Elektrochemische Zellenanordnung in taschenförmiger Bauweise
Die Erfindung betrifft einen elektrochemischen Zellenstapel (Stack), vorzugsweise einen Zellenstapel für Membranbrennstoff- oder Membranelektrolyse-Zellen, gebildet aus mehreren parallel oder hintereinander geschalteten Einzelzellen, wobei alle Kathodenseiten der Einzelzellen und alle Anodenseiten der Einzelzellen in Taschen angeordnet sind, die durch eine ziehharmonikaförmig bzw. maanderformig gefaltete Elektrolytschicht gebildet werden und die an ihren oberen und unteren Stirnflächen verschlossen sind. Die Einzelzellen sind in bekannter Weise aus Elektroden mit Stromab- bzw. Zuleitern sowie gegebenenfalls Backing und Strömungsverteilern auf beiden Seiten der Elektrolytschicht aufgebaut, wobei die einzelnen Stromab- bzw. Zuleiter elektrisch so verschaltet werden, dass sich eine Reihen- oder Parallelschaltung ergibt. Dann kann Zu- oder Abfuhr des Anoden- fluids bzw. des Kathodenfluids für alle zur Anoden- bzw. Kathodenseite offenen Taschen des Anoden- bzw. Kathodenraums jeweils gemeinsam erfolgen, ohne dass die in einem Parallelplattenstapel übliche Einzelverteilung und Abdichtung aufeinander folgender Zellen erforderlich wäre. Stattdessen wird die Abdichtung zwischen Anoden- und Kathodenraum durch die gefaltete Elektrolytschicht und die beiden stirnseitigen Abdichtungen gewährleistet. Die Erfindung betrifft somit einen neuartigen Aufbau eines elektrochemischen Zellenstapels, der sich im Vergleich zu dem herkömmlichen Aufbau nach dem Prinzip eines Parallelplattensta- pels insbesondere durch eine einfache, gemeinsame Zugänglichkeit aller Anoden- und Kathodenräume, eine vereinfachte Abdichtung sowie durch eine geringere mechanische Spannungsbelastung und einen niedrigeren Flächenverbrauch des Elektrolytmaterials auszeichnet.
In elektrochemischen Zellen laufen an den Elektroden durch Elektronenzu- oder Abfuhr elektrochemische Reaktionen ab, bei denen entweder elektrische Energie verbraucht oder erzeugt wird. In beiden Fällen werden einzelne Zellen zweckmäßigerweise elektrisch so hintereinander geschaltet, dass die benötigte oder erzeugte elektrische Spannung ein Vielfaches der Einzelzellenspannung beträgt.
Die hintereinander geschalteten Zellen werden dabei zweckmäßigerweise in Form eines kompakten Zellenstapels („Stack") angeordnet.
Am weitesten verbreitet ist der Parallelplattenstack, bei dem Einzelzellen mit ebenen Elektroden und Elektrolytschichten so hintereinander angeordnet werden, dass die Elektroden bzw. die Stromableiter aufeinander folgender Zellen zu Bipolarelektroden bzw. Bipolarplatten zusammengefasst werden. Anodenfluid und Kathodenfluid müssen dann aber getrennt voneinander auf die Anoden- bzw. Kathodenräume jeder Einzelzelle verteilt und daraus abgezogen werden, wobei die Elektrodenräume jeweils von Strömungskanälen zwischen dem Elektrolyt und einer Seite der Bipolarelektrode bzw. Bipolarplatte gebildet werden. Dies erfordert eine komplexe Strömungsführung und -Verteilung sowie die sichere Abdichtung der einzelnen Elektrodenfluide gegeneinander und nach außen. Beides wird durch Verteilerrahmen zwischen den Einzelzellen und mit den Rahmen verbundene oder aufgelegte Dichtungen bewerkstelligt. Für die nötige Dichtungspressung müssen alle Einzelzellen beispielsweise mittels Zugankern und massiven Endplatten zu- sammengepresst werden. Dies kann mechanische Spannungen in den Elektrolytschichten induzieren, die zum mechanischen Versagen führen können. Da Polymerelektrolytmembranen in Abhängigkeit vom Wassergehalt der Elektrodenfluide unterschiedlich quellen bzw. schrumpfen, kann auch dies bei einer starren Ein- spannung der Membran zum Membranversagen führen. Außerdem werden die Zu- und Abführkanäle häufig durch Öffnungen innerhalb der Elektrolytschichten durch den ganzen Zellenstapel geführt. Das bedeutet, dass eine erheblich größere Elektrolytschichtfläche im Vergleich zu der elektrochemisch aktiven Fläche benötigt wird.
Fig. 1 zeigt am Beispiel einer Polymermembran-Brennstoffzelle den typischen Aufbau eines Membran-Brennstoffzellen-Stacks. Der Zellenstapel 10 umfasst eine Vielzahl von Wiederholungseinheiten, die jeweils eine Bipolarplatte 6, zwei Dichtungen 8 und die Membranelektrolytschicht 20 mit den auf beiden Seiten aufgebrachten, mit Katalysator beschichteten Elektroden 38 umfassen. An beiden Enden sind Endplatten 7 vorgesehen, in denen die Bohrungen 4 für die Führung der Zuganker angebracht sind. Mit diesen Zugankern wird der Plattenstapel zusam-
mengespannt, um die notwendigen Dichtungskräfte für die Flachdichtungen 8 aufzubringen. Durch das Zusammenpressen der (elastischen) Dichtungen 8 können Spannungen in den Elektrolytmembranen 20 induziert werden, die auf Dauer zu Rissen führen. Diese werden verstärkt, wenn (wie bei Polymermembran- Brennstoffzellen) die Elektrolytmembranen bei wechselnder Befeuchtung unterschiedlich quellen. Die Kanäle 32 dienen der Zu- und Abfuhr der Elektrodenfluide und gegebenenfalls von Kühlmittel und der Verteilung der Elektrodenfluide auf die Elektrodenräume beiderseits der Elektrolytmembran 20. Sie durchdringen die Elektrolytmembranen 20 und reduzieren damit deren wirksame Fläche auf die Elektrodenfläche 38.
