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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die Erfindung betrifft Brennstoffzellen,
insbesondere eine verbesserte Methode zur Fabrikation von Brennstoffzellenaufbauten,
insbesondere Polymerelektrolyt- oder Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen
(PEM).
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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Brennstoffzellen sind elektrochemische
Energiekonversionseinheiten, die als Alternative zur Konversion
von Energie zum Heizen von Maschinen erachtet wurden, die durch
ihre inhärente
Thermodynamik eingeschränkt
sind. Grundsätzlich
ist das Konzept der Brennstoffzelle seit den frühen 1960ern bekannt, als Brennstoffzellen
als Energiespeichereinheiten des Geminianteils des NASA Weltraumprogramms
eingeführt
wurden.
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Eine typische Brennstoffzelle besteht
aus drei Komponenten: zwei Elektroden, nämlich einem Kathodenelement
und einem Anodenelement, und einem überbrückenden Elektrolyt, das zwischen
ihnen liegt. Historisch wurden Brennstoffzellen anhand des verwendeten
Elektrolyts klassifiziert. Zur Zeit sind fünf Klassifikationen von Brennstoffzellen
bekannt: Polymerelektrolytmembranen (auch als Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelten
bezeichnet) (PEM), alkalische Brennstoffzellen (AFC), Phosphorsäurebrennstoffzellen
(PAFC), Schmelzcarbonatbrennstoffzellen (MCFC) und Festoxidbrennstoffzellen
(SOFC).
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PEM-Brennstoffzellen sind gegenüber den anderen
Typen von Brennstoffzellen aus verschiedenen Gründen besonders vorteilhaft.
Ein Vorteil ist die solide Natur des verwendeten Elektrolyts in
der Zelle, das die betriebsbedingten Komplikationen minimiert, die die
flüssigen
Elektrolyte in PAFCs und AFCSs zur Folge haben. Desweiteren erlaubt
die Natur der PEM-Brennstoffzellen den Betrieb bei relativ geringer Temperatur
(80°C),
verglichen mit anderen Brennstoffzellentypen, speziell den MCFCs
und SOFCs, die nur bei wesentlich höheren Temperaturen betrieben
werden können.
Zusätzlich
sind PEM-Brennstoffzellen
grundsätzlich
effizienter, haben eine längere Lebensdauer
und können
höhere
Leistungsdichten aufrechterhalten als andere Arten von Brennstoffzellen.
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Jedoch waren PEM-Brennstoffzellen
aufgrund von Einschränkungen
derzeitiger Ausführungen
bisher nicht kommerziell erfolgreich. Die Mehrzahl dieser Ausführungen
verwendet Flachplattengeometrien, die in einer parallelen Anordnung
montiert sind, dem sogenannten "Platte und Rahmen"-Ansatz. Diese
Ausführungen
verwenden eher komplexe und kostenintensive "Reaktanzflußplatten"-Ausführungen.
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Ein weiterer Nachteil der gegenwärtigen "Platte
und Rahmen"-Ausführungen
ist, daß diese Brennstoftzellenaufbauten
von Fachpersonal manuell angefertigt werden müssen, was die Montage teuer
und zeitintensiv macht.
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Noch ein weiterer Nachteil ist die
Starrheit und Sperrigkeit von den Strukturen, die durch "Platte und
Rahmen"-Brennstoffzellenausführungen
produziert werden. Das heißt,
um eine adäquate
Leistung zu produzieren, muß eine
Serie von Platten zusammenmontiert und in einem starren und großen Gehäuse eingebaut
werden. Derartige Gehäuse
können nicht
einfach in portable Anwendungen, zum Beispiel Laptop-Computer, eingebaut
werden.
