EP2089927A1 - Brennstoffzellenmodul und dessen verwendung - Google Patents

Brennstoffzellenmodul und dessen verwendung

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EP2089927A1
EP2089927A1 EP07818247A EP07818247A EP2089927A1 EP 2089927 A1 EP2089927 A1 EP 2089927A1 EP 07818247 A EP07818247 A EP 07818247A EP 07818247 A EP07818247 A EP 07818247A EP 2089927 A1 EP2089927 A1 EP 2089927A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
fuel cell
cell module
fuel
module
base unit
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP07818247A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Andreas Wolff
Marco Tranitz
Thomas Jungmann
Michael Oszcipok
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV filed Critical Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Publication of EP2089927A1 publication Critical patent/EP2089927A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/1097—Fuel cells applied on a support, e.g. miniature fuel cells deposited on silica supports
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    • H01M8/002—Shape, form of a fuel cell
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    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the present invention relates to a fuel cell module, which comprises a module base unit with a plurality of areally arranged recesses for fuel cells, on which conductor tracks for the electrical connection of the fuel cells are arranged.
  • the module base unit additionally comprises a structure for distributing the fuel. In the recesses while fuel cells are introduced.
  • Planar fuel cells are fuel cells interconnected in a plane (in contrast to the conventional stacked design). These relatively thin fuel cells offer the advantage that they can often be better integrated into applications than, for example, stacked fuel cells.
  • planar fuel cells can serve as part of the housing of an application (DE 102 17 034.7). In addition, they allow a self- breathing, ie pump-free implementation of the cathode-side air supply.
  • planar fuel cells are structured as follows:
  • the fuel side usually with the fuel-carrying structure (flowfield),
  • MEA Membrane electrode unit
  • Modules which include the electrical and fluidic interconnection of single cells. For each application, therefore, one or more separate, individual modules must be manufactured or adapted, both anode and cathode.
  • a planar fuel cell module comprising a module base unit which has at least two surface-area recesses for fuel cells, in each of which a fuel cell is positively inserted with respect to the outline, wherein the module base unit at least one fuel cell electrically connecting track for the electrical interconnection of the fuel cell and at least one fluid distribution structure for distribution of the fuel has up.
  • the recesses have a depth of 1 mm to 10 mm, preferably 2 mm to 4 mm, more preferably a depth corresponding to the thickness of the fuel cell.
  • a depth of 1 mm to 10 mm, preferably 2 mm to 4 mm, more preferably a depth corresponding to the thickness of the fuel cell.
  • the maximum diameter of the recesses is subject to no restriction, however, it is practicable if the maximum diameter of the recesses 1 cm to 10 cm, preferably 1 cm to 6 cm. Under maximum diameter, the location of the recess is defined according to the invention, at which the diameter is greatest. For example, for a square, this would be the diagonal.
  • the recesses can have any shape.
  • the n-corners may be regular but also irregular, with regular forms, such as Square or regular hexagon are preferred, as these forms can be stacked extremely space-saving.
  • the bottom bounding the recesses does not directly adjoin the anode structure of the respective fuel cell. This is particularly advantageous in the case of passive operation of the fuel cell since so much fuel can reach the anode structure and at the same time the diffusion paths of the fuel are as short as possible. Likewise, this achieves a further flattening of the module, since in this case the fuel cell does not have to have its own fluid distribution structure.
  • the base unit may also be configured such that the bottom has at least one recess or opening, so that the fuel can reach the anode unhindered. without going through a detour, eg via a flowfield.
  • the base bounding the recess has at least one mechanical device for supporting the anode.
  • the anode structure can be designed to be weaker or thinner than the cathode, thereby ensuring a contact pressure and there is also the possibility of saving height and material.
  • the mechanical device can also be structured so that it allows a targeted distribution of the fuel, that is, a flow field is obtained.
  • the mechanical devices in this case have a height of 50 microns to 30 mm, preferably from 0.1 mm to 3 mm, most preferably from 0.2 mm to 1.5 mm.
  • This embodiment is particularly preferred when the fuel cells are not operated passively, but in a flow field. If the fuel cell itself has a flow structure on the anode side, however, it is just as possible that the height of the mechanical device is ⁇ 50 ⁇ m and can also be zero.
  • the mechanical device may have foot shape, parallel and / or serial rib shape. It makes sense to support the anode at the point where the structure of the cathode also has such a structure that the GDLs are pressed together from both sides at the same time. Alternatively, however, an embodiment is conceivable in which no mechanical support of the anode structure is provided.
  • the recesses into which the fuel cells are introduced designed so that they can be both actively and / or passively supplied with fuel.
  • an active supply means that the fuel is conducted to the fuel cells, for example by means of a pump.
  • the recesses of the module base unit are arranged one-dimensionally or two-dimensionally.
  • a linear arrangement of the recesses is thus ensured, which leads to a linear arrangement after introduction of the fuel cells.
  • the recesses are mounted flat. In both cases, thus an extremely thin overall arrangement of the fuel cell can be realized, the known from the prior art stack construction is bypassed.
  • An advantageous construction of the fuel cells for the fuel cell module provides that at least the following components are present: an anode structure, a first gas diffusion layer (GDL) adjoining thereto, a membrane membrane adjacent thereto.
  • Electrode unit (MEA) which may possibly also be segmented (ie that it consists of a catalyst layer, an adjacent membrane and a subsequent further catalyst layer), an adjacent further gas diffusion layer (GDL) and a cathode structure adjacent thereto.
  • Such a standardized structure of a fuel cell allows the use of a variety of fuels.
  • the fuel cells are preferably operated with hydrogen or methanol. Since the module is constructed so that the cathode side lies on the open side, the module according to the invention is predestined for use in air.
  • oxidants e.g., pure oxygen
  • the fuel cells themselves are constructed as planar modules.
  • the anode can be provided with an identical to the cathode, open structure, but also with a flow field. Both in the anode and in the cathode half a recess for the GDL is provided. This can be fixed locally and compressed as far as possible to achieve the best possible results.
  • a recess for the MEA is provided in the anode, which is thus also fixed and sealed on the anode side.
  • the depression is used with an increase on the cathode as a fit, so that on the one hand, the membrane-electrode unit MEA is densely pressed / glued and on the other hand, the cell can be simply and accurately assembled.
  • the outer area of the cell is used for gluing / welding the two frame halves.
  • the fuel cells have the same geometric shape as the recesses, so that a fit is possible.
  • the anode and cathode structures of the fuel cells preferably have a frame that includes a structure that is electrically conductive.
  • This structure may be honeycomb and / or grid-shaped, but there are round structures and / or slots conceivable.
  • the material of this structure may be continuous (e.g., metal or conductive polymers).
  • it is also possible to ensure conductivity by, for example, subsequently coating a matrix material (for example plastics) forming the structure with a conductive substance (for example by sputtering, vapor deposition and / or electroplating processes, for example with gold).
  • This structure absorbs the electron flow which, in the case of the anode, originates from the fuel and is conducted via the gas diffusion layer to the structure, in the case of the cathode originates from the electrical consumer and is conducted via this structure to the gas diffusion layer and, for example, atmospheric oxygen and thus serves the electrical connection of each individual fuel cell.
  • the frame which spans this structure preferably has only in a limited area an electrically conductive coating which, with the honeycomb and / or lattice-shaped structure in electrical is in contact.
  • this limited area is limited to, for example, a small sector of the circle or the oval, in the case that it is an n-angular embodiment of the fuel cell, the limited area is at least one Part of a n-corner forming page.
  • the remaining sides of the frame also have an electrical coating, which, however, is not in electrical contact with the electrically conductive honeycomb and / or lattice-shaped structure.