Aus US 2003/0108783A1 ist eine Brennstoffzelle bekannt, bei der ausgehend von dem herkömmlichen Parallelplattendesign die Elektrolytschichtränder in Form von Klappen gefaltet werden, damit sie die Abdichtung der Elektroden bzw. die Trennung beider Elektrodenfluide erleichtern. Dadurch sollen die Flachdichtungen auf beiden Seiten der Elektrolytschicht entfallen. Allerdings steigt damit die Gefahr, dass die Elektrolytschicht an den gefalteten und durch die Zuganker verpressten Ecken aufreißt. Zusätzlich nimmt der Flächenverbrauch an Elektrolytmembranmaterial durch die Faltung zu.
Obwohl sich in der Fach- und Patentliteratur noch zahlreiche Vorschläge finden, wie jeweils einige der beschriebenen Nachteile von Parallelplattenstacks reduziert werden können, lassen sich ihre vorgenannten prinzipiellen Nachteile nicht grundsätzlich vermeiden.
Einen anderen Weg gehen die sogenannten planaren Zellkonzepte, bei denen eine durchgehende Trennschicht den gesamten Anoden- vom gesamten Kathodenraum trennt. Aus DE 43 29 819 A1 ist eine solche elektrochemische Zelle bekannt, die in Form einer Streifenmembran ausgebildet ist. In Fig. 2 ist das Funktionsprinzip für den Fall der Polymer-Elektrolyt-Membran(PEM)-Brennstoffzelle veranschaulicht. Die Streifenmembran besteht aus aufeinanderfolgenden Elektrolytschichtelementen, mit jeweils auf beiden Seiten der Elektrolytschicht 20 aufgebrachten Elektroden 38, sowie Kontakt- 34 bzw. Isolierelementen 36. Anoden- 14
und Kathodenraum 16 befinden sich auf gegenüberliegenden Seiten der Streifenmembran und müssen nach außen und gegeneinander abgedichtet werden. Für die Reihenschaltung wird jeweils die Anode einer Zelle mit der Kathode der Nachbarzelle durch die Kontaktelemente 34 miteinander verschaltet. Femer ist in DE 43 29 819 A1 auch eine treppenförmige Anordnung zur Reihenverschaltung der Einzelzellen beschrieben. Dadurch entfallen die Kontakt- und Isolierelemente und die Elektroden 38 übernehmen die Funktion der Stromab- bzw. zuleiter.
Da die Kontaktierung der Einzelzellen über die Kanten erfolgt, ist der Kontaktwiderstand groß. Um das Problem zu lösen, ist in DE 195 39 959 C2 eine andere Variante für eine Brennstoffzellenanordnung beschrieben. Ihr Prinzip ist in Fig. 3 dargestellt. In dieser Anordnung wird eine durchgängige Elektrolytschicht 20 eingesetzt. Zur Hintereinanderschaltung der Elektroden 38 werden diese örtlich hintereinander auf beide Seiten der Elektrolytschicht 20 und elektrisch getrennt voneinander aufgebracht und über die Ränder durch Stromab- bzw. zuleiter 34 miteinander verschaltet. Dabei wird die gesamte Elektrodenfläche 38 durch Strom- kollektorplatten kontaktiert. Das Anodenfluid strömt dann jeweils auf der einen Seite, das Kathodenfluid auf der anderen Seite der ebenen Elektrolytschicht 20 und muss nach außen und gegenüber dem anderen Elektrodenfluid abgedichtet werden.
Wegen des hohen Flächenbedarfs sind planare Konzepte bisher auf elektrochemische Zellen kleiner Leistung beschränkt.
Aus US 5,709,961 und US 6,054,228 ist ein (Membran-)Brennstoffzellensystem bekannt, das auf einer modifizierten planaren Anordnung beruht. Im Gegensatz zu Fig. 3 ist die Elektrolytschicht nicht durchgehend ausgebildet. Vielmehr besteht die planare Anordnung aus einer Folge von (metallischen) Bipolarrahmen 9, die dachziegelförmig überlappend angeordnet sind und zwischen denen sich jeweils getrennte Elektrolytschichten 20 befinden, wie in Fig. 4 dargestellt. Der Anodenraum 14 befindet sich dabei immer auf der einen Seite, der Kathodenraum 16 auf der Rückseite der Anordnung. Für die Trennung beider Elektrodenfluidräume sind sogenannte Gasbarrieren, eine Art Flachdichtungen 8,
auf den gegeneinander abzudichtenden Seiten in den Elektroden 38 integriert. Die planare Anordnung kann auch einmal gefaltet und seitlich abgedichtet werden. Dadurch ergibt sich eine geschlossene Tasche beispielsweise für das Anodenfluid (Wasserstoff), während das Kathodenfluid (Luft) die Tasche von außen umströmt. Mehrere Taschen können mit den entsprechenden Zu- und Abführungsleitungen für das Anodenfluid übereinandergestapelt und elektrisch verbunden werden. Insgesamt ist die beschriebene Anordnung durch den diffizilen dachziegelförmigen Aufbau und die vielen Dichtflächen zwischen Elektrolytschicht und Bipolarrahmen ebenfalls fertigungstechnisch komplex und potenziell fehleranfällig.
Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine elektrochemische Zellenanordnung bereitzustellen, bei der im Gegensatz zu den herkömmlichen Parallelplattenstapelkonzepten, wie in Fig. 1 gezeigt, die Abdichtung der Zellen ohne das Ausüben einer Dichtungskraft realisiert wird und die eingesetzte Elektrolytschichtfläche besser ausgenutzt wird. Ferner soll im Gegensatz zu den planaren Anordnungen, wie in den Fig. 2 bis 4 dargestellt, ein kompaktes Volumen ohne großen Grundflächenbedarf erzielt werden. Im Gegensatz zu dem dachziegelförmigen Aufbau mit gestapelten Taschen, wie in Fig. 4 dargestellt, soll zudem ein einfacherer Aufbau mit weniger Dichtflächen und einfacher Strömungsführung erreicht werden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die in den Ansprüchen gekennzeichneten Ausführungsformen gelöst.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine elektrochemische Zelle, insbesondere PEM-Brennstoffzelle oder Elektrolysezelle, bereitgestellt, die dadurch gekennzeichnet ist, dass eine feste, gasdichte, Elektrolyt enthaltende Schicht (20) („Membran") in einem Gehäuse (48, 49) entweder maanderformig gefaltet oder so stückweise gasdicht miteinander verbunden ist, dass mäanderförmige Falttaschen (12) gebildet werden, dass diese Falttaschen (12) an ihren Stirnflächen (19) gegen die Nachbartaschen und/oder das Gehäuse abgedichtet sind, so dass der gesamte Taschenraum auf der einen Seite der Faltung („Anodenraum") (14) von
dem gesamten Taschenraum der anderen Seite der Faltung („Kathodenraum") (16) getrennt ist und alle Falttaschen des Anodenraums von einem Anodenfluid und alle Falttaschen des Kathodenraums von einem Kathodenfluid getrennt voneinander durchströmt oder überströmt werden und die Elektrolytschicht (20) auf beiden Seiten der Falttaschen in üblicher Weise mit Elektrodenkatalysator (22), Backing (24), flow field (30) und Stromab- bzw. zuleitern (34) versehen ist, so dass eine Folge von Elektroden-Membran-Einheiten (EMEs) (26) gebildet wird und die Stromab- bzw. zuleiter (34) jeder EME elektrisch so mit den Stromabbzw, zuleitern benachbarter EMEs verbunden sind, dass je nach Anforderung eine elektrische Parallel- oder Reihenschaltung der einzelnen EMEs erzeugt wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein von der Membran gasdicht umschlossener Elektrodenraum dadurch gebildet, dass das eine Ende der gefalteten Membran mit dem anderen Ende der gefalteten Membran gasdicht verbunden ist oder dass mehrere Membranfaltungen an ihren Enden gasdicht miteinander verbunden sind. In einer spezifischen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die Faltung so um einen zylinderförmigen Kern herum angeordnet, dass die Falttaschen (12) sternförmig von dem Kern abstehen, und der eine Elektrodenraum (14) nach innen zum zylinderförmigen Kern und der andere Elektrodenraum (16) nach außen geöffnet ist und gegebenenfalls ein Außengehäuse (48) die Faltanordnung zylinderförmig umschließt.
In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind die Elektrodenräume an den Stirnflächen (19) der Faltanordnung und gegebenenfalls zum gemeinsamen Gehäuse durch Vergussmasse (18) gasdicht verschlossen, wobei als Vergussmasse beispielsweise eine elastisch aushärtbare Polymermasse, wie insbesondere eine elastisch aushärtbare siliziumhaltige Polymermasse, eine Keramikmasse oder ein Lot zum Einsatz kommt und die Haftung der Vergussmasse an den abzudichtenden Elementen gegebenenfalls durch eine Vorbehandlung (Grundierung, Haftvermittler etc.) sichergestellt oder verbessert wird.
In noch einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind die EMEs (26) elektrisch in Reihe geschaltet, wozu die Stromab- bzw. zuleiter (34) der
beiden EME-Hälften in jeder Falttasche (12) elektrisch voneinander isoliert sind und ihre elektrischen Anschlüsse entweder durch die Vergussmasse (18) an den Stirnflächen (19) oder durch die seitliche Öffnung der Falttaschen nach außen geführt und dort mit den Anschlüssen der Stromab- bzw. zuleiter (34) der Nachbartaschen verbunden werden.
