DE69720489T2

DE69720489T2 - Rohrförmige brennstoffzellenanordnung mit polymerelektrolyten

Info

Publication number: DE69720489T2
Application number: DE69720489T
Authority: DE
Inventors: J. William STEYN
Original assignee: WL Gore and Associates Inc
Current assignee: WL Gore and Associates Inc
Priority date: 1996-10-16
Filing date: 1997-10-08
Publication date: 2004-03-04
Anticipated expiration: 2017-10-09
Also published as: EP0932914B1; US6007932A; WO1998016963A1; KR20000048968A; CN1235703A; EP0932914A1; DE69720489D1; AU4800497A; KR100392748B1

Description

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

Claims

Brennstoffzellenaufbau (10) umfassend: ein rohrförmiges Substrat (12) aus einem flüssigkeitsdurchlässigen Material; eine Mehrzahl von länglichen flexiblen Polymerelektrolytmembran-Elektrodenbaugruppen (14), die Seite an Seite auf das Substrat gewickelt sind, wobei jede Membran-Elektrodenbaugruppe (14) eine zentrale Protonenaustauschmembran, ein auf einer Seite der Membran angebrachtes Kathodenelement (42) und ein auf der anderen Seite der Membran angebrachtes Anodenelement (34) enthält; eine Einrichtung zum in Serie Schalten des Anodenelements (34) einer ersten länglichen Membran-Elektrodenbaugruppe (14) in elektrischen Kontakt mit dem Kathodenelement (42) der nächsten angrenzenden Membran-Elektrodenbaugruppe (14); wobei die Einrichtung eine Mehrzahl diskreter elektrisch leitender Abschnitte ist, die in der zentral liegenden Protonenaustauschmembran zwischen überlappenden Teilen des Anodenelements (34) der ersten länglichen Membran-Elektrodenbaugruppe (14) und dem Kathodenelement (42) der nächsten Membran-Elektrodenbaugruppe (14) angeordnet sind.
Brennstoftzellenaufbau (10) nach Anspruch 1, wobei die Kathodenelemente (42, 46) und die Anodenelemente (30, 34) jeder Zelle der Membran-Elektrodenbaugruppe (14) aus einer einen Katalysator enthaltenden Carbonschicht gebildet ist, die sich entlang der Länge und in Kontakt mit der Protonenaustauschmembran jeder Membran-Elektrodenbaugruppe (14) erstreckt.
Brennstoffzellenaufbau (10) nach Anspruch 1, wobei das angebrachte Kathodenelement (42) und das Anodenelement (34) jeder Membran-Elektrodenbaugruppe (14) eine hydrophobe Beschichtung entlang einer Seite des Elements enthalten, die nicht mit der Protonenaustauschmembran in Kontakt steht.
Brennstoffzellenaufbau (10) nach Anspruch 1, enthaltend einen flexiblen Kathodenladungsabnehmer (46), der auf jedem Kathodenelement (42) angebracht ist, und einen flexiblen Anodenladungsabnehmer (30), der an jedem Anodenelement (34) angebracht ist, wobei die Kathode, Anode und Membran sandwichartig zwischen den Abnehmern (30, 46) liegt.
Brennstoffzellenaufbau (10) nach Anspruch 4, wobei jeder Ladungsabnehmer (30, 46) aus einem flexiblen elektrisch leitenden Material gebildet ist, das auf das rohrförmige Substrat gewickelt werden.
Brennstoftzellenaufbau (10) nach Anspruch 4, wobei der Anodenladungsabnehmer (30) einer gewickelten Zelle mit dem Kathodenladungsabnehmer (46) der nächsten angrenzenden Membran-Elektrodenbaugruppe (14) in elektrischen Kontakt gebracht ist.
Brennstoffzellenaufbau (10) nach Anspruch 4, wobei jeder Ladungsabnehmer (30, 46) aus Strängen hohler Verrohrung hergestellt ist und des Weiteren eine Einrichtung beinhaltet, um eine Fluid durch die Verrohrung zu bewegen, um Wärme von der Membran-Elektrodenbaugruppe (14) zurückzugewinnen.
Brennstoffzellenaufbau (10) nach Anspruch 1, der des Weiteren auf die rohrförmigen Substrate (12) angebrachte entgegenstehende End-Aufsätze (21, 23) beinhaltet, wobei der eine End-Aufsatz (21) eine Fluideintrittsöffnung enthält und der andere End-Aufsatz (23) eine Fluidaustrittsöffnung enthält.
Brennstoffzellenaufbau (10) nach Anspruch 1, das des Weiteren eine poröse äußere Haut beinhaltet, die über den äußeren Ladungsabnehmer jeder Membran-Elektrodenbaugruppe (14) platziert ist, wobei die Haut aus einem flexiblen Kunstoffmaterial hergestellt ist.
Brennstoffzellenaufbau (10) nach Anspruch 9, wobei die Anode (34) jeder gewickelten Membran-Elektrodenbaugruppe (14) dem porösen Substrat ge genüber liegt und des Weiteren eine Einrichtung beinhaltet, um Reaktantenfluid durch das poröse Substrat durchzuleiten.
Brennstoffzellenaufbau (10) nach Anspruch 4, wobei der Kathodenladungsabnehmer (46) einem Reaktionsfluid ausgesetzt ist.
Brennstoffzellenaufbau (10) nach Anspruch 1, wobei das rohrförmige Substrat (12) eine Einrichtung zum Aufbewahren einer internen Reaktantenquelle für den Brennstoffzellenaufbau (10) beinhaltet.
Brennstoffzellenaufbau (10) nach Anspruch 1, wobei das rohrförmige Substrat im Querschnitt zylindrisch ist.
Brennstoffzellenaufbau (10) nach Anspruch 1, wobei die Einrichtung eine Überlappung des Anodenelements (34) der ersten länglichen Membran-Elektrodenbaugruppe (14) und des Kathodenelements (42) der nächsten angrenzenden Membran ist.