DE20008539U1

DE20008539U1 - Elektrochemisches Element, insbesondere für Lehrzwecke

Info

Publication number: DE20008539U1
Application number: DE20008539U
Authority: DE
Original assignee: Heliocentris Energiesysteme GmbH
Current assignee: Heliocentris Energiesysteme GmbH
Priority date: 2000-05-06
Filing date: 2000-05-06
Publication date: 2000-08-24
Anticipated expiration: 2010-05-07

Description

Beschreibung Elektrochemisches Element, insbesondere für Lehrzwecke

Die Erfindung betrifft ein insbesondere für Lehrzwecke vorgesehenes elektrochemisches Element, das eine Membran-Elektroden-Einheit mit beidseitig angeordnetem porösen Gasverteiler und jeweils an diesen angrenzendem porösen Stromkollektor sowie unter Bildung eines Zwischenraums mit Hilfe einer Dichtung im Abstand von dem jeweiligen Stromkollektor gehaltene, miteinander verspannte Endplatten mit Öffnungen zur Zuführung von Brennstoff bzw. Oxidant umfaßt.

Derartige elektrochemische Elemente werden bekanntermaßen als Brennstoffzellen, Membranelektrolyseure oder Membrankompressoren verwendet. Beispielsweise bei einer Brenn-Stoffzelle mit einer Membran-Elektroden-Einheit der eingangs erwähnten Art fließt der an der Membran-Elektroden-Einheit erzeugte Strom zuerst auf den Gasverteiler und danach auf den Stromkollektor und wird von dort aus der Brennstoffzelle geleitet. An den Kontaktflächen zwischen Membran-Elektroden-Einheit, Gasverteiler und Stromkollektor treten elektrische Übergangswiderstände auf, die die Leistung des elektrochemischen Elements deutlich mindern. Der Übergangswiderstand ist insbesondere im Bereich zwischen dem Gasverteiler und dem Stromkollektor hoch, da der Stromkollektor aufgrund der von dem Gasverteiler ausgehenden elastischen Kräfte in Richtung der Endplatte durchgebogen wird und die Andruckkraft und damit der Kontakt zwischen Stromkollektor und Gasverteiler verringert wird.

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Es ist bereits bekannt, in den zwischen Endplatte und Stromkollektor gebildeten Zwischenraum ein Kunststoffgewebe einzulegen. Diese Maßnahme ist jedoch insofern nachteilig, als dadurch der Transport von Brennstoff bzw. Oxidant in dem jeweils zwischen einer Endplatte und einem Stromkollektor gebildeten Raum beeinträchtigt und dadurch die Leistung des elektrochemischen Elements gemindert wird. Andererseits ist das kompressible Kunststoffgewebe auch nicht in der Lage, die auf den Stromkollektor in Richtung der Endplatte wirkenden Verformungskräfte zu egalisieren, das heißt, diesen Kräften auf der Grundlage der biegesteifen Ausbildung der Endplatte entgegenzuwirken. Somit ist der Übergangswiderstand am Stromkollektor weiterhin relativ hoch. Im übrigen bereitet das Einbringen des Kunststoffgewebes in den Zwischenraum zwischen Stromkollektor und Endplatte Schwierigkeiten bei der Montage des elektrochemischen Elements. Schließlich ist durch ein solches Gewebe auch die gerade bei zu Lehrzwekken vorgesehenen elektrochemischen Elementen erwünschte visuelle Verfolgung der ablaufenden Prozesse nicht möglich.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein elektrochemisches Element der eingangs erwähnten Art so auszubilden, daß die Übergangswiderstände für den zum Stromkollektor fließenden Strom klein gehalten werden und eine einfache Montage ermöglicht wird.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit einem gemäß den Merkmalen des Schutzanspruchs 1 aufgebauten elektrochemischen Element gelöst.

Der Grundgedanke der Erfindung besteht mit anderen Worten darin, daß jeweils in dem Zwischenraum zwischen der biegesteifen Endplatte und dem verformbaren - dünnen und porösen - Stromkollektor mindestens ein als Abstandhalter

fungierendes Druckstück, vorzugsweise aber mehrere, über den aktiven Bereich der Membran-Elektroden-Einheit gleichmäßig verteilte Druckstücke angeordnet sind, die einen gleichbleibenden Abstand zwischen Endplatte und Stromkollektor und damit die Formstabilität des Stromkollektors gewährleisten. Durch den über die Druckstücke ausgeübten Gegendruck wird der von innen über die Gasverteiler auf die Stromkollektoren wirkende Druck egalisiert und ein entsprechend hoher Anpreßdruck in Richtung Membran-Elektroden-Einheit erzielt, so daß die Übergangswiderstände zum Stromkollektor hin klein sind und somit eine hohe Leistung des elektrochemischen Elements gewährleistet ist. Die Druckstücke geben einen bestimmten konstanten Abstand zwischen Endplatte und Stromkollektor vor, so daß eine einfache, schnelle Montage des elektrochemischen Elements ermöglicht wird.

Aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ergeben sich weitere Merkmale und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.

Beispielsweise können die Druckstücke so gestaltet sein, daß sie einen punktförmigen oder einen linearen Gegendruck auf die Stromkollektoren ausüben. Mehrere scheibenförmige Druckstücke oder mehrere langgestreckte Druckstücke können im aktiven Bereich der Membran-Elektroden-Einheit gleichmäßig verteilt bzw. parallel zueinander angeordnet sein. Vorzugsweise sind die langgestreckten Druckstücke kreisbogenförmig ausgeführt. Diese spezielle Form hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen.

Nach einem weiteren wichtigen Merkmal der Erfindung sind die Druckstücke, die, wie die Endplatte, aus einem trans-. parenten, druckfesten Material bestehen, zur Erleichterung der Montage der elektrochemischen Elemente entweder

durch einstückige Ausbildung oder durch Verwendung geeigneter Befestigungsmittel fest mit der Endplatte oder dem Stromkollektor verbunden.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Vorderansicht einer für Lehrzwecke

vorgesehenen Brennstoffzelle mit den erfindungsgemäßen Druckstücken; und

Fig. 2a bis 2c drei Seitenansichten von Brennstoffzellen nach Fig. 1, jedoch mit unterschiedlich ausgebildeten Druckstücken.

Die Brennstoffzelle besteht gemäß Fig. 1 aus zwei im Abstand zueinander angeordneten Endplatten 1 und 2, einer zwischen diesen vorgesehenen Membran-Elektroden-Einheit 9 mit beidseitig ausgebildetem porösen Gasverteiler 7 und 8 sowie zwei an die Membran-Elektroden-Einheit mit Gasverteiler angrenzenden, porös oder gelocht ausgeführten Stromkollektoren 5 und 6, die zu den jeweiligen Endplatten 1 und 2 durch im Randbereich umlaufende Dichtelemente 3 und 4 abgedichtet sind. Die so gebildete Brennstoffzel-Ie wird über die Endplatte 1 und 2 durch Schraubenbolzen 10 und Muttern 11 zusammengehalten. In den Endplatten 1 und 2 befinden sich Öffnungen 12 bzw. 12a zur Zuführung von Wasserstoff (Brennstoff) bzw. Luft (Oxidant) in den jeweils durch eine Endplatte 1 bzw. 2, eine Dichtung 3 bzw. 4 und einen Stromkollektor 5 bzw. 6 begrenzten Zwischenraum.

Wie aus Fig. 1 ersichtlich ist, befindet sich zwischen der Endplatte 1 bzw. 2 und dem dieser jeweils gegenüberliegenden Stromkollektor 5 bzw. 6 ein Druckstück 13 bzw. 14, dessen Stärke dem Abstand zwischen der betreffenden

Endplatte 1 bzw. 2 und dem dieser jeweils gegenüberliegen Stromkollektor 5 bzw. 6 entspricht. Aufgrund der Anordnung des Druckstücks 13 bzw. 14 in Verbindung mit der biegesteifen Ausbildung der Endplatten 1 und 2 wird eine durch den Gasverteiler 7, 8 bedingte elastische Verformung des an diesen angrenzenden Stromkollektors 5 bzw. 6 in Richtung der jeweils gegenüberliegenden Endplatte 1 bzw. 2 verhindert und ein gleichbleibend starkes Anpressen des jeweiligen Stromkollektors an den Gasverteiler und des Gasverteilers an die Membran-Elektroden-Einheit bewirkt. Somit können sich die Abstände in der Zelle nicht verändern und der Übergangswiderstand zwischen Stromkollektor und Gasverteiler bzw. Elektroden kann sich nicht vergrößern, so daß der Serienwiderstand in der Brennstoffzelle gleichbleibend klein ist. Die Druckstücke 13, 14, die einstückig an die Endplatte 1, 2 angeformt sind oder auf andere Weise, zum Beispiel durch Kleben, fest mit der Innenfläche der Endplatte verbunden sind, dienen in ihrer Funktion als Distanzhalter zur Gewährleistung definierter Abstände beim Zusammenbau der Brennstoffzelle gleichzeitig als Montagehilfe.

