DE19736600A1

DE19736600A1 - Brennstoffzelle

Info

Publication number: DE19736600A1
Application number: DE19736600A
Authority: DE
Inventors: Ulrich Prof Dr Stimming; Felix Dr Ziegler
Original assignee: ZAE Bayern Bayerisches Zentrum fuer Angewandte Energieforschung eV
Current assignee: ZAE Bayern Bayerisches Zentrum fuer Angewandte Energieforschung eV
Priority date: 1997-08-22
Filing date: 1997-08-22
Publication date: 1999-02-25

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 8.

Eine herkömmliche Brennstoffzelle, wie sie in Fig. 4 schematisch dargestellt ist, ist schichtartig aufgebaut. Eine Elekrolytfolie 2, beispielsweise aus einer Polymermembran 3 mit Katalysator 4 wird auf beiden Seiten von flächigen Elektroden 6 und 7 kontaktiert. Die beiden Elektroden 6 und 7 weisen jeweils eine erste Hauptfläche 8 und eine zweite Hauptfläche 9 auf. Jeweils die erste Hauptfläche 8 der Elektroden 6 und 7 ist der Elektrolytfolie 2 zugewandt. Die Elektroden 6 und 7 müssen einerseits Strom zu- und abführen, andererseits müssen die reagierenden Gase in die Reaktionszone im Kontaktbereich der jeweils ersten Hauptoberfläche 8 der Elektroden 6 und 7 mit der Elektrolytfolie 2 zu- oder abgeführt werden. Die Elektroden 6 und 7 bestehen daher aus porösen Materialien. Die Sandwichanordnung aus den zwei Elektroden 6 und 7 und der dazwischenliegenden Elektrolytfolie 2 wird von einer Gaszuführung 10 gasdicht umschlossen.

Die Gaszuführung 10 besteht aus zwei strukturierten Platten 12 und 13, die die Anordnung aus Elektroden 6 und 7 und Elektrolytfolie 2 gasdicht zwischen sich einschließen. Hierzu umfassen die beiden strukturierten Platten 12 und 13 Dichtlippen 14 zwischen denen eine Dichtung 15 angeordnet ist. Die strukturierte Platte 12 bzw. 13 ist in Fig. 5 dargestellt. Die strukturierten Platten 12 und 13 stellen durch ihre Struktur Strömungskanäle 16 bereit, durch die das jeweilige Gas über in Fig. 4 dargestellte Gasein- und Gasauslässe 17 und 18 an die zweiten Hauptflächen 9 der Elektroden 6 und 7 herangeführt wird. Durch Stege 19 zwischen den Strömungskanälen 16 kontaktieren die strukturierten Platten 12 und 13 die zweiten Hauptoberflächen 9 der Elektroden 6 und 7 und die gesamte Anordnung wird durch geeignete nicht näher dargestellte Mittel zusammengepreßt gehalten.

Die strukturierten Platten 12 und 13 übernehmen die Gasführung durch die Strömungskanäle 16, die Abdichtung nach Außen, die Ableitung des Stromes (bipolare Platte) und sie erzeugen den nötigen Anpreßdruck damit die Elektroden 6 und 7 gut kontaktieren. Durch die Wahl der Struktur bzw. der Form der strukturierten Platten 12 und 13 wird sowohl die elektrische Leitung als auch die Gasführung gegenseitig optimiert. Außerdem muß die Stabilität und Gasdichtheit gewährleistet werden. Nachteilig hierbei ist es, daß bei Änderung der Anforderungen jeweils beide strukturierte Platten 12 und 13 neu ausgelegt und ausgetauscht werden müssen. Dies ist zum einen zeitaufwendig und zum anderen kostenintensiv.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Brennstoffzelle sowie eine Brennstoffzellenanordnung anzugeben, die auf einfachere Weise an unterschiedliche Anforderungen angepaßt werden kann.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die Merkmale des Anspruchs 1 bzw. durch die Merkmale des Anspruchs 8.