  • the electrical contacts on all sides are designed such that they are formed both on the outside of the electrode and the active side of the fuel cell side facing the electrode on the frame.
  • the fuel cell is assembled so that the cathode and anode structure of each fuel cell are arranged offset from one another so that the angle between the respective side of the n-corner, which has the electrically conductive coating , in angles of 360 ° / n, 2 x 360 ° / n, to (n-1) x 360 ° / n.
  • the electrical contacts of the cathode structure and the anode structure are thus in electrical contact with each other.
  • a particular advantage here is that both the anode and the cathode of a corresponding fuel cell from only one side is accessible. It also follows that the electrical interconnection of the module base unit is substantially simplified, since the corresponding conductor structures, for example, only have to be applied to the surface of the base unit, but do not have to be guided into the recesses.
  • the fuel cells are plugged, clamped and / or clamped on the module base unit. This ensures that, for example, in the case of a defect of a fuel cell, this is easily replaceable.
  • a seal is arranged between the fuel cell and the module base unit.
  • the seal is preferably selected from the group consisting of gaskets, sealing rings and / or by injection molding on the fuel cell and / or module base unit molded seals.
  • the cell must then be pressed onto the gasket by clamping, for example, the electrical circuitry would be connected via a plug or a spring mechanism, such as a plug. in a battery compartment.
  • the fuel cells are glued to the module base unit, welded on and / or engaged.
  • the adhesive and / or welded joint simultaneously represents the seal between the cell and the module base unit.
  • the electrical connection can also be soldered.
  • the possibility of locking the fuel cells in the module base unit is understood to mean a form-locking connection in the sense that the fuel cells are fixed by pressing into the precisely fitting recess on the module base unit.
  • the fixation is configured reversible, so that an easy removal and thus exchangeability of a fuel cell is given.
  • the electrical contact points must be flexible in a way, for example, performed resilient and the seals also have a high compressibility, as is the case with O-ring seals.
  • the electrical interconnection of the fuel cells and / or the fluidic distribution structure may be arranged in parallel and / or in series.
  • a serial fluidic interconnection is understood to mean that the fuel fluid is routed from one recess to another in succession.
  • the recesses must be in communication with each other, irrespective of how this connection is made. For example, this can take place via a channel generated in the module base unit via the bore and / or via connections that are established, for example, via hoses.
  • a parallel fluidic interconnection a distribution of the fuel takes place before supplying the fuel, so that each fuel cell is supplied individually with fuel.
  • some of the fuel cells are parallel and another Part is connected serially fluidly and / or electrically.
  • the at least one conductor track is applied to the surface of the module base unit, further results in the advantage that the conductor tracks do not have to be guided into the recesses, since both poles of the fuel cell are accessible from one side. This also saves material and costs in the production.
  • the at least one conductor track is designed so that it is in electrical contact with the anode and / or cathode forming electrically conductive coating each of a fuel cell. How the exact connection has to be made depends on the intended use and is known to the person skilled in the art.
  • the module base unit containing the individual fuel cells is mechanically flexible and / or rigid. This allows application of the fuel cell module on a variety of surfaces without the shape of the surface having to meet some requirement. In other applications, it may be advantageous if the fuel cell module is mechanically rigid, i. has a high mechanical rigidity, so that, for example, support for the mechanical rigidity of the object on which the fuel cell module is applied can be ensured.
  • Fuel cell module for example, be led around a corner on a surface.
  • the individual fuel cell components electrochemical reaction process to be used.
  • the modular design is particularly suitable for a production process suitable for mass production.
  • the fuel cell module is used to supply power to low-energy applications.
  • These applications are preferably selected from the group consisting of telecommunications systems, mobile phones, pocket PCs, GPS devices, automatic advertising surfaces, lighting, toys, applications for camping and outdoor use, teaching and demonstrating devices, radios, TV sets, mobile computers, emergency power supplies, alarm systems, mobile, off-line chargers, medical devices and military applications.
  • the cells can be installed modularly, ie depending on the required voltage, current or power or according to available space, a corresponding number of fuel cells can be connected as required. Since the cathode is already present on each cell, it no longer has to be manufactured separately.
  • each cell is manufactured individually with a separate MEA, there is no longer the problem of an ionic short circuit, so each cell can be sealed separately.
  • PCBs printed circuit boards
  • injection-molded materials are well suited.
  • FIGS. 4 to 7 show the individual structural elements of a fuel cell according to the invention and the structure of a fuel cell
  • FIGS. 8a and 8b show the various interconnection options in the case of a linear arrangement of fuel cells in a fuel cell module according to the invention
  • FIGS. 9a and 9b show the various circuit options of fuel cells in a two-dimensional fuel cell module
  • FIGS. 8a and 8b show the various interconnection options in the case of a linear arrangement of fuel cells in a fuel cell module according to the invention
  • FIGS. 9a and 9b show the various circuit options of fuel cells in a two-dimensional fuel cell module
  • FIGS. 8a and 8b show the various interconnection options in the case of a linear arrangement of fuel cells in a fuel cell module according to the invention
  • FIGS. 9a and 9b show the various circuit options of fuel cells in a two-dimensional fuel cell module
  • FIG. 10 shows exemplary embodiments of mechanical devices for supporting the anode and the construction of the module base unit.
  • FIGS. 1 to 3 the basic structure of the two similar cathode Ia and anode structures Ib is shown in different perspective views (side view, top view).
  • the two structures are square.
  • the frame underlying the two structures Ia and Ib may be formed from any, electrically non-conductive material.
  • Plastics e.g., PPS
  • a grid structure 2 is inserted, which is electrically coated.
  • this structure may also be formed entirely of an electrically conductive material.
  • Cathode Ia and anode structure Ib a bearing surface 3 for the MEA or sealing surface or fitting groove, which is formed in the case of the cathode structure Ia as a survey, in the case of the anode structure Ib as a depression det. Further on the periphery, one closes
  • Adhesive or welding surface 4 via which the assembly of the two electrode elements Ia and Ib takes place.
  • the frame has an electrical contact 5 on one side, which is in electrical connection with the structure 2.
  • the other sides also have electrical contacts 6, however not in electrical connection with the structure 2.
  • All contacts 5 and 6 have in common that they completely cover the outside of the frame 23 and at least partially formed at least on the active and outer side. It is essential, however, that the coating 5 is in electrical contact with the structure 2, while the coating 6 does not do so.
  • the electrical contacts have been omitted for the sake of clarity, so that the principal components of the cathode structure Ia or anode structure Ib are better exhibited.
  • FIG. 4 shows an exploded view of a fuel cell according to the invention, which is successively assembled in FIGS. 5, 6 and 7 as far as the finished fuel cell 14.
  • the principal components of the fuel cell according to the invention are the cathode structure Ia, a first gas diffusion layer (GDL) 7, a membrane electrode assembly (MEA) 8, which is spanned by a membrane 9, a further gas diffusion layer (GDL) 10 and the anode structure Ib.
  • GDL first gas diffusion layer
  • MEA membrane electrode assembly
  • GDL further gas diffusion layer
  • FIG. 1 also shows how the two gas diffusion layers (GDL) 7 and 10 are respectively inserted into the cathode structure Ia and anode structure Ib.
  • the two gas diffusion layers 7 and 10 are dimensioned so that they form-fitting with the netzför- complete structure 2.
  • the gas diffusion layers 7 and 10 must be fixed with an adhesive.
  • the not shown grooves have the optimal depth for the particular embodiment used.
  • the catalyst layer 10 with membrane 9 is inserted into the anode structure 1b on a contact surface provided for this purpose.
  • the groove is deeper than the membrane, so that together with the opposite side (embodied here as the cathode structure Ia) creates a fit.
