DE202005017832U1 - Bipolare Brennstoffzellenplatine - Google Patents

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Abstract

Bipolare Brennstoffzellenplatine (10), aufweisend:
eine Anodenstrom-Sammelplatine (101),
eine Katodenstrom-Sammelplatine (103), und
wenigstens eine Membranelektrodenanordnung (105), welche in enger weise sandwichartig zwischen der Anodenstrom-Sammelplatine (101) und der Katodenstrom-Sammelplatine (103) aufgenommen ist, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein elektronisches Bauelement (107) an der bipolaren Brennstoffzellenplatine (10) vorgesehen ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine bipolare Brennstoffzellenplatine, und insbesondere eine als einzelne bzw. integrale Platte ausgebildete, bipolare Brennstoffzellenplatine, in die elektronische Bauelemente integriert sind.
  • Die zum Steuern einer Brennstoffzelle in einer üblichen Brennstoffzellenvorrichtung verwendeten Schaltungen, wie beispielsweise ein Energiemanagement-Schaltkreis, ein Brennstofftemperatur/Brennstoffkonzentrations/Brennstoff-Flüssigkeitsniveau-Erfassungsschaltkreis und eine Brennstoffstrom-Steuerung, nutzen eine externe Verbindung oder eine zusätzliche Schichtstruktur, die separat und mit Abstand von der Membranelektrodenanordnungsschicht angeordnet ist, zum elektrischen Anschließen der Schaltungen an die Membranelektrodenanordnungsschicht mittels Kabeln oder im Bedarfsfall mittels elektrisch leitfähig ausgebildeter Durchgangslöcher. Bei der Struktur der üblichen Brennstoffzellenvorrichtung ist es nachteilig, dass die Membranelektrodenanordnungen der Brennstoffzellenplatine an einen externen Schaltkreis angeschlossen werden müssen, da dies ein Modularisieren der Brennstoffzellenplatine verhindert und ferner ein Hindernis beim Miniaturisieren der Brennstoffzellenplatine in ihrem Gesamtvolumen ist.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Brennstoffzellenplatine zu schaffen, die zur Modularisierung und zur Miniaturisierung geeignet ist.
  • Dies wird mit einer Einzel-Bipolar-Brennstoffzellenplatine bzw. bipolaren Brennstoffzellenplatine erreicht, in die elektronische Bauelemente integriert sind und die aufweist: eine Anodenstrom-Sammelplatine, eine Katodenstrom-Sammelplatine, und wenigstens eine oder mehr als eine Membranelektrodenanordnung, welche in dichter bzw. enger Weise sandwichartig zwischen der Anodenstrom-Sammelplatine und der Katodenstrom-Sammelplatine aufgenommen ist, wobei wenigstens ein elektronisches Bauelement auf der bipolaren Brennstoffzellenplatine angeordnet ist.
  • Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
  • Die Erfindung wird unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren anhand bevorzugter Ausführungsformen beschrieben.
  • 1 zeigt eine perspektivische Strukturansicht einer erfindungsgemäßen, bipolaren Brennstoffzellenplatine.
  • 2 zeigt eine perspektivische Explosionsansicht einer ersten Ausführungsform der Erfindung, die auf der Struktur der in 1 gezeigten, bipolaren Brennstoffzellenplatine basiert.
  • 3 zeigt eine perspektivische Explosionsansicht einer zweiten Ausführungsform der Erfindung, die auf der Struktur der in 1 gezeigten, bipolaren Brennstoffzellenplatine basiert.
  • 4 zeigt eine perspektivische Explosionsansicht einer dritten Ausführungsform der Erfindung, die auf der Struktur der in 1 gezeigten, bipolaren Brennstoffzellenplatine basiert.
  • 5 zeigt eine Strukturansicht der elektrischen Schnittstelle, die vorne an der bipolaren Brennstoffzellenplatine von 1 angeordnet ist.
