DE60303459T2

DE60303459T2 - Elektrochemischer membrangenerator

Info

Publication number: DE60303459T2
Application number: DE60303459T
Authority: DE
Inventors: Eduardo Trifoni; Marcello Liotta
Original assignee: Nuvera Fuel Cells Europe SRL
Current assignee: Nuvera Fuel Cells Europe SRL
Priority date: 2002-08-28
Filing date: 2003-08-28
Publication date: 2006-09-28
Anticipated expiration: 2023-08-29
Also published as: US20110033767A1; JP5043301B2; CN1679194A; US20080199747A1; BR0313926A; CA2496046C; ATE317158T1; US8062805B2; AU2003266319A1; JP2005536863A; ITMI20021859A1; US8592094B2; EP1547179B1; DE60303459D1; KR101056623B1; KR20050057048A; ES2257704T3; WO2004021490A1; EP1547179A1; CA2496046A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen elektrochemischen Generator mit Membran, der durch ein verringertes Gewicht, eine verbesserte elektrische Isolierung zur Umgebung hin und eine einfachere Montage gekennzeichnet ist. Prozesse zur Umwandlung von chemischer in elektrische Energie auf der Basis von mit Membranen arbeitenden elektrochemischen Generatoren sind aus dem Stand der Technik bekannt. Ein Beispiel eines mit Membran arbeitenden elektrochemischen Generators ist in 1 skizziert. Der elektrochemische Generator (1) wird von mehreren Reaktionszellen (2) gebildet, die untereinander in Reihe geschaltet und gemäß einer Filterpressenanordnung montiert sind. Jede Reaktionszelle (2) wandelt die freie Energie der Reaktion eines ersten gasförmigen Reaktionsteilnehmers (Brennstoff) mit einem zweiten gasförmigen Reaktionsteilnehmer (Oxidationsmittel) um, ohne sie vollständig in Wärmeenergie abzubauen, so dass sie nicht den Einschränkungen des Carnot'schen Kreisprozesses unterliegt. Der Brennstoff wird in die Anodenkammer der Reaktionszelle (2) geleitet und besteht beispielsweise aus einem Gemisch, das Wasserstoff oder leichte Alkohole, wie beispielsweise Methanol oder Ethanol enthält, während das Oxidationsmittel in die entsprechende Kathodenkammer geleitet wird und beispielsweise aus Luft oder Sauerstoff besteht. Der Brennstoff wird in der Anodenkammer oxidiert, wobei gleichzeitig H⁺-Ionen freigesetzt werden, während das Oxidationsmittel in der Kathodenkammer unter Verbrauch von H⁺-Ionen reduziert wird. Eine die Anodenkammer von der Kathodenkammer trennende Ionenaustauschmembran ermöglicht einen kontinuierlichen Fluss von H⁺-Ionen von der Anoden- in die Kathodenkammer, während der Durchtritt von Elektronen behindert wird. Die elektrische Potenzialdifferenz zwischen den Polen der Reaktionszelle (2) wird dadurch maximiert.
Genauer betrachtet wird jede Reaktionszelle (2) von einem Paar elektrisch leitfähiger flacher Bipolarplatten (3) begrenzt, die, von innen nach außen betrachtet, die Ionenaustauschmembran (4), ein Paar poröser Elektroden (5), ein Paar Stromsammler/-Verteiler (7), die mittels eines netzartigen, leitfähigen Elements des in US 5,482,792 beschriebenen Typs verwirklicht werden und die Bipolarbleche (3) elektrisch mit den porösen Elektroden (5) verbinden, während sie gleichzeitig die gasförmigen Reakti onsteilnehmer verteilen, ein Paar Dichtungen (8), die dazu dienen, den Rand der Reaktionszelle (2) abzudichten, um die Leckage von gasförmigen Reaktionsteilnehmern in die äußere Umgebung zu verhindern, einschließen. In den Bipolarblechen (3) und den Dichtungen (8) jeder Reaktionszelle (2) sind in 1 nicht gezeigte Zufuhr- und Auslassöffnungen vorhanden, die über, in 1 ebenfalls nicht dargestellte Verteilerkanäle mit der Anoden- und Kathodenkammer der Zelle kommunizieren. Die Verteilerkanäle sind vorzugsweise innerhalb der Dicke der Dichtungen (8) ausgebildet und haben eine kammartige Struktur. Sie verteilen und sammeln die gasförmigen Reaktionsteilnehmer und die Reaktionsprodukte, wobei Letztere ggf. mit den Abgasen vermischt sind, in einer gleichmäßigen Art und Weise innerhalb jeder Reaktionszelle (2). Die Bipolarbleche (3) und die Dichtungen (8) sind außerdem mit Öffnungen zur Zufuhr und zum Austrag