DE102004033606B4

DE102004033606B4 - Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffzelle, Brennstoffzelle sowie flache Brennstoffzellenanordnung

Info

Publication number: DE102004033606B4
Application number: DE102004033606.7A
Authority: DE
Inventors: Yeu-Shih Yen; Chiou-Chu Lai; Ju-Pei Chen; Shu-Chen Huang; Ku-Yin Ka
Original assignee: Industrial Technology Research Institute ITRI
Current assignee: Industrial Technology Research Institute ITRI
Priority date: 2003-07-29
Filing date: 2004-07-12
Publication date: 2015-09-24
Anticipated expiration: 2024-07-13
Also published as: TWI251954B; GB0415273D0; CA2473329C; JP2005050817A; JP2009009952A; US8609297B2; TW200505085A; CA2473329A1; US20050026026A1; GB2404491A; GB2404491B; JP4713101B2; DE102004033606A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffzelle (30, 30'), umfassend:
Bereitstellung einer Protonenaustauschmembran (311), einer Anode (312) und einer Kathode (313, 314);
Verbindung der Anode (312) und der Kathode (312, 314) an gegenüberliegenden Seiten der Protonenaustauschmembran (311), dadurch Bildung einer Membranelektrodenanordnung (31);
Bereitstellung von zwei leitenden Netzen (21, 33);
Bereitstellung eines Klebers im B-Zustand (22);
Übertragung des Klebers im B-Zustand (22) auf die Flächen der leitenden Netze (21, 33) durch Heißpress-Übertragung; und
Heißpressen eines jeden leitenden Netzes (21, 33) mit dem Kleber im B-Zustand auf die Flächen der Anode (312) und der Kathode (313, 314) der Membranelektrodenanordnung (31), so dass die leitenden Netze mit der Membranelektrodenanordnung verbunden sind und direkt die Membranelektrodenanordnung kontaktieren.

Description

Hintergrund der Erfindung
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Brennstoffzellenanordnung mit verbesserter Verbindungsstruktur und insbesondere auf eine Brennstoffzellenanordnung mit daran befestigten leitenden Netzen, um Elektronen zu leiten.
Stand der Technik
Brennstoffzellen (BZ) konvertieren chemische Energie von Wasserstoff und Sauerstoff direkt in Elektrizität. Verglichen mit konventionellen Energiegewinnungsvorrichtungen erzeugen Brennstoffzellen weniger Immission und Lärm und weisen eine höhere Energiedichte und Energieumwandlungseffizienz auf. Brennstoffzellen stellen saubere Energie bereit und können neben vielen anderen Anwendungen in tragbaren elektronischen Geräten, Transportmitteln, militärischen Anlagen, Energieerzeugungssystemen oder der Raumfahrtindustrie verwendet werden.
Verschiedene Brennstoffzellen nutzen verschiedene Arbeitsprinzipien. Um die Oxidation zu beschleunigen benutzen beispielsweise direkte Methanolbrennstoffzellen (DMBZ) auf der Anodenseite eine Methanollösung und erzeugen Protonen (H⁺), Elektronen (e^–) und Kohlendioxid (CO₂). Die resultierenden Wasserstoffionen breiten sich durch ein Elektrolyt zu der gegenüberliegenden Kathode aus. Unter dessen wird Sauerstoff zu der Kathode gespeist. Wenn das Proton, Elektronen (e^–) und Sauerstoff auf der Kathodenseite vereinigt werden, wird Wasser gebildet. Die Spannung zwischen den Elektroden treibt durch eine externe Belastung Elektronen von der Anoden- zu der Kathodenseite. Das Nettoergebnis ist, dass die DMBZ zur Elektrizitätserzeugung Methanol benutzt, mit Wasser und Kohlendioxid als Nebenprodukten.
Die Ausgangsspannung einer Einzelzelle ist zu gering, um ein elektronisches Gerät zu betreiben. Deshalb müssen mehrere Brennstoffzellen in Reihe zu einem Brennstoffzellenstapel verbunden werden, um eine ausreichende Ausgangsspannung bereit zu stellen. Beim Verbinden von Brennstoffzellen muss die Übertragung der erzeugten Spannung von einer Brennstoffzelle zur anderen, insbesondere der Elektronen von der Anode der einen Brennstoffzelle zu der Kathode der anderen bewerkstelligt werden.
Eine konventionelle Brennstoffzelle 10 in 1 umfasst eine Anode 12, eine Protonenaustauschmembran (PAM) 11 und eine Kathode 13, die eine Membranelektrodenanordnung (MEA) bilden. Zwei gasdiffundierende Schichten 14 sind daran mit Kohlenstoffgewebe oder Kohlenstoffpapier gebildet. Ferner sind der Katalysator, die MEA, die gasdiffundierenden Schichten 14, das bipolare Blech 15 und die Endbleche 17 der konventionellen Brennstoffzelle durch Schrauben 16 montiert, um eine korrekte elektrische Verbindung, Leitfähigkeit und Brennstoffversorgung bereitzustellen.
Dennoch bestehen Probleme mit der obigen konventionellen Verbindungsstruktur. Eine durch die Schrauben bewirkte Kraft ist nicht uniform und erhöht den Widerstand der Brennstoffzellenanordnung oder blockiert den Brennstoffdurchfluss durch die Rinnen der Endbleche 17 und des bipolaren Bleches 15. Zusätzlich benötigt diese Struktur zusätzlichen Platz für Schrauben, was die Montagedichte verringert. Bei flachen Brennstoffzellanordnungen in einem tragbaren Gerät ist die Montagedichte um 30%~50% reduziert und kann der Forderung nach hoher Energiedichte nicht genügen.