  • 1 zeigt eine Strukturansicht einer erfindungsgemäßen, bipolaren Brennstoffzellenplatine 10. Die erfindungsgemäße, bipolare Brennstoffzellenplatine 10 weist im Wesentlichen eine Anodenstrom-Sammelplatine 101, eine Katodenstrom-Sammelplatine 103 und wenigstes eine oder mehr als eine Membranelektrodenanordnung 105 auf, welche im Folgenden jeweils beschrieben werden. Die als erfindungsgemäße Anodenstrom-Sammelplatine 101 und als erfindungsgemäße Katodenstrom-Sammelplatine 103 vorgesehenen Mittel können beispielsweise ein Leiterplatten (PCB – Print Circuit Board)-Substrat, wie das Substrat mit beidseitigen Kupferfolien, nutzen und den PCB-Prozess durchlaufen, wobei die äußere Kupferfolie und die innere Kupferfolie des beiderseits Kupferfolien aufweisenden Substrats geätzt werden und die Anodenstrom-Sammelplatine 101 bzw. die Katodenstrom-Sammelplatine 103 hergestellt werden. Ferner können die mit den Membranelektrodenanordnungen 105 in Kontakt befindlichen Flächen dieser Stromsammel-Schaltungen 101a, 103a im Voraus einer Schutzbehandlung und einer Antikorrosionsbehandlung unterzogen werden, um eine Beschädigung der Stromsammel-Schaltungen durch das Brennstoffprodukt oder eine elektrochemische Reaktion zu verhindern. Die verwendeten Mittel zur Schutzbehandlung oder Antikorrosionsbehandlung können Beschichtungen mit elektrisch leitfähigen Metallmaterialien sein, welche aus einer von Gold und Kohlenstoff gebildeten Legierung oder einem Einzel-Metallmaterial ausgewählt sind. Ferner können die zur Schutzbehandlung oder zur Antikorrosionsbehandlung der Flächen dieser Stromsammel-Schaltungen 101a, 103a an den Außenseiten der Stromsammel-Platinen 101, 103 verwendeten Mittel einen Beschichtungsprozess, wie das Aufbringen von Metallmaterial oder das Aufbringen von nichtmetallischem Material, nutzen. Die Membranelektrodenanordnungen 105 sind in dichter bzw. enger Weise sandwichartig zwischen der Anodenstrom-Sammelplatine 101 und der Katodenstrom- Sammelplatine 103 aufgenommen. Die Erfindung ist im Wesentlichen dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein elektronisches Bauelement 107 innerhalb der bipolaren Brennstoffzellenplatine 10 angeordnet ist und somit die Membranelektrodenanordnungen 105 nach Erhalt der Anodenbrennstoffzufuhr und der Katodenbrennstoffzufuhr Elektrizität erzeugen können. Die bipolare Brennstoffzellenplatine 10 weist neben der Funktion des Erzeugens von Elektrizität die Funktion des Integrierens von Schaltungen auf und erhöht dadurch, dass die elektronischen Schaltungen von den elektronischen Bauelementen 107 gebildet sind, zusätzlich die Stromversorgungsqualität der bipolaren Brennstoffzellenplatine 10.
  • 2 zeigt eine erste Ausführungsform der Erfindung, welche auf der Struktur der bipolaren Brennstoffzellenplatine 10 von 1 basiert. In 2 sind die elektronischen Bauelemente 107 direkt auf der Außenfläche der Anodenstrom-Sammelplatine 101 oder direkt auf der Außenfläche der Katodenstrom-Sammelplatine 103 angeordnet. Der Prozess zum jeweiligen Herstellen der Anodenstrom-Sammelplatine 101 und der Katodenstrom-Sammelplatine 103 ist der PCB-Prozess, bei dem die Stromsammel-Schaltungen 101a und 103a auf den Kupferfolien eines Substrats mit beiderseitigen Kupferfolien ausgebildet werden und die jeweilige Schaltungsanordnung auf der äußeren Kupferfolie des jeweiligen Substrats ausgebildet wird, wobei danach die elektronischen Bauelemente 107 auf die Schaltungsanordnung gelötet werden. Beim Zusammenbauen der bipolaren Brennstoffzellenplatine 10 von 2 werden die folgenden Schritte durchgeführt: Laminieren und Aufschichten der Anodenstrom-Sammelplatine 101, der Membranelektrodenanordnungen 105 und der Katodenstrom-Sammelplatine 103 in einer Reihenfolge von oben nach unten und dann Verkleben der Anordnung unter Verwendung von Klebemittel, so dass eine einzige bzw. integrale Platte einer bipolaren Brennstoffzellenplatine 10 ausgebildet ist.
