DE602004012940T2

DE602004012940T2 - Brennstoffzellenstapel mit flüssiger Brennstoffzufuhr

Info

Publication number: DE602004012940T2
Application number: DE602004012940T
Authority: DE
Inventors: Kyoung-hwan 114-1201 Daehan Dawoo Ap Suwon-si Choi
Original assignee: Samsung SDI Co Ltd
Current assignee: Samsung SDI Co Ltd
Priority date: 2003-10-01
Filing date: 2004-05-10
Publication date: 2009-05-20
Anticipated expiration: 2024-05-11
Also published as: EP1521322A2; DE602004012940D1; EP1521322A3; US7579101B2; JP4519595B2; CN1604379A; EP1521322B1; KR20050032291A; KR100528339B1; US20050074652A1; JP2005108850A; CN100364163C

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Brennstoffzellenstapel mit direkter Flüssigbrennstoffzufuhr und insbesondere eine Versiegelungsstruktur zwischen bipolaren Platten und einer MEA (Membranelektrodenanordnung), die in einer Direktmethanolbrennstoffzelle enthalten ist.
Eine Direktmethanolbrennstoffzelle (DMFC) ist eine Vorrichtung zum Erzeugen von Elektrizität. Die DMFC weist eine hohe Energiedichte und Leistungsdichte durch eine elektrochemische Reaktion zwischen einer organischen Brennstoffverbindung, wie Methanol oder Ethanol, und einem Oxidationsmittel, d. h. Sauerstoff, auf. Weil sie einen flüssigen Brennstoff verwendet, erfordert die DMFC keine peripheren Einrichtungen, wie einen Brennstoffreformer, und weist die Vorteile einer leichten Bevorratung und unmittelbaren Zufuhr des Flüssigbrennstoffs auf.
Wie in 1 abgebildet, beinhaltet eine einzelne Zelle der DMFC eine Membranelektrodenanordnung (MEA) mit einer Elektrolytmembran 1 zwischen einer Anode 2 und einer Kathode 3. Die Anode 2 und die Kathode 3 umfassen Brennstoffdiffusionsschichten 22 und 32 zur Brennstoffzufuhr und -diffusion, Katalysatorschichten 21 und 31 zur Oxidations- und Reduktionsreaktion des Brennstoffs und Elektrodenträgerschichten 23 bzw. 33. Ein aus einem Edelmetall gebildeter Katalysator mit erhöhten katalytischen Eigenschaften bei niedriger Temperatur, d. h. Platin, wird für eine Elektrodenreaktion eingesetzt. Alternativ wird zur Vermeidung einer Katalysatorvergiftung durch ein Nebenprodukt der Reaktion, d. h. CO, ein legierter Katalysator verwendet, der ein Übergangsmetall wie Ruthenium, Rhodium, Osmium oder Nickel enthält. Ein wasserbeständiges Kohlepapier oder Kohletuch für leichte Brennstoffzufuhr und Ableitung von Reaktionsprodukten wird als Elektrodenträgerschicht verwendet. Eine Elektrolytmembran ist eine Polymermembran mit einer Dicke in einem Bereich von 50 bis 200 μm. Eine Protonenaus tauschmembran mit Ionenleitfähigkeit kann als Elektrolytmembran verwendet werden.
Die elektrochemische Reaktion in der DMFC, die ein Gemisch aus Methanol und Wasser als Brennstoff verwendet, umfasst eine Anodenreaktion, bei der der Brennstoff oxidiert wird, und eine Kathodenreaktion, bei der Sauerstoff reduziert wird.
Jede Reaktion kann beschrieben werden als: CH₃OH + H₂O = CO₂ + 6H⁺ + 6e^– (Anodenreaktion) [Reaktion 1] 3/2O₂ + 6H⁺ + 6e^– = 3H₂O (Kathodenreaktion) [Reaktion 2] CH₃OH + 3/2O₂ = 2H₂O + CO₂ (Gesamtreaktion) [Reaktion 3]
An der Anode 2, an der eine Oxidationsreaktion (Reaktion 1) erfolgt, werden ein Kohlendioxid, sechs Protonen und sechs Elektronen erzeugt. Die erzeugten Protonen wandern zur Kathode 3 durch eine Protonenaustauschermembran 1. An der Kathode 3, an der eine Reduktionsreaktion (Reaktion 2) stattfindet, wird durch die Reduktionsreaktion zwischen Protonen und Elektronen, die von einem externen Kreis zugeführt sind, und Sauerstoff Wasser erzeugt. Dementsprechend werden als Folge der Gesamtreaktion (Reaktion 3) Wasser und Kohlendioxid aus der Reaktion zwischen Methanol und Sauerstoff erzeugt.
Eine theoretische Spannung aus einer einzigen Zelle einer DMFC beträgt ungefähr 1,2 V. Eine Leerlaufspannung bei Raumtemperatur und Atmosphärendruck fällt jedoch aufgrund eines Spannungsabfalls, der durch eine Aktivierungsüberspannung und eine Widerstandsüberspannung bedingt ist, unter 1 V. In der Realität liegt eine tatsächliche Arbeitsspannung im Bereich von 0,4 bis 0,6 V. Deshalb ist eine Mehrzahl von Einzelzellen, die in Serie verbunden sind, zum Erreichen höherer Spannungen erforderlich.
