DE10107788A1 - Elektrochemisches Element - Google Patents

Abstract

Bei einem elektronischen Element ist der Bereich der Fluidverteilerkanäle (9, 11) der Bipolar- und Stromabnehmerplatten (3, 4) als kegelstumpfartige Erhöhung (14) geformt, während das Rahmenelement (2), in dem sich auch die Verbindungskanäle (8) zwischen den Fluidverteilerkanälen und den Zu- und Abführungskanälen (6, 7) befinden, um die aktive Fläche der Membran-Elektroden-Einheit (1) eine entsprechend dieser Erhöhung dimensionierte Ausnehmung (13) bildet. Die Ausnehmungen und Erhöhungen gleiten bei der Montage mit zumindest großem Spiel und selbsttätig geführt leicht ineinander und sind danach paßgenau und abdichtend zueinander positioniert.

Description

Die Erfindung betrifft ein aus einer Mehrzahl elektroche­ mischer Zellen gebildetes elektrochemisches Element, das an einem Rahmenelement abdichtend gehaltene Membran- Elektroden-Einheiten, im Wechsel mit diesen angeordnete Bipolarplatten sowie beidseitig jeweils eine Stromabneh­ merplatte und eine Endplatte umfaßt, wobei im Randbereich des Rahmenelements und der Platten Durchbrüche zur Aus­ bildung von Zuführungs- und Abführungskanälen für minde­ stens einen der Reaktanden vorgesehen sind, die mit in die Bipolar- und Stromabnehmerplatten eingeformten und an die Anoden- bzw. Kathodenschicht der Membran-Elektroden- Einheit angrenzenden offenen Fluidverteilerkanälen ver­ bunden sind.

Derartige elektrochemische Elemente, bei denen der Fluid­ transport zwischen den Zuführungs- und Abführungskanälen und den Fluidverteilerkanälen über in den Stromübergabe- und Stromabnehmerplatten vorgesehene Kanäle erfolgt, sind aus dem Stand der Technik hinreichend bekannt. In der DE 199 26 026 wird darüber hinaus eine Membran-Elektroden- Einheit für so ausgebildete Brennstoffzellen, Membran- Elektrolyseure und Membran-Kompressoren beschrieben, die in ihrem nicht aktiven Randbereich zwischen zwei durch Schmelzkleberschichten verbundenen, ein Rahmenelement bildenden Versteifungsplatten gasdicht gehalten ist. Die aus Kunststoff herstellbaren Rahmenelemente können ko­ stengünstig hergestellt werden und tragen in erheblichem Maße zur Vereinfachung der Montage der eine Mehrzahl Membran-Elektroden-Einheiten und Bipolarplatten umfassen­ den elektrochemischen Zelle bei. Dennoch ist die Montage insofern mit Schwierigkeiten verbunden, als die in den Rahmenelementen, Stromübergabe- und Stromabnehmerplatten sowie Endplatten vorgesehenen Durchbrüche zur exakten Ausbildung und Abdichtung der Zuführungs- und Abführungs­ kanäle für die Reaktanden deckungsgleich übereinanderlie­ gen müssen. Eine positionsgenaue Montage ist bei einer automatischen Fertigung praktisch nicht möglich und manu­ ell nur mit einem erheblichen Zeitaufwand erreichbar.

Aus der JP 07249417 A ist des weiteren eine Brennstoff­ zelle bekannt, bei der der Fluidtransport zwischen den Zuführungs- und Abführungskanälen und den in den Strom­ übergabe- und Stromabnehmerplatten ausgebildeten, zur Membran-Elektroden-Einheit hin offenen Fluidverteilerka­ nälen über in den Rahmenelementen vorgesehene Kanäle er­ folgt. Die Rahmenelemente sind zur Unterbringung der Ver­ bindungskanäle entsprechend stark ausgebildet. Dement­ sprechend wurde die Stärke der Stromübergabe- und Strom­ abnehmerplatten im Bereich des Rahmenelements verringert, während der mit den Fluidverteilerkanälen versehene Teil dieser Platten in eine vom senkrechten Innenrand des Rah­ menelements begrenzte Ausnehmung ragt. Diese Ausbildung der Rahmenelemente und Stromübergabe- bzw. Stromabnehmer­ platten ist insofern nachteilig, als die Rahmenelemente und Platten auch im Bereich der aktiven Membranfläche maßgenau gefertigt sein müssen, das heißt, genau ineinan­ derpassen müssen, um einen dichten Anschluß zwischen dem Verbindungskanal im Rahmenelement und dem Fluidverteiler­ kanal in der Stromübergabe- bzw. Stromabnehmerplatte zu gewährleisten. Zudem ist auch die Montage einer derarti­ gen Brennstoffzelle mit Schwierigkeiten verbunden und zeitaufwendig, da der Fluidverteilerkanalbereich der Stromübergabe- und Stromabnehmerplatten in die Ausnehmung des Rahmenelements mühsam eingepaßt werden muß. Eine au­ tomatische Montage ist auch in diesem Fall nicht denkbar.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein elektroche­ misches Element der eingangs erwähnten Art so auszubil­ den, daß bei genauer Positionierung und Abdichtung der medienführenden Kanäle eine einfache, wenig zeitaufwendi­ ge Montage möglich ist.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit einer gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 ausgebildeten elektroche­ mischen Zelle gelöst.

