DE102006041503B4

DE102006041503B4 - Brennstoffzellenanordnung und Verfahren zur Herstellung der Brennstoffzellenanordnung

Info

Publication number: DE102006041503B4
Application number: DE102006041503A
Authority: DE
Inventors: Robert Dr. Hahn; Stefan Wagner
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2006-08-31
Filing date: 2006-08-31
Publication date: 2009-08-20
Anticipated expiration: 2026-09-01
Also published as: WO2008025572A1; DE102006041503A1

Abstract

Brennstoffzellenanordnung, enthaltend einen flächigen Träger (1), ein flächiges Anpresselement (3) und zumindest eine zwischen dem Träger (1) und dem Anpresselement (3) angeordnete flächige, schichtweise aufgebaute Brennstoffzelle (2), die zumindest eine Membran-Elektrodeneinheit (MEA) und Stromableiter enthält, wobei Träger (1), Brennstoffzelle (2) und Anpresselement (3) gemeinsam gekrümmt sind und zumindest das Anpresselement (3) durch die Krümmung mechanisch derart gespannt ist, dass es aufgrund der mechanischen Spannung und der Krümmung die Brennstoffzelle (2) gegen den Träger (1) drückt, dadurch gekennzeichnet, dass das Anpresselement (3) außerhalb des Bereichs, den die Brennstoffzelle (2) einnimmt, mit dem Träger (1) zur Aufrechterhaltung der mechanischen Spannung fest verbunden ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzellenanordnung, ein Brennstoffzellensystem und zwei Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffzellenanordnung.
Es sind PEM(Polymer-Elektrolyt-Membran)-Brennstoffzellen bekannt, welche in Form eines Schichtaufbaus mit einer Membran-Elektrodeneinheit (MEA), Gasdiffusionslagen (GDL) und Stromableitern aufgebaut sind. Um den elektrischen Kontakt zwischen den Elektroden, der MEA und den Gasdiffusionslagen sowie den Stromableitern zu realisieren, ist es bekannt, einen definierten Anpressdruck auf die Schichten auszuüben. Um einen gleichmäßigen Anpressdruck zu erzeugen, werden üblicherweise Andruckplatten verwendet, welche eine hohe Steifigkeit aufweisen. Ohne eine ausreichende Steifigkeit wäre der Anpressdruck an den Ecken oder Außenkanten der Brennstoffzelle wesentlich höher als im Innenbereich, da die Andruckplatte nur am Rand au ßerhalb der aktiven Brennstoffzellenfläche miteinander verbunden werden können. Verbiegen sich die Platten zu stark, kann es sogar zu einer vollständigen Aufhebung des Anpressdrucks in der Mitte der Zelle kommen. Die notwendige hohe Steifigkeit der Andruckplatten wird deshalb durch Materialien mit großer Dicke und großem E-Modul, meist Metalle, erzielt. Zusätzlich können Versteifungsrippen angebracht sein. Um das Gewicht zu verringern werden mitunter Verbundwerkstoffe oder geschäumte Metalle eingesetzt. Da üblicherweise Brennstoffzellen als Stapel (Stack) einer Vielzahl von Brennstoffzellen ausgeführt werden, die alle den gleichen Anpressdruck erfahren, relativiert sich der Aufwand, der mit den Andruckplatten verbunden ist, da ein Paar von Andruckplatten für den gesamten Stapel ausreichend ist.
Bei einer planaren Brennstoffzellenanordnung, d. h., die Brennstoffzellen sind nicht übereinander in einem Verbund angeordnet, sondern nebeneinander, wäre der Aufwand allerdings erheblich höher, da in diesem Falle jede Brennstoffzellenfläche ein mögliches Andruckelement benötigen würde. Des Weiteren ist anzumerken, dass aufgrund der guten elektrischen Leitfähigkeit der zu kontaktierenden Partner ein geringer Anpressdruck zur elektrischen Kontaktierung ausreichen würde, wenn es gelänge, einen gleichmäßigen Druck auf der gesamten aktiven Fläche der Brennstoffzelle zu erzielen. Da dies mit am Rand verbundenen planaren Andruckplatten nicht möglich ist, wird dort oft ein um Größenordnungen höherer Druck eingestellt.
Als Alternative hierzu offenbart die DE 102 01 148 A1 eine Brennstoffzellenanordnung, bei der eine flächige Brennstoffzelle auf einem Kern angeordnet ist, der in seinem Außendurchmesser variierbar ist. Durch das Aufweiten des Durchmessers des Kerns wird eine radiale Kraft auf die auf dem Kern angeordnete Brennstoffzelle ausgeübt. Durch diese Kraft wird die Brennstoffzelle gedehnt, wodurch ein Anpressdruck in Richtung des Kerns erzeugt wird. In einer Ausführungsform ist vorgesehen, um die Brennstoffzelle herum einen Zylindermantel anzuordnen, gegen den die Brennstoffzelle durch Aufweiten des Kerns gepresst wird. Hierdurch lässt sich der Anpressdruck verstärken. Des Weiteren kann vorgesehen sein, dass der Zylindermantel selbst elastisch ist, d. h., beim Drücken der Brennstoffzelle gegen die Innenseite des Zylindermantels zumindest teilweise nachgibt.