Ein Brennstoffzellenstapel wird durch Aufstapeln mehrerer Einzelzellen ausgebildet, die elektrisch in Serie verbunden sind. Benachbarte Einzelzellen sind durch eine elektrisch leitfähige bipolare Platte 4, die zwischen die einzelnen Zellen eingesetzt ist, elektrisch miteinander verbunden.
Die bipolare Platte 4 kann aus einem Graphitblock gebildet sein, der eine hohe mechanische Festigkeit, hohe elektrische Leitfähigkeit und gute Bearbeitungseigenschaften aufweist. Und es kann auch ein Block aus einem Verbundmaterial, das ein Metall oder ein Polymer enthält, als die bipolare Platte 4 verwendet werden.
Brennstoffdurchflusskanäle 41 und 42 sind auf den beiden Seiten der bipolaren Platte ausgebildet: Kanäle 41 zum Zuführen von Brennstoff, d. h. Methanol, auf einer Seite, die mit der Anode 2 in Kontakt steht, und Durchflusskanäle 42 zum Zuführen von Luft auf der gegenüberliegenden Seite, die mit der Kathode 3 in Kontakt steht. Eine bipolare Platte 4, die zwischen den Brennstoffzellenstapel eingesetzt ist, weist einen Kanal zum Zuführen von Brennstoff auf einer Seite und einen Kanal zum Zuführen von Luft auf einer gegenüberliegenden Seite auf. An der Oberseite und Unterseite des Brennstoffzellenstapels sind Endplatten (nicht gezeigt), d. h. monopolare Platten, platziert. Ein Durchflusskanal (siehe 41 und 42 in 1) zum Zuführen von Brennstoff oder Luft zu einer benachbarten Einzelzelle ist auf der Endplatte ausgebildet.
2 ist eine Draufsicht, die eine Oberfläche einer herkömmlichen bipolaren Platte mit Flüssigbrennstoffdurchflusskanälen zeigt. 3 ist eine Draufsicht einer Dichtung, die an der Oberfläche der bipolaren Platten angebracht ist, wie es in 2 gezeigt ist. In den 1 und 2 sind gleiche Bezugszeichen verwendet.
Mit Bezug zu 2 ist eine Mehrzahl von Brennstoffkanälen 41 mit einer Serpentinenform und Öffnungen an ihrer Oberseite auf einem Elektrodenbereich 47 einer herkömmlichen bipolaren Platte 4 ausgebildet, wo eine MEA platziert wird. In einem äußeren Bereich des Elektrodenbereichs 47 sind Verteiler 46, die einen Einlass und einen Auslass der Brennstoffkanäle 41 verbinden, und Brennstoffdurchflussöffnungen 43a, 43b, 44a und 44b, die mit den Verteilern 46 kommunizieren, durch die bipolare Platte 4 hindurch ausgebildet. Die Brennstoffdurchflussöffnungen 43a, 43b, 44a und 44b umfassen einen Einlass 43a und einen Auslass 43b für flüssigen Brennstoff und einen Einlass 44a und einen Auslass 44b für ein Oxidationsmittel. Die Verteiler 46, die die Brennstoffdurchflussöffnungen 43a und 43b mit der Mehrzahl von Brennstoffkanälen 41 verbinden, sind in der bipolaren Platte 4 so ausgebildet, dass sie nicht an einer Oberfläche der bipolaren Platte 4 freiliegen.
Mit Bezug zu 3 sind der Elektrodenbereich 47 und der Brennstoffdurchflussöffnungsbereich der bipolaren Platte 4 in einer Dichtung 5 geöffnet.
4 ist eine Querschnittsansicht einer Dichtung 5 und einer MEA, die auf der bipolaren Platte 4 angeordnet sind, entlang der Linie A-A von 2 aufgenommen.
Mit Bezug zu 4 liegt die MEA auf den Brennstoffkanälen 41 und 42, d. h. dem Elektrodenbereich, und die Dichtung 5 bedeckt den Rest des Bereichs auf der bipolaren Platte 4 mit Ausnahme der Brennstoffdurchflussöffnungen 43a, 43b, 44a und 44b. Die Dichtung 5 blockiert einen Durchtritt von Brennstoff und Luft nach innen und außen.
Die in 4 abgebildete herkömmliche bipolare Platte 4 weist eine relativ große Dicke von ungefähr 5 bis 10 mm auf, da der Verteiler 46 in der bipolaren Platte 4 ausgebildet ist. Bezugszeichen 46a bezeichnet einen Abschnitt der bipolaren Platte 4, der eine Oberseite des Verteilers 46 bedeckt.
Damit die Brennstoffzelle kleiner und leichter wird, sollte die Dicke einer bipolaren Platte geringer sein, wie ungefähr 1 bis 2 mm. Dementsprechend kann die in den 2 bis 4 abgebildete bipolare Platte nicht mehr für die kleinere und leichtere Brennstoffzelle verwendet werden. Ein Beispiel dieser Struktur ist in den US-Patenten Nr. 6,284,401 , 5,879,826 und 6,146,780 beschrieben.