In einer konventionell gestapelten Brennstoffzellanordnung verbinden die bipolaren Bleche die Anode und die Kathode von je zwei benachbarten Brennstoffzellen und trennen, wie in 1 gezeigt, den benötigten Brennstoff. Dennoch sind die konventionell gestapelten Brennstoffzellen nicht zur Verwendung mit tragbaren Geräten geeignet, sodass eine neue flächig angeordnete Brennstoffzellanordnung benötigt wird.
Das US-Patent Nr. 6,127,058 A von Pratt et al. beschreibt ein Verfahren der Verwendung von zwei Plastikrahmen mit Stromabnehmern, um eine MEA schichtweise anzuordnen. Die Stromabnehmer sind jedoch Metallnetze und die durch die Plastikrahmen ausgeübte Kraft könnte nicht uniform sein, sodass die Metallnetze die Anoden und Kathoden der MEA nicht genau kontaktieren und so der Widerstand der Brennstoffzellenanordnung erhöht und die Ausgangsspannung reduziert wird.
Viele Strukturen und Verbindungsverfahren für flache Brennstoffzellanordnungen wurden offenbart, z. B. Rongzhong et al. (J. of Power Source, 93, 2001, 25–31), A. Heinzel et al. (Elektrochemica Acta 43, 1998, 3817–3820), S. J. Lee et al. (J. of Power Source, 112, 2002, 414–418).
Auch das US-Patent Nr. 6,410,180 B1 von Cisar et al. beschreibt eine verbesserte Brennstoffzellgestaltung zur Benutzung bei geringem Druck. Die Erfindung weist ein elektrisch leitendes poröses Material auf, das direkt an leitende Netze gebunden ist und umfasst eine isolierende Verbindungskomponente und eine elektrisch leitende Komponente, wie z. B. eine innige Mischung eines Pulvers und loser Fasern, um gasdiffundierende Schichten zu bilden Diese gasdiffundierenden Schichten werden dann an die MEA durch Heißpressen gebunden und die Brennstoffzellen in Reihe verbunden.
Mit dem von Cisar et al. bereitgestellten Verfahren bleiben Probleme bestehen, da dass elektrisch leitende poröse Material auf verschiedene Bereiche an gegenüberliegenden Flächen eines leitenden Netzes durch konventionelles Drucken aufgebracht werden muss und so die Uniformität des elektrisch leitenden porösen Materials schwierig zu kontrollieren ist. Ferner sind die Löcher in der mit einem konventionellen Druckprozess gebildeten gasdiffundierenden Schicht kleiner als die Löcher in der mit Kohlenstoffgewebe gebildeten gasdiffundierenden Schicht. Deshalb muss die Dicke der gedruckten gasdiffunierenden Schicht reduziert oder exakt kontrolliert werden. Allerdings wird sich die Leitfähigkeit und Stabilität der Brennstoffzellanordnung verschlechtern.
Zusammenfassung der Erfindung
Die erste Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es demzufolge, eine verbesserte Verbindungsstruktur und ein Verfahren für flache Brennstoffzellanordnungen bereit zu stellen, um die Fertigungsdichte von Brennstoffzellen und den Anteil der effektiven Reaktionsbereiche zu erhöhen.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Verbindungsstruktur mit leitenden Netzen zur Verbindung der Brennstoffzellen in Reihe zur Verfügung zu stellen.
Die dritte Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren der Verbindung der leitenden Netze und der Kohlenstoffschicht einer jeden Brennstoffzelle zur Verfügung zu stellen.
Die vierte Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein zuverlässiges Sicherungsverfahren für die Verbindung zwischen den leitenden Netzen und den Brennstoffzellen zur Verfügung zu stellen, um die Leitfähigkeit zu erhöhen.
Die fünfte Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Herstellungsverfahren für eine einfach zu erhaltende flache Brennstoffzellanordnung zur Verfügung zu stellen, sodass die Kosten für die flache Brennstoffzellanordnung reduziert werden.
Die vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffzelle bereit. Erstens wird eine Protonenaustauschmembran, eine Anode und eine Kathode bereitgestellt. Die Anode und die Kathode werden an gegenüberliegenden Seiten der Protonenaustauschmembran verbunden und bilden eine Membranelektrodenanordnung. Als nächstes werden zwei leitende Netze und ein wärmehärtender Kleber im B-Zustand bereitgestellt, wobei der Kleber im B-Zustand auf die Flächen der leitenden Netze übertragen wird. Schließlich werden die leitenden Netze einzeln auf die Flächen der Anode und Kathode der Membranelektrodenanordnung heißgepresst.
Eine poröse leitende Schicht wird gebildet oder befestigt an der Oberfläche der Membranelektrodenanordnung, um die Leitfähigkeit zu erhöhen. Die poröse leitende Schicht umfasst Kohlenstoffpapier oder Kohlenstoffgewebe.
Die leitenden Netze umfassen Nickel, Titan, Kupfer, Aluminium oder deren Legierungen. Die leitenden Netze sind außerdem mit Gold, Platin, Rhodium, Ruthenium oder anderen Edelmetallen beschichtet, um Korrosion zu verhindern.