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Schließlich benötigen derzeitige Brennstoffzellenausführungen
thermische Regulierung zum effizienten Betrieb. Obwohl "Platte und
Rahmen"-Ausführungen
für Wärmetauscher
allgemein bekannt sind, hat diese Art von Brennstoffzellenkonstruktionen
in der Regulierung von elektrischer Last und Wärmelast konkurrierende Interessen,
die konkurrierend reguliert werden müssen. Das Resultat ist, daß oft ein
separater Kühlkreislauf
benötigt wird,
was zusätzlicher
Kühlplatten
befarf und die Ausführung
zusätzlich
sperrig und teuer macht.
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Die gegenwärtig bekannten PEM-Brennstoffzellen
produzieren individuell eine kleine Spannungsmenge. Um eine signifikante
Energiemenge zu produzieren, müssen
die Zellen in irgendeiner Art und Weise elektrisch verbunden sein.
Eine offenbarte Weise elektrisch verbundener Brennstoffzellen wird im
US-Patent Nr. 5 338 623 beschrieben, in welchem die Brennstoffzellen übereinander
gestapelt sind. "Platte und Rahmen"-Ansätze verwenden einen ähnlichen
Ansatz, was Brennstoffzellen dieses Typs recht sperrig macht. Zur
Zeit sind bekannte rohrförmige
Brennstoffzellenkonstruktionen, wie zum Beispiel beschrieben im
US-Patent Nr. 5 336 570, hohen Leistungsverlusten ausgesetzt, durch
das Erfordernis einer großen
Querschnittsfläche,
die um ein Substrat gewickelt ist.
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Schließlich verwenden Brennstoffzellen
zur Produktion der gewünschten
elektrochemischen Reaktion gewöhnlich
lonentransfer durch die Membran. Damit solche Reaktionen auftreten,
müssen
die Reaktanten (üblicherweise
Wasserstoffgas an der Anode und Sauerstoff aus der Außenluft
an der Kathode) von jeder Elektrodenseite der Membran aus einer
externen Quelle oder einem Tank separat bereitgestellt werden.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Ein wesentlicher Gegenstand der vorliegenden
Erfindung ist das zur Verfügungstellen
einer verbesserten Konstruktion für eine Brennstoffzelle, insbesondere
für Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellen
(PEM).
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Ein weiterer wesentlicher Gegenstand
der vorliegenden Erfindung ist das Zurverfügungstellen einer Brennstoffzelle,
die preisgünstig
herzustellen ist und die Komplexität aktueller "Platte und Rahmen"-Ausführungen
vermeidet.
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Ein weiterer wesentlicher Gegenstand
der vorliegenden Erfindung ist das Zurverfügungstellen eines Brennstoffzellenaufbaus
und damit einhergehend einer Fabrikationsmethode, die einfach an
die automatisierte Massenproduktion anpaßbar ist.
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Ein weiterer wesentlicher Gegenstand
der vorliegenden Erfindung ist das Zurverfügungstellen eines Brennstoffzellenaufbaus,
der elektrische Verbindungen zwischen separat ausgerichteten Brennstoffzellen
erlaubt, um einen hohen Spannungsausstoß zu produzieren.
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Noch ein weiterer wesentlicher Gegenstand der
vorliegenden Erfindung ist das Zurverfügungstellen einer Brennstoffzellenausführung, die
keine separate Reaktantquelle benötigt.
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Gemäß eines ersten Aspekts der
vorliegenden Erfindung, wird ein Brennstoffzellenaufbau vorgeschlagen,
der umfaßt:
ein
rohrförmiges
Substrat aus einem flüssigkeitsdruckdurchlässigen Material;
eine
Vielzahl von länglichen
flexiblen Polymerelektrolytmembran-Elektrodenbaugruppen, die Seite
an Seite auf das Substrat gewickelt sind, wobei jede Membran-Elektrodenbaugruppe
eine zentrale Protonenaustauschmembran, ein auf einer Seite der
Membran angebrachtes Kathodenelement und ein auf der anderen Seite
der Membran angebrachtes Anodenelement enthält;
eine Einrichtung zum
in Serie schalten des Anodenelements einer ersten länglichen
Membran-Elektrodenbaugruppe in elektrischen Kontakt mit dem Kathodenelement
der nächsten
angrenzenden Membran-Elektrodenbaugruppe;
wobei die Einrichtung
eine Vielzahl diskret elektrisch leitender Abschnitte ist, die in
der zentral liegenden Protonenaustauschmembran zwischen überlappenden
Teilen des Anodenelements der ersten länglichen Membran-Elektrodenbaugruppe
und dem Kathodenelement der nächsten
Membran-Elektrodenbaugruppe angeordnet sind.
