DE102007041152B4

DE102007041152B4 - Einheitszelle für Brennstoffzelle, Verfahren zum Herstellen davon und Brennstoffzellensystem

Info

Publication number: DE102007041152B4
Application number: DE102007041152.0A
Authority: DE
Inventors: Sung-han Kim; Yong-soo Oh; Chang-Ryul Jung; Miesse Craig; Hye-yeon Cha; Bo-Sung Ku; Jae-Hyuk Jang
Original assignee: Samsung Electro Mechanics Co Ltd
Current assignee: Samsung Electro Mechanics Co Ltd
Priority date: 2007-02-14
Filing date: 2007-08-30
Publication date: 2014-03-20
Anticipated expiration: 2027-08-31
Also published as: JP2008198588A; JP5049715B2; KR100793636B1; DE102007041152A1; US20080193817A1

Abstract

Einheitszelle für eine Brennstoffzelle, wobei die Einheitszelle Folgendes aufweist:
eine Membranelektrodenanordnung (MEA), welche eine Elektrolytmembran und ein Elektrodenpaar aufweist, die jeweils an beiden Seiten der Elektrolytmembran angeformt sind;
ein Paar von Platten, welche aus Kunststoffhergestellt sind und aneinander mit der Membranelektrodenanordnung dazwischen eingefügt angebracht sind;
einen Stromkollektor, welcher zwischen der Platte und der Membranelektrodenanordnung eingefügt angeordnet ist; und
einen klebenden Leitungslayer, welcher zwischen der Membranelektrodenanordnung und dem Stromkollektor eingesetzt ist,
wobei die Platten durch Ultraschallschwingung verbunden sind,
wobei der Stromkollektor einen flexiblen Isolationslayer und einen leitenden Überzugslayer, der auf einer Oberfläche des flexiblen Isolationslayers aufgeformt ist, aufweist,
wobei das Paar von Platten jeweils einen Absatz auf einem äußeren Umfang aufweist, wobei die Absätze für einen Eingriff miteinander ausgebildet sind.

