PEM-Brennstoffzelle mit strukturierten
Platten
Die Erfindung betrifft ein PEM-Brennstoffzelle, die aus Streifenmembranen und beidseitig an die Membrane kontaktierte Platten besteht, wobei die Platten leit¬ fähige und nichtleitfähige Bezirke aufweisen.
PEM-Brennstoffzellen (Polymer Electrolyte Membrane- Brennstoffzellen) sind elektrochemische Zellen, die vereinfachend aus Anode, Kathode und dazwischenlie¬ gendem polymeren Festelektrolyten bestehen. Zum Be¬ trieb derartiger Zellen werden an beide Elektroden von außen laufend Brennstoffe herangeführt, die dort elektrochemisch umgesetzt werden, so daß an den Elek¬ troden eine Spannung abgegriffen werden kann. Es ist nun aber unmöglich, die gesamte zugeführte chemische Energie umzuwandeln. Stets geht beim Betrieb der
Brennstoffzelle ein gewisser Anteil als Wärme verlo¬ ren. Insbesondere Brennstoffzellen mit höherer Lei¬ stung erfordern deshalb Maßnahmen zur ärmeabfuhr. Dies erfolgt nach dem Stand der Technik durch elek- trisch leitfähige Wärmeaustauscherplatten, die von einer Kühlflüssigkeit durchströmt werden (Literatur: A.J. Appley, E.B. Yeager, Energy H, 137-152 [1986]).
Dabei stehen beide Seiten der Membran-Elektroden-Ein- heit mit den elektrisch leitfähigen Platten in Kon¬ takt, wobei zum Erreichen der Zelldichtigkeit dazwi¬ schenliegende Dichtungsringe verwendet werden. Die leitfähigen Platten sind als Wärmeaustauscher konzi¬ piert, d.h. sie enthalten Kanäle durch die eine Kühl- flüssigkeit strömt. Die Kühlflüssigkeit wird dabei über in der Platte vorhandene Öffnungen ein- und aus¬ gespeist. Des weiteren sind in den elektrisch leitfä¬ higen Platten Zu- und Abfuhrkanäle für die Brennstof¬ fe integriert, wobei die Brennstoffe dann über geeig- nete Strukturen an die Elektroden herangeführt wer¬ den. Für einen solchen Brennstoffzellenaufbau nach Stand der Technik ist es nun aber notwendig, daß die Plätten aus elektrisch leitfähigem Material bestehen, da jede Platte auf die jeweilige Elektrodenfläche drücken muß, um den elektrischen Anschluß der Zelle nach außen darzustellen. Im Falle einer Stackbauweise können die Platten auch als bipolare Platten ausge¬ führt werden.
Zur Erreichung höherer Leistungen und besonders zur Erreichung einer höheren Spannung ist es auch be¬ kannt, mehrere Membran-Elektroden-Einheiten, wie vor¬ stehend beschrieben, zu einem sogenannten Brennstoff- zellenstack zusammenzuschalten (US 4,175,165 "Fuel cell system utilizing ion exchange membranes and bio-
polar plates") . Dazu wurden bisher eine Vielzahl sol¬ cher, wie vorstehend beschriebener, Zellen separat aufgebaut, hintereinander angeordnet und elektrisch in Reihe verschaltet, so daß sich die Spannungen der Einzelzellen addieren. Der konstruktionstechnische Aufwand einer derartigen Reihenschaltung ist jedoch sehr hoch, da jede Membran-Elektroden-Einheit eine separate BrennstoffVersorgung aufweisen muß. Dadurch resultiert ein sehr hoher konstruktionstechnischer Aufwand für diese Zellen.
Ausgehend hiervon ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine PEM-Brennstoffzelle anzugeben, die neben hohen Ausgangsspannungen, einen sehr einfachen und kostengünstigen Aufbau aufweist.
Die Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Die Unteransprüche zeigen vorteilhafte Weiterbildungen auf.
Erfindungsgemäß wird somit vorgeschlagen eine PEM- Brennstoffzelle aus sogenannten Streifenmembranen und daran beidseitig kontaktierten Platten aufzubauen. Die Platten sind dabei so ausgelegt, daß sie sowohl leitfähige und nichtleitfähige Bezirke aufweisen, wobei diese Bezirke so angeordnet sind, daß ein Kurzschluß zwischen den einzelnen Elektroden einer Membranseite vermieden wird. Erfindungswesentlich ist somit die Verwendung von neuartigen Streifenmembranen und deren Kontaktierungen mit Platten, die so ausge¬ bildet sind, daß sie sowohl leitfähige wie auch nichtleitfähige Bezirke aufweisen. Die erfindungsge¬ mäßen Platten dienen dabei gleichzeitig als Wärmeaus¬ tauscher und als Brenngaszufuhr-Einrichtung. Dadurch lassen sich nun PEM-BrennstoffZellen mit einem ein-
fachen Aufbau und einer hohen Ausgangsspannung reali¬ sieren. Die Spannung läßt sich dabei noch einmal steigern, wenn sogenannte BrennstoffZeilenstacks durch Hintereinanderschalten von mehreren Streifen- membranen mit dem vorbeschriebenen Aufbau realisiert werden. Erfindungsgemäß ist es weiterhin möglich, nicht einzelne Streifenmembrane, sogenannte eindimen¬ sionale Streifenmembrane, einzusetzen, sondern mehre¬ re dieser Streifenmembrane parallel zu sogenannten zweidimensionalen Streifenmembranen anzuordnen. Die zweidi ensionalen Streifenmembrane können dabei so aufgebaut sein, daß entweder die einzelnen Streifen¬ membrane parallel zueinander angeordnet sind und durch die erfindungsgemäßen Platten parallel ver- schaltet sind, oder daß die einzelnen Streifenmembra¬ ne parallel hintereinander angeordnet sind und hin¬ tereinander in Reihe geschaltet sind. Dadurch läßt sich eine nochmalige Steigerung der Spannung reali¬ sieren.
