• 专利附录
  • 专利说明
  • 权利要求
  • 类似技术
  • 同族专利
  • 引用文献
  • 法律状态
  • 优先权
    • 专利摘要:
    Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle, insbesondere eine Testzelle, bei der die Membran-Elektroden-Einheit separat verspannt ist. Ferner weist die Brennstoffzelle Vorrichtungen zur Aufnahme von Flowfield Platten auf, die an der Seite der Membran-Elektroden-Einheit angeordnet sind. Durch diese separaten Vorrichtungen ist ein einfacher und problemloser Austausch von unterschiedlichen Flowfield Geometrien bzw. Gasdiffusionsschichten leicht möglich. Eine Beeinträchtigung der Membran-Elektroden-Einheit und/oder das Auftreten von Undichtigkeiten beim erneuten Zusammenbau der Brennstoffzelle werden so regelmäßig verhindert. DOLLAR A Bei einer runden Ausführungsform der Brennstoffzelle kann diese vorteilhaft durch einen Spannring verspannt werden, die gegenüber den üblichen Schraubenkränzen einfacher zu handhaben ist und die Kraft in jedem Fall gleichmäßig auf die Membran-Elektroden-Einheit verteilt.
    公开号:DE102004028625A1
    申请号:DE102004028625
    申请日:2004-06-12
    公开日:2006-01-05
    发明作者:Ayhan Egmen；Martin Müller；Morten Schonert
    申请人:Forschungszentrum Juelich GmbH；
    IPC主号:H01M8-02
    专利说明:
    [0001] DieErfindung betrifft eine Niedertemperatur-Brennstoffzelle, insbesondereeine Brennstoffzelle, die als Testzelle eingesetzt werden kann.
    [0002] Brennstoffzellen,insbesondere Testzellen, weisen in der Regel rechteckige Bauteile,wie die Membran-Elektroden Einheit (MEA) oder die Flowfieldplattenauf. Die Verbindung der einzelnen Bauteile in einer Zelle erfolgt üblicherweisedurch Verschrauben aller Bauteile. Dabei ist ein Schraubenkranzmit mindestens vier Schrauben vorgesehen, der die komplette Brennstoffzellezusammenhältund verbindet. Diese werden beim Zusammenbau abwechselnd mit definierterKraft (Drehmonment) angezogen. Die Flowfield Platten sind in derRegel fester Bestandteil der Brennstoffzelle, bzw. so in die Brennstoffzelleintegriert, dass ein Wechsel der Flowfield Platten nur über einekomplette Demontage der Brennstoffzelle, das bedeutet über dasLösen der komplettenVerschraubung ermöglichtwird.
    [0003] Esist bekannt, dass die Leistungsfähigkeit einerBrennstoffzelle unter anderem auch stark von dem Anpressdruck derFlowfield Platten auf die Membran-Elektroden-Einheit und die Art der FlowfieldPlatten abhängt.
    [0004] Insbesonderebei einer als Testzelle fungierenden Brennstoffzelle, die verschiedeneFlowfield Geometrien unter sonst identischen Bedingungen testensoll, gestaltet sich der Ein- und Ausbau von verschiedenen FlowfieldPlatten als sehr aufwändig. Beider Demontage kann es nachteilig zu einer Beschädigung der Membran-Elektroden-Einheitkommen. Weiter könnendabei auch Undichtigkeiten aufgrund mangelnder Abdichtung auftreten.
    [0005] EineUntersuchung von unterschiedlichen Flowfield Geometrien mit derselbenMembran-Elektroden-Einheit wird hierdurch regelmäßig erschwert. Man kann sichin der Regel nicht sicher sein, ob eine Änderung der elektrochemischenLeistung nicht auf eine beschädigteMembran-Elektroden-Einheit oder sonstige Undichtigkeiten zurückzuführen ist.Dies gilt in gleichem Maßeauch fürdie Untersuchungen von unterschiedlichen Gasdiffusionsschichten(GDLs).
    [0006] Fernerist es bislang durch die Art der Verschraubung nur möglich einengemeinsamen Anpressdruck fürdie gesamte Zelle zu erzeugen. Das bedeutet, dass zwar von außen einDruck aus die Brennstoffzelle aufgebaut wird, man aber innerhalb derZelle nicht exakt weiß,welcher reale Anpressdruck zwischen den einzelnen Bauteilen vorliegt,da sich innerhalb der Brennstoffzelle durch unterschiedliche Dichtungender von außenangelegte Druck unterschiedlich verteilt.