eines Kühlfluids (üblicherweise deionisiertes Wasser) versehen, um den elektrochemischen Generator (1) auf der vorgesehenen Betriebstemperatur zu halten. In einer Filterpressenanordnung bestimmt die Kopplung zwischen den oben genannten Öffnungen die Bildung von zwei Längskanälen, die zur Zufuhr der gasförmigen Reaktionsteilnehmer dienen, von zwei Längskanälen, die zum Austrag der Reaktionsprodukte, ggf. vermischt mit Abgasen, dienen und schließlich der Zufuhr- und Abzugskanäle für Kühlmittel. Außerhalb der Reaktionszelle (2) sind zwei Endplatten (11) vorhanden, welche den elektrochemischen Generator (1) begrenzen und es in Zusammenwirkung mit anderen Vorrichtungen, wie beispielsweise Federn oder Zugstangen ermöglichen, die verschiedenen Komponenten unter Druck zu halten, was dadurch die Gasabdichtung zur äußeren Umgebung hin und die elektrische Kontinuität in Längsrichtung gewährleistet. Eine der beiden Endplatten (11) ist mit, in 1 nicht dargestellten, Düsen zur Verbindung der oben genannten Längskanäle mit den externen Kreisläufen versehen. Außerdem sind beide Endplatten (11) mit geeigneten (in 1 ebenfalls nicht dargestellten) Löchern versehen, um die Zugstangen aufzunehmen, mittels denen der elektrochemische Generator (1) zusammengezogen wird. Wie in 2 dargestellt, kann der elektrochemische Generator (1) des Standes der Technik auch mehrere Kühlzellen (20) aufweisen, die zwischen den Reaktionszellen angeordnet sind. Die Kühlzellen (20) entsprechen den Reaktionszellen (2), abgesehen davon, dass sie das aus Ionenaustauschmembran (4), den porösen Elektroden (5) und den katalytischen Schichten (6) bestehende elektrochemische Paket nicht enthalten. Die dem Kühlmittelstrom dienenden Kühlzellen (20) enthalten ein leitfähiges Element, das den oben beschriebenen Sammlern (7) entspricht und in diesem Fall dazu dient, die elektrische Kontinuität zwischen zwei benachbarten Bipolarblechen sicherzustellen, während gleichzeitig der Wärmeübergangskoeffizient erhöht wird. FR-A-2810795 betrifft eine Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle und beschreibt einen Kühlkanal, der durch Bipolarbleche begrenzt wird, wobei sich die Bipolarbleche über den gesamten Bereich des Rahmens erstrecken und die Zufuhrkanäle, die eine kommunizierende Verbindung zwischen den Längskanälen und der Reaktionszelle gewährleisten, zwischen einem Paar von Bipolarblechen vorgesehen sind.
Obwohl der elektrochemische Generator (1) des Standes der Technik unter verschiedenen Aspekten vorteilhaft ist, ist er dennoch mit einigen Nachteilen behaftet. Zunächst ist der elektrochemische Generator (1) vorzugsweise mit Bipolarblechen aus Metall, beispielsweise aus Edelstahl, anstelle von Graphit oder den bekannten Polymer-Graphit-Composit-Materialien konstruiert, um die Kosten zu verringern und Stabilitätsprobleme zu vermeiden. Dies führt jedoch zu einem merklichen Gewicht und zu einer Komplexität, da der Generator eine große Zahl von Komponenten umfasst. Die Verwendung einer großen Zahl von Komponenten ist auch mit einer beträchtlichen Zahl von Dichtungen und folglich einem höheren Leckagerisiko verbunden, abgesehen von einer schwierigen Montage, sei sie manuell oder automatisiert, mit langer Montagedauer und entsprechenden Ungenauigkeiten, die Konsequenzen für ihre korrekte Funktion haben können. Andere Nachteile, die mit der Struktur des oben beschriebenen elektrochemischen Generators zusammenhängen, sind durch das Fehlen von elektrischer Isolation zur äußeren Umgebung hin, durch den Kontakt von Metall mit Fluiden, insbesondere bezüglich des Kühlmittels, der innerhalb der Längskanäle stattfindet und zu möglichen Shunt-Strömen führen kann, sowie durch die Abgabe von durch den Generator erzeugter Wärmeleistung in die äußere Umgebung gegeben.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines mit Membran arbeitenden elektrochemischen Generators, der Bipolarplatten aus Metall umfasst und die Nachteile des Standes der Technik überwindet.
Zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung werden einige ihrer Ausführungsformen im Folgenden als bloße, nicht einschränkende Beispiele und Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen:
1 eine Explosionsdarstellung der Seitenansicht einer ersten Ausführungsform eines elektrochemischen Membrangenerators gemäß Stand der Technik zeigt;
2 eine Explosionsdarstellung der Seitenansicht einer zweiten Ausführungsform des elektrochemischen Membrangenerators der 1 zeigt;
3 eine Explosionsdarstellung der Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Ausführungsform eines elektrochemischen Membrangenerators zeigt;
4 eine Komponente des elektrochemischen Membrangenerators der 3 zeigt;
5a eine Ansicht entlang dem Schnitt A-A der Komponente der 4 zeigt;
5b eine Ansicht entlang dem Schnitt B-B der Komponente der 4 zeigt;
6 eine Stirnansicht einer weiteren Ausführungsform einer Komponente des elektrochemischen Membrangenerators der 3 zeigt;
7 eine Ansicht entlang dem Schnitt C-C der Komponente der 6 zeigt;
8 eine Ansicht entlang dem Schnitt D-D der Komponente der 7 zeigt;
9 eine Ansicht entlang dem Schnitt C-C einer alternativen Ausführungsform der Komponente der 6 zeigt;
10 eine Ansicht entlang dem Schnitt E-E der Komponente der 9 zeigt;
11 eine Stirnansicht einer weiteren Ausführungsform der Komponente des elektrochemischen Membrangenerators der 3 zeigt;
12 einer Schnittdarstellung der Komponente der 11 entlang dem Schnitt F-F entspricht; und
13 eine Ansicht entlang dem Schnitt G-G der Komponente der 12 zeigt;
3 zeigt eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen elektrochemischen Membrangenerators (100), der durch mehrere Reaktionszellen (101) gebildet wird, die untereinander in Reihe geschaltet und in einer Filterpressenanordnung zusammengebaut sind, wobei Kühlzellen (120) in einem Verhältnis von 1 : 1 bezogen auf die Reaktionszellen dazwischen eingesetzt sind, die den oben beschriebenen Kühlzellen (20) der 2 entsprechen. In anderen Ausführungsformen kann dieses Verhältnis verschieden sein, beispielsweise 1 : 2 oder 1 : 3. Jede Reaktionszelle (101) wird von einem Paar von ebenen Bipolarblechen (102) begrenzt, zwischen denen, von innen nach außen gesehen, folgende Komponenten eingeschlossen sind: eine Ionenaustauschmembran (103); ein Paar poröser Elektroden (104); ein Paar katalytischer Schichten (105), die auf der Grenzfläche zwischen der Membran (103) und jeder der porösen Elektroden (104) abgeschieden wurden; ein Paar Stromsammler/-Verteiler (106), die mittels eines netzartigen metallischen Elements des in US 5,482,792 beschriebenen Typs realisiert sind und welche die Bipolarbleche (102) elektrisch mit den porösen Elektroden (104) verbinden, während sie gleichzeitig die gasförmigen Reaktionsteilnehmer verteilen.
Wie detaillierter in den 4, 5a, 5b gezeigt wird, bestehen die Bipolarbleche (102) aus einem zentralen Metallkörper (110), dessen Abmessungen diejenigen des aktiven Bereichs der Reaktionszelle (101), die in einen Rahmen (111) aus einem Polymermaterial (beispielsweise einem thermoplastischen oder duroplastischen Material) integriert ist, geringfügig überragen. Der Rahmen (111) wird durch Aufformen oder Verkleben auf den zentralen Metallkörper (110) gelegt und kann ggf. aus unterschiedlichen Bauteilen bestehen. Der Rahmen (111) übernimmt vorteilhaft alle Funk tionen der Dichtung (8) des elektrochemischen Generators des Standes der Technik, welche somit weggelassen werden kann.
Wie in 4 dargestellt, weist der Rahmen (111) erste und zweite Öffnungen (111a₁ , 111a₂ ) für den Durchlass der gasförmigen Reaktionsteilnehmer, nämlich Brennstoff bzw. Oxidationsmittel, erste und zweite Öffnungen (111b₁ , 111b₂ ) für den Austrag der Reaktionsprodukte, die ggf. mit Abgasen vermischt sind, Öffnungen (112) für die Zufuhr und den Austrag eines Kühlfluids auf. Der Rahmen (11) weist außerdem mehrere Löcher (150) zur Aufnahme von Zugstangen auf, mittels denen der elektrochemische Generator (100) festgezogen wird.