Die erfindungsgemäß eingesetzte Streifenmembran be¬ steht aus speziell verschalteten Einzelzellen. Zum einen ist es dabei möglich, daß die Einzelzellen ent¬ weder über elektronisch leitfähige Bezirke (Anspruch 21) oder durch eine treppenförmige Anordnung (An¬ spruch 20) in Reihe verschaltet werden.
Für die erste Ausgestaltung der Streifenmembrane er¬ folgt die Verschaltung in der Weise, daß flächig ne- beneinander angeordnete Bezirke mit unterschiedlicher Leitfähigkeit vorgesehen sind.
Ein Bezirk wird dabei durch die Einzelzelle selbst gebildet. Die Einzelzelle besteht dabei, um die Io- nenleitfähigkeit zu gewährleisten, aus einem ionen-
leitfähigen Material. Dazu werden polymere Festelek¬ trolyten in Form von Membranen eingesetzt. Da entwe¬ der Kationen oder Anionen transportiert werden müs¬ sen, muß die Membrane entweder für Kationen oder für Anionen permeabel sein. Die Ionenleitfähigkeit ist dabei in wässriger Umgebung für kationenleitende Po¬ lymere im allgemeinen dann gegeben, wenn im Polymer fest verankerte, d.h. im allgemeinen durch chemische Bindung verankerte Carbonsäuregruppen und/oder Sul- fonsäuregruppen und/oder Phosphonsäuregruppen vorhan¬ den sind. Für anionenleitende Polymer ist die Ionen¬ leitfähigkeit insbesondere dann gegeben, wenn das Polymer Aminogruppen, quartäre Ammoniumgruppen oder Pyridiniu gruppen enthält. Die Fähigkeit der Ionen- leitfähigkeit wird bei den bisher beschriebenen Mög¬ lichkeiten dadurch erzeugt, daß in der Membran fest verankerte Ionen existieren oder bei Quellung in Was¬ ser erzeugt werden.
Beispiele für kationenleitende Polymere dieses Typs sind sulfonierte Polysulfone, Polyethersulfone oder auch Polyetherketone.
Die Dicke der Membran kann dabei im Bereich zwischen 0,5 μm und 1 mm, bevorzugt im Bereich von 10 μ bis 200 μm liegen. Die Flächen der Membran für die Ein¬ zelzelle richten sich dabei nach der geforderten Lei¬ stung des Stacks. Die Flächen können im Bereich von lmm2 bis 1 000 000 mm2 liegen, bevorzugt im Bereich von 100 bis 10 000 mm2.
Um die Funktion als Einzelzelle zu ermöglichen, sind nun die vorstehend beschriebenen Membranen beidseitig mit Elektrodenmaterial beschichtet. Da an den Elek- troden die elektrochemischen Umsetzungen der Zelle
erfolgen, können die Elektroden entweder selbst aus dem Material bestehen, das elektrochemisch umgesetzt wird, oder aus Material, welches die elektrochemische Umsetzung katalysiert. Das Material muß elektronisch leitfähig sein und besteht insbesondere aus Metallen, Metalloxiden, Mischoxiden, Legierungen, Kohlenstoff, elektronisch leitfähigen Polymeren oder Mischungen hieraus.
Die Materialien können Zusatzstoffe enthalten, die der Einstellung von Hydrophilie, Hydrophobie dienen. Damit können die Elektrodenschichten beispielsweise mit wasserabweisenden Eigenschaften ausgestattet wer¬ den. Weiter sind Zusatzstoffe möglich, die die Ein- Stellung einer gewissen Porosität erlauben. Dies ist insbesondere dann von Bedeutung, wenn gasförmige Stoffe katalytisch an den Elektroden umgesetzt wer¬ den, wobei ein Dreiphasenkontakt zwischen Gas, Kata¬ lysator und ionenleitfähigem Bezirk erforderlich ist. Weiter können sog. Binder zugemischt werden, die die stabile und funktionsfähige Anbindung der Elektrode an den ionenleitenden Bezirk erleichtert.
Diese so aufgebaute Einzelzelle wird nun mit Hilfe von flächigen elektronisch leitfähigen Bezirken mit anderen Einzelzellen elektrisch in Reihe geschaltet.
Die elektronenleitenden Bezirke haben die Aufgabe, eine elektronische Leitfähigkeit zwischen jeweils ei- ner Elektrodenfläche einer Einzelzelle und der auf der anderen Seite der Membran angeordneten Elektro¬ denfläche der nächsten Einzelzelle herzustellen.
Für die elektronisch leitfähigen Bezirke werden Mate- rialien verwendet, die anstelle der Ionenleitfähig-
keit der Einzelzelle nun eine Elektronenleitfähigkeit aufweisen. Die Funktion der Streifenmembran ist dabei unabhängig von bestimmten Polymermaterialien für die elektronenleitenden Bezirke, so lange die Fähigkeit der Materialien zur Elektronenleitfähigkeit gegeben ist. Die Elektronenleitfähigkeit bei poly eren Mate¬ rialien kann erreicht werden, indem Polymere einge¬ setzt werden, die von ihrem molekularen Aufbau her befähigt sind, Elektronenleitfähigkeit zu erreichen, wie dies z.B. bei Polyacetylen oder Polythiophenen der Fall ist.
Die Elektronenleitfähigkeit kann auch erzeugt werden, indem ein gewisser Anteil leitfähiger Substanzen zu einem nichtleitenden Polymer zugemischt wird. Bei den leitfähigen Substanzen handelt es sich insbesondere um Leitfähigkeitsruß, Graphit, Kohlenstoff-Fasern, Partikel oder Fasern von elektronisch selbst leitfä¬ higen Polymeren, Metallteilchen, -flocken oder -fa- sern oder metallisierte Trägermaterialien.
