DE102005040864B4 - Halbaktive Brennstoffzellenvorrichtung - Google Patents

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Abstract

Halbaktive Brennstoffzellenvorrichtung (30), die aufweist:
mehrere Brennstoffzellenplatinen (310), die mehrere Membranelektrodeneinheiten (MEAs) (311), einen Durchlaufeinlass (313) und einen Durchlaufauslass (315) aufweisen;
eine Gasdurchlaufzuführungseinheit (380) zur Zuführung eines Kathodenbrennstoffs zu den Brennstoffzellenplatinen (310) und zur Abgabe der Wärme nach außen, die von der elektrochemischen Reaktion in den Brennstoffzellenplatinen (310) erzeugt wird;
eine Brennstoffauffülleinheit (330), die einen ersten Einlass (331) und einen ersten Auslass (333) aufweist;
eine Brennstoffdurchlaufeinheit (360), die einen vierten Einlass (361) und einen dritten Auslass (363) aufweist;
eine erste Brennstoffleiteinheit (340), die einen zweiten Einlass (341) und einen dritten Einlass (343) und mehrere Brennstoffauslässe (345) aufweist, wobei die Brennstoffauslässe (345) jeweils mit den Durchlaufeinlässen (313) der Brennstoffzellenplatinen (310) verbunden sind und wobei der zweite Einlass (341) mit dem ersten Auslass (333) der Brennstoffauffülleinheit (330) verbunden ist und wobei der dritte Einlass (343) mit dem dritten Auslass (363) der Brennstoffdurchlaufeinheit (360) verbunden...

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle, insbesondere eine Brennstoffzelle mit einem Brennstoffdurchlaufmechanismus.
  • In EP 1 524 716 A2 ist die in 1 dargestellte Anordnung beschrieben. Diese zeigt eine Strukturansicht einer in eine Schichtlaminierung integrierten Brennstoffzellenvorrichtung. In 1 weist die in eine Schichtlaminierung integrierte Brennstoffzellenvorrichtung 10 eine Brennstoffverteilungsschicht 25, eine erste Strom/Signal-Transportschicht 19, eine Anodenstromsammelschicht 13, eine Leitungs-Elektrolyt-Schicht 11, eine Kathodenstrom-Sammelschicht 15, eine zweite Strom/Signal-Transportschicht 23 und eine elektromechanische Steuerschicht 21 auf, wobei die Anodenstromsammelschicht 13, die Leitungs-Elektrolyt-Schicht 11 und die Kathodenstromsammelschicht 15 die Kernkomponenten 20 der Brennstoffzelle bilden.
  • Die verwendete Brennstoffzelle wird grob in zwei Arten der aktiven Brennstoffzelle und der passiven Brennstoffzelle eingeteilt. Das Mittel zur Brennstoffzuführung zu der aktiven Brennstoffzelle ist, die aktive Vorrichtung wie eine Pumpe dazu zu benutzen, den externen Anodenbrennstoff zur internen Brennstoffzelle durch Pumpen des Anodenbrennstoffs, wie des Methanolbrennstoffs, zu transportieren. Währenddessen wird der Kathodenbrennstoff, wie Luft oder Sauerstoff, von dem Kompressor transportiert. Der Nachteil der aktiven Brennstoffzelle ist, dass die aktive Vorrichtung die Energie der Brennstoffzelle selbst verbrauchen muss und daher die reale Elektrizitätsabgabemenge reduziert. Andererseits leitet die aktive Vorrichtung nur das Transportieren des Brennstoffs, die Reaktion des Brennstoffs selbst und die aktive Vorrichtung erzeugen die Wärme, die eine andere Vorrichtung zum Abführen nötig macht und daher die Kosten für zusätzliche Vorrichtungen erhöht und die Elektrizität der Brennstoffzelle selbst verbraucht, so dass dies der Hauptnachteil ist.
  • Die interne Brennstoffzuführung der passiven Brennstoffzelle verwendet eine passive Vorrichtung, zum Beispiel wird der Methanol-Anodenbrennstoff der Direkt-Methanol-Brennstoffzelle mittels Gravitation oder Kapillarwirkung zugeführt. Währenddessen wird der Kathodenbrennstoff aus Luft oder Sauerstoff durch direkten Kontakt mit der äußeren Umgebung erhalten. Der Nachteil der passiven Brennstoffzelle ist, dass die Brennstoffversorgung der Brennstoffzelle nicht direkt gesteuert wird, so dass dies dazu führt, dass die Brennstoffzelle ineffizient wird und die Reaktionseffizienz durch die Umgebung leicht beeinflusst wird.