    [0007] Aufgabeder Erfindung ist es, eine Brennstoffzelle zu schaffen, die insbesondereden einfachen und reproduzierbaren Ein- und Ausbau von unterschiedlichenFlowfield Platten und GDSs ermöglicht.Ferner ist es die Aufgabe, eine Brennstoffzelle zur Verfügung zustellen, bei der die Rahmenbedingungen für unterschiedliche Flowfieldsund/oder Gasdiffusionsschichten möglichst identisch eingestelltwerden können.
    [0008] DieAufgaben der Erfindung werden gelöst durch eine Brennstoffzellemit der Gesamtheit an Merkmalen gemäß Hauptanspruch. VorteilhafteAusführungender Brennstoffzellen finden sich in den darauf rückbezogenen Ansprüchen.
    [0009] DerGegenstand der Erfindung betrifft ein neuartiges Konzept zum Zusammenbaueiner Brennstoffzelle. Dabei wird zunächst nur die Membran-Elektroden-EinheitEinheit an sich verbunden, währendunabhängigdavon der An- und Abbau verschiedener Flowfield Platten und Gasdiffusionsschichtenmöglichist.
    [0010] DieMembran-Elektroden-Einheit wird dabei nicht wie üblich durch einen Schraubenkranz,sondern vorteilhaft durch einen Spannring verspannt. Dazu wird dieBrennstoffzelle vorteilhaft in einer runden Form ausgeführt. Nebeneiner runden Ausgestaltung der Membran-Elektroden-Einheit ist auchdie herkömmlicherechteckige Form der Membran-Elektroden-Einheit einsetzbar. Im letztenFall ist diese dann allerdings durch eine zusätzlichen Rahmen, beispielsweisein Form eines kompakten Rahmens oder einzelner Rahmnestücke, versehen,die dem Spannring entsprechende Angriffspunkte liefert. In einerAusführungsformist beispielsweise eine rechteckige, bzw. quadratische Membran-Elektroden-Einheitin einen runden Rahmen eingepasst.
    [0011] Durchdie runde Bauform der Brennstoffzelle ist es möglich die Brennstoffzelle mittelseines Spannrings schnell zu verschließen. Dabei erfolgt gleichzeitigauch die Abdichtung des Anoden- und Kathodenraums.
    [0012] BeimSpannen des Spannrings wirkt nun nicht nur eine radiale Spannungauf den Rahmen, bzw. die Membran-Elektroden-Einheit. Insbesondere wirddurch eine konische Form des Spannrings oder einer oder mehrererSpannbacken die Membran-Elektroden-Einheit bzw. der Rahmen für die Membran-Elektroden-Einheit zusätzlich senkrecht zurradialen Spannrichtung zusammen gedrückt. Die konische Ausformungdes Spannrings oder einer Spannbacke ist dabei nicht zwingend. ImSinne dieser Erfindung sind damit alle geometrischen Ausgestaltungenmit umfasst, die bei Ausübungeiner radialen Spannung des Spannrings zusätzlich eine Kraft senkrechtzur radialen Spannung auf den Rahmen, bzw. die Membran-Elektroden-Einheitausüben.
    [0013] Vorteilhaftkann der Spannring mit einer definierten Kraft beaufschlagt werden,um eine definierten Anpressdruck der Membran-Elektroden-Einheit zuerzielen. Ein weiterer Vorteil liegt in der einfachen Bedienbarkeit,die ein Spannring im Unterschied zu den in der Literatur beschriebenen,mindestens 4 Schrauben aufweist. Während bei der Verwendung einesSchraubenkranzes ständigzwischen den Schrauben gewechselt werden muss, um eine möglichsthomogenen Kraftverteilung auf die Brennstoffzelle zu gewährleisten,reicht beim Spannring lediglich die Einstellung einer Schraube,um vorteilhaft die aufgebaute Kraft gleichmäßig auf die Membran-Elektroden-Einheitzu verteilen.
    [0014] DieFlowfields werden anschließendeingebaut. Dazu weist die erfindungsgemäße Brennstoffzelle ferner nebender Verspannung der Membran-Elektroden-Einheitwenigstens zwei Vorrichtungen zur Aufnahme eines Flowfields auf,die jeweils seitlich an die Membran-Elektroden-Einheit angebrachtwerden können.Geeignete Möglichkeitender Befestigung dieser Vorrichtung an die Membran-Elektroden-Einheitsind beispielsweise Schrauben oder auch Klemmvorrichtungen, oderauch das Anschrauben der gesamten Vorrichtung über ein Gewinde.