  • the interspace which arises between the halves is optimized, so that on the one hand a favorable contact pressure arises on the components, which causes the lowest possible cell resistance and on the other hand the catalyst layer 10 is pressed tightly with the anode structure Ib.
  • an additional groove must be provided for sealing or the membrane 9 are adhesively bonded to the anode with an adhesive.
  • the two cell halves are connected to each other, so that the entire cell 14, as shown in Figure 7, arises.
  • the cathode structure Ia and the anode structure Ib are arranged at a relative angle with respect to the contacts 5 of 90 ° to each other, arise when joining the new electrical contacts 12 (anode) and 14 (cathode), with the respective anöden- or Cathode-side lattice-shaped structures 2 are in communication.
  • the contacts 5 are in contact with the contacts 6 of the respective opposite electrode. This creates a continuous conductive surface, so that a current pick-up from any side of the fuel cell 14 is possible.
  • the two other contacts 13 are contacts, at where two non-contact with the grid-shaped structure 2 contacts 6 lie on one another.
  • FIGS. 8a and 8b show the linear exemplary embodiments of a fuel cell module 20 according to the invention.
  • the fuel cells 14 shown in FIG. 7 are linearly mounted on a module base unit and electrically connected in series via the line devices 15, electrically connected in parallel via the line devices 15 in FIG. 8b.
  • the fuel cells have an assembly in which the cathode Ia and the anode structure Ib are arranged offset by 180 ° relative to one another.
  • the cells 14 may be incorporated in the module base unit 21, e.g. be installed as follows:
  • FIGS. 9a and 9b show further possible arrangements of fuel cells 14 in a fuel cell module 20 according to the invention.
  • the fuel cells are planar, ie two-dimensionally arranged on a module base unit 21, wherein in FIG. 9a the electrical interconnection is connected in series via the line devices 15, 9b is performed in parallel via the line devices 15.
  • FIG. 9a shows that an electrical interconnection of the fuel cells takes place at an angle of 90 °.
  • the cathode Ia and anode structure Ib are joined together offset by 90 ° to each other.
  • FIG. 10 shows possible structuring possibilities of the module base unit 21, which can serve for mechanical support of the anode structure 1b.
  • a flat trained mechanical support 16a is provided, this is for example the case if the fuel cell 14 is to be passively supplied with fuel, in which case the closest possible arrangement of the fuel cell to the module base unit is to be preferred small diffusion paths are present.
  • the mechanical embodiments may be designed as desired, but feet (16b) or serial (16c) or parallel (16d) embodiments are preferred.
  • these web-like structures can also be arranged such that the fuel is directed to the anode structure in a targeted manner, so that an improved supply of the anode structure with fuel is possible by such an arranged flow field.
  • the mechanical support structures are each applied to the bottom 17 of a recess forming surface.
  • module base units 21 are conceivable, which always have the same support structure 16.

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Abstract

Vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellenmodul, das eine Modulbasiseinheit (21) mit mehreren flächig angeordneten Ausnehmungen für Brennstoffzellen (14) umfasst, worauf Leiterbahnen (15) für die elektrische Verschaltung der Brennstoffzellen angeordnet sind. Die Modulbasiseinheit umfasst dabei zusätzlich ebenso eine Struktur (18) zur Verteilung des Brennstoffs. In die Ausnehmungen sind dabei Brennstoffzellen eingebracht.

Description

Brennstoffzellenmodul und dessen Verwendung
Vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellenmodul, das eine Modulbasiseinheit mit mehreren flä- chig angeordneten Ausnehmungen für Brennstoffzellen umfasst, worauf Leiterbahnen für die elektrische Ver- schaltung der Brennstoffzellen angeordnet sind. Die Modulbasiseinheit umfasst dabei zusätzlich ebenso eine Struktur zur Verteilung des Brennstoffs. In die Ausnehmungen sind dabei Brennstoffzellen eingebracht.
Planare Brennstoffzellen sind in einer Ebene verschaltete Brennstoffzellen (im Gegensatz zur konventionellen Ausführung in Stapelbauweise) . Diese rela- tiv dünnen Brennstoffzellen bieten den Vorteil, dass sie oft in Applikationen besser integriert werden können als z.B. in Stapelbauweise aufgebaute Brennstoffzellen. Zum Beispiel können Planare Brennstoffzellen als Teil des Gehäuses einer Applikation dienen (DE 102 17 034.7). Zudem ermöglichen sie eine selbst- atmende, d.h. pumpenfreie Realisierung der kathoden- seitigen Luftversorgung.
Diese planaren Brennstoffzellen sind wie folgt aufge- baut :
Die Brennstoffseite (Anode) , üblicherweise mit der brennstoffführenden Struktur (Flowfield) ,
- der Gas-Diffusions-Schicht (GDL) zur weiteren
Verteilung des Brennstoffes unterhalb von Stegen und zur elektrischen Verbindung zum Katalysator,
Membran-Elektroden-Einheit (MEA) , möglicherweise segmentiert (DE 102 24 452.9),
erneute GDL,
Luft/Sauerstoff-Seite (Kathode) , bei planaren Zellen meist mit offener, selbstatmender Struktur.
Alle Strukturen der einzelnen Brennstoffzellen sind in sog. Modulen integriert, die die elektrische und fluidische Verschaltung von Einzelzellen beinhalten. Für jede Applikation müssen also ein- oder mehrere eigenständige, individuelle Module hergestellt oder angepasst werden, sowohl Anode als auch Kathode.
Zusätzlich muss, um einen protonischen Kurzschluss in einer planaren Zelle komplett zu vermeiden (wichtig beim Betrieb mit Methanol (MeOH) ) , die MEA von jeder Zelle in einer Verschaltung physisch getrennt sein, wobei auch jede MEA nach außen abgedichtet sein muss, um den Verlust von Brennstoff aus der Anodenseite zu vermeiden. Aufgabe vorliegender Erfindung ist es somit, ein Brennstoffzellenmodul anzugeben, das eine hohe Flexibilität der Verschaltung der Brennstoffzellen ermög- licht, so dass universelle Applikationen möglich sind.
Diese Aufgabe wird durch das Brennstoffzellenmodul mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst, mit Patentanspruch 27 werden mögliche Verwendungszwecke des Brennstoffzellenmoduls angegeben. Die abhängigen Ansprüche stellen dabei vorteilhafte Weiterbildungs- formen dar.
Erfindungsgemäß wird ein planares Brennstoffzellenmodul bereitgestellt, umfassend eine Modulbasiseinheit, die mindestens zwei flächig angeordneten Ausnehmungen für Brennstoffzellen aufweist, in die jeweils eine Bennstoffzelle bezüglich des Umrisses formschlüssig eingebracht ist, wobei die Modulbasiseinheit mindestens eine die Brennstoffzellen elektrisch verbindende Leiterbahn für die elektrische Verschaltung der Brennstoffzellen sowie mindestens einer Fluidvertei- lungsstruktur zur Verteilung des Brennstoffes auf- weist.
Bevorzugt ist es dabei, wenn die Ausnehmungen eine Tiefe von 1 mm bis 10 mm, bevorzugt von 2 mm bis 4 mm, weiter bevorzugt eine Tiefe entsprechend der Di- cke der Brennstoffzelle aufweisen. Somit ist eine äußerst flache Bauweise des Brennstoffzellenmoduls möglich.
Der maximale Durchmesser der Ausnehmungen unterliegt dabei keiner Beschränkung, jedoch ist es praktikabel, wenn der maximale Durchmesser der Ausnehmungen 1 cm bis 10 cm, bevorzugt 1 cm bis 6 cm beträgt. Unter maximalem Durchmesser wird dabei erfindungsgemäß die Stelle der Ausnehmung definiert, an der der Durchmesser am größten ist. Für beispielsweise ein Quadrat wäre dies die Diagonale .