  • 3 zeigt eine zweite Ausführungsform der Erfindung, die auf der Struktur der in 1 gezeigten, bipolaren Brennstoffzellenplatine 10 basiert. In 3 sind die elektronischen Bauelemente 107 direkt auf der Innenfläche der Anodenstrom-Sammelplatine 101 oder direkt auf der Innenfläche der Katodenstrom-Sammelplatine 103 angeordnet. Zum Herstellen der Anodenstrom-Sammelplatine 101 bzw. der Katodenstrom-Sammelplatine 103 wird der PCB-Prozess verwendet, wobei die Stromsammel-Schaltungen 101a und 103a auf den Kupferfolien eines Substrats mit beiderseitigen Kupferfolien ausgebildet werden und wobei die jeweilige Schaltungsanordnung auf der inneren Kupferfolie des jeweiligen Substrats ausgebildet wird und danach die elektronischen Bauelemente 107 auf die Schaltungsanordnung aufgelötet werden. Beim Zusammenbauen der bipolaren Brennstoffzellenplatine 10 von 3 werden die folgenden Schritte durchgeführt: Laminieren und Aufschichten der Anodenstrom-Sammelplatine 101, der Membranelektrodenanordnungen 105 und der Katodenstrom-Sammelplatine 103 in einer Reihenfolge von oben nach unten und danach Verkleben der Anordnung unter Verwendung von Klebemittel, so dass eine einzige bzw. integrale Platte einer bipolaren Brennstoffzellenplatine 10 gebildet ist.
  • 4 zeigt eine dritte Ausführungsform der Erfindung, die auf der Struktur der in 1 gezeigten, bipolaren Brennstoffzellenplatine 10 basiert. In 4 sind die elektronischen Bauelemente 107 direkt auf der Fläche eines Mittelsubstrats 109 angeordnet, welches eine flexible Leiterplatte sein kann und welches zum Ausbilden der Schaltungsanordnung einen PCB-Prozess durchläuft, wobei danach die elektronischen Bauelemente 107 auf die Schaltungsanordnung aufgelötet werden. Das Mittelsubstrat 109 kann einen rechteckigen bzw. quadratischen Durchbruch aufweisen, d.h. eine „☐"-Form haben, wobei in diesen Hohlbereich des Mittelsubstrats 109 Membranelektrodenanordnungen 105 montiert bzw. eingesetzt sind. Beim Zusammenbau werden die folgenden Schritte durchgeführt: Laminieren und Aufschichten der Anodenstrom-Sammelplatine 101, der Membranelektrodenanordnungen 105, des Mittelsubstrats 109 und der Katodenstrom-Sammelplatine 103 in einer Reihenfolge von oben nach unten und dann Verkleben der Anordnung unter Verwendung von Klebemittel, so dass eine einzige bzw. integrale Platte einer bipolaren Brennstoffzellenplatine 10 ausgebildet ist.
  • 5 zeigt eine Strukturansicht einer elektrischen Schnittstelle, die vorne an der bipolaren Brennstoffzellenplatine 10 von 1 angeordnet ist. Die elektrische Schnittstelle 111 ist an einem Seitenrand der Anodenstrom-Sammelplatine 101 oder an einem Seitenrand der Katodenstrom-Sammelplatine 103 angeordnet und ist elektrisch an die Membranelektrodenanordnungen 105 und die elektronischen Bauelemente 107 angeschlossen. Das als elektrische Schnittstelle 111 verwendete Mittel weist beispielsweise goldene bzw. vergoldete Fingerkontakte und/oder Verbinder auf.