    [0015] Für den notwendigenAnpressdruck des Flowfields an eine Seite der Membran-Elektroden-Einheitist ferner ein Stempel vorgesehen, der innerhalb der Vorrichtungzur Aufnahme des Flowfields angeordnet ist, und das Flowfield imangebauten Zustand auf die Membran-Elektroden-Einheit drückt. DieserStempel kann beispielsweise übereine Stellschraube einen definierten und reproduzierbaren Anpressdruckerzeugen. Der Anpressdruck der Flowfields ist somit unabhängig vonder durch den Spannring eingestellten Anpressdruck der Membran-Elektroden-Einheit.
    [0016] Dieseparaten Vorrichtungen zur Aufnahme verschiedener Flowfieldplattenweisen insbesondere den Vorteil auf, dass diese leicht gewechseltwerden können,ohne dass dabei die Membran-Elektroden-Einheit beeinträchtigt wird.Die Membran-Elektroden-Einheit bleibt in jedem Fall verspannt undliefert so vorteilhaft identische Rahmenbedingungen für einzelneTestläufe.Ebenso könnenauch unterschiedliche Gasdiffusionsschichten, mit der gleichem Membran-Elektroden-Einheit vermessenwerden, sofern es sich um separat auflegbare Gasdiffusionsschichtenhandelt.
    [0017] Dieerfindungsgemäße Brennstoffzelleweist insbesondere folgende Vorteile auf: • Die Dichtungder Testzelle erfolgt übereinen Spannring (bei runder Ausführungsformder Brennstoffzelle), der einfach, gleichmäßig und reproduzierbar dieKraft auf die Membran-Elektroden-Einheit überträgt. • DieMembran-Elektroden-Einheit bleibt als eine Einheit unabhängig vonwechselnden Flowfield Platten oder Gasdiffusionsschichten verspannt. Eskann ein definierter Anpressdruck unabhängig von dem der FlowfieldPlatten eingestellt werden. Damit werden zumindest durch die Membran-Elektroden-Einheit identischeRahmenbedingungen fürverschiedene Testläufe geschaffen. • Dieseparaten Vorrichtungen zur Aufnahme der Flowfield Platten können einzelnan die Membran-Elektroden-Einheit angebracht werden und ermöglicheneinen leichten und problemlosen Austausch, ohne dass die Membran-Elektroden-Einheitdemontiert werden muss. • DerAnpressdruck der einzelnen Flowfields an die Membran-Elektroden-Einheit kann beispielsweise über einenStempel einzeln definiert eingestellt werden. • Nebendem leichten Wechsel von Flowfields ist auch der Austausch von Gasdiffusionsschichten derMembran-Elektroden-Einheit problemlos möglich.
    [0018] ImRahmen der Erfindung ist die runde Ausführungsform der Brennstoffzellebesonders vorteilhaft, aber nicht zwingend erforderlich. Bei einerquadratischen, bzw. rechteckigen Ausführung könnte auch wieder ein Schraubenkranzfür dieVerspannung der Membran-Elektroden-Einheit eingesetzt werden. Dieseparate Anbringung der Flowfields würde jedoch wie vorher beschriebenerfolgen. Die Vorteile der einfachen Handhabung beim Wechsel der Flowfieldsoder Gasdiffusionsschichten blieben dabei erhalten.
    [0019] Nachfolgendwird der Gegenstand der Erfindung anhand von Figuren näher erläutert, ohnedass der Gegenstand der Erfindung dadurch beschränkt wird.
    [0020] Eszeigen:
    [0021] 1: seitliche Ansicht auf eine Testzelle a)gemäß dem Standder Technik, b) erfindungsgemäße Ausführungsform mit
    [0022] 2:Frontalansicht verschiedener Ausführungsformen der Testzellemit SB = Spannbacken, SR = Spannring, R = Rahmen zur Aufnahmeeiner Membran-Elektroden-Einheit, MEA = Membran-Elektroden-Einheit.