Die Ausnehmungen können dabei beliebige Form besitzen. Bevorzugt sind die Ausnehmungen jedoch unabhängig voneinander rund und/oder n-eckig, wobei 3 ≤ n ≤ 100, vorzugsweise n = 3, 4, 6, 8. Unter rund wird dabei jede geometrische Form verstanden, die keine Ecken aufweist, vorteilhafterweise jedoch kreisförmige oder ovale Formen, die n-Ecken können regelmäßig aber auch unregelmäßig sein, wobei regel- mäßige Formen, wie z.B. Quadrat oder regelmäßiges He- xagon bevorzugt sind, da diese Formen sich äußerst platzsparend aneinanderreihen lassen.
Weiterhin ist bevorzugt, wenn der die Ausnehmungen begrenzende Boden nicht direkt an die Anodenstruktur der jeweiligen Brennstoffzelle angrenzt. Dies ist vor allem bei einem Passivbetrieb der Brennstoffzelle von Vorteil, da so viel Brennstoff zur Anodenstruktur gelangen kann und gleichzeitig die Diffusionswege des Brennstoffs möglichst kurz sind. Ebenso wird dadurch eine weitere Abflachung des Moduls erzielt, da die Brennstoffzelle in diesem Fall keine eigene Fluidver- teilungsstruktur aufweisen muss. Wird die Brennstoffzelle beispielsweise direkt auf einen Tank aufge- bracht und passiv über Konvektion/Diffusion versorgt, kann die Basiseinheit auch derart gestaltet sein, dass der Boden zumindest eine Ausnehmung aufweist o- der offen ist, so dass der Brennstoff ungehindert die Anode erreichen kann, ohne einen Umweg, z.B. über ein Flowfield gehen zu müssen. In einer alternativen vorteilhaften Ausführungsform weist der die Ausnehmung begrenzende Boden mindestens eine mechanische Vorrichtung zur Unterstützung der Anode auf. Dies bringt den Vorteil mit sich, dass die Anodenstruktur dabei schwächer bzw. dünner ausgelegt werden kann als die Kathode, dadurch wird ein Anpressdruck gewährleistet und dabei besteht ebenso die Möglichkeit, Bauhöhe und Material einzusparen. Die mechanische Vorrichtung kann auch so strukturiert sein, dass sie eine gezielte Verteilung des Brennstoffs ermöglicht, also ein Strömungsfeld erhalten wird. Somit kann die Anbringung einer StrömungsStruktur auf jeder einzelnen Anode der Brennstoffzelle eingespart werden, was einen einfacheren Aufbau der Brennstoffzellen ermöglicht. Die mechanischen Vorrichtungen weisen dabei eine Höhe von 50 μm bis 30 mm, bevorzugt von 0,1 mm bis 3 mm, ganz besonders bevorzugt von 0,2 mm bis 1,5 mm auf. Diese Ausführungsform ist insbesondere bevorzugt, wenn die Brennstoff- zellen nicht passiv, sondern in einem Strömungsfeld betrieben werden. Wenn die Brennstoffzellen anoden- seitig selber eine Strömungsstruktur aufweist ist es aber genauso möglich, dass die Höhe der mechanischen Vorrichtung <50 μm beträgt und auch 0 sein kann.
Die mechanische Vorrichtung kann dabei Fußform, parallele und/oder serielle Rippenform aufweisen. Sinnvollerweise wird die Anode an der Stelle unterstützt, wo die Struktur der Kathode ebenfalls eine derartige Struktur aufweist, so dass die GDLs von beiden Seiten zugleich aneinander gepresst werden. Alternativ dazu ist jedoch auch eine Ausführungsform denkbar, in der keine mechanische Unterstützung der Anodenstruktur vorgesehen ist. Vorteilhaft sind die Ausnehmungen, in die die Brennstoffzellen eingebracht sind, so gestaltet, dass sie sowohl aktiv und/oder passiv mit Brennstoff versorgt werden können. Erfindungsgemäß wird unter einer akti- ven Versorgung verstanden, dass der Brennstoff beispielsweise mittels einer Pumpe zu den Brennstoffzellen geleitet wird. Es besteht aber auch die Möglichkeit, die Zellen komplett passiv zu betreiben, indem sie z.B. anodenseitig an einem mit Brennstoff gefüll- ten Behältnis eingebaut werden. In diesem Falle erfolgt die Versorgung der Brennstoffzellen mit Brennstoff beispielsweise über Diffusions- und/oder Kon- vektionsprozesse .
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform sind die Ausnehmungen der Modulbasiseinheit dabei eindimensional oder zweidimensional angeordnet. In der eindimensionalen Ausführungsform ist somit eine lineare Anordnung der Ausnehmungen gewährleistet, was nach Einbringen der Brennstoffzellen zu einem linearen Arrangement führt. Bei der zweidimensionalen Ausführungsform werden die Ausnehmungen flächig angebracht. In beiden Fällen ist somit eine äußerst dünne Gesamtanordnung der Brennstoffzellen realisierbar, die aus dem Stand der Technik bekannte Stack-Bauweise wird umgangen.
Zur räumlichen Ersparnis ist es dabei von Vorteil, wenn die Brennstoffzellen in die Ausnehmungen schlüs- sig eingepasst sind.
Ein vorteilhafter Aufbau der Brennstoffzellen für das Brennstoffzellenmodul sieht vor, dass mindestens die folgenden Bauteile vorhanden sind: eine Anodenstruk- tur, eine daran angrenzende erste Gasdiffusionsschicht (GDL) , eine daran angrenzende Membran- Elektroden-Einheit (MEA) , die möglicherweise auch segmentiert sein kann (d.h. dass sie aus einer Katalysatorschicht, einer daran angrenzenden Membran und einer darauffolgenden weiteren Katalysatorschicht be- steht) , eine daran angrenzende weitere Gasdiffusionsschicht (GDL) sowie eine daran angrenzende Kathodenstruktur.
Ein derartiger, standardisierter Aufbau einer Brenn- Stoffzelle ermöglicht den Einsatz einer Vielzahl von Brennstoffen. Bevorzugt werden die Brennstoffzellen jedoch mit Wasserstoff oder Methanol betrieben. Da das Modul so gebaut ist, dass die Kathodenseite auf der offenen Seite liegt, ist das erfindungsgemäße Mo- dul für den Einsatz an Luft prädestiniert. Jedoch sind auch andere Oxidantien (z.B. reiner Sauerstoff) denkbar, wenn das Modul in einer derartigen Atmosphäre betrieben wird.
Die Brennstoffzellen selber sind als planare Module aufgebaut. Dabei kann die Anode mit einer zur Kathode identischen, offenen Struktur, aber auch mit einem Strömungsfeld versehen werden. Sowohl in der Anodenais auch in der Kathodenhälfte ist eine Vertiefung für die GDL vorgesehen. Diese kann örtlich fixiert sein und soweit komprimiert werden um bestmögliche Ergebnisse zu erzielen. Im mittleren Bereich des Zellenrandes ist in der Anode eine Vertiefung für die MEA vorgesehen, welche somit ebenfalls fixiert ist und anodenseitig abgedichtet wird. Die Vertiefung dient mit einer Erhöhung auf der Kathode als Passung, so dass zum einen die Membran-Elektroden-Einheit MEA dicht verpresst/verklebt wird und zum anderen die Zelle einfach und genau zusammengefügt werden kann. Der Außenbereich der Zelle wird zum Verkleben/Verschweißen der beiden Rahmenhälften verwendet. Die Brennstoffzellen weisen dabei die gleiche geometrische Form wie die Ausnehmungen auf, so dass eine Einpassung möglich ist. Vorteilhafterweise sind die Brennstoffzellen dabei unabhängig voneinander rund und/oder n-eckig, wobei 3 ≤ n ≤ 100, vorzugsweise n = 3, 4, 6, 8. Für die bevorzugten geometrischen Formen gilt das zu den Ausnehmungen Gesagte.