Nachteil dieser Brennstoffzellenanordnung ist, dass diese einen erheblichen Platzaufwand erfordert, und aufgrund dessen, dass ein Kern vorgesehen ist, der in seinem Außendurchmesser variierbar ist, relativ aufwendig ist. Insbesondere ist solch eine Brennstoffzellenanordnung ungeeignet für ein planares, also flächiges, Brennstoffzellensystem.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Brennstoffzellenanordnung zu schaffen, die mit einfachen Mitteln einen ausreichenden Anpressdruck innerhalb der Brennstoffzelle gewährleisten kann, die mit geringem Platzbedarf verwirklicht werden kann, und die insbesondere für ein planares Brennstoffzellensystem geeignet ist. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung insbesondere einer derartigen Brennstoffzellenanordnung sowie ein Brennstoffzellensystem zu schaffen.
Diese Aufgaben werden durch eine Brennstoffzellenanordnung, durch ein Brennstoffzellensystem und durch zwei Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffzel lenanordnung nach den unabhängigen Ansprüchen gelöst.
Die Erfindung schafft eine Brennstoffzellenanordnung, enthaltend einen flächigen Träger, ein flächiges Anpresselement und zumindest eine zwischen dem Träger und dem Anpresselement angeordnete flächige, schichtweise aufgebaute Brennstoffzelle, die zumindest eine Membran-Elektrodeneinheit und Stromableiter enthält, wobei Träger, Brennstoffzelle und Anpresselement gemeinsam gekrümmt sind und zumindest das Anpresselement durch die Krümmung mechanisch derart gespannt ist, dass es aufgrund der mechanischen Spannung und der Krümmung die Brennstoffzelle gegen den Träger drückt, wobei das Anpresselement außerhalb des Bereiches, den die Brennstoffzelle einnimmt, mit dem Träger zur Aufrechterhaltung der mechanischen Spannung fest verbunden ist.
Dadurch, dass das Anpresselement außerhalb des Bereiches, den die Brennstoffzelle einnimmt, mit dem Träger zur Aufrechterhaltung der mechanischen Spannung fest verbunden ist, ist es nicht notwendig, die Brennstoffzellenanordnung, wie beispielsweise in der DE 102 01 148 A1 , radial aufzubauen. Die Brennstoffzellenanordnung kann in ihrem Krümmungsbereich einen wesentlichen kleineren Bogenbereich überstrecken. Je nach Radius und Bogenwinkel sind damit insbesondere relativ flache Brennstoffzellenanordnungen mit geringem Platzbedarf möglich. Des Weiteren ist es aufgrund der Befestigung des Anpresselements an den Träger möglich, auf Mittel zu verzichten, die die mechanische Spannung, hier im Wesentlichen durch Dehnung des Anpresselements hervorgerufen, aufrecht erhalten, wie beispielsweise der variierbare Kern in der DE 102 01 148 A1 . Dies ist ebenfalls vorteilhaft für einen Platz sparenden sowie auch unaufwendigen Aufbau einer Brennstoffzellenanordnung.
Durch die feste Verbindung von Träger und Anpresselement wird verhindert, dass sich das Anpresselement über der Brennstoffzelle entspannen kann und somit der Anpressdruck verloren geht. Das Anpresselement ist flächig über der Brennstoffzelle angeordnet, um einen über die Fläche im Wesentlichen gleichmäßigen Anpressdruck zu erzeugen. Vorteilhafterweise ist die Außenkante der Brennstoffzelle, über die das Anpresselement angeordnet ist, radial gekrümmt. Bei einer Versenkung der Brennstoffzelle in einer Aussparung des Trägers kann diese Krümmung entfallen.
Als Anpresselement eignet sich insbesondere eine Folie, bevorzugt eine Metallfolie, insbesondere eine Folie aus rostfreiem Stahl.
Als Träger eignet sich ein Verbundwerkstoff oder ein mehrlagiger Aufbau. Beispielsweise kann der Träger eine Leiterplatte aus Epoxydharzgewebe sein. Alternativen sind beispielsweise carbonfaserverstärkter Kunststoff, geprägte Metallbleche oder Laminate aus Metallen und Polymeren.
Genannte Materialien lassen sich ebenfalls als Anpresselement einsetzen. Über eine Ausbildung als Gitterstruktur oder Gewebestruktur lassen sich diese genügend luftdurchlässig ausbilden, falls diese Eigenschaft erfordert ist.
Insbesondere sind als Brennstoffzellen alle planaren Brennstoffzellen geeignet, die mit einer festen Membran (Polymermembran) arbeiten, vorzugsweise bei Temperaturen unter etwa 200°C.
Vorzugsweise ist das Anpresselement im Krümmungsverlauf rechtsseitig und linksseitig der Brennstoffzelle mit dem Träger zur Aufrechterhaltung der mechanischen Spannung fest verbunden.
Die Verbindung von Träger und Anpresselement kann formschlüssig, vorzugsweise durch einen Umbug des Anpresselements um den Rand des Träger oder durch Einklemmen in eine im Träger vorgesehene Nut, kraftschlüssig, vorzugsweise über eine Andruckklammer, Nieten oder Schrauben, und/oder stoffschlüssig, vorzugsweise mittels Klebe-, Löt- oder Schweißverbindung, realisiert sein.