Durch den modularen Aufbau der Gaszuführung, die eine gasdichte Hülle mit wenigstens zwei strukturierten Einsätzen umfaßt, kann geänderten Anforderungen lediglich durch Austausch der strukturierten Einsätze Rechnung getragen werden. Durch die dreidimensionale Struktur der Einsätze lassen sich Gas- und Stromfluß optimieren und regeln. Bei einer Änderung der Anforderung müssen daher nicht die gesamten strukturierten Platten neu konzipiert und hergestellt werden, sondern es müssen lediglich andere strukturierte Einsätze in die Hülle eingesetzt werden. Damit ist die erfindungsgemäße Brennstoffzelle besonders für Testzwecke und für Versuchsreihen zur Optimierung von Brennstoffzellen geeignet.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung besteht die gasdichte Hülle aus zwei, vorzugsweise identischen Hüllschalen mit jeweils einem strukturierten Einsatz, die an Dichtlippen aufeinanderstoßen und die Elektroden mit Elektrolytfolie gasdicht umschließen.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die strukturierten Einsätze im Bereich des mechanischen Kontakts mit den zweiten Hauptoberflächen der Elektroden aus einem elektrisch leitenden Material und übernehmen so die Stromzu- und -abführung von den Elektroden.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die Einsätze federnd ausgebildet bzw. bestehen aus einem elastischen Material, so daß sie beim Zusammenfügen der Gesamtstruktur bestehend aus Hüllschalen mit strukturierten Einsätzen sowie Elektroden und Elektrolytfolie den nötigen Anpreßdruck an die Elektroden selbst erzeugen.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung bestehen die strukturierten Einsätze aus gepreßtem expandiertem Graphit und sind daher elektrisch leitend und anderen wird dadurch die nötige elastische bzw. federnde Eigenschaft bereitgestellt.

Bei der Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 8 wird eine Mehrzahl von erfindungsgemäßen Brennstoffzellen schichtartig aneinandergereiht, wobei die mit ihrer gasdichten Rückseite aufeinandertreffenden Hüllschalen benachbarter Brennstoffzellen in der Schicht bzw. Stapelanordnung miteinander verschmolzen sind, d. h. einstückig in Form einer Doppelschale ausgebildet sind. In die beidseitig offene Doppelschale werden von beiden Seiten strukturierte Einsätze eingesetzt, die durch eine gasdichte Trennwand voneinander getrennt sind.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einer beispielhaften Ausführungsform anhand der Zeichnung.

Es zeigt:

Fig. 1 eine schematische Schnittdarstellung einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung in Explosionsdarstellung;

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Teils der Gaszuführung der Ausführungsform der Erfindung nach Fig. 1;

Fig. 3 eine schematische Darstellung einer Brennstoffzellenanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung,

Fig. 4 eine schematische Schnittdarstellung durch eine Brennstoffzelle nach dem Stand der Technik, und

Fig. 5 eine schematische Darstellung einer strukturierten Platte einer Brennstoffzelle nach dem Stand der Technik gemäß Fig. 4.

In der nachfolgenden Beschreibung beispielhafter Ausführungsformen der Erfindung sind die Komponenten der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle, die ähnlich oder identisch mit entsprechenden Komponenten des Standes der Technik nach Fig. 4 und 5 sind, mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die Darstellungen in den Fig. 1 bis 5 sind nicht maßstabsgetreu.

Der grundsätzliche Aufbau der Brennstoffzelle gemäß der vorliegenden Erfindung nach Fig. 1 unterscheidet sich nicht dem Aufbau der bereits vorstehend erläuterten Brennstoffzellen nach Fig. 3 gemäß dem Stand der Technik. Die Brennstoffzelle nach Fig. 1 umfaßt eine schichtartige Anordnung von zwei Elektroden 6 und 7 mit dazwischenliegender Elektrolytfolie 2. Die Elektrolytfolie 2 besitzt eine Dicke von ca. 120 µm und die beiden Elektroden 6 bzw. 7 sind ca. 200 bis 300 µm dick. Diese Anordnung wird einer Gaszuführung 10 gasdicht umhüllt. Insoweit entspricht die Ausführungsform der Erfindung nach Fig. 1 Aufbau der bekannten Brennstoffzelle nach Fig 4. Die vorliegende Erfindung unterscheidet sich im Aufbau der Gaszuführung 10 von dem Stand der Technik nach Fig. 4.