Vorzugsweise sind die Stromab- bzw. zuleiter (34) so profiliert oder aus mehreren Elementen zusammengesetzt, dass sie Strömungskanäle (32) für die gerichtete Durchströmung der Falttaschen (12) formen. In den Falttaschen (12) können Elemente zum Zwecke der gerichteten Strömungsführung (flow field, (30)) und/oder zur elektrischen Stromab- bzw. zufuhr (34) eingebaut sein, die sich auf seitlichen Druck elastisch verformen, sobald über das Gehäuse (49) eine seitliche Druckkraft (50) auf alle Falttaschen (12) ausgeübt wird, so dass die aufgeprägte Federspannung dieser Elemente für einen dauerhaft guten mechanischen Kontakt zwischen Elektrolytschicht (20), Katalysatorschicht (22), Backing (24) und Stromabbzw, zuleitern (34) sorgt. Darüberhinaus können in vorbestimmten Falttaschen (12) Vorrichtungen zur Wärmeab- oder zufuhr angeordnet sein, die von einem Wärmeträgerfluid durchströmt werden, wobei die Zu- und Abfuhr des Wärmeträ- gerfluids über Leitungen durch die vergossenen Stirnflächen (19) oder durch die seitlichen Taschenöffnungen erfolgt. Erfindungsgemäß kann eine Wärmeabfuhr dadurch vorgesehen werden, dass die Stromab- bzw. Zuleiter (34) oder weitere in den Falttaschen liegende Flächen als Kühlrippen (52) ausgebildet und durch die vergossenen Stirnflächen (19) oder die seitlichen Taschenöffnungen nach außen geführt werden. Das Anodenfluid und/oder das Kathodenfluid kann ferner über Zuführungskanäle (40) in den seitlichen Taschenöffnungen zugeführt werden, innerhalb der Falttaschen (12) in Richtung der Stirnflächen (19) strömen und durch Abführungskanäle (42) in den seitlichen Taschenöffnungen abgezogen werden. Alternativ kann das Kathodenfluid und/oder das Anodenfluid parallel zu den Stirnflächen (19) durch die Falttaschen (12) strömen, wobei am Grund jeder Falttasche ein Sammelkanal (44) das Elektrodenfluid aufnimmt oder verteilt und das Elektro- denfluid über eine bestimmte Höhe der Falttaschen (12) in diese einströmt, vom Sammelkanal (44) aufgenommen und umgelenkt wird und über eine bestimmte Höhe der Falttaschen wieder zurückströmt. Das Kathodenfluid und/oder das An-
odenfluid kann aber auch über der gesamten Höhe der Falttaschen (12) parallel zu den Stirnflächen (19) durch die Falttaschen (12) strömen und von einem Sammelkanal (44) am Grund jeder Falttasche aufgenommen bzw. verteilt werden, wobei der Sammelkanal (44) durch eine oder beide der vergossenen Stirnflächen (19) geführt wird und alle Sammelkanäle ihren gemeinsamen Zu- bzw. Ablauf in einem Anschlusskopf außerhalb der vergossenen Stirnflächen (19) besitzen.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Polymermembran- Brennstoffzelle, die derart gestaltet ist, dass die Luft und gegebenenfalls auch das Brenngas jeweils über eine saugfähige, poröse Struktur (46), die auf den Falttaschen (12) aufgelegt wird, in diese Falttaschen gedrückt oder gesaugt und dabei befeuchtet wird und die saugfähige poröse Struktur (46) entweder periodisch mit Wasser getränkt wird oder an einer Seite mit Wasser in Verbindung steht, so dass sich das Wasser durch Kapillarwirkung selbständig und gleichmäßig über der porösen Struktur (46) verteilt. Vorzugsweise kann die poröse Struktur (46) auf bzw. zwischen den aus den Taschen der Kathodenseite herausragenden Kühlrippen (52) so angeordnet sein, dass die Befeuchtung der Luft in etwa bei der Temperatur der Kühlrippen erfolgt.
Noch ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Direktmethanol-Brennstoffzelle, die derart gestaltet ist, dass der Anodenraum (14) mit dem flüssigen Methanol-Wasser-Gemisch gefüllt ist und die bei der Anodenreaktion gebildeten Kohlendioxidblasen durch Zwangs- oder Naturkonvektion mit dem Methanol-Wasser-Gemisch aus den Anodentaschen (12) transportiert werden.
Die erfindungsgemäße elektrochemische Zellenanordnung geht von einer plana- ren Anordnung nach Fig. 3 aus. Allerdings wird die im Rahmen der vorliegenden Erfindung vorgesehene Elektrolytschicht dabei jeweils zwischen den Einzelelektroden maanderformig gefaltet, so dass Falttaschen gebildet werden. Diese Falttaschen werden an ihren Stirnflächen gegen die Nachbartaschen und das Gehäuse so abgedichtet, dass der gesamte Taschenraum auf einer Seite der Faltung („Anodenraum") von dem gesamten Taschenraum auf der anderen Seite der Faltung („Kathodenraum") getrennt ist. Alle Taschen des Anoden- bzw. Kathoden-
raums werden vom Anoden- bzw. Kathodenfluid getrennt und parallel zueinander durchströmt. Die Elektrolytschicht wird auf beiden Seiten der Falttaschen in bekannter Weise mit Elektrodenkatalysator und Stromab- bzw. zuleitern sowie gegebenenfalls Backing und Strömungsführung („flow field") versehen. Im Falle von Membran-Brennstoffzellen entsteht auf diese Weise eine Folge von Elektrode- Membran-Elektrodeeinheiten (EMEs). Die Stromab- bzw. zuleiter in den Falttaschen können herausgeführt und so miteinander elektrisch verbunden werden, dass sich je nach Bedarf eine Parallel- oder Reihenschaltung der zwischen zwei Falttaschen gebildeten Einzelzellen ergibt. Bei Reihenschaltung sind dazu die Stromab- bzw. zuleiter in jeder Tasche doppelt auszuführen und gegeneinander elektrisch zu isolieren. Auf diese Weise wird eine kompakte Bauweise mit hoher Leistungsdichte erzeugt.
Die Falttaschen werden in einem Gehäuse angeordnet, so dass zwei gegeneinander gasdicht verschlossene Räume in dem Gehäuse entstehen. Das Gehäuse weist dann noch üblicherweise entsprechende Zuführungen für beide Elektrodenfluide auf den jeweiligen Seiten auf.