Des Weiteren beschränkt sich vorzugsweise die Krümmung auf eine Ebene, insbesondere eine Krümmungsachse, d. h., dass die Brennstoffzellenanordnung in der Richtung senkrecht zur Krümmungsebene mechanisch nicht gespannt ist. Grundsätzlich wäre dies natürlich ebenfalls möglich.
Der Biegeradius bzw. die Krümmung wird vorzugsweise so eingestellt, dass konstruktionsbedingte Toleranzen ausgeglichen und Dickenschwankungen der Membran aufgrund unterschiedlicher Feuchte möglich sind, ohne dass der erforderliche Anpressdruck verloren geht.
Vorzugsweise sind die Materialeigenschaften (E-Modul, Elastizitätsgrenze) und Dicken des Anpresselements und vorzugsweise auch des Trägers so eingestellt, dass eine möglichst geringe Krümmung ausreichend ist, um die notwendige Anpresskraft hervorzurufen.
Vorzugsweise wird der auf der Rückseite unterhalb des gebogenen Trägers entstandene Hohlraum genutzt für eine Luftzirkulation zur Kühlung der Brennstoffzelle.
Vorzugsweise wird der auf der Rückseite unterhalb des gebogenen Trägers entstandene Hohlraum zusätzlich oder alternativ genutzt für die Verlegung von Leitungen zur Brennstoffversorgung, zum Abtransport von Reaktionsprodukten und für elektrische Verbindungskabel.
Vorzugsweise wird der auf der Rückseite unterhalb des gebogenen Trägers entstandene Hohlraum alternativ oder zusätzlich genutzt für die Deponierung von Brennstoffkartuschen und Behälter für Reaktionsprodukte, welche im Betrieb der Brennstoffzelle anfallen.
Des Weiteren ist es möglich, dass die Brennstoffzellenanordnung anstatt einer Brennstoffzelle mehrere isolierte Brennstoffzellen aufweist, die zwischen Träger und Anpresselement angeordnet sind. Diese sind vorzugsweise elektrisch in Reihe geschaltet.
Des Weiteren können die Brennstoffzellen auch als Stapel übereinander liegend angeordnet sein. Vorteilhafterweise weisen die Brennstoffzellen an den Rändern Öffnungen der Kathodenkanäle auf, worüber ein Luftaustausch stattfinden kann. Damit ist es möglich, auch ein luftundurchlässiges Anpresselement zu verwenden. Typischerweise ist die Länge und Breite einer derartigen Anordnung wesentlich größer als die Dicke des Brennstoffzellenstapels.
Vorzugsweise ist der von dem Anpresselement auf die Brennstoffzelle ausgeübte Anpressdruck mindestens 10 N/cm², vorzugsweise 20 bis 200 N/cm², besonders bevorzugt mindestens 50 N/cm². Bei diesen Werten handelt es sich über die gesamte Anpressfläche gemittelte Werte.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Brennstoffzellenanordnung zusätzlich ein Spannelement aufweist, welches Träger, Anpresselement und Brennstoffzelle in ihrer Krümmung fixiert.
Dies ist insbesondere dann sinnvoll, wenn auch der Träger aufgrund der Krümmung mechanisch gespannt ist, was erfindungsgemäß bevorzugt ist.
Das Spannelement kann beispielsweise als flächiges und/oder linienförmiges Element realisiert sein, beispielsweise als Folie. Vorzugsweise ist das Spannelement mit der Rückseite des gekrümmten Trägers fest verbunden, ist also in diesem Fall auf Dehnung belastet. Alternativ oder zusätzlich kann das Spannelement auch mit dem Anpresselement verbunden sein.
Die Verbindung zwischen Spannelement und Träger kann insbesondere wie die Verbindung Träger-Anpresselement verwirklicht sein.
Die Spannelemente können insbesondere starr sein. Alternativ können die Spannelemente zumindest bereichsweise elastisch sein, beispielsweise Zugfedern aufweisen. Auf diese Weise können Toleranzen der einzelnen Elemente der Brennstoffzellenanordnung ausgeglichen werden, insbesondere auch wenn die Membran während des Betriebes aufquillt und sich damit ausdehnt.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass das Spannelement variierbar ist zur Justierung der Krümmung und damit des Anpressdruckes des Anpresselementes.
Vorzugsweise nimmt der Träger von seiner Mitte ausgehend dem Verlauf der Krümmung folgend zu den Rändern hin gleichmäßig in seiner Dicke ab.
Beim Krümmen des Trägers, insbesondere in dem Fall, dass die beiden Ränder des Trägers durch ein Spannelement zusammengezogen werden, entsteht der größte Krümmungsradius in der Mitte des Trägers. Um eine gleichmäßige Krümmung und damit einen gleichmäßigen Anpressdruck zu erhalten, ist es vorteilhaft, den Träger in der Mitte steifer als am Rand auszuführen. Die Steifigkeit des Trägers lässt sich über die Anpassung der Dicke geeignet anpassen.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der Träger eine Kanalstruktur zur Verteilung von von der Brennstoffzelle benötigtem Brennstoff aufweist.