5 ist eine schematische Draufsicht einer bipolaren Platte, die im US-Patent Nr. 6,284,401 abgebildet ist. Es werden die gleichen Bezugszeichen für gleiche Elemente in den 1 bis 4 verwendet und ausführliche Beschreibungen ausgelassen.
Mit Bezug zu 5 ist eine Mehrzahl von Brennstoffkanälen 41, die eine Serpentinenform und Öffnungen an ihrer Oberseite aufweisen, auf einem Elektrodenbereich 47 einer bipolaren Platte 4 ausgebildet, in dem die MEA angeordnet wird. In einem anderen Bereich des Elektrodenbereichs 47 sind Verteiler 46', die einen Einlass und einen Auslass der Brennstoffkanäle 41 verbinden, und Brennstoffdurchflussöffnungen 43a, 43b, 44a und 44b, die mit den Verteilern 46' kommunizieren, durch die bipolare Platte 4 ausgebildet. Die Brennstoffdurchflussöffnungen 43a, 43b, 44a und 44b umfassen einen Einlass 43a und einen Auslass 43b für flüssigen Brennstoff und einen Einlass 44a und einen Auslass 44b für ein Oxidationsmittel.
Die Verteiler 46', die die Brennstoffdurchflussöffnungen 43a und 43b mit der Mehrzahl von Brennstoffkanälen 41 verbinden, sind auf der bipolaren Platte 4 so ausgebildet, dass sie an der Oberfläche der bipolaren Platte 4 freiliegen.
6 ist eine Querschnittsansicht einer Dichtung 5 und einer MEA, die auf der bipolaren Platte 4 angeordnet sind, entlang der Linie B-B von 5 aufgenommen.
Mit Bezug zu 6 liegt die MEA auf den Brennstoffkanälen 41 und 42, d. h. dem Elektrodenbereich 47 in 5, und die Dichtung 5 liegt auf dem Rest des Bereichs mit Ausnahme der Brennstoffdurchflussöffnungen 43a, 43b, 44a und 44b. Die Dichtung 5 liegt auch auf dem Verteiler 46', um einen Durchtritt von Brennstoff zu blockieren.
Zum Herstellen eines Brennstoffzellenstapels werden jedoch eine Mehrzahl von bipolaren Platten 4 und eine Mehrzahl von MEAs unter einem hohen Druck komprimiert. In diesem Fall läuft die auf dem Verteiler 46' gelegene Dichtung 5 Gefahr, dass sie verformt wird, was zu einer Leckage von Brennstoff durch einen oberen Teil der Dichtung 5 führt.
Um das Verformungsproblem der Dichtung 5 zu lösen, verringert die Installation eines Brückenteils, das mit der Dichtung 5 auf dem Verteiler 46 Verbindung hat, die Dicke einer bipolaren Platte 4, wie es in US-Patent Nr. 6,410,179 offenbart ist.
Aufgrund der Schwierigkeiten bei der Herstellung und Installation und einer geringen mechanischen Festigkeit des Brückenteils ist jedoch das Herstellen eines Brennstoffzellenstapels durch Pressen der Dichtung und der bipolaren Platten bei einem hohen Druck nicht einfach. Darüber hinaus ist dieses Hochdruckverfahren zur Herstellung einer dünnen bipolaren Platte mit einer Dicke von 1 bis 2 mm, die das Ziel der vorliegenden Erfindung ist, schwierig anzuwenden.
US 6080502 offenbart einen Direktflüssigkeitszufuhr-Brennstoffzellenstapel, in dem jede Membranelektrodenanordnung durch Klebeverbindung mit benachbarten Platten verbunden ist. Der Klebstoff kann in Vertiefungen aufgenommen sein, die in den Platten ausgebildet sind, so dass gewährleistet ist, dass eine ausreichende Menge an Klebstoff vorhanden ist. Der Klebstoff kann eine im Wesentlichen gasdichte und flüssigkeitsdichte Abdichtung um den Umfang des elektrochemisch aktiven Bereichs ausbilden.
Gemäß der Erfindung wird ein Brennstoffzellenstapel mit direkter Flüssigbrennstoffzufuhr zur Verfügung gestellt, umfassend:
eine Mehrzahl von gestapelten bipolaren Platten mit einem Elektrodenbereich, der mit Brennstoffkanälen versehen ist, einer Mehrzahl von Brennstoffdurchflussöffnungen zum Zuführen von Brennstoff oder Oxidationsmittel zu den Brennstoffkanälen und einer Vertiefung, die den Elektrodenbereich umschließt, und eine Mehrzahl von Membranelektrodenanordnungen, die zwischen den bipolaren Platten im Elektrodenbereich angeordnet sind, wobei jede Membranelektrodenanordnung eine Elektrolytmembran und Elektroden umfasst, wobei die Elektroden eine Anode und eine Kathode auf jeweiligen Seiten der Elektrolytmembran umfassen, wobei die Membranelektrodenanordnung Öffnungen in der Elektrolytmembran und in den Elektroden umfasst, die mit den Brennstoffdurchflussöffnungen in den bipolaren Platten fluchten, wobei eine der Elektrodenöffnungen, die mit jeder Brennstoffdurchflussöffnung fluchten, mit einem größeren Durchmesser ausgebildet ist als der Durchmesser der zugeordneten Brennstoffdurchflussöffnung, ein erstes Versiegelungselement, das auf der Vertiefung ausgebildet ist, und ein zweites Versiegelungselement, das auf den Wänden jeder Elektrodenöffnung mit dem größeren Durchmesser so ausgebildet ist, dass es eine zugeordnete Brennstoffdurchflussöffnung umgibt, und so, dass die zugeordnete Brennstoffdurchflussöffnung nicht mit der Elektrodenöffnung mit dem größeren Durchmesser in Verbindung steht.
