DE19739019C2 - Gewickelte Brennstoffzelle - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft miteinander verbundene Brenn­ stoffzellen, jeweils bestehend aus Anode, Elektrolyt und Kathode.

Der Kathode wird ein Oxidationsmittel, z. B. Luft und der Anode wird ein Brennstoff, z. B. Wasserstoff zuge­ führt. Kathode und Anode einer Brennstoffzelle weisen in der Regel eine durchgehende Porosität auf, damit die beiden Betriebsmittel Brennstoff und Oxidationsmittel dem Elektrolyten zugeführt und das Produktwasser abge­ führt werden können.

Es gibt Brennstoffzellen, bei denen protonenleitende Membranen als Elektrolyt eingesetzt und die bei Tempe­ raturen von 80°C betrieben werden. An der Anode einer solchen Brennstoffzelle bilden sich in Anwesenheit des Brennstoffs mittels eines Katalysators Protonen. Die Protonen passieren den Elektrolyten und verbinden sich auf der Kathodenseite mit dem vom Oxidationsmittel stammenden Sauerstoff zu Wasser. Elektronen werden da­ bei freigesetzt und elektrische Energie erzeugt.

Üblicherweise werden mehrere Brennstoffzellen zu einem Brennstoffzellenstapel zusammengefaßt. Die einzelnen Brennstoffzellen sind mittels verbindender Elemente elektrisch sowie mechanisch miteinander verbunden. Bipolare Platten werden in der Regel als verbindende Elemente vorgesehen.

Brennstoffzellenstapel weisen - insbesondere wenn soge­ nannte PEM-Brennstoffzellen eingesetzt werden - regel­ mäßig an beiden Enden Platten auf. Diese Endplatten sind dann z. B. miteinander verschraubt und halten so den Stapel zusammen. Die Endplatten müssen mechanisch stabil und daher relativ dick sein. Sie dürfen sich un­ ter Druck nicht verformen. Andernfalls werden die Brennstoffzellen ungleichmäßig über die gesamte Fläche gegen die bipolare Platte gedrückt. Ungleichmäßige elektrische Kontakte zwischen den Brennstoffzellen und dem verbindenden Element sowie hiermit einhergehende Leistungsverluste wären die Folge.

Nachteilhaft erhöhen die dicken, in der Regel aus Me­ tall bestehenden Endplatten das Gewicht und das Volumen eines Brennstoffzellenstapels. Erforderliche Verspan­ nungsmittel, so z. B. die Verschraubung wirken sich in gleicher Weise ungünstig aus. Diese Nachteile sind ins­ besondere dann von Bedeutung, wenn nur wenige Brenn­ stoffzellen zur Erzielung kleiner Spannungen miteinander gekoppelt werden sollen.

Ein hohes Gewicht sowie ein großes Volumen eines Brenn­ stoffzellenstapels sind vor allem bei mobilen Anwendun­ gen wie z. B. als Energieversorgungseinheit für tragbare Geräte unerwünscht.

Aus DE 18 05 022 A ist eine gewickelte Brennstoffzelle bekannt, die typischerweise in einem zylinderförmigen Gehäuse angeordnet ist. Die Anode und die Kathode sind durch einen porösen Separator voneinander getrennt.

In der DE 25 34 725 A1 wird ebenfalls eine gewickelte Brennstoffzelle beschrieben, die eine bipolare Elektrode in Form einen spiralig aufgerollten Folie aufweist.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung von miteinander elektrisch verbundenen Brennstoffzellen, ohne hierfür voluminöse und schwere Endplatten einsetzen zu müssen.

Die Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkma­ len des Hauptanspruchs gelöst.

Die anspruchsgemäße Vorrichtung weist zumindest zwei zylinderartig gewickelte Brennstoffzellen mit einem zwischen den Brennstoffzellen befindlichen verbindenden Element auf. Zylinderartig gewickelt bedeutet, daß die Brennstoffzellen so aufgerollt sind, daß die Form eines Zylinders vorliegt. Die zylinderartig gewickelten Brennstoffzellen befinden sich unter Druck in einer äußeren Hülse. Brennstoffzellen und verbindendes Element werden so gleichmäßig gegeneinander gedrückt.

Die äußere Hülse kann im Unterschied zu den vom Stand der Technik her bekannten dicken Endplatten dünn sein. Es genügt beispielsweise ein Blech, oder sie darf sogar aus einem Kunststoff bestehen. Gewicht und Volumen wer­ den so eingespart. Ferner entfallen die beim Stand der Technik erforderlichen Verspannungsmittel.

Wird eine flexible, elektrisch leitfähige bipolare Platte als verbindendes Element vorgesehen, so ist diese z. B. aus einem flexiblen Blech mit beidseitig angebrachten Drahtnetzen gefertigt. Diese Ausführungsform weist Gasverteiler auf und trennt die beiden, durch die Drahtnetze erzeugten Elektrodenräume dicht voneinander ab.

Die Brennstoffzellen können aus üblichen Materialien wie Nation und Platin gefertigt sein.