Außerdem weist der Rahmen (111) Verteilkanäle (113a, 113b) (5a) und Kühlkanäle (114) (5b) auf, die alle in der Dicke des Rahmens selbst ausgebildet sind. Die Verteilerkanäle (113a) und (113b) sind an der Grenzfläche zu dem zentralen Metallkörper (110) positioniert und stellen eine direkte kommunizierende Verbindung der ersten und zweiten Öffnungen (111a₁ , 111a₂ ) (von denen in 5a nur eine gezeigt ist) bzw. der ersten und zweiten Öffnungen (111b₁ , 111b₂ ) (von denen in 5a eine gezeigt ist) mit dem Inneren der Reaktionszelle (101) her, während die Kühlkanäle (114) eine kommunizierende Verbindung der Öffnungen (112) mit dem Inneren der Kühlzellen (120) herstellen. In einer Filterpressenanordnung bestimmt die Kopplung zwischen den Öffnungen (111a₁ , 111a₂ ) und den Öffnungen (111b₁ , 111b₂ ) aller Rahmen (111) jeweils die Bildung von zwei in Längsrichtung verlaufenden Sammelkanälen (115) und zwei in Längsrichtung verlaufenden Sammelkanälen (116), während die Kopplung zwischen den Öffnungen (112) aller Rahmen (111) außerdem die Bildung von entsprechenden Sammelkanälen bestimmt, obwohl diese aus Gründen einer vereinfachten Darstellung in 3 nicht gezeigt sind. Die beiden in Längsrichtung verlaufenden Sammelkanäle (115), von denen in 3 nur einer gezeigt ist, dienen dazu, die gasförmigen Reaktionsteilnehmer zuzuführen, die beiden in Längsrichtung verlaufenden Sammelkanäle (116), von denen in Figur nur einer dargestellt ist, dienen zum Abführen des ggf. mit Abgasen (Inertgasen und nicht umgewandelten Anteilen der Reaktionsteilnehmer) vermischten Reaktionsproduktes (Wasser), während die durch die Kopplung der Öffnungen (112) gebildeten Sammelkanäle der Zufuhr und dem Abzug des Kühlfluids dienen.
Außerhalb von der Anordnung der Reaktionszellen (101) sind zwei Endplatten (117) vorhanden (3), welche den elektrochemischen Generator (100) begrenzen. Eine der beiden Endplatten (117) ist mit in 3 nicht dargestellten Düsen für die hydraulische Verbindung der verschiedenen, in Längsrichtung verlaufenden Sammelkanäle mit den externen Kreisläufen versehen. Darüber hinaus sind die beiden Endplatten (117) mit geeigneten (ebenfalls in 3 nicht dargestellten) Löchern zur Aufnahme der Zugstangen versehen.
In dem Fall, in welchem die Kühlzellen (120) im Verhältnis von 1 : 1 zwischen den Reaktionszellen (101) angeordnet sind, wie dies in 3 dargestellt ist, kann der zentrale Metallkörper (110) der Bipolarbleche (192) mit mehreren kalibrierten Löchern (130a, 130b) mit einem Durchmesser zwischen 0,1 und 5 mm versehen sein, wie dies in 6 dargestellt ist. Durch die mehreren kalibrierten Löcher (130a) bzw. (130b) strömen die gasförmigen Reaktionsteilnehmer in die Reaktionszelle (101) und die Reaktionsprodukte und Abgase werden aus dieser abgezogen, wie im Folgenden detaillierter erläutert wird. In einer alternativen Konstruktion weisen die kalibrierten Löcher (130a) und (130b) gleichmäßig variierende Durchmesser auf, um eine gleichmäßige Verteilung der gasförmigen Reaktionsteilnehmer und einen gleichmäßigen Abzug der Produkte zu gewährleisten. Die Löcher (130a) und (130b) sind jeweils unter bzw. über den inneren Rändern des Rahmens (111) auf der Seite positioniert, die derjenigen mit den Verteilerkanälen (131) und (132) gegenüberliegt. Der Abstand der Löcher von den Kanten des Rahmens (111) beträgt vorzugsweise etwa 1 mm, damit die aktive Fläche der Reaktionszelle (101) besser ausgenutzt wird.
In 7, die eine Seitenansicht des Bipolarblechs der 6 entlang dem Schnitt C-C darstellt, weist der Rahmen (111) auf der der Kühlzelle (120) gegenüberliegenden Seite einen Verteilerbereich für gasförmige Reaktionsteilnehmer (131) auf, der mit ersten und zweiten Öffnungen (111a₁ , 111a₂ ) kommuniziert und einen Sammelbereich für Reaktionsprodukte und Abgase (132) der mit ersten und zweiten Öffnun gen (111b₁ , 111b₂ ) kommuniziert. Der Verteilerbereich für gasförmige Reaktionsteilnehmer (131) und der Sammelbereich für Reaktionsprodukte und Abgase (132) sind beide in der Dicke des Rahmens (111) ausgebildet. Auf der der Reaktionszelle (101) gegenüberliegenden Seite weist der Rahmen (111) keine Kanäle auf und seine Dicke kann in Abhängigkeit von der Dicke der Anordnung aus Membran, Elektrode und Kollektor ohne weitere Einschränkungen optimiert werden. Die Verteiler (131) und Sammelbereiche (132) sind in 8 dargestellt, die eine Stirnansicht des Schnitts der Bipolarplatte (102) der 7 entlang der Ebene D-D darstellt. Die Kanäle (133) und (134) stimmen mit der Ausrichtung der Löcher (130a) und (130b) überein.