Bevorzugt ist das erste Versiegelungselement durch Abscheiden eines flüssigen Versiegelungsmaterials gebildet.
Bevorzugt ist ein Teil der Brennstoffdurchflussöffnungen mit anderen der Brennstoffdurchflussöffnungen durch eine Mehrzahl von Brennstoffkanälen verbunden, Verteiler sind zwischen den Brennstoffdurchflussöffnungen und den Brennstoffkanälen ausgebildet und die oberen Teile der Brennstoffkanäle und der Verteiler sind von der zugehörigen Anode oder der Kathode bedeckt.
Bevorzugt sind Vertiefungen um die Brennstoffdurchflussöffnungen herum ausgebildet, die nicht mit den Brennstoffkanälen auf jeder Seite der bipolaren Platte in Verbindung stehen.
Bevorzugt weisen oberste und unterste bipolare Platten Brennstoffkanäle nur auf einer Seite auf, die mit der Membranelektrodenanordnung in Kontakt steht.
Das zweite Versiegelungselement ist bevorzugt durch Abscheiden eines flüssigen Versiegelungsmaterials auf einer Stufe ausgebildet, wobei die Stufe durch einen Durchmesserunterschied zwischen der größeren Elektrodenöffnung und der Elektrolytmembranöffnung ausgebildet ist.
Gemäß einer anderen beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist ein Durchmesser der Elektrolytmembranöffnung größer als der Durchmesser der Brennstoffdurchflussöffnung, wobei das zweite Versiegelungselement, das die Brennstoffdurchflussöffnung umgibt, auf einer Wand der größeren Elektrodenöffnung und der Elektrolytmembranöffnung gebildet ist.
Gemäß noch einer anderen beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist ein Durchmesser der Elektrolytmembranöffnung kleiner als der Durchmesser der größeren Elektrodenöffnung.
Die vorliegende Erfindung stellt auf diese Weise einen Brennstoffzellenstapel mit direkter Flüssigbrennstoffzufuhr zur Verfügung, der Brennstoffleckage durch Ausbilden von Brennstoffdurchflussöffnungen im Elektrodenbereich einer bipolaren Platte, so dass der Verteilerbereich mit einer Elektrode bedeckt ist, verhindern kann.
Die vorliegende Erfindung stellt auch einen Brennstoffzellenstapel mit direkter Flüssigbrennstoffzufuhr zur Verfügung, bei dem ein Versiegelungselement zwischen der Brennstoffdurchflussöffnung und einer MEA durch Abscheiden eines Versiegelungsmaterials anstelle einer herkömmlichen Dichtung angeordnet ist.
1 ist eine Querschnittsansicht einer einzelnen Zelle einer Brennstoffzelle mit direkter Flüssigbrennstoffzufuhr,
2 ist eine Draufsicht einer herkömmlichen bipolaren Platte,
3 ist eine Draufsicht einer Dichtung, die an einer Oberfläche der bipolaren Platte, wie in 2 abgebildet, ausgebildet ist,
4 ist eine Querschnittsansicht der herkömmlichen bipolaren Platte entlang einer Linie A-A von 2,
5 ist eine Draufsicht einer bipolaren Platte, die in US-Patent Nr. 6,284,401 abgebildet ist,
6 ist eine Querschnittsansicht einer bipolaren Platte mit Dichtungen und MEAs entlang einer Linie B-B von 5,
7 ist eine Querschnittsansicht eines Brennstoffzellenstapels gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
8 ist eine Draufsicht der bipolaren Platte von 7,
9 ist eine Photographie der bipolaren Platte von 7,
10 ist eine Querschnittsansicht einer einzelnen Zelle, die eine Versiegelungsstruktur von einer Brennstoffdurchflussöffnung zur MEA von 7 zeigt,
11 ist eine vergrößerte Zeichnung von D von 10,
12 ist eine Querschnittsansicht einer einzelnen Zelle gemäß einer modifizierten Version, die eine Versiegelungsstruktur von der Brennstoffdurchflussöffnung zur MEA von 10 zeigt,
13 ist eine Draufsicht einer bipolaren Platte gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und
14 ist eine Photographie einer MEA, die mit flüssigem Silicium um Brennstoffdurchflussöffnungen beschichtet ist.