  • Das erfindungsgemäße, elektronische Bauelement 107 kann ein aktives Bauelement, ein passives Bauelement, eine Erfassungseinrichtung, eine integrierte Schaltungseinrichtung, ein Mikrocontroller bzw. Ein-Chip-Computer, ein Sensor, ein Konstantspannungsregler und ein Konstantstromregler sein. Bei der Ausführungsform der Erfassungseinrichtung kann diese ein beliebiger Sensor von einem Konzentrationssensor, einem Flüssigkeitsniveausensor, einem Temperatursensor, einem Spannungssensor und einem Stromsensor sein. Bei der Ausführungsform des aktiven Bauelements kann dieses eine beliebige Steuereinrichtung von einer Konzentrations-Steuereinrichtung, einer Flüssigkeitsniveau-Steuereinrichtung, einer Temperatur-Steuereinrichtung, einer Spannungs-Steuereinrichtung und einer Strom-Steuereinrichtung sein.
  • Die erfindungsgemäße, bipolare Brennstoffzellenplatine weist die folgenden Vorteile und Verbesserungen auf:
    • 1. Bei der erfindungsgemäßen, bipolaren Brennstoffzellenplatine sind die Schlüsselkomponenten bzw. Hauptkomponenten und die elektronischen Bauelemente, die bei der Brennstoffzelle zum Erzeugen der Elektrizität verwendet werden, in eine einzige bzw. integral ausgebildete Platte (ein Teil) integriert, so dass die bipolare Brennstoffzellenplatine durch die Schaltungsfunktion des wenigstens einen elektronischen Bauelements ein Smart Feature bzw. eine Chipkartenfunktion bietet.
    • 2. Die erfindungsgemäße, bipolare Brennstoffzellenplatine hat eine Einzelplattenstruktur, welche in sich selbst Schaltungsfunktionen aufweist, so dass sie gut für eine Modularisierung geeignet ist, d.h. eine Modularisierungsfunktion bietet.
  • Zusammenfassend weist eine Einzel-Bipolar-Brennstoffzellenplatine bzw. bipolare Brennstoffzellenplatine, in die elektronische Bauelemente integriert sind, eine Anodenstrom-Sammelplatine, eine Katodenstrom-Sammelplatine, und wenigstens eine oder mehr als eine Membranelektrodenanordnung auf, welche in dichter bzw. enger Weise sandwichartig zwischen der Anodenstrom-Sammelplatine und der Katodenstrom-Sammelplatine aufgenommen ist, wobei wenigstens ein elektronisches Bauelement auf der bipolaren Brennstoffzellenplatine angeordnet ist.

Claims (21)

  1. Bipolare Brennstoffzellenplatine (10), aufweisend: eine Anodenstrom-Sammelplatine (101), eine Katodenstrom-Sammelplatine (103), und wenigstens eine Membranelektrodenanordnung (105), welche in enger weise sandwichartig zwischen der Anodenstrom-Sammelplatine (101) und der Katodenstrom-Sammelplatine (103) aufgenommen ist, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein elektronisches Bauelement (107) an der bipolaren Brennstoffzellenplatine (10) vorgesehen ist.
  2. Bipolare Brennstoffzellenplatine (10) gemäß Anspruch 1, wobei das elektronische Bauelement (107) aus einer Gruppe ausgewählt ist, die ein aktives elektronisches Bauelement, ein passives elektronisches Bauelement, eine Erfassungseinrichtung, eine integrierte Schaltungseinrichtung, einen Mikrocontroller, einen Sensor, einen Konstantspannungsregler und einen Konstantstromregler aufweist und die insbesondere daraus besteht.
  3. Bipolare Brennstoffzellenplatine (10) gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei das elektronische Bauelement (107) an der Anodenstrom-Sammelplatine (101) angeordnet ist.
  4. Bipolare Brennstoffzellenplatine (10) gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei das elektronische Bauelement (107) an der Katodenstrom-Sammelplatine (103) angeordnet ist.
  5. Bipolare Brennstoffzellenplatine (10) gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei das elektronische Bauelement (107) in enger Weise sandwichartig zwischen der Anodenstrom-Sammelplatine (101) und der Katodenstrom-Sammelplatine (103) aufgenommen ist.
  6. Bipolare Brennstoffzellenplatine (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das elektronische Bauelement (107) elektrisch an die Membranelektrodenanordnung (105) angeschlossen ist.