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Ein realisierter Vorteil der vorliegenden
Erfindung ist, daß eine
Serie von flexiblen Brennstoffzellen preisgünstiger in einer Weise hergestellt
werden kann, die viel weniger Platz beansprucht als konventionelle
PEM-Brennstoffzellen.
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Noch ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung
ist, daß ein
vollständig
in sich abgeschlossener Brennstoffzellenaufbau hergestellt werden kann,
der wenigstens eine Brennstoffquelle enthält, ohne daß der Brennstoff von einer
extern befindlichen Quelle separat zugeleitet werden muß.
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Zusätzliche Gegenstände, Vorteile
und Merkmale der Erfindung werden sich dem durchschnittlichen Fachmann
bei Untersuchung der folgenden detaillierten Beschreibung der Erfindung
in Verbindung mit den beigefügten
Zeichnungen erschließen.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ERFINDUNG
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Durch Beispiele, die sich auf die
beiliegenden Figuren beziehen, werden nun Ausführungsformen der vorliegenden
Erfindung beschrieben:
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1 zeigt
einen teilweisen Ausschnitt eines rohrförmigen Brennstoffzellenaufbaus,
gemäß einer ersten
bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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2 zeigt
eine systematische Ansicht des Brennstoffzellenaufbaus gemäß 1;
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3 zeigt
eine teilweise Querschnittsansicht einer individuell mehrschichtigen
Brennstoffzelle, den Aufbau der 1 und 2 betreffend;
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4 ist
eine teilweise Schnittansicht des Brennstoffzellenaufbaus aus den 1 bis 3 und zeigt eine bevorzugte Methode der
elektrischen Verbindung der individuellen Brennstoffzellenaufbauten;
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5 zeigt
eine teilweise Schnittansicht eines Brennstoffzellenaufbaus gemäß einer
zweiten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung; und
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6 zeigt
eine teilweise Seitenschnittansicht eines Brennstoffzellenaufbaus
gemäß einer
dritten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Im folgenden wird die vorliegende
Erfindung gemäß bestimmter
spezifischer Ausführungsformen beschrieben.
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Eine erste Ausführungsform eines Brennstoffzellenaufbaus
gemäß der vorliegenden
Erfindung wird im folgenden bezüglich
der 1 bis 4 beschrieben.
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Bezugnehmend speziell auf 1, besitzt der Brennstoffzellenaufbau 10 ein
poröses,
hohles, rohrförmiges
Substrat 12, das teilweise im Schnitt dargestellt ist und
aus einem gasdurchlässigen
Material wie beispielsweise Polyethylen oder Polypropylen hergestellt
ist. In Kürze
und gemäß dieser
Ausführungsform
bildet das rohrförmige
Substrat 12 eine Unterstützung für eine Vielzahl von individuell
flexiblen und länglichen
Brennstoffzellenaufbauten 14 (im folgenden als Membranelektrodenaufbau
oder MEA bezeichnet), die angeordnet sind, beispielsweise durch
Kebewickeln der flexiblen MEAs auf der äußeren Oberfläche 19 des
Substrats, und die Aufbauten Seite an Seite ausrichten, um eine
vollständige
Energiequelle zu bilden, so wie unten ausführlich beschrieben wird.