Der Kleber im B-Zustand wird als eine Membran mit einer Dicke zwischen 1 und 100 μm bereitgestellt und ist aus Expoydharz, PU, PI oder anderen Polymeren hergestellt. Der Kleber im B-Zustand wird auf die Flächen der leitenden Netze durch Heißpressen übertragen und kann eine Vielzahl leitender Partikel darin umfassen, um die Leitfähigkeit zu erhöhen.
Weiterhin beträgt die Arbeitstemperatur der Übertragung zwischen 25 und 100°C, und die Arbeitstemperatur des Heißpressens zwischen 100 und 250°C bei 1 bis 50 MPa.
Die vorliegende Erfindung stellt eine Brennstoffzelle zur Verfügung, die eine Membranelektrodenanordnung mit zwei leitenden Netzen aufweist. Die Membranelektrodenanordnung weist eine Protonenaustauschmembran, eine Anode und eine Kathode auf. Die Anode und Kathode sind einzeln an gegenüberliegenden Seiten der Protonenaustauschmembran angeordnet. Die leitenden Netze sind durch wärmehärtenden Kleber an den Flächen der Anode und der Kathode der Membranelektrodenanordnung befestigt.
Eine poröse leitende Schicht ist zwischen der Membranelektrodenanordnung und den leitenden Netzen angeordnet, um die Leitfähigkeit zu erhöhen. Die poröse leitende Schicht umfasst Kohlenstoffpapier.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Kleber wärmehärtend. Der wärmehärtende Kleber wird auf die Flächen der leitenden Netze aufgebracht und gebacken, wobei die Arbeitstemperatur dieses Backprozesses zwischen 60 und 200°C liegt.
Die vorliegende Erfindung stellt weiterhin eine flache Brennstoffzellanordnung zur Verfügung, die einen Isolierungsrahmen und eine Vielzahl von in Reihe verbundenen Brennstoffzellen umfasst. Der Isolierungsrahmen weist eine Vielzahl von Öffnungen auf. Die Brennstoffzellen sind auf dem Isolierungsrahmen die Öffnungen bedeckend angeordnet. Jede Brennstoffzelle umfasst eine Membranelektrodenanordnung mit zwei durch Kleber im B-Zustand an den Flächen der Anode und Kathode der Membranelektrodenanordnung gesondert befestigten leitenden Netze. Ferner sind die benachbarten Brennstoffzellen in Reihe durch die leitenden Netze verbunden.
Die leitenden Netze umfassen Nickel, Titan, Kupfer, Aluminium oder deren Legierungen. Außerdem sind die leitenden Netze mit Gold, Platin, Rhodium, Ruthenium oder anderen Antikorrosionsmaterialien wie CrN beschichtet, um Korrosion zu verhindern.
Der Kleber im B-Zustand ist als eine Membran der Dicke zwischen 1 und 100 μm bereitgestellt und ist aus Epoxydharz PU, PI oder anderen makromolekularen Polymeren hergestellt. Der Kleber im B-Zustand ist auf die Flächen der leitenden Netze durch Heißpressen aufgebracht und kann eine Vielzahl leitender Partikel darin umfassen, um die Leitfähigkeit zu erhöhen.
Um die Metallnetze zu sichern, umfasst der Isolierungsrahmen in einer bevorzugten Ausführungsform einen ersten Teil mit einer Vielzahl von Vorsprüngen und einen zweiten Teil mit einer Vielzahl von korrespondierenden Vertiefungen.
Die Brennstoffzellen sind an dem Isolierungsrahmen durch wasserundurchlässigen Kleber befestigt. Die Brennstoffzellen sind abwechselnd an den gegenüberliegenden Seiten des Isolierungsrahmens angeordnet, um die Verbindungsstruktur der Brennstoffzellanordnung zu vereinfachen.
Der Isolierungsrahmen weist eine Vielzahl von Verbindungsteilen zwischen je zwei benachbarten Öffnungen und eine Vielzahl von in die Verbindungsteile eingebetteten Verbindungselektroden auf. Ferner sind die verbundenen leitenden Netze von je zwei benachbarten Brennstoffzellen in Reihe durch die Verbindungselektroden dazwischen verbunden.
Zwei flache Brennstoffzellmodule und ein Isolierungsrahmen bilden einen eingeschlossenen Raum für den benötigten Brennstoff. Der Isolierungsrahmen weist weiterhin Verbindungselektroden auf, um die flachen Brennstoffzellmodule zu verbinden. Ferner umfassen die Verbindungselektroden eine flexible Leiterplatte.
Der Isolierungsrahmen umfasst einen faserverstärkten Kunstharz oder eine Keramikplatte und weist eine Vielzahl Löcher zum Beaufschlagen oder Ausstoßen des benötigten Brennstoffs für die Brennstoffzellanordnung auf.