  7. Bipolare Brennstoffzellenplatine (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die bipolare Brennstoffzellenplatine (10) eine Gasbrennstoff nutzende bipolare Brennstoffzellenplatine ist.
  8. Bipolare Brennstoffzellenplatine (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die bipolare Brennstoffzellenplatine (10) eine Flüssigbrennstoff nutzende bipolare Brennstoffzellenplatine ist.
  9. Bipolare Brennstoffzellenplatine (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die bipolare Brennstoffzellenplatine (10) eine Festbrennstoff nutzende bipolare Brennstoffzellenplatine ist.
  10. Bipolare Brennstoffzellenplatine (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, ferner eine elektrische Schnittstelle (111) aufweisend, welche an der bipolaren Brennstoffzellenplatine (10) angeordnet ist und welche elektrisch an das elektronische Bauelement (107) angeschlossen ist.
  11. Bipolare Brennstoffzellenplatine (10) gemäß Anspruch 10, wobei die elektrische Schnittstelle (111) ein Satz von Goldfingerkontakten ist.
  12. Bipolare Brennstoffzellenplatine (10) gemäß Anspruch 10, wobei die elektrische Schnittstelle (111) ein Verbinder ist.
  13. Bipolare Brennstoffzellenplatine (10) gemäß Anspruch 1, ferner ein Mittelsubstrat (109) aufweisend, an welchem das elektronische Bauelement (107) angeordnet ist und welches in enger Weise sandwichartig zwischen der Anodenstrom-Sammelplatine (101) und der Katodenstrom-Sammelplatine (103) angeordnet ist.
  14. Bipolare Brennstoffzellenplatine (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei die Anodenstrom-Sammelplatine (101) wenigstens einen Stromsammelschaltkreis (101a) aufweist, und wobei die Oberfläche des Stromsammelschaltkreises (101a) einer Schutzbehandlung und/oder einer Antikorrosionsbehandlung unterzogen ist.
  15. Bipolare Brennstoffzellenplatine (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei die Katodenstrom-Sammelplatine (103) wenigstens einen Stromsammelschaltkreis (103a) aufweist, und wobei die Oberfläche des Stromsammelschaltkreises (103a) einer Schutzbehandlung und/oder einer Antikorrosionsbehandlung unterzogen ist.
  16. Bipolare Brennstoffzellenplatine (10) gemäß Anspruch 14 oder 15, wobei die mit der Membranelektrodenanordnung (105) in Kontakt befindliche Fläche des Stromsammelschaltkreises (101a) mit einem Metallmaterial mit guter Leitfähigkeit beschichtet ist.
  17. Bipolare Brennstoffzellenplatine (10) gemäß Anspruch 15 oder 16, wobei die mit der Membranelektrodenanordnung (105) in Kontakt befindliche Fläche des Stromsammelschaltkreises (103a) mit einem Metallmaterial mit guter Leitfähigkeit beschichtet ist.
  18. Bipolare Brennstoffzellenplatine (10) gemäß einem der Ansprüche 14 bis 17, wobei die Fläche des Stromsammelschaltkreises (101a), die sich an der Außenfläche der Anodenstrom-Sammelplatine (101) befindet, mit Metallmaterial und/oder nichtmetallischem Material beschichtet ist.
  19. Bipolare Brennstoffzellenplatine (10) gemäß einem der Ansprüche 15 bis 18, wobei die Fläche des Stromsammelschaltkreises (103a), die sich an der Außenfläche der Katodenstrom-Sammelplatine (103) befindet, mit Metallmaterial und/oder nichtmetallischem Material beschichtet ist.
  20. Bipolare Brennstoffzellenplatine (10) gemäß Anspruch 16, wobei das Metallmaterial aus einer von Gold und Kohlenstoff gebildeten Legierung und einem Einzel-Metallmaterial ausgewählt ist.
  21. Bipolare Brennstoffzellenplatine (10) gemäß Anspruch 17, wobei das Metallmaterial aus einer von Gold und Kohlenstoff gebildeten Legierung und einem Einzel-Metallmaterial ausgewählt ist.
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