (9) sowie der Polymer-Elektrolyt-Membran (11) versehen.
Er erhält weitere Öffnungen (13) an den Außenseiten zur Medienversorgung der Zellen und Nuten bzw. Vertiefungen an den Innenseiten zur Zuführung der Medien zu den Gasverteilungselementen (8) und (9) sowie zur Kühlung.
5
Die Kunststoffendplatte mit integrierter Medienverteilung und Messfühlern (Sensoren) enthält die gesamten Anschlüsse für die Medienzuführung. Die eingearbeiteten nutenförmigen Vertiefungen (13) dienen in Verbindung mit der in 3 dargestellten Stromabnehmerplatte (2) der gleichmäßigen Verteilung der Medien und der Aufnahme der nicht dargestellten Sensoren zur Messung der erforderlichen Parameter für den Betrieb der Brennstoffzelle.
6
Bei der dargestellten elektrisch leitenden gasdichten 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 Medienzuführung für die im Stack befindlichen Zellen geschaffen.
In die elektrisch leitende und gasdichte Folie (z. B. Graphitfolie) (7) jeder Zelle sind Schlitze (15) eingebracht, über die einfach die Kontakte für eine Einzelzellspannungsmessung angeschlossen werden können, ohne dass größere Kontaktübergangswiderstände oder Kontaktunsicherheiten entstehen.
7
Die Dichtung zur Verteilung des Anpressdruckes wurde in der dargestellten Form experimentell erprobt und unterstützt die in der 1 beschriebenen Eigenschaften des Brennstoffzellenstacks.
In einer experimentell erprobten Schaltungsvariante nach Anspruch 2 werden die Zellen des Brennstoffzellenstacks aus modularen multifunktionalen Brennstoffzellen mit Polymer-Elektrolyt-Membranen (PEM) 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 einem höheren Gasumsatz, sowie in einer geringeren Kondenswasserempfindlichkeit der Einzelzellen. Mit dieser Anordnung wird ein stabilerer Betrieb des Brennstoffzellenstacks erreicht.
Typische Leistungen der modularen multifunktionalen Brennstoffzelle mit Polymer-Elektrolyt-Membranen (PEM) liegen im Bereich zwischen 0,25 und 10 kW.

1: Faserverstärkte Kunststoffendplatte mit integrierter Medienverteilung und Messfühlern (Sensoren)
2: Stromabnehmerplatte mit Kanälen für die Medienführung
3: Einzelzelle
4: Dichtungen
5: Druckverteilungskonstruktion
6: Faserverstärkter Kunststoffträger für eine Dichtung
7: Elektrisch leitfähige gasdichte Folie (z. B. Graphitfolie) mit unterschiedlichen Öffnungen
8: Monopolarplatte als Gasverteiler
9: Gasfeinverteilung
10: Dichtung, die den Anpressdruck über die Fläche gleichmäßig verteilt
11: Polymer-Elektrolyt-Membran (PEM)
12: Gasverteilung in den Flächen (Nuten)
13: Kanäle für Medienführung
14: Fläche für Dichtung zur Verteilung des Anpressdruckes
15: Schlitze für elektrische Kontakte

Bezeichnung der Abbildungen
1 Übersicht des Aufbaues der modularen multifunktionalen Brennstoffzelle mit Polymer-Elektrolyt-Membranen (PEM)
2 Zellenaufbau der modularen multifunktionalen Brennstoffzelle
3 Stromabnehmerplatte mit Kanälen für die Medienführung
4 Faserverstärkter Kunststoffträger für eine Dichtung
5 Kunststoffendplatte mit integrierter Medienverteilung und Messfühlern (Sensoren)
6 Elektrisch leitfähige gasdichte Folie (z. B. Graphitfolie)
7 Dichtung zur Verteilung des Anpressdruckes