Vorzugsweise sind die Kanäle der Kanalstruktur überwiegend senkrecht zur Biegerichtung orientiert, um eine hohe Steifigkeit des Trägers zu erzielen. Zusätzlich kann der Träger auch Flowfield-Kanäle enthalten.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass das Anpresselement perforiert ist zum Abtransport von Sauerstoff zur Brennstoffzelle und Abtransport von Reaktionswasser.
Vorzugsweise ist die Perforation in Form von Schlitzen ausgeführt, die senkrecht zur Krümmungsrichtung verlaufen.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass sich zwischen Anpresselement und zumindest einer Gasdiffusionslage eine elektrisch leitfähige Gitterstruktur befindet für eine gleichmäßigere Verteilung der Andruckkräfte, des Stromflusses und/oder der Medien.
Beispielsweise kann die leitfähige Gitterstruktur ein Metallnetz, ein Gitter, ein Gewebe oder ein Vlies sein. Durch diese leitfähigen Gitterstrukturen lassen sich die Stromableiter auf der Kathodenseite bilden.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der Träger eine Vertiefung aufweist, in der die zumindest eine Brennstoffzelle und gegebenenfalls die zumindest eine Gitterlage angeordnet sind, so dass am Rand der Brennstoffzelle das Anpresselement nicht abgenickt sondern tangential gespannt ist.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Brennstoffzellenanordnung in ihrer Grundfläche im Wesentlichen rechteckförmig ist und um eine parallel zu zwei Seiten der Brennstoffzellenanordnung verlaufenden Achse gekrümmt ist, wobei die gekrümmte Seite der Brennstoffzellenanordnung im Bereich von 1, bis 10 mal kürzer sind als die nicht gekrümmten Seiten.
Des Weiteren schafft die Erfindung ein Brennstoffzellensystem, welches eine Vielzahl von erfindungsgemäßen Brennstoffzellenanordnungen enthält.
Vorzugsweise sind die einzelnen Brennstoffzellenanordnungen in einer gemeinsamen Ebene angeordnet, wodurch ein Platz sparendes, planares Brennstoffzellensystem verwirklicht werden kann.
Vorzugsweise sind die Brennstoffzellen der einzelnen Brennstoffzellenanordnungen über Verbindungselemente miteinander mechanisch und/oder mit einer gemeinsamen Brennstoffversorgung und/oder mit einer gemeinsamen Stromleitung verbunden.
Vorzugsweise sind die mechanischen Verbindungen zwischen den einzelnen gebogenen Brennstoffzellenanordnungen flexibel ausgeführt, wodurch ein starrflexibler Aufbau realisiert ist.
Hierdurch lässt sich ein robuster Aufbau erzielen, der beispielsweise für portable Anwendung sehr wichtig ist. Beispielsweise entstehen beim Herunterfallen (Drop-Test) mit dieser Weiterbildung nur geringe Kräfte. Außerdem ist eine Integration in die Oberfläche von Gegenständen möglich, wo eine bestimmte mechanische Flexibilität notwendig ist: Taschen und Aktenkoffer, Kleidung (Datenweste, Wearable Computing), am Körper tragbare Medizintechnik, militärische Anwendungen.
Insbesondere mit Brennstoffzellensystemen lassen sich Energiequellen verwirklichen, die zu einer relativ hohen Leistung fähig sind. Ein Anwendungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems wäre die Energieversorgung eines Notebooks. Beispielsweise könnte hier das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem an der Rückseite des Notebook-Displays angebracht sein. Des Weiteren lässt sich ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem als Energiequelle für Wearable Computing Anwendungen wie z. B. in Form einer Service-Weste oder einer medizintechnische Weste anwenden, wobei das Brennstoffzellensystem beispielsweise an der Außenseite eines beweglichen Körpers oder in Kleidungsgegenstände integriert werden kann.
Um das Brennstoffzellensystem zu schützen, kann das Brennstoffzellensystem zumindest bereichsweise mit einem weiteren Element, beispielsweise einem Gitter, einem Filter oder einem Gewebe, welches eine ausreichende Durchlässigkeit für Sauerstoff und Wasserdampf besitzt, umgeben sein. Gleichzeitig kann auf diese Weise das Brennstoffzellensystem "unsichtbar" gemacht werden.
Des Weiteren schafft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffzellenanordnung, insbesondere einer Brennstoffzellenanordnung wie zuvor beschrieben, mit den Schritten: a) Schichtweises übereinander Anordnen eines flächigen Trägers, einer schichtweise aufgebauten Brennstoffzelle und eines flächigen Anpresselementes, wobei die Brennstoffzelle zwischen Träger und Anpresselement angeordnet wird; b) Verbinden des Anpresselementes mit dem Träger derart, dass beim Krümmen des Schichtaufbaus Träger – Brennstoffzelle – Anpresselement zumindest das Anpresselement mechanisch gespannt wird und aufgrund der mechanischen Spannung und der Krümmung die Brennstoffzelle gegen den Träger drückt; c) Krümmen des Schichtaufbaus Träger – Brennstoffzelle – Anpresselement; d) Fixieren des Schichtaufbaus in seinem gekrümmten Zustand.