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Bezugnehmend auf 2 ist das rohrförmige Substrat 12 in
einer Halterung 20 enthalten, die ein Paar unterstützender
Endaufsätze 21, 23 enthält. Gemäß dieser
Ausführungsform
besitzt die Halterung einen zylinderförmigen Querschnitt, obwohl
es offensichtlich ist, daß auch
andere Geometrien geeignet sind. Einer der Endaufsätze 21 enthält einen Eingangsanschluß 22 und
der verbleibende Endaufsatz 23 enthält einen Ausgangsanschluß 24,
wobei sich beide aus dem Inneren 18 des rohrförmigen Substrats 12 erstrek ken.
Während
des Betriebs ist der Eingangsanschluß 21 flüssigkeitsführend mit
einer externen Quelle (nicht dargestellt) verbunden, die eine Menge
einer Reaktantflüssigkeit
nachführt.
Hierbei sind unter Flüssigkeit
sowohl Gase als auch Flüssigkeiten
zu verstehen. Für
diese Ausführungsform wird
Wasserstoffgas (H2) verwendet, obwohl andere Reaktanten,
wie zum Beispiel Methanol oder andere, ebenfalls effektiv eingesetzt
werden können,
um eine geeignete elektrochemische Reaktion hervorzurufen.
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Weiterhin bezugnehmend auf 2 wird Außenluft
oder jedes andere geeignete Reaktant außerhalb des Gehäuses 20,
das heißt
außerhalb
des rohrförmigen
Substrats 12, zirkuliert, um beispielsweise Sauerstoffionen
zur Verfügung
zu stellen, die gemäß dieser
Ausführungsform
verwendet werden, um Elektronen für die nachfolgende elektrochemische
Reaktion zur Verfügung
zu stellen.
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3 illustriert
einen Querschnitt eines individuell, flexibel gestreckten MEAs 14.
Der Aufbau 14 enthält
eine Anzahl von einzelnen schichtartigen oder bandförmigen Schichten,
die beginnend mit dem Boden des Aufbaus ein Anodenkollektorelement 30,
ein Anodenelektrodenelement 34, eine ionenleitende elektrolytische
Membran 40, ein Kathodenelektrodenelement 42 und
ein Kathodenkollektorelement 46 enthalten. Die Kathodenelektroden-
und Kathodenkollektorelemente 42, 46 werden jeweils
vorzugsweise relativ zu den Anodenelektroden- und Anodenkollektorelementen 34, 30 des
Aufbaus 14 gestaffelt angeordnet, um, wie unten detailliert
beschrieben, eine elektrische Verbindung zwischen benachbart positionierten
MEAs 14 zu ermöglichen.
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Die ionenleitende elektrolytische
Membran 40 ist beispielsweise ein protonenleitendes Element, wie
zum Beispiel ein perfluorosulfonisches Säurenpolymer (z. B. NafionTM Nr. 117, hergestellt von E. I. DuPont
de Nemours und Co., Wilmington, Delaware), das eine Spannungsdichte
von ungefähr
0,1 Ampere/cm2 oder größer ermöglicht. Andere bekannte Membranen,
wie zum Beispiel Dow Chemical Co. Experimental XUS 13204.10, können ebenfalls
verwendet werden. Gemäß dieser
Ausführungsform
ist die Membran 40 ein lonomer, das ungefähr 20 × 10–6 m dick
ist, mit einer 100 × 10–6 m
dicken porösen
Gasdiftusionsschicht (nicht abgebildet), die auf jeder Seite angebracht
ist.
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Die Anodenelektroden- und die Kathodenelektrodenelemente 34, 42 sind
gemäß dieser
Ausführungsform
jeweils aus porösen
Kohlenstoff- oder Graphitfaserbänder
hergestellt, die auf jeder der Außenflächen der Membran 40 angebracht
sind. Die Fasern jedes Elements 42, 34 sind imprägniert mit
einem ionisch leitenden Material, um lonentransport zu erleichtern
und als katalytische Komponentenschicht. Gemäß dieser Ausführungsform
wird ein Platinkatalysator als das imprägnierte Material verwendet,
obwohl alternativ auch andere katalytische Materialien, wie zum
Beispiel Silber, Palladium, Gold und Kupfer, sowie weitere Oxide
hiervon verwendet werden können.