Claims

Modularer multifunktionaler Brennstoffzellenstapel mit Polymer-Elektrolyt-Membranen (PEM), bei dem eine modulare und multifunktionale Bauweise und hohe Konstruktionsvariantenvielfalt erreichbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Einzelzellen an den Außenseiten durch gasundurchlässige, den elektrischen Strom gut leitende Folien (7) mit unterschiedlichen Öffnungen abgeschlossen sind, die durch unterschiedlichen Einbau in die jeweilige Zelle verschiedene medienbezogene Zusammenschaltungen der Einzelzellen als Reihen-, Parallel- oder Reihenparallelschaltung ermöglichen und die Zellen unabhängig ihrer medienbezogenen Zusammenschaltung aus jeweils gleichen Konstruktionselementen bestehen, und zwar aus – dem faserverstärkten Kunststoffträger (6) für eine Dichtung (4) zum Einspannen und Abdichten der Polymer-Elektrolyt-Membran (11) – Polymer-Elektrolyt-Membran (11) mit Spann- und Dichtungsrand, mit beidseitig auf die Fläche aufgebrachten Elektroden – der Monopolarplatte (8) als Gasverteiler – der Gasfeinverteilung (9) und – der Dichtung (4) für die PEM-Zellen-Elemente – der elektrisch leitfähigen und gasdichten Folie (7) mit unterschiedlichen Öffnungen für die Medienflüsse und die für den Aufbau des Brennstoffzellenstapels aus den vorgenannten Einzelzellen erforderlichen einheitlichen Konstruktionselemente vorgesehen sind, und zwar – die faserverstärkte Kunststoffendplatte (1) mit integrierter Medienverteilung und Messfühlern – die Stromabnehmerplatte (2) mit Kanälen für die Medienführung, – die Dichtung (10), die den Anpressdruck über die Fläche gleichmäßig verteilt.
Modularer multifunktionaler Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Monopolarplatten (8) aus Graphit sind, die auf der dem Medienfluss abgewandten Seite eine strukturierte Oberfläche aufweisen, die die Gesamtfläche der Monopolarplatten (8) so anpasst, dass die Wärmeleitfähigkeit, Stromleitung und Flächenpressung an der Kontaktseite zu der elektrisch leitfähigen und gasdichten Folie (z. B. Graphitfolie) (7) optimal ist.
Modularer multifunktionaler Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromabnehmerplatte (2) mit Kanälen für die Medienführung (13) und die aus einem faserverstärkten Kunststoff bestehenden Endplatten (1) mit Kanälen für die Medienführung (13) versehen sind, die gemeinsam ein Gas- und Wasserführungskanalsystem bilden.
Modularer multifunktionaler Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die aus faserverstärktem Kunststoff bestehenden Dichtungsträger (6) so konstruiert sind, dass sie innerhalb der Einzelzellen die Gasfeinverteilung (9), die Monopolarplatten (8) und die außenliegenden elektrisch leitfähigen und gasdichten Folien (7) über Dichtungen (4) so verbinden, dass die Einzelzellen ebenso wie Teile von diesen immer wieder zerstörungsfrei montierbar und demontierbar sind.
Modularer multifunktionaler Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckverteilung über die gesamte aktive Fläche der Zellen und über den Zellenstapel durch ein adaptives Druckverteilungssystem (5) gleichmäßig und unabhängig von Einflüssen wie Temperatur, Druck, Feuchte konstant ist.
Modularer multifunktionaler Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, dass das Druckverteilungssystem aus Edelstahlbolzen, faserverstärktem Kunststoffträger (6), angepassten Dichtungen (10) und elektrisch leitender und gasdichter Folie (7) besteht, wobei die Edelstahlbolzen durch die auf der Innenseite nicht ebenen Kunststoffendplatten (1) und die abstandhaltenden Kunststoffträger (6) der Einzelzellen (3) hindurchführen und an mindestens einem Ende Spiraltellerfedern mit integrierten Unterlegscheiben zur Verspannung des Brennstoffzellenstapels für den gleichmäßigen Druckaufbau und die Druckhaltung besitzt.
Modularer multifunktionaler Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, dass die für die Prozesssteuerung erforderlichen Messfühler für die Messung von Druck, Temperatur und Feuchte in den Kunststoffendplatten (1) mit ihren Medienzuführungskanälen integriert sind.
Modularer multifunktionaler Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass in die elektrisch leitende und gasdichte Folie (z. B. Graphitfolie) (7) jeder Zelle Schlitze (15) eingebracht sind, über die einfach die Kontakte mit geringen Kontaktübergangswiderständen oder Kontaktunsicherheiten für eine Einzelzellspannungsmessung angeschlossen sind.
Modularer multifunktionaler Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, dass die aktiven Wärmequellen in den Zellen nach außen nahezu vollständig durch die faserverstärkten Kunststoffträger (6) und die Kunststoffendplatten (1) wärmetechnisch und elektrisch isoliert sind.
Modularer multifunktionaler Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass zwei faserverstärkte Kunststoffträger (6) über Dichtungen (4) Polymer-Elektrolyt-Membran (11) mit einem Dichtungsrand zwischen sich einspannen und entweder über die Oberflächenkräfte nach einmaligem Verpressen allein zusammenhalten oder durch Nippel so miteinander verbunden sind, dass sie wieder lösbar sind und dass sie den Pressvorgang des Brennstoffzellenstapels nicht behindern.
Modularer multifunktionaler Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die faserverstärkten Kunststoffträger (6) an den Rändern eine Verzahnung aufweisen, die ein Zusammenhalten von zwei faserverstärkten Kunststoffträgern (6) ohne zusätzliche Befestigungselemente ermöglicht und jeder faserverstärkte Kunststoffträger (6) gleichzeitig so ausgestaltet ist, dass er eine Aufnahme für die Halterung der Polymer-Elektrolyt-Membran (11) zugehöriger Dichtungen (4) und frei austauschbarer Flowfields enthält.