In diesem Fall arbeitet der elektrochemische Generator (100) wie folgt: Die gasförmigen Reaktionsteilnehmer (Brennstoff und Oxidationsmittel), die über die in Längsrichtung verlaufenden Sammelleitungen (115) in den elektrochemischen Generator (100) geleitet werden, fließen in den Verteilerbereich (131). Von dort fließen die gasförmigen Reaktionsteilnehmer durch den Kanal (133) und durch die mehreren kalibrierten Löcher (130a) und werden in die Reaktionszelle (101) eingespritzt. Die darin erzeugten Reaktionsprodukte und Abgase durchqueren wiederum die mehreren kalibrierten Löcher (130b) und erreichen durch die Kanäle (134) den Sammelbereich (132) und die Sammelleitung (116), durch welche sie den elektrochemischen Generator (100) verlassen.
In einer alternativen Ausführungsform werden die Löcher (130a) dazu verwendet, Wasser direkt in die Reaktionszelle einzuspritzen, statt gasförmige Reaktionsteilnehmer einzuspritzen, wie oben dargestellt wurde. In diesem Fall hat das eingespritzte Wasser eine doppelte Funktion, nämlich sowohl für die Befeuchtung der Gase und der Membran (103) zu sorgen, als auch durch teilweises Verdampfen Reaktionswärme abzuleiten. Das nicht verdampfte Wasser wird zusammen mit den Produkten und Abgasen durch den Sammelbereich aus der Reaktionszelle abgezogen, welcher mit einer in Längsrichtung verlaufenden Abzugssammelleitung kommuniziert. Auf die Löcher (130b) kann somit verzichtet werden. Aufgrund der Kühlwirkung, die von dem direkt in die Reaktionszelle eingespritzten Wasser hervorgerufen wird, ist eine Zufuhr von Kühlmittel, wie beispielsweise Wasser, zu den Kühlzellen (120) nicht mehr erforderlich. Die Zellen (120) haben, obwohl die Struktur der 3 mit dem Element (106) beibehalten wird, die alleinige Funktion, den elektrischen Kontakt zwischen den Metallkörpern (110) von zwei benachbarten Bipolarblechen (102) herzustellen. Ausgehend von 4 ist der Querschnitt entlang der Linie C-C im Hinblick auf diesen speziellen Fall in 9 dargestellt, wo Bauteile, die denjenigen der vorherigen Figuren entsprechen, mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet sind. Zum besseren Verständnis ist der Schnitt des Bipolarblechs der 9 entlang der Linie E-E in 10 dargestellt, wo man die Entwicklung des Kanals (135), der mit den Löchern (130a) übereinstimmt und das Einspritzen des aus (112) kommenden Wassers durch diese ermöglicht, dargestellt ist. Die Versorgung mit Reaktionsgasen und der Abzug von Produkten und Abgasen findet, wie in 5a gezeigt, durch die Kanäle (113a) und (113b) statt. In diesem Fall ist die Dicke der Dichtung (111) auf der Seite der Reaktionszelle, wie im Fall der Ausführungsform der 5a, durch die Notwendigkeit begrenzt, die Kanäle (113a) und (113b) aufzunehmen und kann nicht, wie bei der Ausführungsform der 7, frei optimiert werden. Dieser Vorteil kann jedoch mittels einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wieder verwirklicht werden, wobei man gleichzeitig die wirksame direkte Einspritzung von Wasser nützt, welche dadurch charakterisiert ist, dass man eine Rahmenkonstruktion verwendet, welche die beiden in den 7 und 9 skizzierten Konzepte der Gasverteilung und Wassereinspritzung umfasst. Eine solche Ausführungsform ist in 11 als Stirnansicht des Bipolarblechs (102) dargestellt, wobei Bauteile, die denjenigen der vorherigen Figuren entsprechen, mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet sind. Wie man erkennt, ist der zentrale Metallkörper (110) mit einer Doppelreihe von Löchern versehen, nämlich 130a zur Zufuhr der gasförmigen Reaktionsteilnehmer bzw. (136) zum Einspritzen von Wasser, und mit einer einzigen Reihe von Löchern 130b, die dem Abzug der Reaktionsprodukte, Abgase und des Restwassers dienen. Zum besseren Verständnis ist der Schnitt des Rahmens (111) entlang der F-F in 12 dargestellt, welche den Schnitt des Verteilerkanals (135) für das durch die Löcher (136) in die Reaktionszelle (101) einzuspritzende Wasser zeigt. Eine Stirnansicht eines weiteren Querschnitts des Bipolarblechs entlang der Linie G-G der 12 ist in 13 dargestellt.