Vorzugsweise sind die Rückseiten 41, 33 der
Kathode 40 und der Anodenschichten 32 hydrophob
durch das Ausstatten des Platins mit einem polymeren Überzug,
wie zum Beispiel Polytetrafluorethylen (TeflonTM Plastic),
aufzutragen durch bekannte Mittel wie zum Beispiel durch einen Sprühfilm, gefertigt.
Die Dicke jedes Elements 42, 34 ist bezüglich dieser
Ausführungsform
ungefähr
5 × 10–6 m
und die Dicke der Imprägnation
ist ungefähr
gleich der des protonenleitenden Elements (d. h. 20 × 10–6 m), obwohl
auch andere geeignete Dicken möglich
sind. Eine große
Anzahl von verschiedenen Materialien oder Kombinationen von Materialien
und Methoden sind in der Technologie bekannt. Diese Materialien müssen leitend
sein und Flüssigkeitsdiffusion
zu der Grenzflächenregion
zulassen, um eine elektrochemische Reaktion zu bewirken.
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Bevor die Verbindung von individuellen Brennstoftzellenaufbauten
mit dem rohrförmigen Substrat 12 beschrieben
wird, erfolgt nun eine grundsätzliche
Erklärung
der Mechanik der elektrochemischen Reaktion unter Rückgriff
auf die vorausgehenden 1 bis 3. Es wird die Annahme getroffen,
daß wenigstens
ein MEA 14 auf das Äußere des
Substrats 12 gewickelt wurde, so wie in dem angeschnittenen
Anteil der 1 gezeigt
wird.
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Wie erwähnt wird eine Menge von Wasserstoffreaktantgas
(H2) von einer externen Quelle in das Innere 19 des
porösen
rohrförmigen
Substrats 12 geleitet. Das aus einem flüssig keitsdurchlässigen Material
gefertigte Substrat 12 erlaubt beispielsweise die Abwanderung
des Gases, während
auf ähnliche Weise
Sauerstoff aus dem Äußeren des
Aufbaus 10 nach Innen zu der elektrolytischen Membran 40 transportiert
wird. Aufgrund der Präsenz
der Katalysatorplatinschicht auf dem Anodenelektrodenelement 34 werden
die die Anode erreichenden Wasserstoffmoleküle in Wasserstoffatome zerlegt
und ihre Elektronen werden entfernt, was in der Bildung von H+-Ionen
resultiert. Diese Ionen sind in der Lage die Ionendurchlässige, elektrolytische
Schicht der Membran 40 zu durchdringen.
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In ähnlicher Weise wird die Außenluft,
die die Sauerstoffmoleküle
enthält,
veranlaßt
durch das Faserkathodenelektrodenelement 42 zu fließen. Das Vorhandensein
der imprägnierten
Katalysatorschicht (Platin) des Kathoden-elektrodenelements 42 bewirkt eine
Spaltung der Sauerstoffmoleküle
in Sauerstoffatome und akzeptiert Elektronen, während sie mit den N+-Ionen,
die die elektrolytische Membran 40 erreicht haben, reagiert
und Wassermoleküle
produziert.
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Die durch die Spaltung der Wasserstoffmoleküle produzierten
Elektronen werden bekanntermaßen
zu einem externen Kreislauf (nicht abgebildet) am Ende des Gehäuses 20 befördert. Die
ablaufende Reaktion fährt
fort, in dem Anodenelektrodenelement 34 erzeugte Wasserstoffionen
(H+) zu dem katalysierten Anteil des Kathodenelements 42 zu
ziehen.
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Um die vorausgegangene elektrochemische Reaktion
zu bewirken, kann der MEA 14 wenigstens existieren mit
der Membran 40, eingeklemmt zwischen den fasrigen Elektrodenelementen 42, 34,
die die gewünschte
Imprägnation
des elektrisch leitenden Materials, einen Katalysator und eine hydrophobe
Beschichtung besitzen, um Gas aber keine Wasserdiffusion durch sie
hindurch zu ermöglichen.