Die Polymere können Zusatzstoffe zur Veränderung des Quellverhaltens in Wasser enthalten. Dies ist insbe¬ sondere dann von Bedeutung, wenn die Membran in wäß- rige Umgebung eingesetzt wird. Hier quellen mit ge¬ ladenen Gruppen versehene, ionisch leitfähige Bezirke der Membran, was sich in einer Änderung der geometri¬ schen Maße bemerkbar macht. Andere Bezirke, die nicht mit geladenen chemischen Gruppen versehen sind, quel- len dagegen kaum, so daß sich mechanische Spannungen an den Grenzflächen beider Schichten ergeben. Um dies zu vermeiden, kann den nicht mit geladenen Gruppen versehenen Bezirken ein Zusatzstoff beigemengt wer¬ den, der das Quellungsverhalten beider anpaßt.
Erfindungswesentlich ist nun, daß die vorstehend be¬ schriebenen Einzelzellen über die elektronisch leit¬ fähigen Bezirke in Reihe geschaltet werden. Dazu wird entweder die untere Elektrodenfläche einer Membran einer Einzelzelle über die elektronisch leitfähigen Bezirke mit der folgenden Einzelzelle, und zwar hier mit der oberen Elektrodenfläche verbunden. Umgekehrt ist es natürlich genauso möglich, daß die obere Elek¬ trodenfläche einer ersten Einzelzelle über den elek- tronisch leitfähigen Bezirk mit der unteren Elektro¬ denfläche der nächsten Einzelzelle verbunden wird.
Bei einem derartigen Aufbau grenzen die elektrodenbe¬ schichteten ionisch leitfähigen Bezirke (die einer Einzelzelle entsprechen) direkt an die elektronisch leitfähigen Bezirke. Um zu vermeiden, daß an dieser Grenze die beschichtete Ober- und Unterseite des io¬ nisch leitfähigen Bezirks durch die elektronisch leitfähigen Bezirke kurzgeschlossen werden, was den Ausfall der Einzelzelle bedeutet, dürfen die Elektro- denbeschichtungen nicht bis an den Rand des ionisch leitfähigen Materials aufgebracht sein. Es darf je¬ weils nur die obere oder die untere Elektrodenbe- schichtung einer Einzelzelle mit dem benachbarten elektrisch leitfähigen Bezirk elektrisch leitfähig verbunden sein. Dies wird erreicht, in dem auf der einen Seite des ionenleitenden Bezirks der Bereich zwischen Elektrodenbeschichtung und elektronisch leitfähigem Bezirk mit elektronisch leitfähigen Strukturen beschichtet wird, so daß eine wie oben beschrieben definierte elektrische Verschaltung der einzelnen Membranbezirke möglich wird. Das hierzu verwendete Material besteht entweder aus den unter Materialien für die elektronisch leitfähigen Bezirke oder aus dem unter den Materialien für die Elektro-
denbeschichtung der Membran beschriebenen Materia¬ lien.
Dadurch wird nun eine In-Reihe-Schaltung der einzel- nen Einzelzellen über die elektronisch leitfähigen Bezirke erreicht. Die Abmessungen des elektronisch leitfähigen Bezirks entsprechen dabei in Dicke und Breite in etwa denen der Einzelzelle, so daß insge¬ samt eine flächige Streifenmembran entsteht, die aus periodisch wiederholten Bezirken, nämlich einerseits aus der Einzelzelle und andererseits aus den elektro¬ nisch leitfähigen Bezirken besteht.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform wird nun vor- geschlagen, daß zwischen den Einzelzellen und den elektronisch leitfähigen Bezirken Isolationsbezirke angeordnet sind. Die Abmessungen (Dicke, Breite) ent¬ sprechen dabei in etwa denen der Einzelzelle bzw. des leitenden Bezirks.
Diese Bezirke dienen zur elektrischen Isolation zwischen den unterschiedlich leitfähigen Bezirken. Sie bestehen deshalb aus sowohl ionisch als auch elektronisch nicht leitfähigem Polymermaterial. Die Funktion der Streifenmembran ist dabei unabhängig von bestimmten Polymermaterialien für die nichtleitenden Bezirke, so lange die Materialien weder ionen- noch elektronenleitend sind. Es kommen deshalb solche Polymermaterialien zum Einsatz, die weder unter die Kategorie "Materialien für die ionenleitfähigen Be¬ zirke der Membraneinheiten" noch unter die Kategorie "Materialien für die elektronisch leitfähigen Bezir¬ ke" fallen.
Beim Aufbau der Membran mit Isolationsbezirken können im Gegensatz zum Aufbau ohne Isolationsbezirke die Elektrodenbeschichtungen die gleiche Fläche besitzen wie die ionenleitenden Membranen.
Zur In-Reihe-Schaltung bei dieser Ausgestaltung der Erfindung muß dann gewährleistet sein, daß eine Ver¬ bindung über die elektronisch leitfähigen Bezirke mit der unteren bzw. oberen Elektrodenfläche der Einzel- zellen gewährleistet ist. Dies wird dadurch ermög¬ licht, daß die Streifenmembran in bestimmten Berei¬ chen, und zwar auf der oberen bzw. unteren Membran¬ fläche des Isolationsbezirks mit elektronisch leitfä¬ higen Strukturen beschichtet wird, so daß eine defi- nierte elektrische Verschaltung der einzelnen Mem¬ branbezirke möglich wird, und zwar in der Weise, daß jeweils eine Elektrodenfläche einer Einzelzelle mit der auf der anderen Seite der Membran angeordneten Elektrodenfläche der nächsten Einzelzelle verbunden ist. Das hierzu verwendete Material besteht entweder aus den unter Materialien für die elektronisch leit¬ fähigen Bezirke oder aus dem unter den Materialien für die Elektrodenbeschichtung der Membran beschrie¬ benen Materialien.