Nachfolgend wird ein Brennstoffzellenstapel mit direkter Flüssigbrennstoffzufuhr gemäß den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ausführlicher mit Bezug zu den begleitenden Zeichnungen beschrieben.
7 ist eine Querschnittsansicht eines Brennstoffzellenstapels gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Mit Bezug zu 7 ist eine Mehrzahl von MEAs in einem Brennstoffzellenstapel aufgestapelt und elektrisch leiffähige bipolare Platten sind zwischen die MEAs platziert. Jede MEA weist eine Elektrolytmembran 110 mit einer Anode auf einer ihrer Seiten und einer Kathode auf der gegenüberliegenden Seite auf. Elektrisch leitfähige Endplatten 160a und 160b sind zuoberst und zuunterst am Brennstoffzellenstapel platziert. Nur eine Seite der elektrisch leitfähigen Endplatten 160a und 160b steht mit der MEA in Kontakt, daher weist die eine Seite der elektrisch leitfähigen Endplatten 160a und 160b die gleiche Struktur auf wie die bipolare Platte 140 und funktioniert auf die gleiche Weise wie die bipolare Platte 140. Die MEA, die zwischen die MEAs platzierten bipolaren Platten 140 und die leitfähigen Endplatten 160a und 160b sind unter Verwendung von Befestigungsendplatten 170a und 170b durch Schraubverbindung festgelegt.
8 ist eine Draufsicht der bipolaren Platte von 7.
Mit Bezug zu 8 sind ein viereckiger Elektrodenbereich 147, in dem die MEA platziert wird, und eine Vertiefung 148, die den Elektrodenbereich 147 umschließt, auf der bipolaren Platte 140 ausgebildet. Die Vertiefung 148 ist mit einem Versiegelungsmaterial gefüllt, d. h. flüssigem Silicium, so dass ein Versiegelungselement ausgebildet ist, das Spalten zwischen den bipolaren Platten 140 versiegelt.
Eine Mehrzahl von Brennstoffkanälen 141 mit einer Serpentinenform und Öffnungen an ihrer Oberseite sind mit einer vorgegebenen Tiefe im Elektrodenbereich 147 ausgebildet. Ebenso sind Durchflussöffnungen 143a und 143b an beiden Enden der Brennstoffkanäle 141 durch die bipolare Platte 140 hindurch ausgebildet.
Bezugszeichen 144a und 144b bezeichnen verschiedene Brennstoffdurchflussöffnungen, d. h. Sauerstoffeinlassöffnungen, die mit den Brennstoffkanälen 142 in 10 auf der Rückseite der bipolaren Platte 140 verbunden sind.
Bezugszeichen 146 bezeichnet einen herkömmlichen Verteiler, der mit der Mehrzahl von Brennstoffkanälen 141 verbunden ist, die von der Seite der bipolaren Platte 140 freiliegen. Die Oberseite des herkömmlichen Verteilers 146 und des Brennstoffkanals 141 werden von der MEA abgedeckt, wenn ein Brennstoffzellenstapel ausgebildet wird. Das heißt, der herkömmliche Verteiler ist in einer bipolaren Platte ausgebildet oder von einer Dichtung bedeckt, der Verteiler der vorliegenden Erfindung ist jedoch von einer Elektrode der MEA bedeckt. Dementsprechend liegt ein Vorteil darin, dass der Brennstoff zur Elektrode im Elektrodenbereich 147 zugeführt wird, ohne dass er außerhalb des Elektrodenbereichs 147 austritt.
9 ist ein Photo der bipolaren Platte von 7, das eine Vertiefung 148 zeigt, die mit flüssigem Silicium 149a bedeckt ist.
10 ist eine Querschnittsansicht einer einzelnen Zelle, die eine Versiegelungsstruktur von einer Brennstoffdurchflussöffnung von 7 zur MEA zeigt, und 11 ist eine vergrößerte Ansicht von D in 10.
Mit Bezug zu den 10 und 11 ist eine MEA einer Einzelzelle zwischen bipolare Platten 140 platziert. Brennstoffkanäle 141 zum Zuführen von flüssigem Brennstoff sind auf einer Seite ausgebildet, die mit einer Anode 120 verbindet, und Brennstoffkanäle 142 zum Zuführen von Sauerstoff sind auf der anderen Seite ausgebildet, die mit einer Kathode 130 der bipolaren Platte 140 verbindet. Eine Elektrolytmembran 110 ist zwischen die Anode 120 und die Kathode 130 eingesetzt. Diese bilden die MEA.
Jede MEA weist Öffnungen 190 auf, die den Brennstoffdurchflussöffnungen 143a, 143b, 144a und 144b der bipolaren Platte 140 entsprechen. Ebenso sind Öffnungen, die den Brennstoffdurchflussöffnungen 143a, 143b, 144a und 144b entsprechen, auf der Anode 120, der Kathode 130 und der Elektrolytmembran 110 ausgebildet. Jede Elektrode umfasst eine erste Elektrodenöffnung 191, die mit den Brennstoffdurchflusskanälen 141 und 142 in Verbindung steht, so dass der flüssige Brennstoff oder ein Oxidationsmittel fließen, und eine zweite Elektrodenöffnung 193, die nicht mit den Brennstoffdurchflusskanal 141 oder 142 in Verbindung steht.