Der wesentliche Erfindungsgedanke besteht mit anderen Worten darin, daß der Bereich der Fluidverteilerkanäle als sich kegelstumpfartig verjüngende Erhöhung an die Bi­ polar- und Stromabnehmerplatten angeformt ist, während das Rahmenelement eine dementsprechend geformte Ausneh­ mung zur paßgenauen Aufnahme der Erhöhung bildet. Bei der Montage gleiten die gerahmten Membran-Elektroden-Einhei­ ten und die Bipolar- bzw. Stromabnehmerplatten mit zu­ nächst großem Spiel gleichsam selbsttätig bis in eine paßgenaue, an den abgeschrägten Seitenkanten abdichtend aneinanderliegende Endstellung, in der die Verbindungska­ näle und die Flutverteilerkanäle exakt in einer Flucht liegen. Die abgeschrägten Seitenflächen können eben aus­ gebildet oder in der Montagerichtung konvex bzw. konkav gekrümmt sein, um das Ineinandergleiten weiter zu er­ leichtern. Das elektrochemische Element kann somit ein­ fach und schnell, insbesondere auch automatisch, mit ho­ her Paßgenauigkeit und somit ohne Funktionsbeeinträchti­ gungen während des Betriebes des elektrochemischen Ele­ ments montiert werden.

Aus den Unteransprüche ergeben sich weitere Merkmale und vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein aus mehreren Einzelzellen zusammengesetztes Brennstoffzellenstack im Schnitt; und

Fig. 2 eine Seitenansicht einer in einem Rahmenelement gehaltenen Membran-Elektroden-Einheit.

Das Brennstoffzellenstack umfaßt zunächst mehrere Mem­ bran-Elektroden-Einheiten 1, die jeweils in einem Rah­ menelement 2 aus zwei mit Hilfe einer Schmelzkleber­ schicht abdichtend verbundenen Rahmenteilen (nicht darge­ stellt) gehalten sind, zwischen diesen angeordnete Bipo­ larplatten (Stromübergabeplatten) 3 sowie an den äußeren Membran-Elektroden-Einheiten angeordneten Stromabnehmer­ platten 4 und schließlich Endplatten 5, über die das Brennstoffzellenstack mit in Bohrungen 12 geführten Spannbolzen (nicht dargestellt) zusammengehalten wird. In Fig. 1 sind der Zuführungskanal 6 und der Abführungskanal 7 für den ersten Reaktand, die aus in den Platten und Rahmenelementen 2 bis 5 vorgesehenen, fluchtend überein­ ander liegenden Durchbrüchen gebildet sind, dargestellt. Über einen Verbindungskanal 8 in dem Rahmenelement 2 wird der Anschluß zwischen dem Zuführungskanal 6 bzw. dem Ab­ führungskanal 7 und dem Fluidverteilerkanal 9 für den er­ sten Reaktand hergestellt. Zur Abdichtung sind Dichtung­ selemente 10 angeordnet. Die Fluidverteilerkanäle für den zweiten Reaktand sind mit dem Bezugszeichen 11 bezeich­ net. Die zugehörigen Verbindungskanäle zu den Zu- und Ab­ führungskanälen 14, 15 (Fig. 2) für den zweiten Reaktand sind in der gewählten Schnittdarstellung (Fig. 1) nicht erkennbar.