Mit der oben offenbarten Erfindung sind die folgenden Vorteile verbunden:

a) Verringerung des Gewichts des erfindungsgemäßen elektrochemischen Generators: Der erfindungsgemäße elektrochemische Generator sieht die Verwendung von Bipolarblechen mit einem Metallbereich vor, dessen Abmessungen nur geringfügig größer als diejenigen der aktiven Fläche der Reaktionszelle sind, während die Metallbipolarbleche gemäß Stand der Technik Abmessungen haben, die im Wesentlichen mit der gesamten Stirnfläche des Generators übereinstimmen. Die auf diese Modifikation zurückgehende geschätzte Gewichtsreduktion liegt bei etwa 30%.
b) Verringerung der Anzahl der Komponenten zur Herstellung des erfindungsgemäßen elektrochemischen Generators: Die Verringerung der Anzahl der Komponenten führt zu bemerkenswerten Vorteilen im Hinblick auf die Verringerung der Herstellungszeit und der damit zusammenhängenden Kosten und verringert darüber hinaus das Auftreten von Fehlern. Beispielsweise erfordert die Herstellung eines Generators gemäß Stand der Technik der 2 mit n Reaktionszellen 3 × n Dichtungen und 2 × n Bipolarplatten, also insgesamt 5 × n Komponenten (ohne Berücksichtigung der Komponenten des elektrochemischen Pakets, die unverändert bleiben). Bei Verwendung des erfindungsgemäßen elektrochemischen Generators (100) gemäß der Ausführungsform der 3, werden nur 2 × n Komponenten benötigt.
c) Verringerung der Anzahl der Dichtungen: Die Gewährleistungen einer leckagefreien Dichtung bei der Montage einer Vielzahl von Bauteile aus unterschiedlichen Materialien ist eines der Hauptprobleme, denen man bei der Konstruktion von Generatoren gegenübersteht, und solche Probleme besitzen nicht immer eine einfache Lösung. Die Montage des Generators des Standes der Technik gemäß 2 mit n Reaktionszellen erfordert 5 × n abzudichtende Oberflächen, was sich auf 2 × n Oberflächen reduziert, wenn erfindungsgemäße Bipolarbleche verwendet werden.
d) Verbesserte Ausrichtung und Zentrierung der Komponenten: Die erfindungsgemäßen Bipolarbleche erlauben es, die Ausrichtung der Komponenten während der Montage des Generators zu verbessern, da, wie oben erwähnt, die Anzahl der Komponenten deutlich verringert ist und sich die Polymerrahmen automatisch in der richtigen Position befinden, im Gegensatz zu der Situation bei der Technologie des Standes der Technik, wo viele Komponenten zusammenzubauen sind und die Positionierung der Dichtungen, die nicht an den Bipolarblechen befestigt sind, zweifellos schwierig ist. Auch die Zentrierung der anderen Bauelemente des elektrochemischen Generators (Stromsammler/-Verteiler, Elektroden und Membranen) wird durch das Vorhandensein eines von den Rahmen (111) umgebenen prädisponierten Sitzes vereinfacht.
e) Verbesserte elektrische Isolation nach außen: Die erfindungsgemäßen Bipolarbleche ermöglichen es, den Generator von der äußeren Umgebung elektrisch zu isolieren und gleichzeitig die Verteilung von Wärmeleistung zu verringern.
f) Fehlen von Fluid-Metall-Kontakten in den Zufuhr- und Entsorgungs-Sammelleitungen: Ein weiteres wichtiges Thema bei der Verwendung von Metallkomponenten in elektrochemischen Generatoren ist der Versuch, den Kontakt von Metallen mit Fluiden (befeuchteten gasförmigen Reaktionsteilnehmern, Kühlmittel) möglichst zu reduzieren, damit Korrosionsrisiken verringert und Shuntströme unterdrückt werden. Der Einsatz der erfindungsgemäßen Bipolarbleche ermöglicht es, Metallteile sowohl aus den Zufuhr- als auch aus den Entsorgungssammelleitungen der befeuchteten gasförmigen Reaktionsteilnehmer und von den Zufuhr- und Entsorgungssammelleitungen des Kühlmittels zu eliminieren, da all diese Leitungen innerhalb des Polymerrahmens gebildet werden.