Die erfindungsgemäße mäanderförmige Faltung der Elektrolytschicht bietet sich bei flexiblen Elektrolytschichten, insbesondere bei polymeren Elektrolytmembranen an. Bei spröden Elektrolytschichten kann ein vergleichbarer Taschenaufbau dadurch erreicht werden, dass die ebenen Elektrolytwände jeder Tasche an einer bzw. drei Seite(n) gasdicht miteinander verbunden werden. Eine den lonenstrom unterbrechende Verbindung hat dabei den zusätzlichen Vorteil, Querströme (lonenströme durch den Elektrolyt) zwischen den Einzelzellen sicher zu verhindern.
Das Anoden- bzw. Kathodenfluid wird in der Regel parallel auf alle Anoden- bzw. Kathodentaschen verteilt. Die Strömungsführung innerhalb der jeweiligen Faitta- schen kann durch zwischen den Elektroden und Stromab- bzw. zuleiter angeordnete Abstandshalter (Spacer) und Strömungsführungen (flow fields) erleichtert werden. Diese Elemente können auch in einem Bauteil vereint sein, zum Beispiel durch Profilierung der Stromab- bzw. zuleiter. Die Faltanordnung wird von einem
Gehäuse umschlossen und an den beiden Stirnflächen gasdicht so verschlossen, dass der Anodenraum vollständig vom Kathodenraum getrennt ist. Im Fall einer Polymermembran-Brennstoffzelle oder -Elektrolysezelle bieten sich dafür elastische polymere Vergussmassen an, die mit der Membran, den Stromab- bzw. zuleitern und dem Gehäuse eine gasdichte Verbindung eingehen. Derartige elastische polymere Vergussmassen sind einem Fachmann bekannt.
Die erfindungsgemäße Anordnung erlaubt eine flexible Strömungsführung der Elektrodenfluide. Die Zuführung bzw. Abführung der Elektrodenfluide kann entweder über die seitlichen Taschenöffnungen oder durch die Stirnflächen erfolgen.
Zur Verbesserung der elektrischen Kontaktierung der Einzelzellen können die Abstandshalter oder Strömungsführungen federnd aufgebaut bzw. gestaltet sein. Dann wird beim Zusammenbau des Gehäuses auf die Ziehharmonikafaltung eine seitliche Druckkraft ausgeübt, die für eine permanente Anpressung der Elektroden auf die Elektrolytschicht sorgt. Im Gegensatz zu der seitlichen Druckkraft beim Zusammenbau eines herkömmlichen Parallelplattenstapels, mit der sowohl eine ausreichende Dichtungspressung wie eine gute Kontaktierung erreicht werden muss, dient hier die seitliche Druckkraft ausschließlich zur besseren Kontaktierung. Damit lässt sie sich gezielt einstellen und induziert keine seitliche Zugbeanspruchung der Elektrolytschicht.
Die Temperierung der Zellanordnung kann durch in die Taschen eingelegte Temperierelemente bewirkt werden, die von einem Wärmeträger durchströmt werden. Alternativ können bei kleineren Anordnungen die Stromab- oder zuleiter so ausgebildet und über die Stirnflächen bzw. die seitlichen Taschen nach außen geführt werden, dass von außen eine Art Rippenkühlung erfolgt.
Femer ist es erfindungsgemäß auch möglich, dass die einzelnen Zellen durch eine außen liegende Schalteinrichtung unterschiedlich verschaltet werden. Dies kann vorteilhaft sein, wenn z.B. die Spannung bzw. die Stromstärke für ein bestimmtes System angepasst werden soll und/oder wenn eine Zelle eine zu niedri-
ge Leistung zeigt, wenn beispielsweise der Elektrodenkatalysator jener Zelle geschädigt ist.
Nachfolgend werden mehrere Ausführungsformen der erfindungsgemäßen elektrochemischen Zellanordnung am Beispiel einer Polymerelektrolytmembran-(PEM- )-Brennstoffzelle beschrieben, ohne darauf beschränkt zu werden. Die Beispiele lassen sich mit den notwendigen Modifikationen, wie sie einem Fachmann bekannt sind, auch auf andere Brennstoffzellentypen und auf Elektrolysezellen übertragen.
Es zeigen:
Fig. 1 einen herkömmlichen Zellenstapel in Parallelplattenanordnung, Fig. 2 eine herkömmliche planare Zellanordnung nach dem Prinzip der Streifenmembran,
Fig. 3 eine herkömmliche planare Zellanordnung mit durchgehender Elektrolytschicht 20,
Fig. 4 eine planare Zellanordnung mit ziegeiförmiger Überlappung der Bipolarrahmen 9,
Fig. 5 eine perspektivische Ansicht der gefalteten Elektrolytschicht eines erfindungsgemäßen Zellenstapels 10,
Fig. 6 einen Querschnitt durch einen Zellenstapel 10 längs A-B gemäß Fig. 5, Fig. 7 eine Seitenansicht auf die aktive Elektrodenfläche 38 einer Falttasche 12 gemäß Fig. 5 für die Strömungskonfiguration gemäß Anspruch 10, Fig. 8 eine Seitenansicht auf die aktive Elektrodenfläche 38 einer Falttasche 12 gemäß Fig. 5 für die Strömungskonfiguration gemäß Anspruch 11, sowie den Schnitt längs G-H,
Fig. 9 eine Seitenansicht auf die aktive Elektrodenfläche 38 einer Falttasche 12 gemäß Fig. 5 für die Strömungskonfiguration gemäß Anspruch 12, sowie einen Querschnitt längs C-D,
Fig. 10 einen Schnitt durch eine PEM-Brennstoffzelle gemäß Anspruch 13 und 14 mit Kühlrippen 52 und integrierter Luftbefeuchtung 46, bei der nur die Kathodenseite detailliert gezeichnet ist,
Fig. 11 einen Längsschnitt durch die Anodenseite einer Direktmethanol-Brennstoffzelle gemäß Anspruch 15,
Fig. 12 einen Schnitt durch eine Membran-Brennstoffzelle, die gemäß Anspruch 2 durch zwei miteinander gasdicht verbundene Membranfaltungen aufgebaut ist, so dass der Anodenraum 14 vollständig von der Membran 20 (und den beiden Endplatten 48) umschlossen ist,
Fig. 13 einen Schnitt durch eine Membran-Brennstoffzelle, bei der die Falttaschen 12 gemäß Anspruch 3 um einen zylinderförmigen Kern herum angeordnet sind, Fig. 14 die mit einem erfindungsgemäßen PEM-Brennstoffzellenstapel, aufgebaut aus fünf in Reihe geschalteten Einzelzellen, gemessene Strom-Spannungs- Kennlinie, und Fig. 15 die zu Fig. 14 gehörende Leistungskurve des PEM-Brennstoffzellenstacks.