  • Der Erfinder hat die Nachteile und die Beschränkung der oben genannten Brennstoffzellen untersucht und eine halbaktive Brennstoffzellenvorrichtung geschaffen, mit der Nachteile und Einschränkungen der bekannten Brennstoffzelle überwunden sind.
  • Ein erstes Ziel der Erfindung ist, eine halbaktive Brennstoffzellenvorrichtung bereitzustellen, bei welcher der Anodenbrennstoff der Brennstoffzelle mittels einer Durchlaufvorrichtung zugeführt wird.
  • Ein zweites Ziel der Erfindung ist, eine halbaktive Brennstoffzelle bereitzustellen, bei welcher gasförmiger Kathodenbrennstoff der Brennstoffzelle mittels einer Gas-Durchlauf-Vorrichtung zugeführt wird und die Brennstoffzelle auch eine Wärmeabführungsfunktion durch eine Gas-Durchlauf-Vorrichtung hat.
  • Durch die Erfindung ist eine halbaktive Brennstoffzelle geschaffen, die aufweist: mehrere Brennstoffzellenplatinen, die mehrere Membranelektrodeneinheiten (MEAs = membrane electrode assemblies), einen Durchlaufeinlass und einen Durchlaufauslass aufweisen, eine Gasdurchlaufzuführungseinheit, die wirksam ist, den Brennstoffzellenplatinen Kathodenbrennstoff zuzuführen, und auch die Wärme, die von der elektrochemischen Reaktion in den Brennstoffzellenplatinen erzeugt wird, nach außen abgibt, eine Brennstoffauffülleinheit, die einen ersten Einlass und einen ersten Auslass aufweist, eine Brennstoffdurchlaufeinheit, die einen vierten Einlass und einen dritten Auslass aufweist, eine erste Brennstoffleiteinheit, die einen zweiten Einlass und einen dritten Einlass und mehrere Brennstoffauslässe aufweist, wobei die Brennstoffauslässe jeweils an die Durchlaufeinlässe der Brennstoffzellenplatinen angeschlossen sind und wobei der zweite Einlass an den ersten Auslass der Auffülleinheit angeschlossen ist und wobei auch der dritte Einlass an den dritten Auslass der Brennstoffdurchlaufeinheit angeschlossen ist, eine zweite Brennstoffleiteinheit, die einen zweiten Auslass und mehrere Brennstoffeinlässe aufweist, wobei die Brennstoffeinlässe jeweils an die Durchlaufauslässe der Brennstoffzellenplatine angeschlossen sind und wobei der zweite Auslass mit dem vierten Einlass der Brennstoffdurchlaufeinheit verbunden ist, und der Betrieb bei Verbindung zwischen der Brennstoffauffülleinheit, der Brennstoffdurchlaufeinheit, der ersten Brennstoffleiteinheit und der zweiten Brennstoffleiteinheit macht es möglich, dass Anodenbrennstoff in den Brennstoffzellenplatinen zirkulieren kann.
  • Die Bauart der Erfindung ist innovativ und nützlich in der Industrie zur Verbesserung, so dass die Erfindung angewendet und offenbart wird. Um dem Fachmann das Verständnis der Ziele, Merkmale und Verbesserungen zu ermöglichen, wird die Erfindung mittels der folgenden Ausführungsbeispiele und der beigefügten Figuren unten im Detail beschrieben.
  • Diese und andere Modifikationen und Vorteile werden noch offensichtlicher anhand der folgenden detaillierten Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung und anhand der Zeichnung, in der:
  • 1 die Strukturansicht einer in eine Schichtlaminierung integrierten Brennstoffzellenvorrichtung zeigt;
  • 2 eine Ansicht der zerlegten halbaktiven Brennstoffzelle der Erfindung zeigt;
  • 3 die Strukturansicht der Erfindung zeigt, wobei ein Gehäusekasten verwendet wird, um die halbaktive Brennstoffzelle unterzubringen;
  • 4 die Strukturansicht der ersten Brennstoffleiteinheit zeigt; und
  • 5 die Strukturansicht der zweiten Brennstoffleiteinheit der Erfindung zeigt.
  • 2 zeigt die Ansicht der zerlegten halbaktiven Brennstoffzelle der Erfindung. Die halbaktive Brennstoffzellenvorrichtung 30 der Erfindung weist hauptsächlich mehrere Brennstoffzellenplatinen 310, eine elektrische Steckverbindungsplatine 320, eine Brennstoffauffülleinheit 330, eine erste Brennstoffleiteinheit 340, eine zweite Brennstoffleiteinheit 350, eine Brennstoffdurchlaufeinheit 360, eine Brennstoffspeichereinheit 370 und eine Gasdurchlaufzuführungseinheit 380 auf.