Die Herstellung der erfindungsgemäßen Bipolarbleche, die aus einem zentralen Metallkörper bestehen, der ggf. mit Verteilungs- und Sammellöchern versehen ist, und in einem Rahmen aus einem Kunststoffmaterial integriert ist, welches die verschiedenen Öffnungen und Kanäle enthält, kann mit einem der im Folgenden aufgezählten Verfahren durchgeführt werden:

– Verwendung von extrahierbaren Bauelementen, die als Querschnitte der verschiedenen Kanäle in dem Metallkörper ausgeformt sind, Formen des Kunststoffmaterials zur Bildung des integralen Rahmens und Extraktion mit einem geeigneten Reaktanten nach einer optionalen Kühlung im Fall eines thermoplastischen Materials oder nach Beendigung der Polymerisation im Fall eines duroplastischen Materials. Ein geeignetes extrahierbares Material ist Aluminium, das mit Natronlauge einfach aufgelöst werden kann. Das Kunststoffmaterial des Rahmens muss mechanische Eigenschaften, insbesondere eine minimale Langzeitverformbarkeit bei der Betriebstemperatur und unter dem typischen Betriebsdruck aufweisen, die geeignet sind, den Durchlassquerschnitt der verschiedenen Kanäle im Wesentlichen unverändert zu halten.
– Verwendung von vorgeformten Bauelementen, welche den Querschnitt der erforderlichen Kanäle des Metallkörpers besitzen, gefolgt von Formen des Kunststoffmaterials zur Bildung des integralen Rahmens. Die vorgeformten Materialien können aus Metall, vorzugsweise Edelstahl oder Kunststoff bestehen: Wenn die mechanische Druckelastizität der vorgeformten Bauelemente groß ist, können die oben erwähnten Einschränkungen der geringen Verformbarkeit für das Rahmenmaterial überwunden werden.
– Vorformen des Rahmens, beispielsweise durch Ausformen, ggf. in zwei Querschnitten, von denen jeder aus einer Seite des Rahmens besteht und seine eigenen Kanäle enthält, sowie Zusammenbau des Metallkörpers durch thermisches Kleben oder vorzugsweise Verkleben mit einem geeigneten Klebstoff, damit jegliche Beschädigung des Durchlassquerschnitts der Kanäle verhindert wird. Die Auswahl des Rahmenmaterials unterliegt in diesem Fall, abgesehen von dem Erfordernis einer minimalen Verformbarkeit, auch dem Erfordernis der Kompatibilität mit kommerziell erhältlichen Klebstoffen, unter denen Dünnfilmklebstoffe bevorzugt sind.

Zur Verbesserung der Haftung zwischen Metallkörper und Rahmenmaterial, ggf. mit einem dazwischen angeordneten Klebstoff, wird der Metallkörper vorzugsweise einer Vorbehandlung unterzogen, wie beispielsweise einem feinen Sandstrahlen und/oder chemischen Angriffen, um eine mikroraue und chemisch reaktive Oberfläche zu erzeugen. Eine weitere Maßnahme, die ebenfalls dazu dient, die Haftung zwischen dem Metallkörper und dem Rahmen herzustellen, kann darin bestehen, den Metallkörper im Randbereich mit Öffnungen zu versehen, in welche das Rahmenmaterial bei dem Ausformschritt eindringen und somit eine Kontinuität zwischen den beiden Seiten des Rahmens selbst herstellen kann.
Die obige Beschreibung soll nicht als Einschränkung der Erfindung verstanden werden, die vielmehr in unterschiedlichsten Ausführungsformen realisiert werden kann, ohne den durch die beigefügten Ansprüche abgesteckten Rahmen zu verlassen.
In der Beschreibung und in den Ansprüchen der vorliegenden Anmeldung soll der Begriff "umfassen" und dessen Abwandlungen wie "umfassend" und "umfasst" keineswegs das Vorhandensein von anderen Bauelementen oder zusätzlichen Komponenten ausschließen.

Claims

Elektrochemischer Membrangenerator, der durch gasförmige Reaktanten gespeist wird und umfasst: mehrere Reaktionszellen und mehrere zwischen den Reaktionszellen angeordnete Kühlzellen, die in einer Filterpressenanordnung montiert sind, wobei jede der Reaktionszellen durch Bipolarbleche begrenzt und mit metallischen netzartigen Stromsammlern/-verteilern versehen ist, wobei jede der Kühlzellen durch Bipolarbleche begrenzt und mit einem netzartigen leitfähigen Element versehen ist, wobei die Bipolarbleche aus einem zentralen Metallkörper bestehen, dessen Abmessungen etwas größer als diejenigen der aktiven Fläche der Reaktionszellen sind und der in einen Rahmen aus einem Polymermaterial eingebaut ist, wobei der Rahmen mit ersten und zweiten Versorgungsöffnungen für den Durchlass der gasförmigen Reaktanten, ersten und zweiten Auslassöffnungen für den Abzug der Reaktionsprodukte, die gegebenenfalls mit Abgasen vermischt sind, und Öffnungen zur Zufuhr und Abfuhr eines Kühlmittels versehen ist und wobei der Rahmen Verteiler- und Sammelkanäle enthält, um eine direkte kommunizierende Verbindung zwischen den Öffnungen und den Reaktionszellen beziehungsweise den Kühlzellen herzustellen.