Die Anoden- und Kathodenstruktur der Brennstoffzellen weisen bevorzugt einen Rahmen auf, der eine Struktur einschließt, die elektrisch leitend ist. Diese Struktur kann dabei waben- und/oder gitterförmig ausgebildet sein, es sind aber runde Strukturen und/oder Langlöcher denkbar. Das Material dieser Struktur kann durchgehend sein (z.B. aus Metall oder aus leitfähigen Polymeren) . Alternativ ist es aber auch möglich, die Leitfähigkeit dadurch zu gewährleisten, dass beispielsweise ein die Struktur bildendes Matrixmaterial (z.B. Kunststoffe) nachträglich mit einem leitfähigen Stoff beschichtet wird (z. B. durch Sputterverfahren, Bedampfen und/oder Galvansierungsverfahren beispielsweise mit Gold) . Diese Struktur nimmt den Elektronen- fluss auf, der im Falle der Anode vom Brennstoff her- rührt und über die Gasdiffusionsschicht auf die Struktur geleitet wird, im Falle der Kathode vom elektrischen Verbraucher herrührt und über diese Struktur auf die Gasdiffusionsschicht und zum beispielsweise Luftsauerstoff geleitet wird und dient somit der elektrischen Verschaltung jeder einzelnen Brennstoffzelle .
Dabei weist der Rahmen, der diese Struktur aufspannt, vorzugsweise lediglich in einem begrenzten Bereich eine elektrisch leitende Beschichtung auf, die mit der waben- und/oder gitterförmigen Struktur in elekt- rischem Kontakt steht. Im Falle einer runden und/oder ovalen Ausführungsform ist dieser begrenzte Bereich dabei z.B. auf einen kleinen Sektor des Kreises bzw. des Ovals beschränkt, für den Fall, dass es sich um eine n-eckige Ausführungsform der Brennstoffzelle handelt, ist der begrenzte Bereich zumindest ein Teil einer das n-Eck bildenden Seite. Die restlichen Seiten des Rahmens weisen ebenso eine elektrische Be- schichtung auf, die jedoch nicht in elektrischem Kon- takt mit der elektrisch leitenden waben- und/oder gitterförmigen Struktur steht. Dabei sind die elektrischen Kontakte an allen Seiten so ausgeführt, dass sie sowohl auf der Außenseite der Elektrode als auch zur aktiven Seite der Brennstoffzelle hinweisenden Seite der Elektrode am Rahmen ausgebildet sind.
Weiterhin ist es dabei vorteilhaft, wenn die Brennstoffzelle so zusammengebaut ist, dass die Kathoden- und Anodenstruktur einer jeden Brennstoffzelle unab- hängig voneinander versetzt zueinander so angeordnet sind, dass der Winkel zwischen der jeweiligen Seite des n-Ecks, die die elektrisch leitende Beschichtung aufweist, in Winkeln von 360°/n, 2 x 360°/n, bis (n-1) x 360°/n beträgt. Beim Zusammenbau der Brennstoffzelle stehen somit die elektrischen Kontakte der Kathodenstruktur und der Anodenstruktur in e- lektrischem Kontakt miteinander. Da jedoch auf jeder Seite nur einer der Kontakte mit dem elektrisch leitenden Gewebe, aus der der aus dem chemischen Prozess resultierende Stromfluss aus der Stromzelle abgegriffen bzw. in diese geleitet wird, steht, wird somit ein Kurzschluss vermieden, wenn die Kathoden- bzw. Anodenstruktur um den angegebenen Winkel versetzt zueinander angeordnet ist. Dadurch ergibt sich erfin- dungsgemäß der Vorteil, dass bei dieser planaren
Brennstoffzelle der Strom unabhängig voneinander so- wohl von Ober- und Unterseite abgegriffen werden kann. Ein besonderer Vorteil ist dabei, dass sowohl die Anode als auch die Kathode einer dementsprechen- den Brennstoffzelle von lediglich einer Seite aus zu- gänglich ist. Daraus ergibt sich weiterhin, dass sich die elektrische Verschaltung der Modulbasiseinheit wesentlich vereinfacht, da die entsprechenden Leiterstrukturen beispielsweise nur auf die Oberfläche der Basiseinheit aufgebracht sein müssen, nicht jedoch in die Ausnehmungen geführt werden müssen.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform sind die Brennstoffzellen auf der Modulbasiseinheit aufgesteckt, aufgeklemmt und/oder eingespannt. Somit wird gewährleistet, dass beispielsweise im Falle eines Defektes einer Brennstoffzelle diese leicht austauschbar ist.
Dabei ist es weiterhin von Vorteil, wenn zwischen Brennstoffzelle und Modulbasiseinheit eine Dichtung angeordnet ist. Die Dichtung ist dabei vorzugsweise ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Flachdichtungen, Dichtungsringen und/oder durch Spritzguss auf die Brennstoffzelle und/oder Modulbasiseinheit aufge- formten Dichtungen. Die Zelle muss dann über Einspannung auf die Dichtung gedrückt werden, die elektrische Verschaltung würde beispielsweise über einen Stecker oder einen Federmechanismus, wie z.B. in einem Batteriefach, gewährleistet werden.
In einer alternativen, vorteilhaften Ausführungsform sind die Brennstoffzellen auf der Modulbasiseinheit aufgeklebt, aufgeschweißt und/oder eingerastet. Dies bringt den Vorteil mit sich, dass die Klebe- und/oder Schweißverbindung gleichzeitig die Abdichtung zwischen Zelle und Modulbasiseinheit darstellt. In die- sem Falle kann die elektrische Verbindung auch gelötet werden. Unter der Möglichkeit des Einrastens der Brennstoffzellen in die Modulbasiseinheit wird eine Formschlussverbindung in dem Sinne verstanden, dass die Brennstoffzellen durch Eindrücken in die passgenaue Aussparung auf der Modulbasiseinheit fixiert werden. Vorteilhafterweise ist die Fixierung dabei reversibel ausgestaltet, so dass eine leichte Entfernung und damit Austauschbarkeit einer Brennstoffzelle gegeben ist. Dazu müssen die elektrischen Kontaktstellen in einer Weise flexibel, z.B. federnd ausgeführt werden und die Dichtungen ebenfalls eine hohe Kompressibilität aufweisen, wie dies bei O-Ring- Dichtungen der Fall ist.
Zur Erhöhung der Gesamtenergieausbeute, -spannungs- ausbeute und/oder -stromausbeute der Zelle kann die elektrische Verschaltung der Brennstoffzellen und/oder die fluidische Verteilungsstruktur parallel und/oder seriell angeordnet sein. Erfindungsgemäß wird unter einer seriellen fluidischen Verschaltung verstanden, dass das Brennstofffluid von Ausnehmung zu Ausnehmung nacheinander geleitet wird. Für diesen Fall müssen die Ausnehmungen selbstverständlich in Verbindung miteinander stehen, wobei es dabei unerheblich ist, wie diese Verbindung erfolgt. Beispielsweise kann dies über einen durch die Bohrung erzeugten Kanal in der Modulbasiseinheit erfolgen und/oder über Verbindungen, die beispielsweise über Schläuche zustande kommen. Bei einer parallelen fluidischen Verschaltung erfolgt vor Zuführung des Brennstoffs eine Verteilung des Brennstoffs, so dass jede Brennstoffzelle einzeln mit Brennstoff versorgt wird. Natürlich ist auch die Möglichkeit gegeben, dass ein Teil der Brennstoffzellen parallel und ein anderer Teil seriell fluidisch und/oder elektrisch verschaltet ist.