Die im Rahmen der Beschreibung der Brennstoffzellenanordnung und des Brennstoffzellensystems genannten Merkmale übertragen sich selbstverständlich auch auf das Verfahren.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen, welche durch mehrere Figuren dargestellt werden, näher erläutert. Dabei zeigt:
1 einen ersten Zustand eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Brennstoffzellenanordnung, nach dem eine Brennstoffzelle auf einem Träger angeordnet wurde,
2 einen zweiten Zustand des genannten Verfahrens, nach dem ein Anpresselement auf der Brennstoffzelle angeordnet wurde und mit dem Träger befestigt wurde, und
3 die fertige Brennstoffzellenanordnung nach dem Krümmen,
4 eine Explosionsansicht der verschiedenen Bestandteile der Brennstoffzellenanordnung in einer Detailansicht,
5 eine Aufsicht auf die erfindungsgemäße Brennstoffzellenanordnung,
6 eine Unteransicht der Brennstoffzellenanordnung,
7 ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem mit mehreren erfindungsgemäßen Brennstoffzellenanordnungen,
8 eine schematische Darstellung des Brennstoffzellensystems mit Größenangaben,
9 einen Graph, der den Anpressdruck in Abhängigkeit des Krümmungsradius und weiterer spezifischer Parameter des Anpresselements wiedergibt.
Die 1 bis 3 zeigen verschiedene Zustände eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Brennstoffzellenanordnung in jeweils einer Querschnittsansicht. 3 zeigt dabei die fertige, erfindungsgemäße Brennstoffzellenanordnung.
Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wird zunächst ein flächiger Träger 1, eine schichtweise aufgebaute Brennstoffzelle 2 und ein flächiges Anpresselement 3 übereinander angeordnet, wobei die Brennstoffzelle 2 zwischen Träger 1 und Anpresselement 3 angeordnet wird, siehe 1 und 2. Danach wird das Anpresselement 3 mit dem Träger 1 derart verbunden, dass beim Krümmen des Schichtaufbaus Träger 1 – Brennstoffzelle 2 – Anpresselement 3 zumindest das Anpresselement 3 mechanisch gespannt wird und aufgrund der mechanischen Spannung und der Krümmung die Brennstoffzelle 2 gegen den Träger 1 drückt, siehe 2. Schließlich wird der Schichtaufbau gekrümmt und in seinem gekrümmten Zustand durch ein Spannelement 5 fixiert, siehe 3.
Ergänzend kann der Träger 1 von seiner Mitte ausgehend dem Verlauf der Krümmung folgend zu den Rändern hin gleichmäßig in seiner Dicke abnehmen, um einen gleichmäßigen Anpressdruck der Brennstoffzelle 2 zu gewährleisten (hier nicht gezeigt).
Der Träger 1 besteht in diesem Ausführungsbeispiel aus in der Leiterplattentechnologie gebräuchlichem Glasfaser-Epoxid-Verbundwerkstoff. Mehrere Lagen sind aufeinander laminiert, und formen eine Kanalhauptstruktur 11 zur Verteilung des von der Brennstoffzelle 2 benötigten Brennstoffs. Die Kanalhauptstruktur 11 ist dabei so angelegt, dass die Kanäle überwiegend senkrecht zur Krümmungsrichtung verlaufen, um die Steifigkeit des Trägers 1 nicht zu stark zu beeinträchtigen.
Auf der Oberseite der Kanalhauptstruktur 11 ist eine Metallfolie auflaminiert, die eine Kanalstruktur zur Verteilung der Medien an die Gasdiffusionslage besitzt und die zur Stromableitung vorgesehen ist und durch Öffnungen mit der darunter befindlichen Kanalhauptstruktur verbunden ist. Die Metallfolie ist allerdings in der Zeichnung nicht sichtbar.
Die Brennstoffzelle umfasst in diesem Ausführungsbeispiel eine Membran-Elektrodeneinheit, zwei Gasdiffusionslagen und zwei Stromableiter, welche jeweils beidseitig der Membran-Elektrodeneinheit angeordnet sind.
Am Rand des Trägers 1 ist ein Rahmen auflaminiert, durch den eine Vertiefung entsteht, in die die Gasdiffusionslage der Anodenseite, die MEA, die GDL der Kathodenseite, und eine elektrisch leitfähige Gitterstruktur eingelegt sind, so dass die oberste Lage geringfügig über den Rahmen vorsteht. Die elektrisch leitfähige Gitterstruktur 21 dient in diesem Zusammenhang für eine gleichmäßigere Verteilung der Andruckkräfte, des Stromflusses und der Medien.
Als Anpresselement 3 wird eine Edelstahlfolie verwendet, die in Biegerichtung eine Vielzahl paralleler Schlitze für den Gasaustausch an der Kathodenseite der Brennstoffzelle und für den Abtransport für Reaktionswasser aufweist. Die Randbereiche der Folie sind entsprechend der Stärke des Trägers 1 bereits U-förmig abgewinkelt, so dass diese Folie 3 genau um die Ränder des Trägers 1 gelegt werden kann. Durch U-förmige Metallschienen 9, die seitlich aufgepresst werden, erfolgt eine form-kraftschlüssige Verbindung von Träger 1 und Anpresselement 3. Der Träger 1 weist hierzu ober- und unterseitig, jeweils rechts- und linksseitig der Brennstoffzelle 2 verlaufende Rillen 10 auf, in die die Folie 3 durch die Metallschienen 9 auf beiden Seiten der Brennstoffzelle 2 gepresst werden. Das Anpresselement 3 ist somit außerhalb des Bereich, den die Brennstoffzelle 2 einnimmt, fest, d. h., ohne die Möglichkeit im Falle eines Krümmens der Anordnung nachzugleiten, mit dem Träger 1 verbunden.