Die Gaszuführung 10 nach Fig. 1 bzw. 2 umfaßt zwei Hüllschalen 20 und 21 mit jeweils zugeordneten strukturierten Einsätzen 22 und 23. Die strukturierten Einsätze 22, 23 bestehen jeweils aus einer Grundplatte 24 mit einer Mehrzahl darin befindlicher langgestreckter Löcher 25 mit dazwischenliegenden Stegen 26. Die Stege 26 sind nach hinten verlängert und die Stege 26 mit den Löchern 24 bilden Strömungskanäle 16. Die strukturierten Einsätze 22, 23 kontaktieren mit ihrer flachen Seite (die Seite auf die der Pfeil A zeigt) die jeweilige zweite Hauptoberfläche 9 der Elektrode 6 bzw. 7. Die Hüllschale 20 umfaßt noch Gasein- und -ausläße 17 und 18. Der äußere Rand der Grundplatte 24 der strukturierten Einsätze 22, 23 kommt zwischen Dichtlippen 14 der Hüllschalen 20 bzw. 21 zu liegen und bewirkt ggfs. mit zusätzlichen nicht näher dargestellten Dichtungselementen Gasdichtheit der Gaszuführung 10.

Fig. 3 zeigt schematisch eine stapelweise Anordnung von drei Brennstoffzellen mit zwei äußeren Hüllschalen 20 mit strukturiertem Einsatz 22 und zwei inneren Doppelschalen 30 jeweils mit zwei Einsätzen 22. Die einstückigen Doppelschalen 30, die im Schnitt doppel-T-förmig sind, entstehen quasi durch Aneinanderfügen von zwei mit ihrer geschlossenen Seite einander zugewandten Hüllschalen 20 bzw. 21. Anordnung und Aufbau von Elektroden und Elektrolytfolie jeweils zwischen den Einsätzen 20 entsprechen dem Aufbau nach Fig. 1 bzw. 3.

Claims

1. Brennstoffzelle mit
einem Elektrolyten (2),
einem Paar flächiger Elektroden (6, 7), die einander gegenüberliegend mit dem Elektrolyten (2) dazwischen angeordnet sind, die jeweils eine erste dem Elektrolyten zugewandte (8) und eine zweite von dem Elektrolyten abgewandte Hauptfläche (9) aufweisen, und
einer Gaszuführung (10), die die Anordnung aus Elektrolyt (2) und Elektrodenpaar (6, 7) gasdicht umschließt und Strömungskanäle (16) zur Zuführung von unterschiedlichen Gasen zu den von dem Elektrolyten (2) abgewandten Hauptflächen (9) der beiden Elektroden (6, 7) aufweist, dadurch gekennzeichnet,
daß die Gaszuführung (10) modular aufgebaut ist und eine gasdichten Hülle (20, 21) und wenigstens zwei strukturierten Einsätze (22, 23) umfaßt, die jeweils mit der von dem Elektrolyten (2) abgewandten Hauptfläche (9) der Elektroden (6, 7) mechanisch in Kontakt sind.

2. Brennstoffzelle Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einsätze (22, 23) im Bereich des mechanischen Kontakts mit den Elektroden (6, 7) aus einem elektrische leitenden Material bestehen und die Strom weiterleitung übernehmen.

3. Brennstoffzelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einsätze (22, 23) federnde Eigenschaften haben, so daß sie zusammen mit der gasdichten Hülle (20, 21) den nötigen Anpreßdruck an die Elektroden (5, 7) selbst erzeugen.

4. Brennstoffzelle nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die gasdichte Hülle aus zwei Hüllenschalen (20, 21) besteht, die über Dichtlippen (14) gasdicht miteinander verbindbar sind.

5. Brennstoffzelle nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß beiden Hüllenschalen (20, 21) identisch sind.

6. Brennstoffzelle nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Einsätze (22, 23) einen umlaufenden Dichtrand haben, der zwischen den Dichtlippen (14) der Hüllenschalen (20, 21) zu liegen kommt.

7. Brennstoffzelle nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Einsätze (22, 23) aus gepreßtem expandierten Grafit bestehen.

8. Brennstoffzellenanordnung mit einer Mehrzahl von aufeinanderfolgend angeordneten Brennstoffzellen nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zwei aufeinandertreffende Hüllenschallen einstückig als Doppelschalen (30) ausgebildet sind.