Generator gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Polymermaterial ein thermoplastisches Material ist.
Generator gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Polymermaterial ein duroplastisches Material ist.
Generator gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rahmen durch Formen oder Verkleben mit dem zentralen Metallkörper verbunden ist.
Generator gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der zentrale Metallkörper vorab mit extrahierbaren Elementen versehen ist, welche die Form der Verteiler- und Sammelkanäle besitzen, und dass die extrahierbaren Elemente nach der Formgebung mit einem Reaktanten aufgelöst werden.
Generator gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die extrahierbaren Elemente aus Aluminium bestehen und der Reaktant Natronlauge ist.
Generator gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der zentrale Metallkörper vorab mit vorgeformten Elementen versehen wird, deren Form derjenigen der Verteiler- und Sammelkanäle entspricht.
Generator gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die vorgeformten Elemente aus Metall oder Kunststoffen bestehen.
Generator gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Metall Edelstahl ist.
Generator gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der mit dem zentralen Metallkörper integrale Rahmen aus zwei vorgeformten Komponenten besteht, welche die Verteiler- und Sammelkanäle enthalten.
Generator gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass jeder der beiden vorgeformten Komponenten eine Fläche des Rahmens bildet.
Generator gemäß einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Komponenten und der zentrale Metallkörper durch thermisches Verbinden oder Verkleben mit einem Klebstoff zusammengebaut werden.
Generator gemäß einem der Ansprüche 4 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass der zentrale Metallkörper eine durch Sandstrahlen und/oder chemischen Angriff erhaltene mikroraue und/oder chemisch reaktive Oberfläche aufweist.
Generator gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der zentrale Metallkörper mit Öffnungen im Umfangsbereich versehen ist, welche der Verbesserung der Haftung des geformten Rahmens dienen.
Generator gemäß einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Filterpressenanordnung die Kopplung zwischen den Öffnungen des Rahmens die Bildung von länglichen Versorgungssammelleitungen, die Kopplung zwischen den Auslassöffnungen die Bildung von länglichen Auslasssammelleitungen, die Kopplung zwischen den Öffnungen zum Zuführen und Abziehen des Kühlmittels die Bildung von Kühlmittelsammelleitungen bestimmt.
Generator gemäß einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Rahmen außerdem zahlreiche Löcher zur Aufnahme von Zugstangen aufweist, mittels derer das Zusammenziehen des elektrochemischen Generators bewirkt wird.
Generator gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zentrale Metallkörper zahlreiche erste kallibrierte Löcher für den Durchlass von gasförmigen Reaktanten und zahlreiche zweite kallibrierte Löcher für den Abzug der Reaktionsprodukte und gegebenenfalls enthaltener Abgase umfasst.
Generator gemäß Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten kallibrierten Löcher gegenseitig ausgerichtet und entsprechend der Verteilerkanäle des Rahmens angeordnet sind und dass die zweiten kallibrierten Löcher gegenseitig ausgerichtet und entsprechend der Sammelkanäle des Rahmens angeordnet sind.
Generator gemäß einem der Ansprüche 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten und zweiten kallibrierten Löcher etwa 1 mm vom inneren Rand des Rahmens beabstandet sind.
Generator gemäß einem der Ansprüche 17 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten und zweiten kallibrierten Löcher einen Durchmesser zwischen 0,1 und 5 mm aufweisen.
Generator gemäß einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass der zentrale Metallkörper zahlreiche ausgerichtete kallibrierte Löcher zum Einspritzen von Wasser in die Reaktionszellen enthält, wobei die Löcher vorzugsweise etwa 1 mm von dem inneren Rand des Rahmens beabstandet sind.
Generator gemäß Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass die ausgerichteten kallibrierten Löcher entsprechend zusätzlicher Wasserverteilerkanäle ausgerichtet sind.
Generator gemäß einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass der zentrale Körper zahlreiche ausgerichtete kallibrierte Löcher zum Verteilen der gasförmigen Reaktanten, zahlreiche ausgerichtete kallibrierte Löcher zum Einspritzen von Wasser und zahlreiche ausgerichtete kallibrierte Löcher zum Abziehen der Produkte, der Abgase und des restlichen eingespritzten Wassers umfasst, wobei jedes der kallibrierten Löcher entsprechend einem der Verteiler- oder Sammelkanäle ausgerichtet ist.
Generator gemäß Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass die ausgerichteten kallibrierten Löcher zum Verteilen der gasförmigen Reaktionsteilnehmer und die ausgerichteten kallibrierten Löcher zum Abzug der Produkte, der Abgase und des restlichen eingespritzten Wassers etwa 1 mm vom inneren Rand des Rahmens beabstandet sind.