Ein Durchmesser W1 der Brennstoffdurchflussöffnung 140 beträgt ungefähr 3 mm. Ein Durchmesser der ersten Elektrodenöffnung 191, die mit der Brennstoffdurchflussöffnung in Verbindung steht, beträgt ungefähr 3 mm. Ein Durchmesser W3 der zweiten Elektrodenöffnung 193, die der ersten Elektrodenöffnung 191 entspricht und auf einer gegenüberliegenden Elektrode ausgebildet ist, beträgt ungefähr 8 mm. Ein Durchmesser W2 der Elektrolytmembran 110, die zwischen der ersten und der zweiten Elektrodenöffnung 191 und 193 ausgebildet ist, beträgt ungefähr 5 mm. Dementsprechend sind zwei Stufen S um die Brennstoffdurchflussöffnungen jeder MEA 190 ausgebildet. Diese Stufen S sind mit einem Versiegelungsmaterial überzogen, wie einem Siliciumklebstoff, so dass ein Versiegelungselement 149b ausgebildet ist. Das Versiegelungselement 149b versiegelt eine Innenwand der Brennstoffdurchflussöffnung so, dass verhindert wird, dass Brennstoff in die zweite Elektrode 193 und die Elektrolytmembran 110 eindringt. Im Falle der Verwendung eines Alkoholbrennstoffs verhindert das Versiegelungselement 149b, dass der Alkoholbrennstoff in die Kathode 130 wandert, was die Leistung einer Brennstoffzelle vermindert, und verhindert unnötigen Brennstoffverbrauch.
Bezugszeichen 148 ist eine Vertiefung, die in einem äußeren Bereich des Elektrodenbereichs 147 ausgebildet ist, und Bezugszeichen 149a ist ein Versiegelungselement, das in die Vertiefung 148 eingefüllt ist. Das Versiegelungselement versiegelt nicht nur die bipolare Platte 140 mit einer Dicke von ungefähr 1 mm, sondern befestigt auch die bipolaren Platten 140 aneinander. [Deshalb wird ein Brennstoffzellenstapel gemäß der Erfindung unter Verwendung eines Versiegelungselements mit einer hohen Haftfähigkeit ohne Verwendung der Endplatten 170a und 170b hergestellt].
12 ist eine Querschnittsansicht eines weiteren Beispiels einer Versiegelungsstruktur von der Brennstoffdurchflussöffnung 143a von 10 zur MEA. Elemente, die zu denen der 10 und 11 identisch sind, sind unter Verwendung der gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
Mit Bezug zu 12 ist eine MEA' einer Einzelzelle zwischen die bipolaren Platten 140 platziert. Eine Elektrolytmembran 110' ist zwischen eine Anode 120' und eine Kathode 130' eingesetzt, die die MEA' bilden.
Brennstoffdurchflussöffnungen sind in jeder bipolaren Platte 140 und der MEA' ausgebildet. Ein Durchmesser der Brennstoffdurchflussöffnung der bipolaren Platte 140 beträgt ungefähr 3 mm und ein Durchmesser der zugehörigen Öffnungen 190' der MEA' beträgt ungefähr 8 mm. Eine Innenwand der MEA'-Öffnung ist mit einem Versiegelungselement 149c, wie Siliciumklebstoff, so überzogen, dass verhindert wird, dass Alkoholbrennstoff in die Elektrolytmembran 110' und die Kathode 130 eindringt. Auf diese Weise ist ein Leistungsverlust und unnötiger Brennstoffverbrauch verhindert. Zum Abscheiden des Versiegelungselements 149c wird zunächst ein flüssiges Versiegelungsmaterial um die Brennstoffdurchflussöffnungen einer bipolaren Platte 140 unter Verwendung einer automatischen Austragsvorrichtung aufgetragen. Danach werden die MEA' und die bipolare Platte 140 durch Aufbringen des flüssigen Versiegelungsmaterials an einer Innenfläche der Öffnung der MEA' zusammengesetzt.
13 ist eine Draufsicht einer bipolaren Platte 140 gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Es werden die gleichen Bezugszeichen wie in 8 für die gleichen Elemente verwendet.
Mit Bezug zu 13 sind ein rechteckiger Elektrodenbereich 147, in dem die MEA platziert wird, und eine Vertiefung 148, die den Elektro denbereich 147 umschließt, auf der bipolaren Platte 140 hindurch ausgebildet.
Eine Mehrzahl von Brennstoffkanälen 141 mit einer Serpentinenform, die von einer Oberfläche der bipolaren Platte 140 ausgehen, sind mit einer vorgegebenen Tiefe im Elektrodenbereich 147 ausgebildet. Ebenso sind Brennstoffdurchflussöffnungen 143a und 143b an den beiden Enden der Brennstoffkanäle 141 durch die bipolare Platte 140 ausgebildet.