Eine detaillierte Beschreibung wird in den folgenden Ausführungsformen mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen gegeben.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die vorliegende Erfindung kann durch Lesen der nachfolgenden detaillierten Beschreibung und Beispiele mit den auf die beigefügten Zeichnungen gemachten Verweisen besser verstanden werden, wobei:
1 ein Querschnitt einer konventionellen im Stand der Technik referenzierten Brennstoffzelle ist;
2A eine schematische Ansicht ist, die die Aufbringung des Klebers im B-Zustand auf ein erfindungsgemäßes leitendes Netz zeigt;
2B ein Querschnitt des leitenden Netzes in 2A mit Kleber daran ist;
3A ein Querschnitt der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle ist;
3B eine vergrößerte Ansicht des Bereichs (a) in 3A ist;
3C ein Querschnitt ist, der eine andere betriebsfähige Struktur der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle zeigt;
4A ein Querschnitt der flachen Brennstoffzellanordnung in einer ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform ist;
4B~4D Querschnitte von anderen möglichen Arten flacher Brennstoffzellanordnungen der ersten Ausführungsform sind;
5A eine perspektivische Explosionsansicht der flachen Brennstoffzellanordnung in einer zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsform ist;
5B ein Querschnitt der flachen Brennstoffzellanordnung in 5A ist; und
6 ein Querschnitt der flachen Brennstoffzellanordnung in einer dritten erfindungsgemaßen Ausführungsform ist.
Ausführliche Beschreibung der Erfindung
2A ist eine schematische Ansicht, die die Aufbringung von Kleber im B-Zustand auf ein erfindungsgemäßes leitendes Netz zeigt. Der wärmehärtende Kleber im B-Zustand ist in 2A als eine Membran 22 zum Verbinden der leitenden Netze und der Membranelektrodenanordnung (MEA) einer jeden Brennstoffzelle der vorliegenden Erfindung bereitgestellt. Die Dicke der Membran 22 liegt zwischen 1 und 100 μm, bevorzugt 40 μm. Der wärmehärtende Kleber im B-Zustand umfasst Epoxydharz, PU, PI oder ein anderes Polymer und ist in Abhängigkeit vom Material des B-Zustands auf die Fläche der leitenden Netze 21 durch Heißpressen bei einer Arbeitstemperatur zwischen 25 und 100°C und einem Arbeitsdruck geringer als 5 MPa mit einer Dicke zwischen 1 und 100 μm übertragen.
Der obige wärmehartende Kleber kann auch auf die Flächen der leitenden Netze durch Beschichtung oder Sprühen aufgebracht werden. Die leitenden Netze werden mit dem Kleber sanft gebacken, sodass der Kleber daran fest befestigt werden kann. Die Arbeitstemperatur dieses Backprozesses beträgt zwischen 60 und 200°C.
2B ist ein Querschnitt des leitenden Netzes in 2A mit Kleber daran. Die leitenden Netze 21 in 2B umfassen Nickel, Titan, Kupfer, Aluminium oder deren Legierungen. Die leitenden Netze 21 sind außerdem mit Gold, Platin, Rhodium, Ruthenium oder anderen Antikorrosionsmaterialien 211 wie CrN beschichtet, um Korrosion zu verhindern. Um die Leitfähigkeit zu erhöhen, kann der Kleber im B-Zustand 22 ferner eine Vielzahl leitender Partikel 121, wie Gold, Titan oder Kohlenstoff umfassen.
3A ist ein Querschnitt der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle. 3B ist eine vergrößerte Ansicht des Bereichs (a) in 3A. Die Brennstoffzelle 30 in 3A weist eine MEA 31 und zwei leitende Netze 33 auf. Die MEA 31 umfasst eine Protonenaustauschmembran 311 (PAM), eine Anode 312 und eine Kathode 313, wobei die Anode 312 und die Kathode 313 einzeln an den gegenüberliegenden Seiten der PAM 311 gebunden sind. Zudem werden die Anode 312 und die Kathode 313 der MEA 31 durch konventionelles Heißpressen oder Drucken gebunden.
Um die Leitfähigkeit und Gasdurchlässigkeit der MEA 31 zu erhöhen, sind zwei gasdiffundierende Schichten 32 aus Kohlenstoffpapier oder -gewebe an der Oberfläche der MEA 31 gebildet oder befestigt. Die gasdiffundierenden Schichten 32 werden daran beim Zusammenfassen der Anode 312, Kathode 313 und Protonenaustauschmembran 311 heißgepresst und werden so ein Teil der MEA.
In 2B und 3A~3B werden während dem, wie in 3B gezeigt, der Kleber im B-Zustand 22 eingesetzt wird, die Metallnetze 33 nach Heißpressen und Aufbringung des Klebers an den gegenüberliegenden Seiten der MEA 31 durch Heißpressen vereinigt. Schließlich wird der Kleber im B-Zustand 22 durch eine hohe Arbeitstemperatur verfestigt und bindet die Metallnetze 33 an die Oberflächen der gasdiffundierenden Schichten 32. Die Arbeitstemperatur des Heißpressens liegt zwischen 100 und 200°C bei einem Arbeitsdruck zwischen 1 MPa und 50 MPa für 1 bis 5 Minuten.
Für eine optimale Leitfähigkeit zwischen den Metallnetzen 33 und den gasdiffundierenden Schichten 32 ist die Arbeitstemperatur 160°C mit einem Arbeitsdruck von 30 MPa und einer Verbindungszeit von 3 Minuten.
Darüber hinaus können die gasdiffundierenden Schichten 32 an der erfindungsgemäßen MEA 31 entfernt werden. Die Metallnetze 33 werden durch den Kleber direkt an die Flächen der Anode 312 und Kathode 313 der MEA 31 gebunden. Zusätzlich können, wie in 3C gezeigt, die Metallnetze 33 mit den daran heißgepressten gasdiffundierenden Schichten 32 zuerst einzeln an eine Fläche der Anode 312 und der Kathode 314 gebunden werden.