Eine Streifenmembran, die nach der bevorzugten Aus¬ führungsform noch zusätzlich Isolationsbezirke auf¬ weist, ist demnach aus sich periodisch wiederholenden Bezirken der Einzelzelle, dem Isolationsbezirk und dem elektronisch leitenden Bezirk aufgebaut. Die
Streifenmembran besteht bevorzugt aus 2 bis 300 Ein¬ zelzellen.
Bei der Ausführungsform mit dem treppenförmigen Ver- halten wird die In-Reihe-Schaltung dadurch erreicht.
daß die Elektrodenfläche einer Einzelzelle gleichzei¬ tig die Aufgabedes elektronisch leitfähigen Bezirks übernimmt. Ein separater elektronisch leitfähiger Bereich entfällt in diesem Fall ebenso wie Isola- tionsbezirke. Um eine In-Reihe-Schaltung zweier Ein¬ zelzellen in diesem Fall zu gewährleisten, überlappen die Zellen derart, daß der Randbereich einer Elektro¬ denfläche der ersten Einzelzelle direkt mit dem Rand¬ bereich der Elektrodenfläche auf der anderen Membran- seite der nächsten Einzelzelle elektronisch leitend verbunden ist. Es entsteht in diesem Fall eine Strei¬ fenmembran, bei der die einzelnen Einzelzellen trep- penförmig überlappend aneinandergereiht sind. Der Aufbau der Einzelzelle entspricht der vorstehend be- schriebenen Art.
Die, wie vorstehend beschriebene, Streifenmembran kann nun, wie bereits einleitend ausgeführt, entweder als sogenannte eindimensionale Streifenmembran einge- setzt werden oder in Form einer sogenannten zweidi¬ mensionalen Streifenmembran. Erfindungsgemäß werden nun mit diesen eindimensionalen bzw. zweidimensiona¬ len Streifenmembranen entsprechende Brennstoffzellen bzw. BrennstoffZeilenstacks aufgebaut.
Für den Fall der Verwendung einer eindimensionalen Streifenmembran bzw. einer zweidimensionalen Strei¬ fenmembran der vorstehend beschriebenen Art fungieren dann die Platten als Endplatten. Bei der zweidimen- sionalen Streifenmembran, bei der die einzelnen
Streifen parallel angeordnet sind, erfolgt die Par¬ allelschaltung der einzelnen Streifen zueinander durch die Endplatten selbst. In diesem Falle sind dann die elektrisch leitfähigen Bezirke so ausgebil- det, daß sie jeweils nur die letzten Elektroden der
jeweiligen einzelnen Streifenmembranen zueinander elektrisch leitend verbinden. Für den Fall eines Brennstoffzellenstacks fungieren dann die Platten zum einen als mittelständige Platten und zum anderen wie- der als Endplatten in der vorstehend beschriebenen Weise.
Die erfindungsgemäβ eingesetzten Endplatten bzw. mit¬ telständigen Platten können dabei auf verschiedene Weise aufgebaut sein. So ist es zum einen möglich, daß ein elektrisch leitfähiger Grundkörper verwendet wird. In diesem elektrisch leitfähigem Grundkörper wird dann auf der der Membran zugewandten Seite ein gewisses Materialstück durch ein nichtleitfähiges Material ersetzt. Es wird also von einem leitfähigen Bauteil und einem nichtleitfähigen Bauteil ausgegan¬ gen, das mittels geeigneter Verbindungstechniken (z.B. Kleben, Schweißen oder andere vergleichbare Techniken) zu einer strukturierten Platte, z.B. End- platte, dauerhaft und dicht verbunden werden. Wesent¬ lich dabei ist, daß nur die erste bzw. letzte Elek¬ trode der Streifenmembran mit dem elektronisch leit¬ fähigen Bauteil in Verbindung steht.
Eine andere Möglichkeit besteht nun darin, daß ein nichtleitender Grundkörper verwendet wird. Nur an der Stelle, die der ersten bzw. letzten Elektrode der Streifenmembran gegenübersteht, ist eine Aussparung vorhanden, in der eine leitfähige Struktur eingelegt und über geeignete Verbindungstechniken, wie vorste¬ hend beschrieben, mit dem nichtleitenden Grundkörper dicht und dauerhaft verbunden wird. Die äußere elek¬ trische Kontaktierung kann entweder dadurch erfolgen, daß der Grundkörper an der Stelle der Aussparung durchbohrt wird und die leitfähige Struktur von der
der Membran zugewandten Seite bis zur anderen Seite des Grundkörpers durchgeführt wird (und dort kontak¬ tiert wird) oder dadurch, daß die Aussparung ohne durch Bohrung bis zu einem Rand des Grundkörpers hin erfolgt und die eingelegte leitfähige Struktur eben¬ falls diese Länge aufweist, so daß dann dort am Rand die Kontaktierung erfolgen kann.
Alternativ zu den beiden vorstehend beschriebenen Möglichkeiten zur Herstellung der erfindungsgemäßen Platten kann auch eine Beschichtung der entsprechen¬ den Grundkörper verwendet werden. Die Beschichtung erfolgt selbstverständlich auf der der Membran zuge¬ wandten Seite des Grundkörpers. Zur Beschichtung wird dabei die gesamte Fläche mit Ausnahme des Bereichs beschichtet, der der ersten bzw. letzten Elektrode der Streifenmembran gegenübersteht. Solche Schichten können beispielsweise mit Dünnschichttechnologien, wie Plasmapolimerisation organischer Verbindungen oder MOPECVD-Verfahren (Metal organyl plasma enhanced chemical vapor deposition) oder durch Aufsprühen und Trocknen nichtleitender Polymerlösungen erhalten wer¬ den. Selbstverständlich ist auch die umgekehrte Vor¬ gehensweise möglich. Danach wird ein elektronisch nichtleitender Grundkörper verwendet und mit einer entsprechenden elektronisch leitenden Beschichtung versehen, so daß im Falle von mittelständigen Platten eine leitfähige Verbindung zwischen den leitfähigen Bezirken auf beiden Plattenseiten entsteht und im Falle von endständigen Platten die leitfähige Be¬ schichtung eine äußere Kontaktierung zum Spannungs¬ abgriff ermöglicht.