Description

QUERVERWEIS AUF ZUGEHÖRIGE ANMELDUNGEN
Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der koreanischen Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen Nr. KR 10-2007-0015403 A , welche beim koreanischen Patentamt am 14. Februar 2007 angemeldet wurde und deren Offenbarung hier durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit aufgenommen ist.
HINTERGRUND
1. Technischer Bereich
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Einheitszelle für eine Brennstoffzelle, ein Verfahren zum Herstellen davon und ein Brennstoffzellensystem.
2. Beschreibung des Stands der Technik
Die Energieverbrauchshöhen haben in kleinen Mobilgeräten mit der Hinzufügung von verschiedenen Funktionen, wie zum Beispiel Digital Multimedia Broadcasting und Navigation usw., zugenommen. Dementsprechend steigt der Bedarf für eine Energiequelle mit einer höheren Energiedichte als diejenige, welche die Lithium-Ionen-Batterie aufweist.
Derzeit gibt es Entwicklungen in dem Bereich von Brennstoffzellen zur Verwendung in Antriebsaggregaten bzw. Kraftwerken, Automobilen und Mobilgeräten, unter welchen kleine Brennstoffzellen Beachtung als Alternativen zu Lithium-Ionen-Batterien in Mobil- bzw. zellulären Telefonen, PDA und Laptopcomputern usw. finden. Für in solchen mobilen Geräten verwendete Brennstoffzellen ist es von Bedeutung, dass die Abmessungen besonders klein sind.
Die JP 2005-078827 A betrifft einen Brennstoffzellen-Separator, welcher in einem Stapelaufbau einer Brennstoffzelle verwendet wird, wobei der Brennstoffzellenseparator die Verschweißung von Teilen der Brennstoffzelle ermöglicht, indem der Separator zwei Platten verbindet. Die dort beschriebenen Brennstoffzellen-Separatoren werden in einer Brennstoffzelle montiert, wobei die Montage eines Stapels mit mehreren übereinander gestapelten Brennstoffzellen erleichtert wird.
Die US 2006/0019129 A1 beschreibt eine Brennstoffzelle, umfassend mindestens eine planare Brennstoffzelleneinheit, eine Elektrolytschicht, eine Anoden-Schicht und eine Kathoden-Schicht sowie eine Vielzahl von Separatoren, die die Kathoden-Schicht und die Anoden-Schicht der Brennstoffzelle räumlich und elektrisch voneinander trennt.
Die Druckschrift US 6,372,376 B1 beschreibt eine Protonenausstauschmembran-Brennstoffzelle mit elekrischen Kontakt-Elementen und einer korrosionsanfälligen Metallflächenelektrode mit einer elektrisch leitfähigen, korrosionsbeständig Polymerleitbeschichtung, welche durch eine Vielzahl von elektrisch leitfähigen, korrosionsbeständig Füllstoff-Partikeln gebildet wird.
Im Stand der Technik wird der Stapel, welcher ein Hauptteil in einer Brennstoffzelle ist, dadurch hergestellt, indem ein Paar von bipolaren Graphitplatten und eine Dichtung gestapelt und eine Membranelektrodenanordnung dazwischen eingesetzt wird, und sie mit Schrauben bzw. Bolzen mit einem Paar von Endplatten verbunden werden.
Es gibt jedoch wegen der nicht ausreichenden Stärke der bipolaren Graphitplatten und wegen der dicken Endplatten eine Grenze zur Verringerung die Dicke eines solchen Stapelaufbaus. Da Schrauben bzw. Bolzen in dem Verbindungsaufbau verwendet werden, ist auch der Verbindungsdruck über der gesamten Membranelektrodenanordnung nicht gleichmäßig, so dass ein Risiko einer Leckage an der Dichtung besteht.
Da die Leistungsfähigkeit des Stapels im Wesentlichen von dem Druck oder Drehmoment abhängt, wenn die Schrauben bzw. Bolzen angebracht werden, gibt es ein Risiko geringer Reproduzierbarkeit der Produkte bei Massenherstellung.
ZUSAMMENFASSUNG
Ein Aspekt der Erfindung besteht darin, eine Einheitszelle für eine Brennstoffzelle, ein Verfahren zum Herstellen davon und ein Brennstoffzellensystem bereitzustellen, welches zur Dichtheit und Miniaturisierung durch Ultraschallanbringung geeignet ist.
Ein Aspekt der beanspruchten Erfindung stellt eine Einheitszelle für eine Brennstoffzelle gemäß dem Patentanspruch 1 bereit.