Erste Ausführungsform
4A ist ein Querschnitt einer flachen Brennstoffzellanordnung in einer ersten Ausführungsform. Die Brennstoffzellanordnung zeigt zur Vereinfachung der Zeichnung nur zwei Brennstoffzellen, ist aber nicht darauf beschränkt.
Die Brennstoffzellanordnung 40 in 4A weist zwei Brennstoffzellen 30a, 30b, einen Isolierungsrahmen 42 und zwei stromführende Bleche 43a, 43b auf. Ein Metallnetz 41 ist zuerst, eine Verbindungselektrode dazwischen bildend, an der Anode der Brennstoffzelle 30a und der Kathode der Brennstoffzelle 30b durch Kleber im B-Zustand gebunden. Der Biegungsteil 411 des Verbindungsmetallnetzes 41 ist in den Zentralteil des Isolierungsrahmens 42, der den Biegungsteil 411 vor Schaden bewahren kann, eingebettet. Weiterhin umfassen die Isolierungsrahmen 42 eine Keramikplatte oder sind mittels Spritzgießens aus PC, PE, faserverstärktem Kunstharz oder anderen Polymeren gebildet.
Darüber hinaus können die Verbindungsmetallnetze der Brennstoffzellanordnung 40, wie in 4B gezeigt, aus zwei in dem Verbindungsteil vereinigten Metallnetzen bestehen.
4C ist ein Querschnitt einer anderen flachen Brennstoffzellanordnung der ersten Ausführungsform. Die Brennstoffzellen 30a, 30b in 4D sind in Reihe durch die in den Zentralteil des Isolierungsrahmens 42 eingebetteten Verbindungselektroden 45 verbunden. Die Metallnetze 41a, 41b sind an die Verbindungselektroden 45 durch Kleber im B-Zustand oder direktes Heißpressen gebunden. Die Metallnetze können mit den Verbindungselektroden 45 zur Bildung einer flachen Brennstoffzellanordnung 40' auch verlötet sein.
Der Isolierungsrahmen in 4D kann mit den konventionellen stromführenden Blechen vereinigt sein und umfasst einen ersten Teil mit einer Vielzahl von Vorsprüngen und einen zweiten Teil mit einer Vielzahl von korrespondierenden Vertiefungen Beim Zusammenfügen der flachen Brennstoffzellanordnung 40'' werden die Brennstoffzellen 30a, 30b an den ersten Teil angeordnet und der zweite Teil wird darauf gepresst. Die Metallnetze werden gleichzeitig über diese Vorsprünge und Vertiefungen verbunden.
Die gebundenen Metallnetze der in 4A und 4B gezeigten flachen Brennstoffzellanordnung nehmen die durch die Brennstoffzellen erzeugten Ladungen ab, die stromführenden Bleche 43a, 43b können somit aus PC, PE oder anderen isolierenden makromolekularen Verbindungen außer Grafit hergestellt sein. Eine Vielzahl von Rinnen 431a, 431b in den stromführenden Blechen 43a, 43b führen den Brennstoff ein. Die stromführenden Bleche 43a, 43b sind an dem Isolierungsrahmen 42 befestigt und mit wasserundurchlässigen Kleber 44 versiegelt, sodass die flache Brennstoffzellanordnung 40 der ersten Ausführungsform zur Verwendung mit Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen (PAMBZ) oder direkten Methanolbrennstoffzellen (DMBZ) geeignet ist.
Ferner ist die gasdiffundierende Schicht der Brennstoffzelle beseitigt, sodass die Metallnetze direkt an die Flächen der Anode oder der Kathode gebunden sein können. Alternativ können die Metallnetze zuerst auf die Flächen der Anode oder der Kathode heißgepresst und die gasdiffundierenden Schichten darauf, die in 3B gezeigte Struktur bildend, heißgepresst werden.
Zweite Ausführungsform
5A ist eine perspektivische Explosionsansicht der flachen Brennstoffzellanordnung der zweiten Ausführungsform und 5B ist ein Querschnitt davon. Die Brennstoffzellanordnung 50 ist zur Vereinfachung der Zeichnungen mit vier Brennstoffzellen 30a~30d gezeigt, aber nicht darauf beschränkt.
Die flache Brennstoffzellanordnung 50 in 5A umfasst einen Isolierungsrahmen und eine Vielzahl in Reihe verbundener Brennstoffzellen 30a~30d. Der Isolierungsrahmen umfasst eine Einlage 51 und zwei Abdeckungen 52a, 52b. Die Einlage 51 ist ein rechteckiger Isolierungsrahmen, um die Abdeckungen 52a, 52b zu stützen, und in einer ihrer Seitenwände ist eine Verbindungselektrode 511 eingebettet. Beide Abdeckungen 52a, 52b weisen zwei rechteckige Öffnungen 521 auf. Die Brennstoffzellen 30a~30d sind an den Abdeckungen 52a, 52b die Öffnungen 521 bedeckend angeordnet. Die Abdeckungen 52a, 52b können ferner gemäß der in 4B~4D gezeigten Struktur der Brennstoffzellen angefertigt und mit der Einlage 51 verbunden sein. Die Einlage 51 und die Abdeckungen 52a, 52b des Isolierungsrahmens umfassen PC, PE, faserverstärkten Kunstharz oder sind Keramikplatten.