Die Figuren 1 bis 4 wurden bereits im einleitenden Teil der Beschreibung zum Stand der Technik erläutert.
Fig. 5 zeigt das Schema der gefalteten Elektrolytschicht eines erfindungsgemäßen Zellenstapels 10 am Beispiel einer PEM-Brennstoffzelle oder einer PEM- Elektrolysezelle. Die Elektrolytschicht 20 ist als Polymerelektrolytmembran ausgebildet und maanderformig gefaltet. Die dabei entstehenden einzelnen Falttaschen 12 sind jeweils zum Anodenraum 14 bzw. Kathodenraum 16 geöffnet. An den beiden Stirnflächen 19 sind die Falttaschen 12 gegeneinander und nach außen durch eine Vergussmasse 18 abgedichtet.
Fig. 6 zeigt einen Querschnitt durch einen Zellenstapel 10 gemäß Fig. 5 längs A-B, in welchem die einzelnen Komponenten innerhalb der Falttaschen 12 im Detail zu erkennen sind. Innerhalb der Falttaschen befinden sich auf beiden Seiten der Elektrolytschicht 20 je eine Elektroden-Katalysatorschicht 22 mit Elektro- den-Backing 24. Die Elektrolytmembran bildet zusammen mit den beiden Elektrodenkatalysatoren und dem Backing die so genannte Elektroden-Membran-Einheit (EME) 26. Femer sind zwischen den beiden EME-Hälften innerhalb einer Falttasche 12 elektrisch leitende, wellenförmig profilierte Elemente 30 vorhanden, die zur Verteilung und Führung der Elektrodenfluide dienen (flow fields). Sie können
aus einem geeigneten Metallblech geformt sein. Die Elemente 30 bilden für die EMEs 26 gleichzeitig die Stromab- bzw. zuleiter 34 oder stehen mit diesen in elektrisch leitender Verbindung. Die profilierten Elemente 30 können in Schutzrahmen 28 aus einem geeigneten, elektrisch nichtleitenden Kunststoff eingelegt sein, um die Membranfaltung zu schützen. Neben dem Schutz der Elektrolytschicht 20 vor mechanischen Beschädigung am Grund jeder Falttasche 12 können diese Schutzrahmen 28 der Strömungsführung innerhalb der Falttaschen dienen, wie im Folgenden an Fig. 7 erläutert wird.
Für eine Reihenschaltung der Einzelzellen müssen die Stromab- bzw. zuleiter 34 innerhalb einer Falttasche 12 doppelt vorhanden und gegeneinander isoliert sein. Dies erfolgt in Fig. 6 durch eine zwischen den beiden Stromab- bzw. zuleitern angeordnete elektrische Isolierung 36. Die elektrische Hintereinanderschaltung der Einzelzellen über die Stromab- oder zuleiter 34 ist in Fig. 6 angedeutet. Die elektrische Verbindung findet vorzugsweise über die Stirnflächen 19 statt, z.B. eingebettet in die Vergussmasse 18.
Die Faltanordnung von Fig. 6 ist von dem angedeuteten äußeren Gehäuse 48, 49 umgeben. Beim Zusammenbau kann über die Gehäuseseitenteile 49 eine Druckkraft in Richtung der Pfeile 50 ausgeübt werden, durch welche die wellenförmig profilierten Elemente 30 vorgespannt werden. Dadurch werden die Katalysatorschichten 22, die Elektroden-Backings 24, die Elektrolytschichten 20 und die Stromab- bzw. zuleiter 34 permanent aufeinandergepresst, was über einen verbesserten Kontakt zu einem verbesserten Zellenverhalten führen kann.
In Fig. 7 bis 9 sind verschiedene erfindungsgemäße Strömungsführungen für die Elektrodenfluide gezeigt. In Fig. 7 wird das Elektrodenfluid über die in den Schutzrahmen 28 eingearbeiteten Zuführungskanäle 40 von der offenen Seite den Falttaschen zugeführt, strömt innerhalb der Falttaschen in Richtung der Stirnflächen 19 und wird durch die in den Schutzrahmen 28 eingearbeiteten Abführungskanäle 42 wieder seitlich abgezogen. Die Strömungsführungselemente 30 sind dabei so profiliert, dass sie die hier vertikale Strömungsführung unterstützen.