Die Platten können aus zumindest einem Werkstoffhergestellt sein, welcher aus einer Gruppe ausgewählt ist, die aus Folgendem besteht: Polycarbonat, Acetal, Acryl und Polyetheretherketonen (PEEK), und die Platten können durch Ultraschallschwingung verbunden werden.
Die Einheitszelle kann weiterhin einen klebenden Leitungslayer aufweisen, welcher zwischen der Membranelektrodenanordnung und dem Stromkollektor eingesetzt ist. Die Einheitszelle kann auch weiterhin eine zwischen der Platte und der Membranelektrodenanordnung eingebrachte Dichtung zur Verhinderung von Leckage aufweisen.
Hier kann der leitende Überzugslayer aus zumindest einem Werkstoff hergestellt sein, welcher aus einer Gruppe ausgewählt ist, die aus Gold und Kupfer besteht.
Ein weiterer Aspekt der beanspruchten Erfindung stellt ein Verfahren zum Herstellen einer Einheitszelle für eine Brennstoffzelle gemäß dem Patentanspruch 5 bereit.
Die Platten können aus Kunststoffhergestellt werden. Die Platten können auch aus zumindest einem Werkstoff hergestellt werden, welcher aus einer Gruppe ausgewählt ist, die aus Folgendem besteht: Polycarbonat, Acetal, Acryl und Polyetheretherketonen (PEEK).
Das Verfahren kann auch aufweisen: Einfügen einer Dichtung zwischen der Platte und der Membranelektrodenanordnung vor einem Zuführen einer Ultraschallschwingung auf die Platte.
Eine Schweißkante, welche von der Platte hervorsteht, kann an dem vorher festgelegten Punkt einer der Platten angeformt sein.
Ein noch weiterer Aspekt der beanspruchten Erfindung stellt ein Brennstoffzellensystem gemäß Patentanspruch 11 bereit.
Das Brennstoffzellensystem kann eine Vielzahl von Einheitszellen aufweisen. Die Platten können aus zumindest einem Werkstoffhergestellt sein, welcher aus einer Gruppe ausgewählt ist, die aus Folgendem besteht: Polycarbonat, Acetal, Acryl und Polyetheretherketonen (PEEK). Die Platten können auch durch Ultraschallschwingung verbunden werden.
Das Brennstoffzellensystem kann auch weiterhin eine zwischen der Platte und der Membranelektrodenanordnung eingebrachte Dichtung zur Verhinderung von Leckage aufweisen.
Der leitende Überzugslayer kann auch aus zumindest einem Werkstoff hergestellt sein, welcher aus einer Gruppe ausgewählt ist, die aus Gold und Kupfer besteht.
Zusätzliche Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden zum Teil in der folgenden Beschreibung dargelegt und sind teilweise aus der Beschreibung offensichtlich, oder können durch Gebrauch der Erfindung erkannt werden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine perspektivische Ansicht, welche eine Einheitszelle gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung darstellt.
2 ist eine Querschnittsansicht, welche eine Einheitszelle vor einer Verbindung gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung zeigt.
3 ist eine Querschnittsansicht, welche die Einheitszelle von 2 nach der Verbindung zeigt.
4 und 5 sind Querschnittsansichten, welche die Verbindungs- bzw. Anbringungsschnittstellen der Einheitszelle darstellen.
6 ist eine perspektivische Ansicht, welche einen Ultraschallverbindungsprozess zeigt.
7 zeigt Bilder der Verbindungsschnittstelle vor und nach einer Verbindung.
8 ist ein Flussdiagramm, welches ein Verfahren zum Herstellen einer Einheitszelle gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung darstellt.
9 ist ein Ablaufdiagramm, welches ein Verfahren zum Herstellen einer Einheitszelle gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung darstellt.
10 ist eine schematische Darstellung, welche ein Brennstoffzellensystem gemäß einem noch weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung zeigt.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Die Einheitszelle für eine Brennstoffzelle, das Verfahren zum Herstellen davon und das Brennstoffzellensystem gemäß bestimmter Ausführungen der Erfindung werden unten ausführlicher mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben. Diejenigen Komponenten mit dem gleichen Bezugszeichen, welche gleich sind oder miteinander korrespondieren, ungeachtet der Figurennummer, und redundante Erläuterungen werden ausgelassen.