Die durch erfindungsgemäße Ausgestaltung, dass die mindestens eine Leiterbahn auf der Oberfläche der Modulbasiseinheit aufgebracht ist, ergibt sich weiterhin der Vorteil, dass die Leiterbahnen nicht in die Ausnehmungen geführt werden müssen, da beide Pole der Brennstoffzelle von einer Seite zugänglich sind. Dies spart zudem Material und Kosten bei der Herstellung.
Dabei ist die mindestens eine Leiterbahn so ausgeführt, dass sie jeweils mit dem die Anode und/oder Kathode bildenden elektrisch leitenden Beschichtung je einer Brennstoffzelle in elektrischem Kontakt steht. Wie die genaue Verschaltung dabei zu erfolgen hat, ist je nach Verwendungszweck abhängig und dem Fachmann bekannt .
Je nach Anwendungszweck ist es dabei vorteilhaft, wenn die Modulbasiseinheit, die die einzelnen Brennstoffzellen enthält, mechanisch flexibel und/oder starr ist. Dadurch wird eine Aufbringung des BrennstoffZeilenmoduls auf einer Vielzahl von Oberflächen ermöglicht, ohne dass die Form der Oberfläche eine gewisse Anforderung erfüllen muss. In weiteren Applikationen kann es von Vorteil sein, wenn das Brennstoffzellenmodul mechanisch starr ist, d.h. eine hohe mechanische Steifigkeit aufweist, sodass beispiels- weise eine Unterstützung der mechanischen Starrheit des Objektes, auf dem das Brennstoffzellenmodul aufgebracht wird, gewährleistet sein kann.
Mit Hilfe des modularen Aufbaues des Brennstoffzel- lenmoduls können ohne Veränderung des Herstellungs- prozesses verschiedenartigste Anwendungen mit unter- schiedlichen geometrischen Gegebenheiten flexibel realisiert werden. So ist es z.B. möglich, das Brennstoffzellenmodul auf eine ebene Oberfläche aufzubringen, jedoch sind auch gekrümmte Oberflächen mit dem Brennstoffzellenmodul versehbar, ebenso kann das
Brennstoffzellenmodul beispielsweise um eine Ecke auf einer Oberfläche geführt werden. Die einzelnen BrennstoffZellenkomponenten (Elektrolyt, Elektroden, Gasverteilungsstrukturen, Fluidverteilungsstrukturen, Stromabgriffe, mechanische Trägerstrukturen) können dabei in ihrer Ausgestaltung dem zu nutzenden elektrochemischen Reaktionsprozess angepasst sein. Der mo- dulare Aufbau eignet sich insbesondere für einen maß- fertigungstauglichen Herstellungsprozess .
Erfindungsgemäß werden ebenso Verwendungszwecke eines oben beschriebenen Brennstoffzellenmoduls angegeben.
Das Brennstoffzellenmodul kommt dabei zur Stromver- sorgung niederenergetischer Applikationen zum Einsatz .
Bevorzugt sind diese Applikationen ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Telekommunikationsanlagen, Han- dys, Pocket-PCs, GPS-Geräten, automatischen Werbeflächen, Beleuchtungen, Spielwaren, Applikationen für den Camping- und Outdoorbereich, Lehr- und Demonstrationsmitteln, Radios, TV-Geräten, mobilen Computern, Notstromversorgungen, Alarmanlagen, mobilen, netzu- nabhängigen Ladegeräten, medizinischen Geräten und militärischen Anwendungen.
Die Zellen können modular eingebaut werden, d.h. dass je nach benötigter Spannung, Strom oder Leistung oder nach vorhandenem Platz eine entsprechende Anzahl von Brennstoffzellen nach Bedarf verschaltet werden kann. Da die Kathode bereits an jeder Zelle vorhanden ist, muss diese nicht mehr separat gefertigt werden.
Da jede Zelle einzeln mit einer separaten MEA gefertigt wird, besteht das Problem eines ionischen Kurzschlusses nicht mehr, es kann somit auch jede Zelle separat abgedichtet werden.
Sowohl für die Zelle als auch für die Modulbasiseinheit sind die unterschiedlichsten Materialien und Herstellungsverfahren denkbar. Zum Beispiel sind Leiterplatten (PCB) oder durch Spritzgussverfahren zugängliche Materialien bestens geeignet.
Der erfindungsgemäße Sachverhalt wird anhand folgender Figuren näher erläutert, ohne die Erfindung auf die speziellen Ausführungsformen, wie sie in den Figuren dargestellt sind, zu beschränken.
Dabei zeigen
Figuren 1 bis 3 die aktive und die äußere Seite einer erfindungsgemä- ßen Kathoden- und Anodenstruktur, in verschiedenen Perspektiven,
Figuren 4 bis 7 die einzelnen Strukturelemente einer erfindungsgemä- ßen Brennstoffzelle, sowie den Aufbau einer Brennstoffzelle,
Figuren 8a und 8b die verschiedenen Verschaltungsmöglichkeiten bei Ii- nearer Anordnung von Brennstoffzellen in einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellenmodul, Figuren 9a und 9b die verschiedenen Schaltungsmöglichkeiten von Brennstoffzellen in einem zweidimensionalen Brennstoffzel- lenmodul und
Figur 10 beispielhafte Ausführungsformen von mechanischen Vorrichtungen zur Unterstützung der Anode sowie den Auf- bau der Modulbasiseinheit.
In den Figuren 1 bis 3 wird der prinzipielle Aufbau der beiden sich ähnelnden Kathoden- Ia und Anodenstrukturen Ib in verschiedenen perspektivischen Dar- Stellungsformen (Seitenansicht, Draufsicht) dargestellt. In dieser speziellen Ausführungsform sind die beiden Strukturen quadratisch ausgebildet. Dabei kann der den beiden Strukturen Ia und Ib zugrunde liegende Rahmen aus einem beliebigen, elektrisch nicht- leitenden Material gebildet sein. Vorzugsweise werden
Kunststoffe (z.B. PPS) verwendet. In dieser Struktur ist eine Gitterstruktur 2 eingefügt, die elektrisch beschichtet ist. Alternativ dazu kann diese Struktur auch gänzlich aus einem elektrisch leitenden Material gebildet sein. Auf ihrer aktiven Seiten weisen die
Kathoden- Ia und Anodenstruktur Ib eine Auflagefläche 3 für die MEA bzw. Dichtfläche oder Passnut auf, die im Falle der Kathodenstruktur Ia als Erhebung, im Falle der Anodenstruktur Ib als Vertiefung ausgebil- det ist. Weiter an der Peripherie schließt sich eine
Klebe- oder Schweißfläche 4 an, über die der Zusammenbau der beiden Elektrodenelemente Ia und Ib erfolgt. Der Rahmen weist an einer Seite einen elektrischen Kontakt 5 auf, der mit der Struktur 2 in elekt- rischer Verbindung steht. Die anderen Seiten weisen ebenfalls elektrische Kontakte 6 auf, die jedoch nicht mit der Struktur 2 in elektrischer Verbindung stehen. Allen Kontakten 5 und 6 ist gemein, dass sie die Außenseite des Rahmens 23 vollständig überziehen und zumindest teilweise zumindest auf der aktiven und äußeren Seite ausgebildet sind. Essentiell ist dabei jedoch, dass die Beschichtung 5 im elektrischen Kontakt mit der Struktur 2 steht, während die Beschichtung 6 dies nicht tut . In den Figuren 2 und 3 wurden die elektrischen Kontakte der Übersichtlichkeit hal- ber weggelassen, so dass die prinzipiellen Bauteile der Kathodenstruktur Ia bzw. Anodenstruktur Ib besser zur Geltung kommen.