In Fig. 8 wird das Elektrodenfluid seitlich über eine bestimmte Höhe der Falttaschen zugeführt, strömt horizontal (parallel zu den Stirnflächen 19) durch die Falttaschen 12, wird am Grund jeder Falttasche über einen porösen oder mit seitlichen Öffnungen versehenen Sammelkanal 44 aufgenommen und umgelenkt und strömt außerhalb des Zuströmungsbereichs wieder zurück. Die Strömungsführungselemente 30 sind dabei so profiliert, dass sie die horizontale Strömung unterstützen. Der Sammelkanal 44 schützt in diesem Fall die Faltung der Elektrolytschicht 20 am Grund jeder Falttasche 12 vor mechanischer Beschädigung durch die Elemente 30. Der Sammelkanal 44 kann mit dem Rahmen 28 verbunden sein, der die Strömungsführung und -umlenkung unterstützt. Neben der gezeigten zentralen Zuführung mit zwei Abführungen sind selbstverständlich auch verschiedene Kombinationen mit ein- oder mehrfachen Zu- und Abführungen sowie mäander- förmigem (mehrmals zwischen Ein- und Ausströmung wechselndem) Strömungsverlauf möglich.
In Fig. 9 strömt das Elektrodenfluid über die gesamte Höhe der Falttaschen 12 parallel zu den Stirnflächen 19, wird am Grund jeder Falttasche 12 über einen Sammelkanal 44 aufgenommen und im Sammelkanal 44 durch eine der vergossenen Stirnflächen 19 nach außen geführt. In ähnlicher Weise kann das Anodenfluid durch Strömungskanäle 44 über die eine Stirnfläche, das Kathodenfluid durch entsprechende Strömungskanäle über die andere Stirnfläche zugeführt und jeweils seitlich aus den Taschen abgeführt werden. Selbstverständlich sind alle Strömungsführungen der Fig. 7 bis 9 für das Anodenfluid mit allen Strömungsführungen für das Kathodenfluid kombinierbar, wobei die Strömungsrichtungen auch geändert werden können.
Im Fall einer Membran-Brennstoffzelle mit Wasserstoff-Luftbetrieb stellt sich die Aufgabe, die Elektrodengase, mindestens aber die Luft, so zu befeuchten, dass die Membran nicht austrocknet. Dies erfordert eine Anpassung der Sättigungstemperatur des Befeuchters an die (mittlere) Temperatur der Membranbrennstoffzelle. Außerdem sollte die Temperatur der Brennstoffzelle durch eine ausreichende Wärmeabfuhr begrenzt werden. Bei der Faltanordnung nach Fig. 5
besteht die Standardlösung der Wärmeabfuhr darin, in die Falttaschen Wärmeabfuhrelemente einzubringen, die von einem Wärmeträger durchströmt werden. Die Wärmeabfuhrelemente werden dabei zweckmäßigerweise in die profilierten Stromabfuhrelemente 30 integriert. Die Zu- und Abfuhr des Wärmeträgers kann dabei jeweils über die seitlich geöffneten Taschen oder durch die Stirnflächen 19 erfolgen.
Bei kleinen Einheiten kann eine Wärmeabfuhr auch durch Kühlrippen erfolgen. Eine erfindungsgemäße Ausführungsform für Membranbrennstoffzellen mit Was- serstoff-Luftbetrieb zeigt Fig. 10. Dabei ist nur die Luftseite detailliert dargestellt. Die Elemente 13 der Wasserstoffseite können z. B. einen Aufbau wie in Fig. 6 aufweisen. Auf der Luftseite sind die profilierten Elemente 30 zweckmäßigerweise aus einem gut wärmeleitenden Material ausgebildet und so verlängert, dass sie als Kühlrippen 52 seitlich aus den geöffneten Falttaschen12 herausragen. Alternativ kann eine separate, gut wärmeleitende Kühlrippe elektrisch isoliert zwischen die beiden profilierten Elemente 30 bzw. die Stromableiter 34 geschoben und seitlich nach außen geführt werden. Der äußere Teil der Kühlrippe 52 wird dann durch Naturkonvektion oder Anblasen mit Umgebungsluft gekühlt. Ein Teil der Luft wird nach Art von Fig. 9 über ein Gebläse außerhalb einer der beiden Stirnflächen 19 durch die Strömungskanäle 44 angesaugt. Die Luft strömt dabei über eine poröse, saugfähige, mit Wasser befeuchtete Struktur 46, die auf und zwischen den Kühlrippen 52 angeordnet ist und damit weitgehend die Kühlrippentemperatur annimmt. Die poröse Struktur 46 wird in der Regel entweder periodisch mit (entkalktem) Wasser getränkt oder steht an einer Seite mit einem Wasserreservoir in Verbindung, so dass sich das Wasser durch Kapillarwirkung selbständig und gleichmäßig über die poröse Struktur verteilt. Auf diese Weise erfolgt die Luftbefeuchtung stets mit einer Sättigungstemperatur, die in etwa der Zellentemperatur entspricht und damit eine ausreichende Membranbefeuchtung gewährleistet. Gleichzeitig wird die Verdunstungswärme des Befeuchtungswassers zur Kühlung der Zelle genutzt.
Im Fall einer Direktmethanol-Brennstoffzelle mit flüssigem Methanol- Wassergemisch als Brennstoff bietet sich ein erfindungsgemäßer Aufbau gemäß
Fig. 11 an, bei der die Faltung waagrecht angeordnet ist und die Öffnungen der Falttaschen für die (flüssigkeitsgefüllte) Anodenseite nach oben weisen. Das Methanol-Wassergemisch wird dann von einer Umwälzpu rmpe oder durch die Bla- senauftriebsströmung durch die Zelle im Kreis geführt, um das gebildete CO2 sowie die freigesetzte Wärme abzuführen. Dabei kann der Zustrom des Methanol- Wassergemischs durch Sammelkanäle 44 über eine (oder beide) Stimfläche(n) erfolgen. Es strömt dann in den Falttaschen von unten nach oben, wobei es die gebildeten CO2-Blasen mitnimmt.