Die Struktur einer jeden Brennstoffzelle 30a~30d der zweiten Ausführungsform ist mit der in 3A identisch. Jede Brennstoffzelle 30a~30d weist eine MEA mit einer heißgepressten PAM, Anode und Kathode auf. Zusätzlich sind daran zwei gasdiffundierende Schichten aus Kohlenstoffpapier oder -gewebe gebunden
Während der Herstellung der flachen Brennstoffzellanordnung 50 der zweiten Ausführungsform in 5A und 5B werden die Metallnetze 55a~55d zuerst an eine Fläche einer jeden Brennstoffzelle 30a~30d unter Benutzung eines Klebers im B-Zustand und Heißpressens gebunden. Als nächstes wird ein größeres Metallnetz 54a, 54b zur Verbindung der Anode einer ersten Brennstoffzelle mit der Kathode einer zweiten Brennstoffzelle zur Bildung eines Dualzellmodules aufgebracht. Als nächstes werden die Dualzellmodule gesondert mittels wasserundurchlässigen Klebers die Öffnungen 521 bedeckend an die Abdeckungen 52a, 52b gebunden. Danach werden die Abdeckungen 52a, 52b des Isolierungsrahmens mittels wasserundurchlässigen Klebers an der Einlage 51 befestigt, der Isolierungsrahmen und die Brennstoffzellen 30a~30b so, einen eingeschlossenen Raum 53 zum Bereithalten des benötigten flüssigen Brennstoffs bildend, daran angeordnet. Schließlich werden die Metallnetze 55b, 55c zur Bildung einer fertigen Brennstoffzellordnung 50, die eine ausreichende Ausgangsspannung für elektronische Geräte bereitstellt, an die Verbindungselektroden 511 mittels eines anisotropen leitenden Films (ALF) oder Lötens verbunden. Darüber hinaus agieren die Metallnetze 55a, 55b als die positiven und negativen Elektroden der flachen Brennstoffzellanordnung 50. Die leitenden Netze 54a, 54b, 55a~55d umfassen Nickel, Titan, Kupfer, Aluminium oder deren Legierungen und sind mit Gold, Platin, Rhodium, Ruthenium oder anderen Antikorrosionsmaterialien wie CrN beschichtet, um Korrosion zu verhindern.
Ferner kann die verbundene Elektrode 511 direkt durch einen flexiblen Anschluss oder ein Leitungsnetz 55b oder 55c ersetzt werden.
Die Anode einer jeden Brennstoffzelle in 5A, 5B bedeckt die Öffnungen des Isolierungsrahmens so, dass die flache Brennstoffzellenordnung 50 der zweiten Ausführungsform zur Verwendung mit DMBZ geeignet ist. Die benötigte Methanollösung kann durch die Löcher 512 in den eingeschlossenen Raum 53 eingeführt werden und der benötigte Sauerstoff direkt aus der Atmosphäre oder mit einem zusätzlichen Pumpsystem bereitgestellt werden.
Dritte Ausführungsform
Während der Herstellung von Dualzellmodulen der zweiten in 5A gezeigten Ausführungsform ist es schwierig, die Metallnetze 54a, 54b zu biegen und zur selben Zeit an zwei Brennstoffzellen zu binden. Dementsprechend stellt die vorliegende Erfindung eine andere einfach herzustellende Struktur für die flache Brennstoffzellanordnung zur Verfügung.
6 ist ein Querschnitt der flachen Brennstoffzellanordnung der erfindungsgemäßen dritten Ausführungsform. Die flache Brennstoffzellanordnung 60 ist zur Vereinfachung in den Zeichnungen mit sechs Brennstoffzellen 30a~30f gezeigt, jedoch nicht darauf beschränkt. Die flache Brennstoffzellenordnung 60 umfasst in 6 einen Isolierungsrahmen und eine Vielzahl von in Reihe verbundenen Brennstoffzellen 30a~30f. Der Isolierungsrahmen weist eine Einlage 61 und zwei Abdeckungen 62a, 62b auf. Die Einlage 61 ist gleich der der zweiten Ausführungsform ein rechteckiger Isolierungsrahmen, um die Abdeckungen 62a zu stützen, 62a und in einer ihrer Seitenwände ist eine Verbindungselektrode 61c eingebetet. Die Brennstoffzellen 30a~30f sind die Öffnungen bedeckend an den Abdeckungen 62a, 62b angeordnet. Ferner sind vier Verbindungselektroden 61a~61d in die Verbindungsteile 64a~64d zwischen je zwei Öffnungen eingebettet. Die Verbindungselektroden 61a~61d werden verwendet, um die an der Anode einer oberen Brennstoffzelle und der Kathode einer benachbarten unteren Brennstoffzelle gebundenen Metallnetze zu verbinden.
Die Einlage 61 und die Abdeckungen 62a, 62b des Isolationsrahmens umfassen PC, PE, faserverstärkten Kunstharz oder umfassen Keramikplatten.
Die Struktur einer jeden Brennstoffzelle 30a~30f der dritten Ausführungsform ist identisch zu der in 3A gezeigten Struktur. Jede Brennstoffzelle 30a~30f weist eine MEA mit einer heißgepressten PAM, Anode und Kathode auf. Zusätzlich sind daran zwei gasdiffundierende Schichten aus Kohlenstoffpapier oder -gewebe gebunden.
