DE19749003A1 - Niedertemperatur-Brennstoffzelle mit Kunststoffendplatten - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Niedertemperatur-Brenn­ stoffzelle.

Eine Brennstoffzelle weist eine Kathode, einen Elektro­ lyten sowie eine Anode auf. Der Kathode wird ein Oxida­ tionsmittel, z. B. Luft und der Anode wird ein Brenn­ stoff, z. B. Wasserstoff zugeführt.

Verschiedene Brennstoffzellentypen sind bekannt, so beispielsweise die Hochtemperatur-Brennstoffzelle aus der Druckschrift DE 44 30 958 C1 sowie die PEM-Brenn­ stoffzelle aus der Druckschrift DE 195 31 852 C1.

Die Betriebstemperatur einer PEM-Brennstoffzelle liegt bei niedrigen Temperaturen von ca. 80°C. An der Anode einer PEM-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.

Mehrere Brennstoffzellen werden in der Regel zur Erzie­ lung großer elektrischer Leistungen durch verbindende Elemente elektrisch und mechanisch miteinander verbun­ den. Ein Beispiel für ein solches verbindendes Element stellt die aus DE 44 10 711 C1 bekannte bipolare Platte dar. Mittels bipolarer Platten entstehen übereinander gestapelte, elektrisch in Serie geschaltete Brennstoff­ zellen. Diese Anordnung wird Brennstoffzellenstapel ge­ nannt.

Eine bipolare Platte weist regelmäßig Gasverteiler­ strukturen auf, die unmittelbar an eine Elektrode einer Brennstoffzelle grenzen. Solche Gasverteilerstrukturen werden zum Beispiel in der deutschen Patentanmeldung mit dem amtlichen Aktenzeichen 197 34 729.0-45 be­ schrieben. Sie werden hier durch ein Blech, in das Schlitze gefräst worden sind, realisiert. Gasverteiler­ strukturen bewirken neben einer elektrischen Kontaktie­ rung, daß die Betriebsmittel gleichmäßig in den Elek­ trodenräumen (Räume, in denen sich die Elektroden be­ finden) verteilt werden.

Bekannte bipolare Platten für PEM-Brennstoffzellen be­ stehen regelmäßig praktisch vollständig aus elektrisch leitfähigen Metallen. Gleiches gilt für die Endplatten, die sich an den beiden Enden eines Brennstoffzellensta­ pels befinden. Die Endplatten sind ferner aus Metall gefertigt, um gleichmäßig die gesamte Fläche eines Brennstoffzellenstapels unter Druck zu setzen. So wird gewährleistet, daß ein elektrischer Kontakt über die gesamte Fläche eines Stapels durchgehend besteht.

Nachteilhaft sind Metalle schwer und verhältnismäßig aufwendig zu bearbeiten.

Auch müssen im Fall einer Beschädigung einzelne Ele­ mente ausgetauscht und eine Anordnung von Brennstoff­ zellen zuvor ausgeschaltet werden.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer leichte­ ren, verbesserten Brennstoffzelle, die einfacher herzu­ stellen und die innerhalb einer Anordnung von Brenn­ stoffzellen im Fall einer Beschädigung nicht zwingend ausgetauscht werden muß, um weiterhin mit der Anordnung Strom erzeugen zu können.

Die Aufgabe wird durch eine Niedertemperaturbrennstoff­ zelle gelöst, die die Merkmale des ersten Anspruchs aufweist.

Die anspruchsgemäße Brennstoffzelle weist verbindende Elemente und/oder Endplatten auf, die bis auf die je­ weilige Gasverteilerstruktur aus Kunststoff bestehen. Kunststoffe sind leichter und einfacher zu verarbeiten als Metall. Die Gasverteilerstruktur besteht aus einem Elektronenleiter, also zum Beispiel aus Metall oder Graphit. Von der Gasverteilerstruktur führt eine elek­ trische Verbindung, zum Beispiel ein Draht, aus der Endplatte bzw. aus dem verbindenden Element heraus. Die elektrische Verschaltung einer oder mehrerer Brenn­ stoffzellen erfolgt über die herausführenden elektri­ schen Kontakte.

Die Endplatten sind so dick, daß die gewünschten mecha­ nischen Eigenschaften vorliegen.

Der Kunststoff ist so gewählt, daß dieser die herr­ schenden Betriebsbedingungen verträgt. Geeignete Kunst­ stoffe sind beispielsweise Teflon oder Polysulfon. Die Gasverteilerstruktur und die elektrische Zuleitung be­ wirken den Stromtransport.

Durch die externe Verschaltung können im Fall einer Be­ schädigung einzelne Zellen innerhalb einer Anordnung durch "Umstöpseln" abgeschaltet und sogar während des Betriebes ausgetauscht werden. Während des Austausches kann also weiterhin Strom erzeugt werden, auch wenn die Brennstoffzellen elektrisch in Serie geschaltet werden sind.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die Überbrückung einer defekten Brennstoffzelle durch elektronisches Umstöpseln automatisch durchgeführt. Diese Anordnung mit einer automatisierten Umstöpselung bzw. Überbrückung einer einzelnen defekten Brenn­ stoffzelle innerhalb einer Anordnung mehrerer Brenn­ stoffzellen wird vorzugsweise zur Stromversorgung von Geräten eingesetzt, bei denen eine kontinuierliche Stromerzeugung sichergestellt sein muß oder soll. Beispiele für solche Geräte sind Kühlschränke oder Not­ strombeleuchtungen.

Geeignete elektronische Schaltungen, die den Stromausfall eines Stromerzeugers registrieren und hierauf geeignet reagieren, sind bekannt. Derartige Schaltungen werden zum Beispiel in Krankenhäusern eingesetzt, um im Fall eines Stromausfalls ein Notstromaggregat in Gang zu setzen.

Die Figur zeigt im Schnitt eine Brennstoffzelle, die aus zwei Elektroden 1 mit einer dazwischenliegenden Elektrolytschicht 2 besteht. Dargestellt sind ferner zwei Endplatten 3. Mit Ausnahme der Gasverteilerstruk­ tur 4 und den elektrischen Leitern 5 besteht die End­ platte aus Kunststoff. Die elektrischen Leiter 5 liegen in Form von metallischen Drähten vor. Jeder elektrische Leiter 5 kontaktiert eine metallische Gasverteiler­ struktur 4 und führt aus der zugehörigen Endplatte her­ aus. Die Gasverteilerstruktur setzt sich aus mehreren metallischen Streifen zusammen.

Ein verbindendes Element kann vergleichbar ausgestaltet sein.

Claims (1)

1. Niedertemperaturbrennstoffzelle mit zumindest einem verbindenden Element und/oder zumindest einer End­ platte, die bis auf eine elektronenleitende Gasver­ teilerstruktur und einer elektronenleitenden elek­ trischen Verbindung aus Kunststoff besteht, wobei die elektronenleitende Verbindung von der Gasver­ teilerstruktur aus dem verbindenden Element bzw. aus der Endplatte herausführt.