Gemäß dieser
Ausführungsform
ist der MEA 14 individuell in einer bandförmigen Form
hergestellt, die ein Umwickeln auf der Außenseite des rohrförmigen Substrats 12 erlaubt.
Dennoch ist es auch gemäß dieser
Ausführungsform
notwendig, die Elektronen zu sammeln, die als Resultat der Reaktion
geformt wurden.
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Aus diesem Grund und bezüglich 3 enthält der MEA 14 auch
ein Anodenkollektorband oder -element 30, das auf der Rückseite 33 der
Anodenelektrode angebracht ist und verwendet wird, um die von dem
Reaktantgas an der Anodenelektrode 34 produzierten Ladung
zu transportieren. Das Anodenkollektorelement 34 ist aus
einem leitenden Material gefertigt, wie zum Beispiel hochwertigem
Titan, Aluminium, titanbeschichtetem Aluminium, rostfreiem Stahl
und leitenden Polymerverbundwerkstoffen, die aus geflochtenen Drähten, geflochtenen
Röhren
oder perforierten Folien hergestellt werden können.
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In ähnlicher Weise ist das Kathodenkollektorelement 46 angrenzend
an die Rückseite 41 des
Kathodenelektrodenelements 42 angebracht, um die Elektronen
zu sammeln, die von der Membran 40 abgewandert sind und
in einer dem Fachmann bekannten Weise zu dem erwähnten externen Kreislauf (nicht
abgebildet) zu leiten. Jeder der Kollektoren 46, 30 hat
eine Breitendimension, die gleich der Breitendimension der Kathoden-
und Anodenelektrodenelemente 42, 34 ist. Die Kollektoren 46, 30 sind
vorzugsweise so ausgerichtet, daß sie die in 3 gezeigte gestaffelte Anordnung repräsentieren.
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Ein abweichend aufgebauter MEA 70 mit weiteren
Schichten zu den oben beschriebenen Schichten, wird durch die Schnittzeichnung
in 5 illustriert. Um
der Klarheit willen sind ähnliche
Teile mit gleichen Bezugsziffern markiert. Der MEA 70 enthält zusätzlich zu
der elektrolytischen Membran 40, den Kathoden- und Anodenelektroden 42, 34 und den
Kathoden- und Anodenkollektoren 46, 30 eine poröse Innenhaut 50,
die das Äußere des
rohrförmigen
Substrats 12 (in 5 nicht
abgebildet) bedeckt, wenn sie um es gewickelt ist, und eine ähnliche
poröse
Außenhaut 54,
die die Rückseite
der Kathodenkollektorschicht 46 bedeckt. Ebenso ist eine
aus PTFE oder einem anderen geeigneten Material bestehende Isolatorschicht 60 zwischen
den Kathodenelektrodenschichten 42 und der Kathodenkollektorschicht 46 vorgesehen,
um einen Gegenkreislauf zu verhindern.
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Wie bereits erwähnt, sind alle individuellen MEAs 14,
wie in dem Diagramm der 1 gezeigt, Seite
an Seite auf dem rohrförmigen
Substrat 12 angebracht, wobei jeder der Aufbauten in der
bandförmigen
Form entweder der 1 oder
der 5 hergestellt und
klebegewickelt oder anderweitig um das Äußere 19 des rohrförmigen Substrats 12 gewickelt ist.
Es sollte beachtet werden, daß die
MEAs 14 vor ihrer Anbringung an dem rohrförmigen Substrat 12 ganz
oder teilweise zusammengebaut werden können. Das heißt, die
Aufbauten 14 werden in Teilen oder in Gänze angebracht. Abweichend
kann jede der Schichten des individuellen MEAs 14 an Ort
und Stelle in einer Serie von sequentiellen Anbringungen auf dem
rohrförmigen
Substrat 12 angebracht werden.