Zur Verbesserung der Struktur der flachen Brennstoffzellanordnung 60 sind die Brennstoffzellen 30b, 30e in 6 an der unteren Fläche des Isolierungsrahmens (61, 62a, 62b) angeordnet und die Brennstoffzellen 30a~30f sind abwechselnd an gegenüberliegenden Seiten des Isolierungsrahmens angeordnet. Während der Herstellung der flachen Brennstoffzellanordnung 60 der dritten Ausführungsform werden die Metallnetze 33a~33l an beiden Flächen einer jeden Brennstoffzelle 30a~30f mittels eines Klebers im B-Zustand und Heißpressens gebunden. Als nächstes werden die Brennstoffzellen 30a~30f abwechselnd, die Öffnungen zur Verhinderung eines Austritts von flüssigem Brennstoff bedeckend, an gegenüberliegenden Seiten der Abdeckungen 62a, 62b mittels wasserundurchlässigen Klebers angeordnet. Zwei flache Brennstoffzellmodule bildend werden dann Metallnetze 33b~33e, 33h~33k mit den Verbindungselektroden 61a, 61b, 61d, 61e mittels eines anisotropen leitenden Filmes (ALF) oder Lötens verbunden. Als nächstes werden die Abdeckungen 62a, 61b des Isolierungsrahmens, einen eingeschlossenen Raum 63 bildend, um den benötigten flüssigen Brennstoff bereitzuhalten, an der Einlage 61 mittels wasserundurchlässigen Klebers befestigt, der Isolierungsrahmen und die Brennstoffzellen 30a~30f daran angeordnet. Zur Bildung einer vollständigen flachen Brennstoffzellanordnung 60, die eine ausreichende Ausgangsspannung für elektronische Geräte zur Verfügung stellt, werden schließlich die Metallnetze 33f, 33g mit den Verbindungselektroden 61c mittels eines anisotropen leitenden Films (ALF) oder Lötens verbunden.
Die Metallnetze 33a, 331 agieren ferner als die positiven und negativen Elektroden der flachen Brennstoffzellanordnung. Die leitenden Netze 33a~33l umfassen Nickel, Titan, Kupfer, Aluminium oder deren Legierungen und sind mit Gold, Platin, Rhodium, Ruthenium oder anderen Edelmetallen beschichtet, um Korrosion zu verhindern.
Die Anode einer jeden Brennstoffzelle 30a~30f bedeckt die Öffnungen des Isolierungsrahmens in 5 und 6, so dass die flachen Brennstoffzellenordnungen 50, 60 der zweiten und dritten Ausführungsform zur Verwendung mit DMBZ und PAMBZ geeignet sind. Der benötigte Brennstoff, wie z. B. H₂ oder Methanollösung, kann in den eingeschlossenen Raum 53, 63 eingeführt werden und der benötigte Sauerstoff kann direkt aus der Atmosphäre entnommen oder durch ein zusätzliches Pumpsystem bereit gestellt werden.
Außerdem kann der eingeschlossene Raum 53, 63 zur Einführung von Luft oder Sauerstoff genutzt werden, wenn jede Brennstoffzelle 30a~30f mit nach innen weisender Kathode an den Abdeckungen 52a, 52b oder 62a, 62b des Isolationsrahmens angeordnet wird. Der benötigte Brennstoff, wie z. B. Wasserstoff oder Methanollösung, kann äußerlich angelegt werden. Der Brennstoff kann z. B. durch die Rinnen der stromführenden Bleche der ersten Ausführungsform treten. So ist die Struktur der flachen Brennzellanordnung 50, 60 zur Verwendung mit den konventionellen PAMBZ und DMBZ geeignet.
Dementsprechend stellt die vorliegende Erfindung eine verbesserte Verbindungsstruktur und Verfahren für flache Brennstoffzellanordnungen zur Verfügung, um die Fertigungsdichte von Brennstoffzellen und den Anteil des effektiven Reaktionsbereiches zu erhöhen. Metallnetze sind an jeder Brennstoffzelle durch leitenden Kleber im B-Zustand mittels Heißpressens aufgebracht, was nicht nur die Leitfähigkeit zwischen Metallnetzen und Kohlenstoffschichten einer jeden Brennstoffzelle verbessert, sondern auch den Herstellungsprozess vereinfacht und so die Kosten der flachen Brennstoffzellanordnung reduziert.
Während die Erfindung mittels Beispielen und in Form von bevorzugten Ausführungsformen beschrieben wurde, soll es verstanden werden, dass die Erfindung nicht auf die offenbarten Ausführungsformen beschränkt ist. Es ist im Gegenteil beabsichtigt, verschiedene Abänderungen und ähnlichen Anordnungen zu umfassen (wie sie einem Fachmann ersichtlich sind). Deshalb sollte der Umfang der anhängenden Ansprüche mit der breitesten Interpretation übereinstimmen, um all solche Abänderungen und ähnlichen Anordnungen zu umfassen.

Claims

Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffzelle (30, 30'), umfassend: Bereitstellung einer Protonenaustauschmembran (311), einer Anode (312) und einer Kathode (313, 314); Verbindung der Anode (312) und der Kathode (312, 314) an gegenüberliegenden Seiten der Protonenaustauschmembran (311), dadurch Bildung einer Membranelektrodenanordnung (31); Bereitstellung von zwei leitenden Netzen (21, 33); Bereitstellung eines Klebers im B-Zustand (22); Übertragung des Klebers im B-Zustand (22) auf die Flächen der leitenden Netze (21, 33) durch Heißpress-Übertragung; und Heißpressen eines jeden leitenden Netzes (21, 33) mit dem Kleber im B-Zustand auf die Flächen der Anode (312) und der Kathode (313, 314) der Membranelektrodenanordnung (31), so dass die leitenden Netze mit der Membranelektrodenanordnung verbunden sind und direkt die Membranelektrodenanordnung kontaktieren.