Figur 4 stellt eine Explosionszeichnung einer erfin- dungsgemäßen Brennstoffzelle dar, die sukzessive in den Figuren 5, 6 und 7 bis zur fertigen Brennstoffzelle 14 zusammengebaut wird.
Die prinzipiellen Bestandteile der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle sind die Kathodenstruktur Ia, eine erste Gasdiffusionsschicht (GDL) 7, eine Membran- Elektroden-Einheit (MEA) 8, die von einer Membran 9 aufgespannt wird, eine weitere Gasdiffusionsschicht (GDL) 10 sowie der Anodenstruktur Ib. Bezüglich der Bezugszeichen der Anoden- Ib und Kathodenstruktur Ia wird auf die Beschreibung zu den Figuren 1 bis 3 verwiesen. Essentiell hierbei ist, dass die Kathodenstruktur Ia derart relativ zur Anodenstruktur Ib angeordnet ist, dass die beiden mit den Strukturen 2 verbundenen, elektrisch leitfähigen Beschichtungen 5 im Winkel von 90° zueinander angeordnet sind. In Figur ist weiterhin dargestellt, wie die beiden Gasdiffusionsschichten (GDL) 7 und 10 jeweils in die Kathodenstruktur Ia bzw. Anodenstruktur Ib eingelegt sind. Die beiden Gasdiffusionsschichten 7 und 10 sind dabei so bemessen, dass sie formschlüssig mit der netzför- migen Struktur 2 abschließen. Gegebenenfalls müssen die Gasdiffusionsschichten 7 bzw. 10 mit einem Kleber fixiert werden. Die nicht abgebildeten Nuten haben dabei für die jeweilige verwendete Ausführungsform die optimale Tiefe.
In Figur 6 ist die Katalysatorschicht 10 mit Membran 9 in die Anodenstruktur Ib auf dafür vorgesehene Auflagefläche eingelegt. Die Nut ist tiefer als die Membran, so dass zusammen mit der Gegenseite (hier als Kathodenstruktur Ia ausgeführt) eine Passung entsteht. Der Zwischenraum, der zwischen den Hälften entsteht, ist optimiert, so dass zum einen auf die Komponenten ein günstiger Anpressdruck entsteht, der einen möglichst niedrigen Zellwiderstand bedingt und zum anderen die Katalysatorschicht 10 dicht mit der Anodenstruktur Ib verpresst wird. Gegebenenfalls muss zum Dichten eine zusätzliche Nut vorgesehen werden oder die Membran 9 mit einer Klebemasse auf die Anode aufgeklebt werden. Im nächsten Schritt werden die beiden Zellhälften miteinander verbunden, so dass die gesamte Zelle 14, wie in Figur 7 abgebildet, entsteht. Dies kann z.B. durch Verkleben, Laserschweißen oder Ultraschallschweißen geschehen. Da die Kathoden- struktur Ia und die Anodenstruktur Ib in einem relativen Winkel bezüglich der Kontakte 5 von 90° zueinander angeordnet sind, entstehen beim Zusammenfügen die neuen elektrischen Kontakte 12 (Anode) und 14 (Kathode) , die mit den jeweiligen anöden- bzw. katho- denseitigen gitterförmigen Strukturen 2 in Verbindung stehen. Dabei stehen die Kontakte 5 mit den Kontakten 6 der jeweilig entgegengesetzten Elektrode in Verbindung. Damit entsteht eine durchgehend leitende Fläche, so dass eine Stromabgreifung von einer beliebi- gen Seite der Brennstoffzelle 14 möglich ist. Die beiden anderen Kontakte 13 sind dabei Kontakte, bei denen zwei nicht mit der gitterförmigen Struktur 2 in Verbindung stehende Kontakte 6 aufeinanderliegen. Alternativ dazu ist bei diesem Ausführungsbeispiel auch eine relative Anordnung von Kathodenstruktur Ia und Anodenstruktur Ib in einem relativen Winkel von 180° bzw. 270° zueinander möglich. Somit ergeben sich bei dieser quadratischen Ausführungsform bereits drei mögliche Verschaltungsmöglichkeiten der Kathodenstruktur Ia und Anodenstruktur Ib.
In den Figuren 8a und 8b sind die linearen Ausführungsbeispiele für ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellenmodul 20 dargestellt. Dabei sind die in Figur 7 ausgeführten Brennstoffzellen 14 in Figur 8a auf ei- ner Modulbasiseinheit linear angebracht und elektrisch seriell über die Leitungsvorrichtungen 15 verschaltet, in Figur 8b elektrisch parallel über die Leitungsvorrichtungen 15 verschaltet. Die Brennstoffzellen weisen sowohl in Fig. 8a als auch in Fig. 8b einen Zusammenbau auf, bei dem Kathoden- Ia und Anodenstruktur Ib um 180° versetzt zueinander angeordnet sind. Die Zellen 14 können in die Modulbasiseinheit 21 z.B. wie folgt eingebaut werden:
1. Austauschbar, elektrisch aufgesteckt und fluidisch mit Dichtungen abgedichtet (z.B. eingespannt oder eingeklemmt, z.B. über eine Einspannvorrichtung), zum anderen aufgesteckt, z.B. über Halteklammern, die die Zelle auf eine Dich- tung drücken.
2. Nicht herausnehmbar, elektrisch verlötet und fluidisch z.B. durch Klebeflächen bzw. Schweißnahten abgedichtet . Figuren 9a und 9b zeigen weitere Anordnungsmöglichkeiten von Brennstoffzellen 14 in einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellenmodul 20. In den Figuren 9a und 9b sind die Brennstoffzellen flächig, also zweidimen- sional auf einer Modulbasiseinheit 21 angeordnet, wobei in Figur 9a die elektrische Verschaltung seriell über die Leitungsvorrichtungen 15, in Figur 9b parallel über die Leitungsvorrichtungen 15 erfolgt ist. Für die Möglichkeiten des Einbaus der Brennstoffzel- len 14 in das Modul 20 gelten die Möglichkeiten, die auch für Figuren 8a und 8b genannt wurden. Zusätzlich ist in Fig. 9a noch die Möglichkeit dargestellt, dass ein elektrische Verschaltung der Brennstoffzellen in einem Winkel von 90° erfolgt. Die Kathoden- Ia und Anodenstruktur Ib sind dabei um 90° versetzt zueinander zusammengefügt.
Figur 10 zeigt mögliche Strukturierungsmöglichkeiten der Modulbasiseinheit 21, die zur mechanischen Unter- Stützung der Anodenstruktur Ib dienen können. Dabei besteht die Möglichkeit, dass eine flach ausgebildete mechanische Unterstützung 16a vorgesehen ist, dies ist beispielsweise der Fall, wenn die Brennstoffzelle 14 passiv mit Brennstoff versorgt werden soll, wobei dann eine möglichst nahe Anordnung der Brennstoffzelle an die Modulbasiseinheit zu bevorzugen ist, so dass möglichst kleine Diffusionswege vorhanden sind. Die mechanischen Ausführungsformen können quasi beliebig gestaltet sein, bevorzugt sind jedoch Füße (16b) bzw. serielle (16c) oder parallele (16d) Ausführungsformen. In den letzten beiden Fällen 16c und 16d können diese stegartigen Strukturen auch so angeordnet sein, dass der Brennstoff gezielt zur Anodenstruktur hingeleitet wird, so dass durch ein derartig arrangiertes Strömungsfeld eine verbesserte Versorgung der Anodenstruktur mit Brennstoff möglich ist. Die mechanischen Stützstrukturen sind dabei jeweils an dem Boden 17 einer Ausnehmung bildenden Fläche aufgebracht. Selbstverständlich sind auch Modulbasiseinheiten 21 denkbar, die immer die gleiche Stützstruktur 16 aufweisen.