  • Jedes Teil der Brennstoffzellenplatine 310 der Erfindung hat mehrere Membranelektrodeneinheiten (MEAs) 311, an jeder Brennstoffzellenplatine 310 ist ein Durchlaufeinlass 313, ein Durchlaufauslass 315 und ein Goldfingerkontakt 317 angeordnet, wobei der Anodenbrennstoff von dem Durchlaufeinlass 313 in die Memebranelektrodeneinheiten (MEAs) 311 fließen kann und nach außen aus dem Durchflussauslass 315 herausfließen kann.
  • Die Brennstoffzellenplatine 310 der Erfindung kann durch das Modifizieren der in eine Schichtlaminierung integrierten Brennstoffzellenvorrichtung 10, die auf 1 Bezug nimmt, hergestellt werden. Der Durchlaufeinlass 313 der Erfindung und der Durchlaufauslass 315 können an einer Seite der Brennstoffverteilungsschicht 25 angeordnet werden, und der Goldfingerkontakt 317 der Erfindung kann auf einer Seite der elektromechanischen Steuerschicht 21 angeordnet werden. Bei der Ausführungsform kann zum Herstellen der Brennstoffzellenplatine 310 der Leiterplatten (PCB = printed circuit board = Leiterplatte)-Prozess und eine für den PCB-Prozess geeignetes Material verwendet werden.
  • Das Implementierungsmittel der elektrischen Steckverbindungsplatine 320 kann eine Leiterplatte (PCB) sein und durch Löten der elektrischen Mehrfachverbindungsvorrichtung 321 auf die elektrische Steckverbindungsplatine 320 ist jede elektrische Mehrfachverbindungsvorrichtung 321 mit einem jeweiligen zugehörigen Goldfingerkontakt 317 der Brennstoffzellenplatine 310 verbunden. Die Funktion der elektrischen Steckverbindungsplatine 320 ist, eine gewünschte Ausgangsspannung durch Weiterverarbeiten des Stroms herzustellen, der von den Brennstoffzellenplatinen 310 in serieller/paralleler Zusammenschaltung produziert wird. Ferner schließt die elektrische. Steckverbindungsplatine 320 auch die Brennstoffauffülleinheit 330 und die Brennstoffdurchlaufeinheit 360 elektrisch an, um die für den Betrieb der Zuführungseinheiten 330 und 360 erforderliche Energie anzubieten.
  • An der Brennstoffauffülleinheit 330 ist der erste Einlass 331 und der erste Auslass 333 angeordnet, um den Anodenbrennstoff von dem ersten Einlass 331 aus zuführen zu können. Die Brennstoffauffülleinheit 330 kann eine Pumpe oder ein Motor sein, um den Anodenbrennstoff unter Druck zu setzen und aus dem ersten Auslass 333 herauszuleiten. An der ersten Brennstoffleiteinheit 340 sind der zweite Einlass 341, der dritte Einlass 343 und mehrere Brennstoffauslässe 345 angebracht. Der zweite Einlass 341 ist an den ersten Auslass 333 angeschlossen, so dass komprimierter Anodenbrennstoff eingeleitet wird. Jeder der Brennstoffauslässe 345 ist jeweils mit einem Durchlaufeinlass 313 von jeder Brennstoffzellenplatine 310 verbunden, so dass komprimierter Anodenbrennstoff in das Innere der Brennstoffzellenplatine 310 eingeleitet wird.
  • An der zweiten Brennstoffleiteinheit 350 sind ein zweiter Auslass 351 und mehrere Brennstoffeinlässe 353 angeordnet, wobei jeder Brennstoffeinlass 353 jeweils mit dem Durchflussauslass 315 jeder Brennstoffzellenplatine 310 verbunden ist, um den Anodenbrennstoff, der von der Brennstoffzellenplatine 310 in das Innere der zweiten Brennstoffleiteinheit 350 fließt, zu transportieren und herauszuleiten.
  • Die Brennstoffdurchlaufeinheit 360 weist einen vierten Einlass 361 und einen dritten Auslass 363 auf, der mit dem dritten Einlass 343 verbunden ist, um den Anodenbrennstoff, der sich innerhalb der zweiten Anodenbrennstoffleiteinheit 350 befindet, wieder in die erste Brennstoffleiteinheit 340 zu leiten. Die Brennstoffdurchlaufeinheit 360 kann eine Pumpe oder ein Motor sein, und der Brennstoffauffülleinheit 330 und der Brennstoffdurchlaufeinheit 360 kann die erforderliche Elektrizität über die elektrische Steckverbindungsplatine 320 angeboten werden.