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Es sollte weiterhin beachtet werden,
daß ein einzelner
MEA 14 mit größerer Breitendimension
als der beschriebenen verwendet werden kann, die eine einzelne Umwicklung
auf dem Äußeren des
rohrförmigen
Substrats 12 erlaubt, im Gegensatz zu einer Ansammlung
verschiedener MEAs 14. Die Aufbauten können abweichend als eine Serie
flacher Platten angeordnet werden.
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Unabhängig von der Anbringungsmethode, zum
Beispiel Anbringen von individuellen Schichten, Klebewickeln vollständiger oder
teilweiser individueller MEAs auf das rohrförmige Substrat 12,
ist es dennoch notwendig, jeden MEA 14 elektrisch zu verbinden,
um eine als Energieversorgung ausreichende elektrische Aufladung
zu akkumulieren.
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In der Situation, in der ein einzelner
MEA 14 auf dem rohrförmigen
Substrat 12 angebracht ist, sind die positiven (kathodischen)
Anteile und die negativen (anodischen) Anteile jeweils an den Enden des
Rohrs (nicht abgebildet) in einer parallelen Anordnung verbunden
und an den Enden der Windungen an den Endansätzen 21, 23 elektrisch
zusammengefaßt
(2). Dies ist eine realisierbare,
jedoch nicht bevorzugte Verbindung, in der signifikante Energieverluste
in dieser Ausführungsform
möglich sind.
Eine abweichende Ausführung,
die eine Serienverbindung in einem einzelnen Mehrzellenaufbau verwendet,
ist in 6 abgebildet
und wird unten genauer beschrieben.
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4 zeigt
gemäß der ersten
Ausführungsform
der 1 bis 3 eine bevorzugte Serienverbindung
zwischen benachbarten, umwickelten MEAs 14.
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Gemäß dieser Ausführungsform
werden die Anodenkollektorbänder 30 zunächst beabstandet
auf das rohrförmige,
poröse
Substrat 12 gewickelt, indem eine schmale Lücke zwischen
benachbarten Streifen verbleibt. Die Bänder können auf dem Substrat durch
Adhäsionsmethoden
oder andere bekannte Techniken positioniert werden.
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Die zweite Wicklungsoperation ist
die Installation der individuellen MEAs 14, die jeder eine
vorgefertigte Membran 40 enthalten, die zwischen den Anoden-
und Kathodenelektroden 34, 42 eingeklemmt ist.
Wie bereits oben erwähnt,
ist jeder MEA 14 in einer gestaffelten Anordnung konstruiert,
wobei die Membran 40 eine Breitendimension hat, die über die
Breite des MEAs hinausgeht, während
die Kathoden- und Anodenelektroden 40, 34 mit
einen vorgegebenen Betrag beabstandet sind.
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Bei einer Positionierung gemäß 4 ist der identische anodische
Anteil jedes MEAs 14 an der vorderen Kante 37 jedes
gewickelten Kollektorbandes 30 ausgerichtet. Durch die
Beabstandung der Anodenkollektorbänder 30 werden die
anodischen Anteile 51 von benachbarten MEAs in Kontakt
mit den kathodischen Anteilen 53 gebracht.
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Abschließend werden die Kathodenkollektorbänder 46 auf
den Aufbau 10 gewickelt durch das Einwickeln der vorderen
Kante 39 der Bänder,
ausgerichtet an dem kathodischen Anteil 53 (der entblößten Kathodenkollektorschicht 42).
In dieser Anordnung ist die Anode eines einzelnen Zellaufbaus 14 mit
der Kathode der folgenden Zelle elektrisch verbunden. Die obige
Konfiguration stellt eine Serienverbindung zur Verfügung, die
den Spannungsausstoß des Brennstoffzellenaufbaus 10 verbessert.
Typischerweise produzieren die individuellen PEM-Brennstoffzelleneinheiten
weniger als ein Volt, weshalb die beschriebene Zurverfügungstellung
einer Serienverbindung ein sehr vorteilhaftes und einfaches Mittel
zur Erhöhung
der Spannung des gesamten Brennstoffzellenaufbaus ist.