Neben den in den Fig. 5 bis 10 gezeigten Anordnungen mit durch ein Gehäuse abgeschlossenen Elektrodenräumen kann ein Elektrodenraum auch vollständig von der Membran umschlossen werden. Fig. 12 und 13 zeigen zwei Ausführungsformen im Querschnitt. Diese Anordnungen bieten sich immer dann an, wenn ein Elektrodenraum 16 mit der Atmosphäre in Kontakt stehen soll. Typische Beispiele sind luftatmende Kleinbrennstoffzellen mit Wasserstoff- oder Methanol als Brennstoff, sowie Elektrolysezellen zur Erzeugung von Wasserstoff (aus Wasser), Chlor (aus wässriger HCI) oder Sauerstoff (aus Wasser). Wenn in den letzten beiden Fällen die Kathoden mit der Umgebung in Kontakt stehen, erfolgt die Reduktion von H+ mit Luftsauerstoff zu Wasser. In Fig. 12 sind am Beispiel der Wasserstoff- oder Direktmethanol-Brennstoffzelle zwei Faltungen gasdicht so miteinander verbunden, dass der Kathodenraum 16 gegenüber der Umgebung offen ist und der Anodenraum 14 von der Elektrolytmembran 20 und den beiden Endplatten vollständig umschlossen ist. Dabei kann es sich anbieten, in den Falttaschen des Anodenraums 14 nur jeweils ein elektrisch leitendes profiliertes Element 30 anzuordnen. Dann müssen die beiden äußeren Gegenelektroden in den Falttaschen des zur Umgebung offenen Kathodenraums 16 durch Kontaktbrücken 55 elektrisch verbunden werden, um eine Elektrode-Membran-Einheit (EME) 26 zu bilden. Die erforderliche Kontaktpressung kann wiederum über Endplatten 49 erfolgen, die mittels einer Kraft 50 zusammengepresst werden.
Alternativ kann die Faltung gemäß Fig. 13 auch so um einen zylinderförmigen Kern herum angeordnet sein, dass die Falttaschen 12 sternförmig von dem Kern abstehen, und der eine Elektrodenraum 14 nach innen zum zylinderförmigen Kern
und der andere Elektrodenraum 16 nach außen geöffnet ist. In der Anordnung gemäß Fig. 13 sind gasdurchlässige Kathoden 53 abgewinkelt so in die Kathodentaschen 16 eingelegt, dass sich die notwendige Presskraft auf Membran 20, Katalysatorschichten 22 und Elektrodenbacking 24 ergibt, wenn diese Kathoden durch Spannbänder 54 zusammengedrückt werden. Alternativ kann eine solche Anordnung auch von einem zylinderförmigen Gehäuse umschlossen sein. Das bietet sich beispielsweise dann an, wenn die Brennstoff- oder Elektrolysezelle unter Überdruck betrieben werden soll.
Fig. 14 zeigt die gemessenen Daten einer Strom-Spannungs-Kennlinie eines erfindungsgemäßen Zellenstapels, aufgebaut aus fünf in Reihe geschalteten Einzelzellen. Fig. 15 zeigt die entsprechende Leistungskurve. Die Elektrolytschicht ist von einer durchgehenden Nafion®-1135-Membran gebildet. Die Elektroden sind Double Sided ELAT-Elektroden von E-TEK mit jeweils einer Pt-Beladung für Anoden- und Kathodenseite von 0,4 mg Pt/cm2. Diese Elektroden enthalten gleichzeitig Katalysatorschicht und Backing. Die Elektrodenfläche beträgt 40 cm2 pro Zelle. Die Gase Wasserstoff und Luft wurden extern befeuchtet und bei einem Überdruck von 250 mbar zugeführt. Es wurde eine Strömungsführung gemäß Fig. 7 gewählt. Als Vergussmasse erwies sich ein additionsvemetzender, transparenter, Zweikomponenten-Silikonkautschuk als gut geeignet. Er weist auch bei Raumtemperatur auf vielen Substraten, insbesondere auf Nafion-Membranen, eine sehr gute Haftung auf. Zur Verbesserung der Haftung auf dem Polycarbonat- Gehäuse sowie auf Metalloberflächen wurde ein Haftvermittler bzw. eine Grundierung, die reaktionsfähige Silane bzw. Siliconharze enthält, eingesetzt.
Bezugszeichenliste
4 Bohrungen für Zuganker
6 Bipolarplatte mit flow fields
7 Endplatte
8 Gasdichtung
Bipolarrahmen
Zellenstapel
Falttasche
Inhalt einer Falttasche
Anodenraum
Kathodenraum
Vergußmasse
Stirnfläche
Elektrolytschicht (Elektrolytmembran)
Katalysatorschicht
Elektroden-Backing
Elektroden-Membran-Einheit (EME)
Schutzrahmen
Profilierte Elemente (flow fields)
Elektrodenfluidkanäle
Stromab- bzw. zuleiter
Elektrische Isolierung
Elektrodenfläche
Zuführungskanal
Abführungskanal
Sammelkanal
Saugfähige poröse Struktur
Außengehäuse
Außengehäuse-Seitenteil
Richtung einer äußeren Druckkraft beim Zusammenbau des Gehäuses
Kühlrippe winkelförmige Elektrode
Spannband
Kontaktbrücke