Claims

Patentansprüche
1. Planares Brennstoffzellenmodul (20), umfassend eine Modulbasiseinheit (21) , die mindestens zwei flächig angeordnete Ausnehmungen (22) für Brennstoffzellen (14) aufweist, in die jeweils eine Bennstoffzelle (14) bezüglich des Umrisses form- schlüssig eingebracht ist, wobei die Modulbasiseinheit (21) mindestens eine die Brennstoffzellen elektrisch verbindende Leiterbahn (15) für die elektrische Verschaltung der Brennstoffzellen (14) sowie mindestens eine Fluidvertei- lungsstruktur (18) zur Verteilung des Brennstoffes aufweist.
2. Brennstoffzellenmodul (20) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmungen (22) eine Tiefe von 1 mm bis 10 mm, bevorzugt von 2 mm bis 4 mm, weiter bevorzugt eine Tiefe entsprechend der Dicke der Brennstoffzelle aufweisen.
3. Brennstoffzellenmodul (20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der maximale Durchmesser der Ausnehmungen
(22) 1 cm bis 10 cm, bevorzugt 1 cm bis 6 cm beträgt .
4. Brennstoffzellenmodul (20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet dass die Ausnehmungen (22) unabhängig voneinander rund und/oder n-eckig sind, wobei 3 ≤ n ≤ 100, vorzugsweise n = 3, 4, 6, 8.
5. Brennstoffzellenmodul (20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der die Ausnehmungen (22) begrenzende Boden (17) nicht direkt an die Anodenstruktur der je- weiligen Brennstoffzelle angrenzt.
6. Brennstoffzellenmodul (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der die Ausnehmungen (22) begrenzende Boden (17) mindestens eine mechanische Vorrichtung (16) zur Unterstützung der Anodenstruktur (Ib) aufweist.
7. Brennstoffzellenmodul (20) nach vorhergehendem Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhe der mechanischen Vorrichtung (16) 0,05 mm bis 30 mm, bevorzugt 0,2 mm bis 10 mm, ganz besonders bevorzugt 0,5 mm bis 5 mm beträgt.
8. Brennstoffzellenmodul (20) nach einem der Ansprüche 6 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die mechanische Vorrichtung (16) Fußform (16b) , parallele (16c) und/oder serielle (16d) Rippen- form aufweist.
9. Brennstoffzellenmodul (20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmungen (22) derart gestaltet sind, dass über die mindestens eine Fluidvertei- lungsstruktur (18) eine aktive und/oder passive
Versorgung mit Brennstoff möglich ist.
10. Brennstoffzellenmodul (20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmungen (22) eindimensional oder zweidimensional angeordnet sind.
11. Brennstoffzellenmodul (20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzellen mindestens eine Anodenstruktur (Ib) , eine daran angrenzende erste Gasdiffusionsschicht (GDL) (10) , eine daran angrenzende Membran-Elektroden-Einheit (8), eine daran angrenzende weitere Gasdiffusionsschicht
(GDL) (7) sowie eine daran angrenzende Kathodenstruktur (Ia) aufweisen.
12. Brennstoffzellenmodul (20) nach vorhergehendem Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzellen (14) unabhängig voneinander rund und/oder n-eckig sind, wobei 3 ≤ n ≤ 100, vorzugsweise n = 3, 4, 6, 8.
13. Brennstoffzellenmodul (20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anoden- (Ib) und Kathodenstruktur (Ia) der Brennstoffzellen (14) einen Rahmen (23) aufweist, der eine Struktur (2) einschließt, die elektrisch leitend ist.
14. Brennstoffzellenmodul (20) nach vorhergehendem Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Rahmen (23) lediglich in einem begrenzten Bereich eine elektrisch leitende Beschichtung (5) aufweist, die mit der Struktur (2) in elektrischem Kontakt steht.
15. Brennstoffzellenmodul (20) nach vorhergehendem Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der begrenzte Bereich zumindest ein Teil einer das n- Eck bildenden Seite ist.
16. Brennstoffzellenmodul (20) nach einem der An- Sprüche 14 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die restlichen Seiten des Rahmens (23) je eine elektrisch leitende Beschichtung (6) aufweisen, die nicht in elektrischem Kontakt mit der elektrisch leitenden Struktur (2) steht.
17. BrennstoffZeilenmodul (20) nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Kathoden- (Ia) und Anodenstruktur (Ib) einer jeden Brennstoffzelle (14) unabhängig voneinander versetzt zueinander so angeordnet ist, so dass der Winkel zwischen der jeweiligen Seite des n-Ecks, die die elektrisch leitende Be- Schichtung (5) aufweist, in Winkeln von 360°/n,
2x360°/n ... bis (n-l)x360°/n beträgt.
18. Brennstoffzellenmodul (20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzellen in die jeweilige Aus- nehmung (22) der Modulbasiseinheit (21) aufgesteckt, aufgeklemmt und/oder eingespannt sind.
19. Brennstoffzellenmodul (20) nach vorhergehendem Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Brennstoffzelle und Modulbasiseinheit (21) eine Dichtung angeordnet ist.
20. Brennstoffzellenmodul (20) nach vorhergehendem Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtung ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Flachdichtungen, Dichtungsringen, und/oder durch Spritzguss auf die Brennstoffzelle (14) und/oder
Modulbasiseinheit (21) aufgeformten Dichtungen.
21. Brennstoffzellenmodul (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzellen (14) auf der Modulbasisein- heit (21) aufgeklebt, aufgeschweißt und/oder eingerastet sind.
22. Brennstoffzellenmodul (20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Verschaltung der Brennstoffzellen und/oder die fluidische Verteilungs- Struktur parallel und/oder seriell angeordnet ist.
23. Brennstoffzellenmodul (20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Verschaltung der Brenn- Stoffzellen untereinander unabhängig voneinander in Winkeln von 360°/n, 2x360°/n, ... bis (n- 1) -360°/n erfolgt.
24. Brennstoffzellenmodul (20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Leiterbahn (15) auf der
Oberfläche der Modulbasiseinheit (21) aufgebracht ist.
25. Brennstoffzellenmodul (20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Leiterbahn (15) jeweils mit dem die Anode (11) und/oder Kathode (12) bildenden elektrisch leitenden Beschichtung je einer Brennstoffzelle (14) in elektrischem Kontakt steht.
26. Brennstoffzellenmodul (20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Modulbasiseinheit (21) mechanisch flexibel und/oder starr ist.
27. Verwendung eines Brennstoffzellenmoduls (20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur
Stromversorgung niederenergetischer Applikationen.
28. Verwendung nach vorhergehendem Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Applikationen ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus Telekommunikationsanlagen, Handys, Pocket-PCs, GPS- Geräte, automatischen Werbeflächen, Beleuchtungen, Spielwaren, Applikationen für den Camping- und Outdoorbereich, Lehr- und Demonstrationsmittel, Radios, TV-Geräte, mobile Computer, Notstromversorgungen, Alarmanlagen, mobile, netzu- nabhängige Ladegeräte, medizinische Geräte, militärische Anwendungen.
EP07818247A 2006-10-16 2007-09-19 Brennstoffzellenmodul und dessen verwendung Withdrawn EP2089927A1 (de)

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