    [0023] 3:Schnittzeichnung einer erfindungsgemäßen Brennstoffzelle mit eingetragenerDruckverteilung beim Einspannen mit ρDF = Druck auf die Dichtflächen und ρMEA = Druck auf die Membran.-Elektroden-Einheit
    [0024] Inder 1a ist die seitliche Ansicht einer Testzelle zusehen, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt ist. Die Verteilerplatten(Flowfield Platten) 5 und die Membran-Elektroden-Einheit 2 + 3 werdenzusammen gesetzt und durch eine gemeinsame Verschraubung 4,in der Regel eine Schraubenkranz, verspannt. Demgegenüber zeigt 1 b das Kernstück der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle.Nur die Einzelteile der Membran-Elektroden-Einheit 2 + 3 werdenggfs. übereinen Rahmen 1 und konisch zulaufende Spannbacken 7 durcheinen Spannring 8 aufeinandergepresst und somit verspannt.Alternativ kann der Spannring auch selbst so beschaffen sein, dasser die Funktion der Spannbacken schon mit beinhaltet.
    [0025] Inder 2 sind einige Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Brennstoffzelleaufgezeigt, die die Membran-Elektroden-Einheit betreffen. Sofern dieMembran-Elektroden-Einheit selbst schon kreisförmig ausgebildet ist, kannvorteilhaft nur ein Spannring eingesetzt werden. Bei einer rechteckigen,bzw. quadratischen Membran-Elektroden-Einheit kann beispielsweiseein kreisförmigerRahmen verwendet werden. In beiden Fällen sind zusätzlicheSpannbacken optional einsetzbar. Alternativ bieten sich bei quadratischen,bzw. rechteckigen Membran-Elektroden-Einheiten auch nur einzelneRahmenstückean, die als Angriffspunkte fürden Spannring dienen.
    [0026] Inder 3 wird schematisch die Druckverteilung dargestellt.Beim Spannen des Spannringes wird ein dazu senkrechter, gleichmäßiger Druckauf die Dichtflächen,bzw. auf die Membran-Elektroden-Einheit ausgeübt.
    权利要求:
    Claims (12)
    [1] Brennstoffzelle umfassend eine Membran-Elektroden-Einheitund wenigstens zwei Flowfield Platten, dadurch gekennzeichnet,dass die Membran-Elektroden-Einheit separat durch ein Mittel verspanntist, und die einzelnen Flowfields separat an die Membran-Elektroden-Einheitverspannt sind.
    [2] Brennstoffzelle nach vorhergehendem Anspruch 1, mitwenigstens einer separaten Vorrichtung zur Aufnahme eines Flowfieldsund/oder einer Gasdiffusionsschicht an einer Seite der Membran-Elektroden-Einheit.
    [3] Brennstoffzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis2, bei dem die separate Vorrichtung an die Membran-Elektroden-Einheitanschraubbar oder mit Hilfe von Schrauben oder Klemmen an diesebefestigbar ausgebildet ist.
    [4] Brennstoffzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis3, bei dem die separate Vorrichtung ein Mittel zum Anpressen desFlowfields an die Membran-Elektroden-Einheit aufweist.
    [5] Brennstoffzelle nach vorhergehendem Anspruch 4, miteinem Stempel als Mittel zum Anpressen des Flowfields an die Membran-Elektroden-Einheit.
    [6] Brennstoffzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis5, bei dem der Anpressdruck des Flowfields an die Membran-Elektroden-Einheit über eineStellschraube einstellbar ist.
    [7] Brennstoffzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis6, bei der die Membran-Elektroden-Einheit kreisförmig ausgebildet ist.
    [8] Brennstoffzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis6, bei dem die Membran-Elektroden-Einheit in einem runden Rahmenangeordnet ist.
    [9] Brennstoffzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche 7 bis8, die durch einen Spannring verspannt ist.
    [10] Brennstoffzelle nach vorhergehendem Anspruch 9,bei dem der Spannring beim Spannen die radiale Kraft zumindest teilweisein eine Kraft senkrecht zur radialen Spannrichtung umzulenken vermag.
    [11] Brennstoffzelle nach vorhergehendem Anspruch 9, beidem der Spannring zusätzlichSpannbacken aufweist, die beim Spannen des Spannringes die radialeKraft zumindest teilweise in eine Kraft senkrecht zur radialen Spannrichtungumzulenken vermögen.
    [12] Brennstoffzelle nach vorhergehendem Anspruch 11,mit konischen Spannbacken.
    类似技术:
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    引用文献:
    公开号 | 申请日 | 公开日 | 申请人 | 专利标题
    法律状态:
    2006-01-05| OP8| Request for examination as to paragraph 44 patent law|
    2007-11-08| 8364| No opposition during term of opposition|
    2010-04-22| 8339| Ceased/non-payment of the annual fee|
    优先权:
    申请号 | 申请日 | 专利标题
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