Als bevorzugte Materialien für die elektronisch leit- fähigen Bereiche der strukturierten Platten kommen
insbesondere Graphit, Metalle, Metallmischungen, Le¬ gierungen oder elektronisch leitfähige Polymere in- frage. Zu letzteren gehören zum einen die intrinisch leitfähigen Polymere, wie z.B. Polyacetylen oder aber nichtleitende Polymere, die mit elektrisch leitfähi¬ gen Zusatzstoffen versehen sind. Als Zusatzstoffe vor allem Pulver, Granulate, Flocken, Faserstücke, Fa¬ sern, Netze oder Matten von Metallen, Metallmischun¬ gen, Legierungen, Graphit- oder Kohlenstofffasern infrage. Die Materialien müssen insbesondere die Ar¬ beitsbedingungen in einer PEM-Brennstoffzelle über¬ stehen, d.h. Kontakt mit den Brennstoffen, Wasser, auch bei Temperaturen oberhalb Raumtemperatur (typi¬ scherweise 70 bis 90° C) und sie müssen elektroche- misch stabil sein.
Als bevorzugte Materialien für die elektronisch nichtleitfähigen Bezirke der strukturierten Platten kommen nichtleitende Keramiken, oxidische Verbindun- gen und vor allem Kunststoffe infrage. Insbesondere
Oxidations- und hydrolysestabile Konstruktionspolyme¬ re, wie beispielsweise Polymere mit aromatischem Rückgrat, wie zum Beispiel Polysulfone oder Poly- etherketone.
Die Endplatten/bipolaren Platten enthalten typischer¬ weise Strukturen, welche die Brennstoffzufuhr und -abfuhr an die Membran ermöglichen und dafür sorgen, daß sämtliche Elektroden der Streifenmembran mit Brennstoff versorgt werden. Der aus dem Stand der
Technik bekannte Aufbau der BrennstoffVersorgung kann im Prinzip auf die strukturierten Endplatten und strukturierten biopolaren Platten übertragen werden.
Dieser Aufbau besteht typischerweise aus einem Kanal für die Brennstoffabfuhr und einem Kanal für die Brennstoffzufuhr. Gegenüber den Elektroden der Strei¬ fenmembran enthält die Endplatte Verteilungsstruktu- ren, die einerseits auf die Membran drücken und ande¬ rerseits Hohlräume zur Gaszufuhr an die Membranelek¬ troden enthält. Hierbei kann es sich z.B. um paralle¬ le Kanäle oder schachbrettartig angeordnete Kanäle oder um poröse Strukturen handeln. Die Strukturen sind mit den Brennstoffzufuhrkanälen und Brennstoff¬ abfuhrkanälen verbunden, so daß ein Brennstofffluß vom Zufuhrkanal über die Verteilungsstruktur zum Ab¬ führkanal stattfinden kann.
Im Fall der Stackbauweise münden die Zufuhr- und Ab¬ fuhrkanäle in Versorgungskanäle, die durch den gesam¬ ten Stack laufen. Jede bipolare Platte enthält die entsprechenden Bohrungen, die Aneinanderreihung meh¬ rerer Platten mit diesen Bohrungen bildet dann die beschriebenen Versorgungskanäle.
Der große Vorteil dieser Bauweise mit Streifenmembra¬ nen liegt darin, daß nur noch eine Brennstoffversor¬ gungsstruktur für alle auf einer Streifenmembran vor- handenen Zelleneinheit vonnöten ist.
Da Brennstoffzellen während des Betriebes unter elek¬ trischer Belastung zwangsläufig Verlustwärme produ¬ zieren, müssen bei einem Zellaufbau Möglichkeiten vorhanden sein, die überschüssige Wärme abzuführen, um eine Überhitzung der Brennstoffzelle zu verhin¬ dern.
Hierfür können die strukturierten Endplatten/bipola- ren Platten Kanäle oder Hohlräume enthalten, die von
einem entsprechenden Kühlmittel, z.B. Wasser durch¬ strömt werden, das über entsprechende Zufuhr- und Abfuhrkanäle eingespeist wird.
Im Fall der Stackbauweise münden die Zufuhr- und Ab¬ fuhrkanäle in Versorgungskanäle, die durch den gesam¬ ten Stack laufen. Jede bipolare Platte enthält die entsprechenden Bohrungen, die Aneinanderreihung meh¬ rerer Platten mit diesen Bohrungen bildet dann die beschriebenen Versorgungskanäle.
Wie vorstehend beschrieben, kann die bipolare Platte auch aus zwei mit den Flachseiten aneinander angeord¬ nete Endplatten bestehen. In diesem Fall können die Kühlungsstrukturen auch als Aussparungen in beiden
Flachseiten bestehen, so daß sich nach dem Zusammen¬ geben beider Platten dann die Kühlungskanäle ausbil¬ den. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, daß ein zusätzlicher elektronisch leitfähiger Kühlkörper zwi- sehen den die bipolare Platte bildenden Endplatten eingefügt wird.
Der Vorteil dieser Bauweise mit Streifenmembranen liegt darin, daß nur noch eine Kühlstruktur für alle auf einer Streifenmembran vorhandenen Zelleinheiten vonnöten ist.
Die einzelnen Zellkomponenten, d.h. die Platten und die Streifenmembran werden gegebenenfalls mittels Dichtungen aneinandergepreßt, um die Brennstoffdich- tigkeit des gesamten Zellaufbaus zu gewährleisten. Bevorzugt werden dabei die Dichtungen zwischen Strei¬ fenmembran und Platten eingesetzt. Der Aufbau der Gesamtstruktur kann beispielsweise aus den Einzelflä-
chen erfolgen, die dann mittels Klebe- oder Schwei߬ technik dauerhaft miteinander verbunden werden.
Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorzüge der Erfin- düng ergeben sich anhand der Zeichungen. Hierbei zei¬ gen:
Figur 1 im vertikalen Schnitt die wichtigsten Bauteile einer PEM-Brennstoffzelle nach dem Stand der Technik
Figur 2 im vertikalen Schnitt den Aufbau einer erfindungsge¬ mäßen Streifenmembran in treppenförmiger Ausführung
Figur 3 im vertikalen Schnitt den Aufbau einer erfindungsge¬ mäßen Streifenmembran
Figur 4 im vertikalen Schnitt die wichtigsten Bauteile zum Aufbau einer erfindungsgemäßen PEM-Brennstoffzelle
Figur 5 zeigt in der Draufsicht den Aufbau einer zweidimen¬ sionalen Streifenmembran, wobei die einzelnen Strei¬ fenmembrane für eine redundante Parallelschaltung angeordnet sind
Figur 6 zeigt in der Draufsicht den Aufbau einer zweidimen¬ sionalen Streifenmembran, wobei hier die einzelnen Streifenmembrane hintereinander in Reihe geschaltet sind
Figur 7 zeigt im vertikalen Schnitt die wichtigsten Bauteile zum Aufbau eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellen- stacks.
Figur 1 zeigt die wichtigsten Bauteile zum Aufbau einer Brennstoffzelle nach dem Stand der Technik. Diese Zellen (z.B. A.J. Appley, E.B. Yeager, Energy 11, 137-152; 1986) bestehen aus zwei aus elektronisch leitfähigem Material gefertigten Endplatten 2 und 3 sowie aus einer Membran 1 und darauf beiseitig auf¬ gebrachten Elektroden 4 und 5. Die Gasdichtigkeit wird durch Zusammenpressen der Membran 1 und der End¬ platten 2, 3 mittels zweier Dichtungen 6 ermöglicht. Beim Zellaufbau nach dem Stand der Technik ist es nun so, daß die Endplatten 2 und 3 mit ihrer der der Mem¬ bran 1 zugewandten Seite auf die Membran aufdrücken. Dadurch kommt ein elektrischer Kontakt zustande und die Spannung kann abgegriffen werden. Zur Zuführung des Brennstoffes sind geeignete Zu- und Abführkanäle 7 vorgesehen. Zur besseren Verteilung der Brennstoffe weisen die Endplatten 2, 3 geeignete Verteilerstruk¬ turen 8 , 9 auf.
Figur 2 zeigt nun schematisch im vertikalen Schnitt den Aufbau einer erfindungsgemäßen Streifenmembran 17 in treppenförmiger Anordnung. Diese erfindungsgemäße Streifenmembran 17 besteht aus einer Anzahl von io- nischleitfähigen festen Polymermembranbezirken 10, wobei jede Seite eines Membranbezirks mit einer Elek¬ trodenstruktur beschichtet ist. Im Falle einer Was¬ serstoff/Sauerstoffbrennstoffzelle ist also jeder io- nischleitfähige Membranbezirk 10 mit einer Wasser¬ stoffelektrode 11 bis 13 und einer Sauerstoffelektro- de 14 bis 16 beschichtet und arbeitet so als Brenn-
stoffzelleneinheit. Je zwei benachbarte Membranbezir¬ ke 10 sind dabei aneinandergebunden, indem die untere Elektrode des ersten Membranbezirks (14) mit der obe¬ ren Elektrode (12) des zweiten Membranbezirks 10 elektronisch leitfähig, gasdicht und dauerhaft mit¬ einander verbunden ist. Auf diese Weise erfolgt eine membraninterne Reihenschaltung aller Brennstoffzel¬ leneinheiten in der Membran 17 und die gesamte Span¬ nung kann an der ersten Elektrode der oberen Membran- seite (Elektrode 11) und der letzten Elektrode der unteren Membranseite (Elektrode 16) abgegriffen wer¬ den. Eine derartige Streifenmembran 17 liefert gegen¬ über einer Einzelzelle eine dreimal so hohe Ausgangs¬ spannung, da sie drei beschichtete ionischleitfähige Membranbezirke enthält. Trotzdem benötigt eine solche Streifenmembran 17 nur eine Brennstoffversorgung für die obere Membranseite (Wasserstoff) und eine Brenn¬ stoffVersorgung für die untere Membranseite (Sauer¬ stoff) .
Diese erfindungsgemäße Streifenmembran ist aber nun nicht in den vorstehend beschriebenen Zellaufbau nach dem Stand der Technik integrierbar. Wenn nämlich eine derartige Streifenmembran in eine herkömmliche PEM- Brennstoffzelle nach dem Stand der Technik eingebaut würde, käme es aufgrund der elektrisch leitfähigen Endplatten zum Kurzschluß. Erfindungsgemäß wird des¬ halb ein Aufbau gemäß Figur 4 vorgeschlagen.
Figur 3 zeigt nun ebenfalls im Schnitt eine Streifen¬ membran 40, wobei hier die Streifenmembran 40 in Form von hintereinander angeordneten Einzelzellen 41 auf¬ gebaut ist. Die jeweiligen Einzelzellen 41 sind dabei durch Isolationsbezirke 42 von einander getrennt. Zwischen diesen Bezirken 42 sind rein elektronisch
leitende Bezirke 43 angeordnet. Entscheidend bei die¬ ser Streifenmembran ist, daß die untere Elektroden¬ fläche 44 der ersten Einzelzeil 41 über eine elektro¬ nisch leitfähige Beschichtung 45 mit der oberen Elek- trodenflache 46 der nächsten Einzelzelle 41 in Reihe verschaltet ist. Die periodische Abfolgung derartiger in Fig. 3 im Schnitt abgebildeten Einheiten bildet eine Streifenmembran.