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Eine alternative Methode der Zurverfügungstellung
einer elektrischen Verbindung zwischen individuellen Brennstoffzellenaufbauten
ist in 6 dargestellt.
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Ein einzelner Mehrzellenaufbau 90 enthält eine
poröse
Membran 92, die mit einem elektrolytischen Mittel teilweise
imprägniert
ist und zwischen den Anoden- und Kathodenelektrodenelementen 96, 98 angeordnet
ist. Die Membran 92 ist jedoch elektronisch leitend erstellt
durch die Addition einer Serie diskreter Abschnitte. Die Membran 92 kann
aus einem porösen
Material hergestellt werden, imprägniert mit einem Material wie
zum Beispiel einem perfluorosulfonischen Säurepolymer (NafionTM),
das einen lonentransfer ermöglicht,
aber das eine Serie von bandförmigen
Abschnitten 94 enthält,
die ein elektrisch leitendes Material enthalten, wie zum Beispiel
Kohlenstoff, Titan, rostfreien Stahl und leitende Polymere wie beispielsweise
Polyanilin. Das leitende Material wird durch bekannte chemische
Auftragung oder mechanische Methoden angebracht, zum Beispiel kann
eine Suspension von fein unterteilten Partikeln des elektrisch leitenden
Materials in flüssiger Form
in die poröse
Membran integriert werden, zum Beispiel als eine Tinte. Elektrisch
leitende Anteile 94 können
in die Membran 92 plattiert werden.
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Das Zurverfügungstellen einer kontinuierlichen
Schicht wie dem Aufbau 90, erlaubt eine bessere Versiegelung
zwischen den einzelnen individuellen Brennstoffzellen in dem vollständigen Aufbau.
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Desweiteren wird durch das Zurverfügungstellen
der elektrischen Anteile relativ zur vorderen Kante der Anoden-
und Kathodenelektroden 96, 98 eine effizientere
elektrische Verbindung zwischen benachbarten Zellen erreicht. Wie
bereits oben beschrieben, können
die Anoden- und Kathodenelemente 96, 98 durch
Siebdruck oder andere Auftragetechniken aufgetragen werden.
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Gemäß dieser Ausführungsform
ist die Membran 92 ungefähr 20 Mikrometer dick und ist
deshalb in der Lage, eine elektrische Ladung durch sich hindurch
zu transportieren, um eine elektrische Brücke zu bilden.
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Während
des Betriebs tritt die elektrochemische Reaktion in der vorbeschriebenen
Art und Weise durch Ladungswanderung durch die Elektrodenelemente
auf. Die elektrische Serienverbindung wird durch die Integration
von elektrisch leitendem Material in der elektrolytischen Membran
zur Verfügung
gestellt, was das Erreichen eines Spannungsniveaus erlaubt. Die
poröse,
elektrische Filmschicht ist ungefähr 100 × 10–6 m
dick und die Dicke der Elektroden, die den Katalysator enthalten,
ist ungefähr
5 × 10–6 m, obwohl
andere größere Dicken
ebenso verwendet werden können.
Zusätzlich
enthält
die obige Ausführungsform
vorzugsweise eine Flüssigkeitsdiffusionsschicht
(nicht abgebildet), die überhalb
des Katalysators angeordnet ist, um den Reaktanten zu erlauben, die
Reaktion zu erreichen. Der Rest der Membran 92 bleibt elektrisch
nicht leitend.
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Die folgenden Ansprüche definieren
die hier beschriebene vorliegende Erfindung. Zum Beispiel kann in
der vorliegenden ersten Ausführungsform das
Erfordernis des porösen,
rohrförmigen
Substrats vermieden werden, falls der Anodenkollektorteil ausreichend
starr ist, wie zum Beispiel bei der Herstellung des Anodenkollektors
aus einem geflochtenen Draht.