Die Schienen 9 weisen nach der Unterseite hin Verlängerungen auf (nicht sichtbar) in die später das Spannelement 5 eingreift. Die (ungespannte) Brennstoffzellenanordnung wird dann in eine Spannvorrichtung eingelegt. Dort wird die Brennstoffzellenanordnung zwischen zwei kreissegmentförmigen Stempeln gebogen und von unten das Spannelement 5 montiert, welches Träger 1, Anpresselement 3 und die Brennstoffzelle 2 in ihrer Krümmung fixiert.
Alternativ ist es ebenfalls möglich, eine erfindungsgemäße Brennstoffzellenanordnung ausgehend von einem schon gekrümmten elastischen Träger herzustellen.
Dazu wird zunächst ein in seiner Grundstellung gekrümmter, beispielsweise zylinderförmig, flächiger elastischen Träger hergestellt. Danach wird die Krümmung des Trägers verringert, beispielsweise durch teilweises oder vollständiges Plattdrücken des Trägers. Es folgt schichtweises übereinander Anordnen des flächigen Trägers, einer schichtweise aufgebauten Brennstoffzelle und eines flächigen Anpresselementes, wobei die Brennstoffzelle zwischen Träger und Anpresselement angeordnet wird, dann Verbinden des Anpresselementes mit dem Träger derart, dass beim zumindest teilweisen Entspannen des Trägers zumindest das Anpresselement mechanisch gespannt wird und aufgrund der mechanischen Spannung und der Krümmung die Brennstoffzelle gegen den Träger drückt. Schließlich wird der Träger zumindest teilweise wieder entspannt.
Materialien der verschiedenen Komponenten und Details des Aufbaus, insbesondere die Befestigung des Anpresselementes mit dem Träger, können wie für das vorherige Beispiel angegeben übernommen werden.
Vorteil dieser Alternative ist, dass kein extra Spannelement 5 notwendig ist.
4 zeigt eine Explosionsdarstellung der Brennstoffzellenanordnung. Entsprechend ihrer schichtweisen Anordnung dargestellt sind das gitterförmige Anpresselement 3, die elektrisch leitfähige Gitterstruktur 21, Brennstoffzelle 2, Träger 1 und Spannelement 5.
Die Brennstoffzellenanordnung hat eine im Wesentlichen rechteckförmige Grundfläche mit zwei langen Seiten und zwei kurzen Seiten, wobei das Verhältnis dieser Seiten etwa 1:2 ist. In diesem Ausführungsbeispiel ist der Schichtaufbau Träger 1, Brennstoffzelle 2, Gitterstruktur 21 und Anpresselement 3 um eine gemeinsame Krümmungsachse, die parallel zu den beiden längeren Seiten der rechteckförmigen Grundfläche verlaufen, radial gekrümmt. Sie gleichen damit einem Ausschnitt eines Zylindermantels.
Das Spannelement 5 ist ebenfalls eine gitterförmige Stahlfolie. Es fixiert das Anpresselement 3 beidseitig über die ganze Länge der beiden langen Seiten mit dem Träger 1. Ebenfalls fixiert es in diesem Bereich die Krümmung.
5 zeigt eine Draufsicht auf die erfindungsgemäße Brennstoffzellenanordnung.
Das Anpresselement 3 und das Spannelement 5 weisen auf der Oberseite bzw. der Unterseite Ausnehmungen auf, an denen Anschlüsse 6 für die Brennstoffzuführung und elektrische Kontakte 7 für die Kontaktierung der Brennstoffzelle 2 vorgesehen sind. An die Brennstoffzuführung 6 und die elektrischen Kontakte 7 können insbesondere weitere Brennstoffzellenanordnungen angeschlossen werden, um ein Brennstoffzellensystem mit einer gemeinsamen Brennstoffversorgung und elektrischen Kontaktierung zu bilden.
Des Weiteren weist die Brennstoffzellenanordnung flexible, hier in Form von Laschen ausgebildete Verbindungselemente 8 auf, die für die mechanische Verbindung mit weiteren Brennstoffzellenanordnungen vorgesehen sind.
6 zeigt die Brennstoffzellenanordnung von unten.
Durch die Krümmung ist auf der Rückseite des Trägers 1 ein Hohlraum entstanden. Dieser Hohlraum bietet sich insbesondere für die Verlegung von Leitungen zur Brennstoffversorgung, zum Abtransport von Reaktionsprodukten, wie elektrische Verbindungskabel, für die Deponierung von Brennstoffkartuschen und Behältern für Reaktionsprodukte, sowie für eine Luftzirkulation zur Kühlung der Brennstoffzellen an.
7 zeigt ein Brennstoffzellensystem, welches aus einer Vielzahl von Brennstoffzellenanordnungen aufgebaut ist.