Diese erfindungsgemäße Streifenmembran kann ebenso, wir vorstehend für die treppenförmige Ausgestaltung schon beschrieben, mit den erfindungsgemäßen Platten aus nichtelektronisch leitfähigem Material zu einer PEM-Brennstoffzelle aufgebaut werden.
Figur 4 zeigt nun ebenfalls schematisch im vertikalen Schnitt, vergleichbar mit Figur 1, die wichtigsten Bauteile zum Aufbau einer erfindungsgemäßen Brenn¬ stoffzelle. Erfindungsgemäß wird somit vorgeschlagen, Streifenmembrane einzusetzen, wobei die benötigten
Endplatten sowohl leitfähige wie auch nichtleitfähige Bezirke aufweisen, um einen Kurzschluß der einzelnen Elektrodenflächen einer Streifenmembran untereinander zu vermeiden. Demgemäß ist die Erfindung nicht nur auf die Streifenmembran gemäß der Ausführungsform nach Figur 2 beschränkt, sondern grundsätzlich können alle Streifenmembrane (z.B. auch die nach Fig. 3) eingesetzt werden, bei denen eine Reihenschaltung von hintereinander angeordneten Einzelzellen vorliegt. Erfindungswesentlich ist demnach die Kombination von Streifenmembranen und speziell ausgestalteten struk¬ turierten Platten. Wesentlich ist hier bei der Aus¬ führungsform nach Figur 3, d.h. wenn lediglich eine eindimensionale Streifenmembran (Elektrodenanordnung in einer Richtung) eingesetzt wird, daß nur die erste
oder nur die letzte Elektrode der Streifenmembran Kontakt mit dem elektronisch leitfähigen Bezirken der Endplatte hat und alle anderen Elektroden Kontakt mit dem nichtleitfähigen Plattenbereich haben.
In der Ausführungsform nach Figur 3 ist die PEM- Brennstoffzelle so aufgebaut, daß zwei Endplatten 18 und 19 vorgesehen sind, die zusammen mit der Membran¬ einheit 17 die Zelle bilden. Die Endplatten 18 und 19 haben elektrisch leitfähige Bezirke 20 und nicht¬ leitfähige Bezirke 21. Diese Bezirke sind so angeord¬ net, daß von der Streifenmembran 17 nur die erste Elektrode 11 auf der einen bzw. die letzte Elektrode 16 auf der anderen Membranseite elektrisch Kontakt zum leitfähigen Bezirk 20 der jeweiligen Endplatten 18, 19 hat. Alle anderen Elektroden stehen nur mit isolierendem Material in Kontakt. An diesen leitfähi¬ gen Bezirken 20 der Endplatten kann dann von außen die GesamtSpannung der Streifenmembranzelle abgegrif- fen werden, ohne daß einzelne Zelleinheiten der
Streifenmembran kurzgeschlossen werden können. Die strukturierten Endplatten 18, 19 enthalten, wie es an und für sich schon aus dem Stand der Technik bekannt war, Zu- bzw. Abführkanäle 22 für die Brennstoffe, die mittels geeigneter Strukturen auf sämtliche Elek¬ troden einer Membranseite verteilt werden. Diese Strukturen müssen deshalb sowohl in den leitfähigen als auch in den nichtleitfähigen Bezirken der End¬ platten integriert sein, um die BrennstoffVersorgung sämtlicher Elektroden sicherzustellen.
Die erfindungsgemäß vorgeschlagenen Platten können dabei, wie in der Beschreibung ausführlich geschil¬ dert, entweder aus einem elektrisch leitfähigen Grundkörper und darin eingesetzten entsprechenden
nichtleitfähigen Bezirken oder aus einem nichtleitfä- higen Grundkörper und entsprechend eingesetzten leit¬ fähigen Bezirken bestehen. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, daß entsprechende Grundkörper verwen- det werden und dann eine Beschichtung mit einem leit¬ fähigen oder einem nichtleitfähigen Material vorge¬ nommen wird. Wesentlich ist in allen Fällen, daß sie jeweils nur eine elektrische Kontaktierung der ersten bzw. letzten Elektrode einer Membranseite mit der letzten bzw. ersten Elektrode der anderen Membransei¬ te erfolgt.
Figur 5 zeigt nun in der Draufsicht schematisch den Aufbau einer erfindungsgemäßen zweidimensionalen Streifenmembran, wobei in der Ausführungsform nach Fig. 5 eine redundante Parallelschaltung vorliegt. Diese Membran besteht ebenfalls aus ionischleitfähi- gem Material 23, wobei die Elektrodenflächen A bis L auf beiden Elektrodenseiten sowohl waagerecht als auch senkrecht nebeneinander angeordnet sind. Die
Membran nach Fig. 5 ist dabei so aufgebaut, daß drei separate Reihenschaltungen auf der Membran vorliegen und zwar sind jeweils die Zelleneinheiten A, B, C, D, die Zelleneinheiten E, F, G, H und die Zelleneinhei- ten I, J, K, L gemäß dem Streifenmembranprinzip in¬ tern in Reihe verschaltet. Diese interne Reihenver¬ schaltung ist in Fig. 5 durch die Symbole 24 schema¬ tisch dargestellt, wobei beispielsweise die Verschal- tung zwischen den Elektrodenflächen so zu verstehen ist, daß die obere Elektrodenfläche, z.B. B, mit der unteren Elektrodenfläche, z.B. A, membranintern elek¬ trisch leitend verbunden ist. Auch in dieser Ausfüh¬ rungsform ist es möglich, daß die einzelnen Zellein¬ heiten durch nichtleitende Isolationsbezirke getrennt werden.