Vertiefungen 150 mit einer vorgegebenen Tiefe sind um die Brennstoffdurchflussöffnungen 144a und 144b abseits der Brennstoffkanäle 141 auf dem Teil der bipolaren Platte 140 ausgebildet. Diese Vertiefungen 150 sind mit einem Versiegelungselement bedeckt, um zu verhindern, dass sich die Brennstoffdurchflussöffnungen 144a und 144b mit anderem Brennstoff vermischen.
[Beispiel]
Ein mit Polymer imprägnierter Graphitblock mit den Abmessungen von 75 mm W Breite × 50 mm L Länge × 1 mm D Tiefe wird vorbereitet. Brennstoffkanäle werden auf beiden Seiten des Blocks ausgebildet und Brennstoffdurchflussöffnungen, die den Brennstoffkanal verbinden, werden durch Perforieren des Blocks, wie in 8 gezeigt, ausgebildet. Eine Vertiefung, die den rechteckigen Elektrodenbereich umschließt, wird ausgebildet und dann die Vertiefung mit flüssigem Silicium unter Verwendung einer automatischen Austragvorrichtung bedeckt. 9 ist eine Photographie einer bipolaren Platte, die auf diese Weise hergestellt ist.
Brennstofföffnungen 143a, 143b, 144a und 144b werden auf einer Elektrolytmembran 110 mit einer Dicke von 120 μm perforiert, und eine Anode und eine Kathode mit einer Dicke von jeweils 250 μm ausgebildet. Ein Durchmesser der Brennstofföffnung 192 der Elektrolytmembran 110 beträgt 5 mm, ein Durchmesser der Öffnung einer ersten Elektrodenöffnung 191, worin Brennstoff von den Brennstofföffnungen 143a und 143b zugeführt wird, beträgt 3 mm und ein Durchmesser der Öffnung einer zweiten Elektrodenöffnung 193, worin kein Brennstoff von den Brennstoffdurchflussöffnungen 143a und 143b zugeführt wird, beträgt 8 mm. Eine Anordnung der Elektroden 120 und 130 und der Elektrolytmembran 110 wird durch vertikal fluchtendes Ausrichten der Brennstoffdurchflussöffnungen 143a, 143b, 144a und 144b ausgebildet. Dann wird eine MEA durch Heißpressen der Anordnung hergestellt.
Danach wird in einer Umgebung der beiden Brennstoffdurchflussöffnungen der MEA flüssiges Silicium auf Innenflächen der Elektrolytmembranöffnung mit dem Durchmesser von 5 mm und der zweiten Elektrode mit dem Durchmesser von 8 mm unter Verwendung einer automatischen Austragvorrichtung aufgetragen. 14 ist eine Photographie der um die Brennstoffdurchflussöffnungen mit flüssigem Silicium bedeckten MEA. Jede mit flüssigem Silicium um die Brennstoffdurchflussöffnungen bedeckte MEA wird zwischen die dreizehn bipolaren Platten eingesetzt, in denen die Vertiefung 148 mit flüssigem Silicium bedeckt ist. Danach werden Endplatten 170a und 170b, die größer sind als die bipolaren Platten 140, auf und unter den Stapel gesetzt. Schließlich wird ein Brennstoffzellenstapel durch Komprimieren des Stapels mit Hilfe von Schrauben hergestellt.
Ein Versiegelungstest des hergestellten Brennstoffzellenstapels wurde durch Pumpen von Methanol [bei 1,5 bar] durch die Brennstoffzufuhröffnung und Luft [bei 1,5 bar] durch die Luftzufuhröffnung durchgeführt, aber es wurde keine Leckage beobachtet.
Ein Brennstoffzellenstapel mit direkter Flüssigbrennstoffzufuhr gemäß der vorliegenden Erfindung weist kein Brennstoffleckageproblem auf, weil Brennstoffdurchflussöffnungen in einem Elektrodenbereich gelegen sind, und die Verteilerbereiche zwischen den Brennstoffdurchflussöffnungen zu den Brennstoffkanälen durch eine Elektrode abgedeckt sind, und kein nutzloser Brennstoffverbrauch auftritt. Ein dünner Brennstoffzellenstapel wird unter Verwendung einer bipolaren Platte mit einer Dicke von 1 bis 2 mm gefertigt.
Während diese Erfindung insbesondere mit Bezug zu bevorzugten Ausführungsformen gezeigt und beschrieben wurde, versteht es sich für die Fachleute, dass verschiedene Veränderungen in Form und Details hierzu vorgenommen werden können, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen, wie er in den beigefügten Ansprüchen definiert ist.