Die Brennstoffzellenanordnungen sind in einer gemeinsamen Ebene in Reihe angeordnet und über die flexiblen laschenartigen Verbindungselemente 8, von denen sich jeweils eine im oberen und unteren Randbereich der Brennstoffzellenanordnung befindet, miteinander mechanisch verbunden. Über das Verbinden der einzelnen Brennstoffzuführungen 6 ist eine gemeinsame Brennstoffversorgung verwirklicht. Des Weiteren sind die einzelnen Brennstoffzellenanordnungen über die elektrischen Kontakte 7 miteinander in Reihe elektrisch verschaltet.
Für die flexible Verbindung des Wasserstofftransports zwischen den Zellen sind in diesem Falle kurze Schläuche vorgesehen. Alternativ ist es beispielsweise ebenfalls möglich, flexible (Kunststoff) Substrate zu verwenden, die im Inneren Kanäle aufweisen.
Für die elektrische flexible Verbindung zwischen den Zellen sind flexible Kabel (isolierte Litze) vorgesehen. Alternativ können beispielsweise auch Breitbandkabel mit mehreren Leitungen eingesetzt werden.
Ebenfalls wäre es möglich, einen flexiblen Verbinder herzustellen, der sowohl Hohlräume/Kanäle für den Gastransport als auch Stromleitungen enthält.
8 zeigt schematisch zwei Realisierungen eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems mit verschiedenen Abmaßen. Das erste Brennstoffzellensystem weist drei in einer Ebene nebeneinander angeordnete Brennstoffzellenanordnungen mit einem Krümmungsradius von 4 cm, einer Gesamthöhe von 1 cm und einer Breite, gemessen über die gekrümmten Seiten der Brennstoffzellenanordnungen, von 16 cm auf. Die zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems weist vier identische Brennstoffzellenanordnungen mit einem Krümmungsradius von 2 cm, einer Gesamthöhe von 1 cm und einer Breite, gemessen über die kurzen, gekrümmten Seiten der Brennstoffzellenanordnungen, von 14 cm auf.
9 zeigt den Anpressdruck in Abhängigkeit des Biegeradius der Dicke des Trägers und der Folienstärke.
Im Falle eines Trägers aus Glasfaser-Epoxydharz FR4 und einer Stahlfolie mit Öffnungsschlitzen als Anpresselement 3, wie in den Ausführungsbeispielen beschrieben, kann man aus den Graphen abschätzen, wie die Parameter Trägerdicke, Foliendicke und Biegeradius gewählt werden müssen, um einen günstigen Anpressdruck zu erhalten.
Erfindungsgemäß bevorzugt ist ein Anpressdruck von mindestens 50 N/cm². Dies wird durch die gestrichelte Linie im Graphen dargestellt. Mit diesem Mindestdruck sind auch die hier dargestellten Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Brennstoffzellenanordnungen ausgelegt.
In diesem Ausführungsbeispiel ist durch das Spannelement 5 ein genau definierter Krümmungsradius der Brennstoffzellenanordnung festgelegt. Alternativ hierzu kann das Spannelement 5 derart ausgebildet sein, dass die Länge des Spannelements 5 variierbar ist. Auf diese Weise kann die Krümmung und damit auch der Anpressdruck auf die Brennstoffzelle 2 nachträg lich justiert werden. Des Weiteren ist es auch möglich, das Spannelement als elastisches Element, beispielsweise durch eine Zugfeder, derart auszubilden, dass ein konstanter Anpressdruckes bei zumindest kleinen Dickenänderungen, insbesondere verursacht durch eine sich in ihrer Ausdehnung ändernden Membran, aufrechterhalten werden kann.
Des Weiteren kann anstatt einer einzelnen Brennstoffzelle auch mehrere nebeneinander liegende und/oder als Stapel aufgebaute übereinander liegende Brennstoffzellen eingesetzt werden.
In einer alternativen Ausführungsform kann der Träger eine Vertiefung aufweisen, in der die zumindest eine Brennstoffzelle (2) und gegebenenfalls die zumindest eine elektrisch leitfähige Gitterstruktur (21) angeordnet sind, so dass am Rand der Brennstoffzelle (2) das Anpresselement (3) nicht abgenickt, sondern tangential gespannt ist.

Claims

Brennstoffzellenanordnung, enthaltend einen flächigen Träger (1), ein flächiges Anpresselement (3) und zumindest eine zwischen dem Träger (1) und dem Anpresselement (3) angeordnete flächige, schichtweise aufgebaute Brennstoffzelle (2), die zumindest eine Membran-Elektrodeneinheit (MEA) und Stromableiter enthält, wobei Träger (1), Brennstoffzelle (2) und Anpresselement (3) gemeinsam gekrümmt sind und zumindest das Anpresselement (3) durch die Krümmung mechanisch derart gespannt ist, dass es aufgrund der mechanischen Spannung und der Krümmung die Brennstoffzelle (2) gegen den Träger (1) drückt, dadurch gekennzeichnet, dass das Anpresselement (3) außerhalb des Bereichs, den die Brennstoffzelle (2) einnimmt, mit dem Träger (1) zur Aufrechterhaltung der mechanischen Spannung fest verbunden ist.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger (1) von seiner Mitte ausgehend dem Verlauf der Krümmung folgend zu den Rändern hin gleichmäßig in seiner Dicke abnimmt.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der von dem Anpresselement (3) auf die Brennstoffzelle (2) ausgeübte Anpressdruck mindestens 10 N/cm², vorzugsweise 20 bis 200 N/cm², besonders bevorzugt mindestens 50 N/cm² beträgt.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzellenanordnung zusätzlich ein Spannelement (5) aufweist, welches Träger, Anpresselement (3) und die zumindest eine Brennstoffzelle (2) in ihrer Krümmung fixiert.
Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Spannelement (5) derart ausgebildet ist, dass die Länge des Spannelementes (5) variierbar ist zur Justierung der Krümmung und damit des Anpressdruckes des Anpresselementes (3).
Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Spannelement ein elastisches Element, vorzugsweise eine Feder, mit einer definierten Zugkraft aufweist zur Aufrechterhaltung eines konstanten Anpressdruckes bei insbesondere sich in ihrer Ausdehnung ändernder Membran.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Anpresselement (3) formschlüssig, vorzugsweise durch einen Umbug des Anpresselementes um den Rand des Trägers oder durch Einklemmen in eine im Träger (1) vorgesehenen Nut, kraftschlüssig, vorzugsweise über eine Andruckklammer, Nieten oder Schrauben, und/oder stoffschlüssig, vorzugsweise mittels Klebe-, Löt- oder Schweißverbindung, mit dem Träger (1) verbunden ist.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger (1) eine Kanalstruktur (11) zur Verteilung von von der Brennstoffzelle (2) benötigtem Brennstoff aufweist.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich zwischen Anpresselement (3) und zumindest einer Gasdiffusionslage eine elektrisch leitfähige Gitterstruktur (21) befindet für eine gleichmäßigere Verteilung der Andruckkräfte, des Stromflusses und/oder der Medien.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger (1) eine Vertiefung aufweist, in der die zumindest eine Brennstoffzelle (2) und gegebenenfalls die zumindest eine elektrisch leitfähige Gitterstruktur (21) angeordnet sind, so dass am Rand der Brennstoffzelle (2) das Anpresselement (3) nicht abgeknickt, sondern tangential gespannt ist.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzellenanordnung in ihrer Grundfläche im Wesentlichen rechteckförmig ist und um eine parallel zu zwei Seiten der Brennstoffzellenanordnung verlaufenden Achse gekrümmt ist, wobei die gekrümmten Seiten der Brennstoffzellenanordnung im Bereich von 1.5 bis 10 mal kürzer sind als die nicht gekrümmten Seiten.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger (1) ein Verbundwerkstoff oder ein mehrlagiger Aufbau ist.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Anpresselement (3) eine Folie ist, vorzugsweise eine Metallfolie, besonders bevorzugt eine Stahlfolie ist.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Anpresselement (3) perforiert ist zum Antransport von Sauerstoff zur Brennstoffzelle (2) und/oder Abtransport von Reaktionswasser, welches beim Betrieb der Brennstoffzelle möglicherweise entsteht.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Träger und dem Anpresselement ein Stapel aus mehreren Brennstoffzellen angeordnet ist.
Brennstoffzellensystem, enthaltend eine Vielzahl von Brennstoffzellenanordnungen gemäß einem der Ansprüche 1 bis 15.
Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffzellenanordnung, insbesondere einer Brennstoffzellenanordnung gemäß den Ansprüchen 1 bis 15, enthaltend die Schritte: a) Schichtweises übereinander Anordnen eines flächigen Trägers (1), einer schichtweise aufgebauten Brennstoffzelle (2) und eines flächigen Anpresselementes (3), wobei die Brennstoffzelle (2) zwischen Träger (1) und Anpresselement (3) angeordnet wird; b) Verbinden des Anpresselementes (3) mit dem Träger (1) derart, dass beim Krümmen des Schichtaufbaus Träger (1) – Brennstoffzelle (2) – Anpresselement (3) zumindest das Anpresselement (3) mechanisch gespannt wird und aufgrund der mechanischen Spannung und der Krümmung die Brennstoffzelle (2) gegen den Träger (1) drückt; c) Krümmen des Schichtaufbaus Träger (1) – Brennstoffzelle (2) – Anpresselement (3); d) Fixieren des Schichtaufbaus in seinem gekrümmten Zustand.
Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffzellenanordnung, insbesondere einer Brennstoffzellenanordnung gemäß den Ansprüchen 1 bis 15, enthaltend die Schritte: a) Herstellen eines in seiner Grundstellung gekrümmten flächigen elastischen Trägers; b) Verringern der Krümmung des Trägers; c) Schichtweises übereinander Anordnen des flächigen Trägers, einer schichtweise aufgebauten Brennstoffzelle und eines flächigen Anpresselementes, wobei die Brennstoffzelle zwischen Träger und Anpresselement angeordnet wird; d) Verbinden des Anpresselementes mit dem Träger derart, dass beim zumindest teilweisen Entspannen des Trägers zumindest das Anpresselement mechanisch gespannt wird und aufgrund der mechanischen Spannung und der Krümmung die Brennstoffzelle gegen den Träger drückt; e) Zumindest teilweises Entspannen des in seiner ursprünglichen Krümmung verringerten Trägers.