Die durch das Rahmenelement 2 im Bereich der aktiven Flä­ che der Membran-Elektroden-Einheit 1 gebildete Ausnehmung 13 ist - ebenso wie die durch den Bereich der Fluidver­ teilerkanäle 9, 11 gebildete Erhöhung 14 durch abgeschrägte Kanten 17, 18 kegelstumpfartig ausgeführt. Die Rahmenelemente 2 und die Bipolarplatten bzw. Stromabneh­ merplatten können daher mit großem Spiel und somit auf einfache Weise zusammengefügt werden und liegen nach der Montage dennoch dicht und an den Anschlußstellen der Fluidverteilerkanäle an die Verbindungskanäle paßgenau aneinander.

Bezugszeichenliste

1

Membran-Elektroden-Einheit

2

Rahmenelement

3

Bipolarplatte

4

Stromabnehmerplatte

5

Endplatte

6

Zuführungskanal (erster Reaktand)

7

Abführungskanal (erster Reaktand)

8

Verbindungskanal

9

,

11

Fluidverteilerkanal

10

Dichtungselement

12

Bohrungen für Spannbolzen

13

Ausnehmung

14

Erhöhung des Fluidverteilerbereichs

15

Zuführungskanal (zweiter Reaktand)

16

Abführungskanal (zweiter Reaktand)

17

,

18

abgeschrägte Kanten von

13

,

14

19

Gasverteiler

Claims (7)

1. Elektrochemisches Element, das an einem Rahmenelement abdichtend gehaltene Membran-Elektroden-Einheiten, im Wechsel mit diesen angeordnete Bipolarplatten sowie beidseitig jeweils eine Stromabnehmerplatte und eine Endplatte umfaßt, wobei im Randbereich des Rahmenele­ ments und der Platten Durchbrüche zur Ausbildung von Zuführungs- and Abführungskanälen für mindestens ei­ nen der Reaktanden vorgesehen sind, die mit in die Bipolar- und Stromabnehmerplatten eingeformten und an die Anoden- bzw. Kathodenschicht der Membran- Elektroden-Einheit angrenzenden offenen Fluidvertei­ lerkanälen verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Bereich der Fluidverteilerkanäle (9, 11) der Bipolar- und Stromabnehmerplatten (3, 4) als eine ke­ gelstumpfartige Erhöhung (14) ausgebildet ist, die in eine durch abgeschrägte Innenkanten des Rahmenele­ ments (2) gebildete kegelstumpfartige Ausnehmung (13) im Bereich der Membran-Elektroden-Einheit (1) ein­ greift, wobei die zunächst mit Spiel zusammengeführ­ ten Membran-Elektro-den-Einheiten (1) und Bipolar- /Stromabnehmerplatten (3, 4) in montiertem Zustand paßgenau aneinanderliegen.

2. Elektrochemisches Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in den Rahmenelementen (2) von den Zuführungs- und Abführungskanälen ausgehende Ver­ bindungskanäle (8) zum Anschluß an die Fluidvertei­ lerkanäle (9, 11) ausgebildet sind.

3. Elektrochemisches Element nach Ansprüche 1 und 2, da­ durch gekennzeichnet, daß in dem Rahmenelement ausge­ hend von dem Zuführungs- bzw. Abführungskanal (6, 7; 15, 16) zwei oder mehrere Verbindungskanäle (8), die einzeln an Fluidverteilerkanäle (9, 11) angeschlossen sind, ausgebildet sind.

4. Elektrochemisches Element nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Rahmenelemente (2) aus mit einem Schmelzkleber verbundenen Kunst­ stoffteilen bestehen, wobei die Membran-Elektroden- Einheit (1) im nicht aktiven Bereich abdichtend in den Schmelzkleber eingebunden ist.

5. Elektrochemisches Element nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Rahmenelemente aus mechanisch verbundenen Teilen bestehen, wobei die Membran-Elektroden-Einheit (1) in ihrem nicht aktiven Bereich in eine Elastomerdichtung oder in einen aus­ härtbaren Kleber eingebunden ist.

6. Elektrochemisches Element nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die schräg verlau­ fenden Mantelflächen der Ausnehmung (13) sowie der Erhöhung (14) in Montagerichtung gesehen konkav bzw. konvex gekrümmt ausgebildet sind.

7. Elektrochemisches Element nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß an der Membran- Elektroden-Einheit beidseitig Mittel (19) zur Medien­ verteilung vorgesehen sind.