In einer Ausgestaltung der Erfindung sind die Brenn­ stoffzellen auf einer inneren Hülse insbesondere spi­ ralförmig aufgewickelt. Über die innere Hülse werden dann Betriebsmittel den Brennstoffzellen, nämlich den Kathoden- oder Anodenräumen zugeführt oder stoffliche Produkte abgeführt. Der Volumenzuwachs durch die innere Hülse kann sehr klein gehalten werden. Es kann ferner der Raum im Inneren der Hülse genutzt werden. So kann die innere Hülse als Vorratsbehälter für Brennstoff oder/und Oxidationsmittel dienen. Auch können ein oder zwei Gaserzeuger im Inneren der Hülse eingebaut werden.

Unter Anodenraum ist der Raum zu verstehen, in den der Brennstoff geleitet wird, um in diesem zur Anode zu ge­ langen. Entsprechendes gilt für den Kathodenraum. Anoden- und Kathodenraum werden allgemein Elektrodenräume genannt.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung grenzt, d. h. kontaktiert, jede Brennstoffzelle sowohl an die äußere als auch an die innere Hülse. So können über ge­ eignet angebrachte Zuleitungen nebst Öffnungen in den Hülsen die Betriebsmittel bzw. stoffliche Produkte auf besonders einfache Weise zu- oder abgeführt werden.

Elektrisch werden die Brennstoffzellen z. B. in Reihe geschaltet, um eine hohe Spannung bei niedrigem Strom zu erzeugen. Im Bedarfsfall ist eine Brennstoffzelle z. B. gegenüber der nächsten Wicklung derselben Brennstoffzelle mittels einer Folie o. ä. isoliert.

In einer weiteren Ausgestaltung werden zur Erzielung eines hohen Stromes bei niedriger Spannung jeweils zwei Brennstoffzellen parallel geschaltet. Jede Anode grenzt nun an einen Stromableiter, der gleichzeitig als Gasverteiler dient, nicht gasdurchlässig und durch eine Schicht nach außen elektrisch isoliert ist. Es grenzen Kathode an Kathode. Das dann zwischen Kathode und Kathode befindliche verbindende Element fungiert als Stromableiter, ist gasdurchlässig und dient als Gasverteiler.

Fig. 1 zeigt einen Schnitt durch zwei spiralförmig ge­ wickelte Brennstoffzellen 1. Jede Brennstoffzelle 1 be­ steht aus zwei Elektroden mit einer dazwischen befind­ lichen Membran, also einer dazwischen befindlichen Elektrolytschicht. Eine bipolare Platte 2 befindet sich zwischen den beiden Brennstoffzellen 1. Zwei z. B. aus dünnen Blechen bestehende Endplatten 3 sind vorgesehen, von denen der Strom abgegriffen wird. Aufgrund der bi­ polaren Platte 2, die ebenfalls aus einem dünnen Blech gefertigt sein kann, sowie der Endplatten 3 weist die Vorrichtung Kathodenräume 4 sowie Anodenräume 5 auf. Die Endplatten 3 sind durch eine z. B. aus Teflon be­ stehende Isolatorschicht 6 elektrisch voneinander ge­ trennt. Andernfalls würde ein elektrischer Kurzschluß auftreten.

Die Brennstoffzellen 1 mit der bipolaren Platte 2, den Endplatten 3 und der Isolatorschicht 6 werden durch eine äußere Hülse 7 zusammengehalten und gegeneinander gedrückt. Im wesentlichen sind die beiden Brennstoff­ zellen 1 mit der bipolaren Platte 2 schichtförmig übereinander angeordnet und um eine innere Hülse 8 her­ umgewickelt. Beide Brennstoffzellen 1, die bipolare Platte 2, die beiden Endplatten 3 sowie die Isolator­ schicht 6 kontaktieren sowohl die äußere Hülse 7 als auch die innere Hülse 8. So ist es möglich, über in den beiden Hülsen 7, 8 befindliche Zu- bzw. Ableitungen 9 die Betriebsmittel, also Oxidationsmittel und Brennstoff gleichmäßig und einfach den Kathodenräumen 4 bzw. den Anodenräumen 5 zuzuführen und die stofflichen Produkte sowie unverbrauchte Betriebsmittel abzuführen.

Der erzeugte elektrische Strom kann in der von einer zylinderförmigen Batterie her gewohnten Weise z. B. an den beiden Stirnflächen oder in der aus der Figur er­ sichtlichen Weise an einer der beiden Stirnflächen ab­ gegriffen werden. Im übrigen sind die Stirnflächen gasdicht verschlossen.

Claims (1)

1. Vorrichtung mit
zumindest zwei zylinderartig gewickelten PEM- Brennstoffzellen (1),
einem zwischen den PEM-Brennstoffzellen befindlichen verbindenden Element (2),
einer äußeren zylinderförmigen Hülse (7), in der sich die gewickelten Brennstoffzellen (1) zusammen mit dem verbindenden Element 2 so unter Druck be­ finden, daß PEM-Brennstoffzellen und verbindendes Element gleichmäßig gegeneinander gedrückt werden,
einer inneren Hülse, auf der die Brennstoffzellen aufgewickelt sind.