Claims

Brennstoffzellenstapel mit direkter Flüssigbrennstoffzufuhr umfassend: eine Mehrzahl von gestapelten bipolaren Platten (140) mit einem Elektrodenbereich (147), der mit Brennstoffkanälen (141, 142) versehen ist, einer Mehrzahl von Brennstoffdurchflussöffnungen (143a, 143b, 144a, 144b) zum Zuführen von Brennstoff oder Oxidationsmittel zu den Brennstoffkanälen (141) und eine Vertiefung (148), die den Elektrodenbereich (147) umschließt, und eine Mehrzahl von Membranelektrodenanordnungen (MEA, MEA'), die zwischen den bipolaren Platten (140) im Elektrodenbereich (147) angeordnet sind, wobei jede Membranelektrodenanordnung (MEA, MEA') eine Elektrolytmembran (110, 110') und Elektroden umfasst, wobei die Elektroden eine Anode (120) und eine Kathode (130) auf jeweiligen Seiten der Elektrolytmembran (110, 110') umfassen, wobei die Membranelektrodenanordnung (MEA, MEA') Öffnungen (190, 190') in der Elektrolytmembran (110, 110') und in den Elektroden (120, 130) umfasst, die mit den Brennstoffdurchflussöffnungen (143a, 143b, 144a, 144b) in den bipolaren Platten (140) fluchten, wobei eine der Elektrodenöffnungen (193, 190'), die mit jeder Brennstoffdurchflussöffnung (143a, 143b, 144a, 144b) fluchten, mit einem größeren Durchmesser (W₃) ausgebildet ist als der Durchmesser der zugeordneten Brennstoffdurchflussöffnung (W₁), ein erstes Versiegelungselement (149a), das auf der Vertiefung (148) ausgebildet ist, und ein zweites Versiegelungselement (149b, 149c), das auf den Wänden jeder Elektrodenöffnung mit dem größeren Durchmesser (193, 190') so ausgebildet ist, dass es eine zugeordnete Brennstoffdurchflussöffnung (143a, 143b, 144a, 144b) umgibt, und so, dass die zugeordnete Brennstoffdurchflussöffnung (143a, 143b, 144a, 144b) nicht mit der Elektro denöffnung mit dem größeren Durchmesser (193, 190') in Verbindung steht.
Brennstoffzellenstapel mit direkter Flüssigbrennstoffzufuhr nach Anspruch 1, wobei das erste Versiegelungselement (149a) durch Abscheiden eines flüssigen Versiegelungsmaterials gebildet ist.
Brennstoffzellenstapel mit direkter Flüssigbrennstoffzufuhr nach Anspruch 1 oder 2, wobei ein Teil der Brennstoffdurchflussöffnungen (143a, 144a) mit anderen der Brennstoffdurchflussöffnungen (143b, 144b) durch eine Mehrzahl von Brennstoffkanälen (141) verbunden ist, Verteiler (146) zwischen den Brennstoffdurchflussöffnungen (143a, 143b, 144a, 144b) und den Brennstoffkanälen (141) ausgebildet sind und die oberen Teile der Brennstoffkanäle (141) und der Verteiler (146) von der Anode (120) oder der Kathode (130) bedeckt sind.
Brennstoffzellenstapel mit direkter Flüssigbrennstoffzufuhr nach Anspruch 3, wobei Vertiefungen (150) um die Brennstoffdurchflussöffnungen (143a, 143b, 144a, 144b) herum ausgebildet sind, die nicht mit den Brennstoffkanälen (141) auf jeder Seite der bipolaren Platte (140) in Verbindung stehen.
Brennstoffzellenstapel mit direkter Flüssigbrennstoffzufuhr nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei oberste und unterste bipolare Platten (140) Brennstoffkanäle (141) nur auf einer Seite aufweisen, die mit einer Membranelektrodenanordnung (MEM, MEM') in Kontakt steht.
Brennstoffzellenstapel mit direkter Flüssigbrennstoffzufuhr nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei jedes zweite Versiege lungselement (149b) durch Abscheiden eines flüssigen Versiegelungsmaterials auf einer Stufe (S) ausgebildet ist, wobei die Stufe (S) durch einen Durchmesserunterschied zwischen der Elektrodenöffnung (193) mit dem größeren Durchmesser (W₃) und der Elektrolytmembranöffnung (192) ausgebildet ist.
Brennstoffzellenstapel mit direkter Flüssigbrennstoffzufuhr nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei ein Durchmesser (W₂) jeder Elektrolytmembranöffnung (192) größer ist als der Durchmesser (W₁) der zugeordneten Brennstoffdurchflussöffnung (143a, 143b, 144a, 144b), wobei das zweite Versiegelungselement (149b, 149c), das die Brennstoffdurchflussöffnung (143a, 143b, 144a, 144b) umgibt, auf Wänden der zweiten Elektrodenöffnung (193, 190') und der Elektrolytmembranöffnung (192, 190') gebildet ist.
Brennstoffzellenstapel mit direkter Flüssigbrennstoffzufuhr nach Anspruch 7, wobei ein Durchmesser (W₂) der Elektrolytmembranöffnung (192) kleiner ist als der Durchmesser (W₃) der zweiten Elektrodenöffnung (193).
Brennstoffzellenstapel mit direkter Flüssigbrennstoffzufuhr nach Anspruch 8, wobei jedes zweite Versiegelungselement (149b) durch Abscheiden eines flüssigen Versiegelungsmaterials auf einer Stufe (S) gebildet ist und die Stufe (S) durch einen Durchmesserunterschied zwischen der zweiten Elektrodenöffnung (193), der Elektrolytmembranöffnung (192) und der ersten Elektrodenöffnung (191) gebildet ist.