  • Die Brennstoffspeichereinheit 370 wird verwendet, um den Anodenbrennstoff zu speichern und mit dem ersten Einlass 331 der Brennstoffauffülleinheit 330 verbunden zu sein, und der Anodenbrennstoff, der sich innerhalb der Brennstoffspeichereinheit 370 befindet, wird mittels des Drucks, der von der Brennstoffauffülleinheit 330 erzeugt wird, in die Brennstoffzellenplatinen 310 gedrückt und eingeleitet.
  • Der neue Anodenbrennstoff wird kontinuierlich durch die Brennstoffzelleneinheit 370 aufgefüllt, indessen kann der Anodenbrennstoff, der von den Brennstoffzellenplatinen 310 her fließt, durch die zweite Brennstoffleiteinheit 350 wiederaufgesammelt und wiederverwendet werden, und daher zirkuliert der Anodenbrennstoff, der durch die Brennstoffzellenplatinen 310 fließt, in einem geschlossenen Kreislauf. Die Energie wiederum, die von der Brennstoffauffülleinheit 330 und der Brennstoffdurchlaufeinheit 360 erzeugt wird, macht den Durchlaufeffekt des Anodenbrennstoffs effizienter.
  • Mit Bezug auf 3 weist die Erfindung vorteilhaft einen Gehäusekasten 40 auf, um die halbaktive Brennstoffzellenvorrichtung 30 aufzunehmen. Ferner kann die Gasdurchlaufzuführungseinheit 380 an dem Gehäusekasten 40 angeordnet sein, um frische Luft in den Gehäusekasten 40 zu blasen. Indessen wird die Wärme, die von der elektrochemischen Reaktion in den Brennstoffzellenplatinen 310 erzeugt wird und über das Innere des Gehäusekastens 40 verteilt ist, über die Gasdurchlaufzuführungseinheit 380 nach außen abgegeben. Bei der Ausführungsvorrichtung kann für die Gasdurchlaufzuführungseinheit 380 ein Lüfter verwendet werden, dessen Größe entsprechend der Ausgestaltung des Gasströmungsfelds bestimmt ist, um der Größe zu entsprechen, die für die Brennstoffzellenplatinen 310 erforderlich ist, und auch hervorragende Wärmeabführung zu erreichen.
  • 4 zeigt die Strukturansicht der ersten Brennstoffleiteinheit gemäß der Erfindung. Die Verzweigungskanäle 347, die innerhalb der ersten Brennstoffleiteinheit 340 angeordnet sind, können die verschiedenen von dem zweiten Einlass 341 und dem dritten Einlass 343 eingespritzten Lösungskonzentrationen gleichmäßig mischen und sie jeweils von mehreren Brennstoffauslässen 345 aus in die Brennstoffzellenplatine 310 hinauszuleiten.
  • 5 zeigt die Strukturansicht der zweiten Brennstoffleiteinheit gemäß der Erfindung. An der zweiten Brennstoffleiteinheit 350 ist der Gas entlüftende aber gegen Flüssigkeit isolierende Mechanismus 355 angeordnet, um das Kohlendioxid, das bei der Anodenreaktion der Brennstoffzelle erzeugt wird, abzugeben.
  • Die Brennstoffzellenplatine 310 der halbaktiven Brennstoffzellenvorrichtung 30 gemäß der Erfindung kann Methanol-Brennstoffzellen und Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzellen als Mittel des Ausführungsbeispiels verwenden.
  • Die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele sind Beispiele für geeignete Interpretationen; der Schutzumfang, der von der Erfindung beansprucht wird, ist nicht auf die oben aufgeführten Ausführungsbeispiele beschränkt.