Verfahren gemäß Anspruch 1, weiterhin umfassend die Bildung einer porösen leitenden Schicht (32) an der Oberfläche der Membranelektrodenanordnung (31).
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei der Kleber im B-Zustand als eine Membran (22) bereitgestellt und auf die Fläche der leitenden Netze (21, 33) mittels Heißpressens übertragen wird.
Verfahren gemäß Anspruch 3, wobei die Dicke der Membran (22) zwischen 1 und 100 μm beträgt.
Verfahren gemäß Anspruch 3, wobei die Arbeitstemperatur der Übertragung zwischen 25 und 100°C beträgt.
Verfahren gemäß Anspruch 3, wobei die Arbeitstemperatur des Heißpressens zwischen 100 und 250°C und der Arbeitsdruck zwischen 1 und 50 MPa beträgt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Kleber im B-Zustand (22) Epoxydharz, PU, oder PI umfasst.
Brennstoffzelle (30, 30') hergestellt mit einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7.
Flache Brennstoffzellenanordnung (40, 40', 40''), umfassend: einen eine Vielzahl von Öffnungen umfassenden Isolierungsrahmen (42); eine Vielzahl von Brennstoffzellen (30a, 30b) nach Anspruch 8, wobei die benachbarten Brennstoffzellen (30a, 30b) durch die leitenden Netze in Reihe verbunden sind.
Flache Brennstoffzellenanordnung (40, 40', 40'') gemäß Anspruch 9, wobei die verbundenen leitenden Netze von je zwei benachbarten Brennstoffzellen mittels Heißpressens verbunden sind.
Flache Brennstoffzellenanordnung (40, 40', 40'') gemäß Anspruch 9, wobei der Isolierungsrahmen (42) eine Vielzahl von Verbindungsteilen zwischen je zwei benachbarten Öffnungen umfasst und eine Vielzahl von Verbindungselektroden (45) in die Verbindungsteile eingebettet sind.
Flache Brennstoffzellenanordnung (40, 40', 40'') gemäß Anspruch 11, wobei die verbundenen leitenden Netze von je zwei benachbarten Brennstoffzellen (30a, 30b) durch die Verbindungselektroden (45) dazwischen in Reihe verbunden sind.
Flache Brennstoffzellenanordnung (40, 40', 40'') gemäß Anspruch 9, weiterhin umfassend: eine Vielzahl von an dem Isolierungsrahmen (42) mit wasserundurchlässigem Kleber (44) befestigten stromführenden Blechen, die eine Vielzahl von Rinnen (431a, 431b) zur Einführung von Brennstoff in die Brennstoffzellenanordnung (40, 40', 40'') umfassen.
Flache Brennstoffzellenanordnung (40, 40', 40'') gemäß Anspruch 9, wobei der Isolierungsrahmen einen faserverstärkten Kunstharz oder eine Keramikplatte umfasst.
Flache Brennstoffzellenanordnung (40, 40', 40'') gemäß Anspruch 9, wobei der Isolierungsrahmen (42) einen ersten Teil mit einer Vielzahl von Vorsprüngen und einen zweiten Teil mit einer Vielzahl korrespondierender Vertiefungen umfasst.
Flache Brennstoffzellenanordnung (50) nach Anspruch 9, wobei die Brennstoffzellen (30a, 30b, 30c, 30d) an dem Isolierungsrahmen angeordnet sind und der Isolierungsrahmen und die Brennstoffzellen (30a, 30b, 30c, 30d) einen eingeschlossenen Raum ausbilden.
Flache Brennstoffzellenanordnung (50) gemäß Anspruch 16, wobei die Brennstoffzellen (30a, 30b, 30c, 30d) an dem Isolierungsrahmen mit wasserundurchlässigem, Epoxydharz im B-Zustand, PU oder PI umfassendem Kleber (521) befestigt sind.
Flache Brennstoffzellenanordnung (50) gemäß Anspruch 16, wobei der Isolierungsrahmen eine Vielzahl von Verbindungsteilen zwischen je zwei benachbarten Öffnungen umfasst, in die eine Vielzahl von Verbindungselektroden (511) eingebettet sind.
Flache Brennstoffzellenanordnung (50) gemäß Anspruch 16, wobei die verbundenen leitenden Netze von je zwei benachbarten Brennstoffzellen (30a, 30b, 30c, 30d) durch die Verbindungselektroden (511) dazwischen in Reihe verbunden sind.
Flache Brennstoffzellenanordnung (50) gemäß Anspruch 19, wobei die Brennstoffzellen (30a, 30b, 30c, 30d) abwechselnd an den gegenüberliegenden Seiten des Isolierungsrahmens angeordnet sind.
Flache Brennstoffzellenanordnung (50) gemäß Anspruch 20, wobei der Isolierungsrahmen eine Vielzahl Löcher zum Beaufschlagen oder Ausstoßen des Brennstoffs für die Brennstoffzellenanordnung umfasst.
Flache Brennstoffzellenanordnung (50) gemäß Anspruch 16, wobei der Isolierungsrahmen ein faserverstärktes Kunstharz oder eine Keramikplatte umfasst.