Erfindungsgemäß kann nun ebenfalls gemäß der Ausfüh¬ rungsform nach Fig. 4 eine PEM-Brennstoffzelle aufge¬ baut werden, wobei nun hier nur statt der dort be¬ schriebenen eindimensionalen Streifenmembran die vor- stehend beschriebene zweidimensionale Streifenmembran eingesetzt wird. Die erfindungsgemäßen Endplatten gemäß Fig. 3 erlauben in diesem Fall nun nicht nur, daß definierte Abgreifen der Reihenspannungen, son¬ dern erlauben zusätzlich auf einfache Art und Weise die weitere Verschaltung der einzelnen separaten Rei¬ henschaltungen auf der Membran. Dabei werden die drei separaten Reihenschaltungen nach Fig. 4 parallel ver¬ schaltet, so daß man eine redundante Stromversorgung erhält, da dann auch bei Ausfall einer der Reihen- Schaltungen die übrigen zwei weiterarbeiten können. Die Ausführungsform gemäß Fig. 5 in Verbindung mit Fig. 4 weist somit neben einer noch höheren Ausgangs¬ spannung den Vorteil auf, daß auch bei Ausfall einer Zelleneinheit die gesamte Brennstoffzelle weiterar- beiten kann.
Figur 6 zeigt nun eine weitere Ausführungsform einer zweidimensionalen Streifenmembran wieder schematisch in der Draufsicht. Die Ausführungsform nach Fig. 6 unterscheidet sich von der Ausführungsform nach
Fig. 5 dadurch, daß hier nicht die einzelnen Strei¬ fenmembranen über die Endplatten parallel geschaltet werden, sondern daß hier die einzelnen Streifenmem¬ brane zueinander selbst wiederum über die elektrisch leitenden Verbindungen 26 in Reihe geschaltet sind. Diese Membran besteht demnach ebenfalls aus einem ionischleitfähigem Material 25, wobei alle Elektro¬ denflächen A bis L auf beiden Elektrodenseiten sowohl waagerecht als senkrecht nebeneinander angeordnet sind. Alle Zelleneinheiten A bis L sind hierbei, wie
oben beschrieben, in Reihe verschaltet. Die Gesamt¬ spannung kann dann an der oberen Elektrode von Ein¬ heit A und der unteren Einheit von Einheit L abgenom¬ men werden. Auch in dieser Ausführungsform ist es möglich, daß die einzelnen Zelleinheiten durch nicht¬ leitende Isolationsbezirke getrennt werden. Der Span¬ nungsabgriff erfolgt wieder mit den vorstehend be¬ schriebenen Endplatten, z.B. gemäß Ausführungsform nach Fig. 4.
Figur 7 zeigt nun schematisch im vertikalen Schnitt die wichtigsten Bauteile zum Aufbau einer erfindungs¬ gemäßen PEM-Brennstoffzelle in Stackbauweise.
Dazu wird die erfindungsgemäße Streifenmembran an¬ statt der üblichen einfachen Membranelektrodeneinhei¬ ten eingesetzt. Die Ausführungsform nach Fig. 7 be¬ steht beispielshaft aus zwei Streifenmembranen 27 und 28, die mittels einer bipolaren Platte 29 und zwei Endplatten 30 und 31 zu einem Brennstoffzellenstack aufgebaut werden kann. Die Streifenmembranen 27, 28 sind mittels einer strukturierten bipolaren Platte 29 miteinanderverbunden. Die Gesamtzellspannung wird an den strukturierten Endplatten 30, 31 abgegriffen. Wesentlich im Aufbau der strukturierten bipolaren
Platte 29 ist, daß sie auf beiden Plattenseiten elek- trischleitfähige Bezirke 32 und nichtleitfähige Be¬ zirke 33 aufweist. Die Bezirke sind so angeordnet, daß von den jeweils angrenzenden Streifenmembranen 27, 28 nur die erste bzw. letzte Elektrode elektri¬ schen Kontakt zum leitfähigen Bereich 32 der bipola¬ ren Platte 29 hat. Alle anderen Elektroden stehen nur mit isolierendem Material in Kontakt. Die leitfähigen Bezirke 32 auf beiden Seiten der bipolaren Platte 29 müssen elektrisch leitfähig verbunden sein. Der Auf-
bau der Endplatten 30, 31 entspricht dabei bereits dem beschriebenen Aufbau der einfachen PEM-Brenn¬ stoffzelle in der Ausführungsform nach Fig. 4.
Die strukturierte bipolare Platte 29 enthält (nicht abgebildet) auf beiden Seiten wieder entsprechende Zu- bzw. Abführkanäle für die Brennstoffe, die dann auf beiden Plattenseiten mittels geeigneter Struktu¬ ren (z.B. Kanäle, Kanalgitter oder ähnliches) auf sämtliche Elektroden der jeweils angrenzenden Mem¬ branseite verteilt werden. Diese Strukturen müssen wieder sowohl in den leitfähigen als in den nicht¬ leitfähigen Bezirken der bipolaren Platte 29 inte¬ griert sein, um die BrennstoffVersorgung sämtlicher Elektroden sicherzustellen.
Der Aufbau sowohl der bipolaren Platte 29 wie auch der Endplatten 30, 31 entspricht dem in Fig. 4 und kann demnach sowohl aus elektrisch leitenden Grund- körpern bzw. elektrisch nichtleitenden Grundkörpern gefertigt sein.
Analog der Ausführungsform nach Fig. 4 ist es selbst¬ verständlich beim Brennstoffzellenstack auch möglich, die eindimensionale Streifenmembran durch die in
Fig. 5 und 6 beschriebene zweidimensionale Streifen¬ membran zu ersetzen. Dazu ist es nur erforderlich, daß dann die entsprechenden bipolaren Platten bzw. Endplatten entsprechend strukturiert sind, um sowohl einen Spannungsabgriff bei den Endplatten, wie eine elektrischleitfähige Verbindung der einzelnen Strei¬ fenmembrane durch die bipolaren Platten zu gewährlei¬ sten.