Claims (14)

  1. Halbaktive Brennstoffzellenvorrichtung (30), die aufweist: mehrere Brennstoffzellenplatinen (310), die mehrere Membranelektrodeneinheiten (MEAs) (311), einen Durchlaufeinlass (313) und einen Durchlaufauslass (315) aufweisen; eine Gasdurchlaufzuführungseinheit (380) zur Zuführung eines Kathodenbrennstoffs zu den Brennstoffzellenplatinen (310) und zur Abgabe der Wärme nach außen, die von der elektrochemischen Reaktion in den Brennstoffzellenplatinen (310) erzeugt wird; eine Brennstoffauffülleinheit (330), die einen ersten Einlass (331) und einen ersten Auslass (333) aufweist; eine Brennstoffdurchlaufeinheit (360), die einen vierten Einlass (361) und einen dritten Auslass (363) aufweist; eine erste Brennstoffleiteinheit (340), die einen zweiten Einlass (341) und einen dritten Einlass (343) und mehrere Brennstoffauslässe (345) aufweist, wobei die Brennstoffauslässe (345) jeweils mit den Durchlaufeinlässen (313) der Brennstoffzellenplatinen (310) verbunden sind und wobei der zweite Einlass (341) mit dem ersten Auslass (333) der Brennstoffauffülleinheit (330) verbunden ist und wobei der dritte Einlass (343) mit dem dritten Auslass (363) der Brennstoffdurchlaufeinheit (360) verbunden ist; eine zweite Brennstoffleiteinheit (350), die einen zweiten Auslass (351) und mehrere Brennstoffeinlässe (353) aufweist, wobei die Brennstoffeinlässe (353) jeweils mit den Durchlaufauslässen (315) der Brennstoffzellenplatine (310) verbunden sind und wobei der zweite Auslass (351) mit dem vierten Einlass (361) der Brennstoffdurchlaufeinheit (360) verbunden ist; so dass durch das Zusammenwirken der Brennstoffauffülleinheit (330), der Brennstoffdurchlaufeinheit (360), der ersten Brennstoffleiteinheit (340) und der zweiten Brennstoffleiteinheit (350) der Anodenbrennstoff in den Brennstoffzellenplatinen (310) zirkulieren kann.
  2. Halbaktive Brennstoffzellenvorrichtung (30) nach Anspruch 1, welche ferner eine elektrische Steckverbindungsplatine (320) aufweist, die mit den Brennstoffzellenplatinen (310) elektrisch verbunden ist, wobei die elektrische Steckverbindungsplatine (320) bevorzugt mehrere daran angeordnete elektrische Verbindungsvorrichtungen (321) aufweist.
  3. Halbaktive Brennstoffzellenvorrichtung (30) nach Anspruch 1, welche ferner eine Brennstoffspeichereinheit (370) aufweist, die den Anodenbrennstoff speichert und die an den ersten Einlass (331) der Brennstoffauffülleinheit (330) angeschlossen ist.
  4. Halbaktive Brennstoffzellenvorrichtung (30) nach Anspruch 1, wobei die Brennstoffauffülleinheit (330) eine Pumpe oder ein Motor ist.
  5. Halbaktive Brennstoffzellenvorrichtung (30) nach Anspruch 1, wobei die Brennstoffdurchlaufeinheit (360) eine Pumpe oder ein Motor ist.
  6. Halbaktive Brennstoffzellenvorrichtung (30) nach Anspruch 1, wobei die Gasdurchlaufzuführungseinheit (380) ein Lüfter ist.
  7. Halbaktive Brennstoffzellenvorrichtung nach Anspruch 1, welche ferner einen Gehäusekasten (40) aufweist, der die Brennstoffzellenplatinen (310), die Gasdurchlaufzuführungseinheit (380), die Brennstoffauffülleinheit (330), die Brennstoffdurchlaufeinheit (360), die erste Brennstoffleiteinheit (340) und die zweite Brennstoffleiteinheit (350) aufnimmt.
  8. Halbaktive Brennstoffzellenvorrichtung (30) nach Anspruch 7, wobei die Gasdurchlaufzuführungseinheit (380) an dem Gehäusekasten (40) angeordnet ist.
  9. Halbaktive Brennstoffzellenvorrichtung (30) nach Anspruch 1, wobei jede Brennstoffzellenplatine (310) vorab einen Goldfingerkontakt (317) aufweist.
  10. Halbaktive Brennstoffzellenvorrichtung (30) nach Anspruch 1, wobei die Brennstoffzellenplatine (310) eine Brennstoffzelle ist, die unter Verwendung des Leiterplatten-Prozesses hergestellt ist.
  11. Halbaktive Brennstoffzellenvorrichtung (30) nach Anspruch 1, wobei die Brennstoffzellenplatine (310) eine in einer Schichtlaminierung integrierte Brennstoffzelle ist.
  12. Halbaktive Brennstoffzellenvorrichtung (30) nach Anspruch 1, wobei die Brennstoffzellenplatine (310) eine Methanolbrennstoffzelle ist.
  13. Halbaktive Brennstoffzellenvorrichtung (30) nach Anspruch 1, wobei die Brennstoffzellenplatine (310) eine Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzelle ist.
  14. Halbaktive Brennstoffzellenvorrichtung (30) nach Anspruch 1, wobei in der ersten Brennstoffleiteinheit (340) mehrere Verzweigungskanäle (347) angeordnet sind.
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