In den Figuren 2a bis 2c sind Endplatten 1, 2 mit mehreren, in der Form unterschiedlich ausgebildeten Druckstücken 13, 14 dargestellt. Danach sind die Druckstücke 13a bzw. 13b als punktartig wirkende scheibenförmige oder linear belastete stegartige Distanzhalter ausgebildet. In einer in Fig. 2c wiedergegebenen bevorzugten Ausführungsform sind die Druckstücke 13c als Kreisbogenabschnitt gestaltet. Diese Form hat sich zur Erzielung eines gleichmäßigen Andrucks des Stromkollektors an die Membran-Elektroden-Einheit mit Gasverteiler, aber auch bei der Montage der Brennstoffzelle als besonders vorteilhaft erwiesen. Die Druckstücke sind zur Gewährleistung einer ausreichenden Steifigkeit entsprechend dimensioniert, wobei die Stärke durch den Abstand zwischen der Endplatte

1, 2 und dem Stromkollektor 5, 6 bestimmt ist, aber die Breite lmm nicht unterschreiten soll. Wie die Endplatten 1, 2 sind auch die Druckstücke 13, 13a, 13b, 13c (14, 14a, 14b, 14c) aus einem transparenten Material, hier: Acrylglas, gefertigt, um die in der zu Lehrzwecken hergestellten Brennstoffzelle ablaufenden Prozesse verfolgen zu können.

Bezugszeichenliste

Endplatte

Dichtelement

Stromkollektor

Gasverteiler

Membran-Elektroden-Einheit Schraubenbolzen 11 Mutter

Öffnungen für Brennstoff- bzw. Oxidantzufuhr

Druckstück (Distanzstück)

scheibenförmiges Druckstück (punktförmig) langgestrecktes Druckstück (geradlinig) 13c langgestrecktes Druckstück(Kreisbogen)

&igr;,	2	12a
3,	4	14
5,	6
7,	8
9
10
11
12,
13,
13a
13b
13c

Claims

1. Elektrochemisches Element, insbesondere für Lehrzwecke, das eine Membrän-Elektroden-Einheit mit beidseitig angeordnetem porösen Gasverteiler und jeweils an diesen angrenzendem porösen Stromkollektor sowie unter Bildung eines Zwischenraums mit Hilfe einer Dichtung im Abstand von dem jeweiligen Stromkollektor gehaltene, miteinander verspannte Endplatten mit Öffnungen zur Zuführung von Brennstoff bzw. Oxidant umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß in dem zwischen der biegesteifen Endplatte (1, 2) und dem Stromkollektor (5, 6) jeweils gebildeten Zwischenraum mindestens ein Druckstück (13, 14) zur Ausübung eines entgegen den vom Gasverteiler (7, 8) auf den Stromkollektor (13, 14) wirkenden Verformungskräften gerichteten Gegendrucks befestigt ist.

2. Elektrochemisches Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckstücke (13, 14) einstückig an die Endplatte (1, 2) oder den Stromkollektor (5, 6) angeformt oder mit Hilfe von Befestigungsmitteln fest mit diesen verbunden sind.

3. Elektrochemisches Element nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckstücke (13a) zur punktförmigen Abstützung der Stromkollektoren (5, 6) an den Endplatten (1, 2) scheibenförmig ausgebildet sind.

4. Elektrochemisches Element nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckstücke (13b, 13c) zur linearen Abstützung der Stromkollektoren (5, 6) an den Endplatten (1, 2) in Form eines langgestreckten geraden oder kreisbogenförmig gekrümmten Steges ausgebildet sind.

5. Elektrochemisches Element nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Stärke der Druckstücke im wesentlichen dem im unverformten Zustand des Stromkollektors (5, 6) vorhandenen Abstand zwischen diesem und der Endplatte (1, 2) entspricht und das Druckstück in der Breite zur Erzielung einer ausreichenden Steifigkeit dimensioniert ist.

6. Elektrochemisches Element nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die geringste laterale Ausdehnung des Druckstücks mindestens lmm beträgt.

7. Elektrochemisches Element nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Endplatten (1, 2) und die Druckstücke (13, 14) aus einem transparenten Material bestehen.