1 ist eine perspektivische Ansicht, welche eine Einheitszelle gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung zeigt, 2 ist eine Querschnittsansicht, welche eine Einheitszelle vor einer Verbindung bzw. einem Zusammenfügen gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung darstellt, und 3 ist eine Querschnittsansicht, welche die Einheitszelle von 2 nach dem Verbinden zeigt. In 1 bis 3 ist Folgendes illustriert: eine Membranelektrodenanordnung 110; eine Elektrolytmembran 112; eine Kathodenelektrode 114, eine Anodenplatte 120; Brennstoffkanäle 122, eine Kathodenplatte 130, Luftkanäle 132, Stromkollektoren 141, 142; Löcher 141c, 142c und Dichtungen 152.
Eine Membranelektrodenanordnung (MEA) 110 kann eine Elektrolytmembran 112, und eine Kathodenelektrode 114 und eine Anodenelektrode (nicht gezeigt) aufweisen, welche jeweils auf beiden Seiten der Elektrolytmembran 112 gebildet sind. Die Membranelektrodenanordnung 110 kann dazu dienen, im Wesentlichen elektrische Ströme zu erzeugen, indem sie es ermöglicht, dass der Brennstoff durch einen Katalysator reagiert.
In dem Fall einer direkten Methanol-Brennstoffzelle (DMFC) können die chemischen Reaktionen, welche an jeder Elektrode auftreten, wie unten beschrieben sein. Anodenelektrode: CH₃OH + H₂O → CO₂ + 6H⁺ + 6e^– <Reaktionsgleichung 1> Kathodenelektrode: (3/2)O₂ + 6H⁺ + 6e^– → 3H₂O <Reaktionsgleichung 2> gesamte Reaktion: CH₃OH + (3/2)O₂ → 2H₂O + CO₂ <Reaktionsgleichung 3>
Elektrische Ströme können durch die obigen Reaktionen erzeugt werden, und Wasser kann an der Kathodenelektrode 114 produziert werden. Wie oben beschrieben, treten diese chemischen Reaktionen in einer direkten Methanol-Brennstoffzelle auf, und die Reaktionen, welche an jeder Elektrode stattfinden, können entsprechend der Art der Brennstoffzelle variieren.
Die Membranelektrodenanordnung 110 kann mit einem Paar von Trennelementen bedeckt sein, das heißt Platten 120, 130. In dieser Ausführung wird das Trennelement, welches die Kathodenelektrodenseite 114 bedeckt, als Kathodenplatte 130 bezeichnet, und das Trennelement, welches die Anodenseite bedeckt, wird als Anodenplatte 120 bezeichnet.
Die Anodenplatte 120 kann aus einem Kunststoffmaterial hergestellt sein, zum Beispiel Polycarbonat, Acetal, Acryl oder Polyetheretherketone (PEEK). Durch Ausbildung der Anodenplatte 120 mit Kunststoff kann ihr eine geringe Größe und ein kleines Gewicht verliehen werden. Auf diese Weise kann ein Stapel, welcher durch Stapeln von Einheitszellen gemäß dieser Ausführung gebildet ist, eine hohe Energieabgabe pro Volumen oder Gewicht bieten, und die Gesamtenergiedichte (Wh/l oder Wh/kg) kann vergrößert werden.
Brennstoffkanäle 122 können in der Anodenplatte 120 so eingeformt sein, dass Brennstoff der Anodenelektrode (nicht gezeigt) der Membranelektrodenanordnung 110 zugeführt werden kann.
Wenn die Anodenplatte 120 aus Kunststoffhergestellt ist, kann die Einheitszelle einen Stromkollektor 141 aufweisen, welcher elektrische Ladungen sammelt, die an den Elektroden erzeugt worden sind. Der Stromkollektor 141 kann es den an der Anodenelektrode erzeugten elektrischen Ladungen ermöglichen, sich zu der Kathodenelektrode 114 über den Schaltungsabschnitt zu bewegen.
Löcher 141c können in den Stromkollektor 141 eingeformt sein, welche zu den Brennstoffkanälen 122 korrespondieren, die in die Anodenplatte 120 eingeformt sind, so dass der Anodenelektrode Brennstoff von der Anodenplatte 120 zugeführt werden kann.
Der Stromkollektor 141 kann aus einem flexiblen Isolationslayer 141a und einem leitenden Überzugslayer (nicht gezeigt), der auf einer Oberfläche des flexiblen Isolationslayers 141a aufgeformt ist, aufweisen. Durch Verwendung eines flexiblen Isolationslayers 141a, zum Beispiel aus Polyimid, kann eine Einheitszelle dieser Ausführung dünn hergestellt werden, und eine wirksame elektrische Verbindung mit dem Schaltungsabschnitt (nicht gezeigt) kann erlangt werden.
Der leitende Überzugslayer (nicht gezeigt), welcher auf einer Oberfläche des flexiblen Isolationslayers 141a aufgeformt ist, kann hauptsächlich aus Gold oder Kupfer, welches hervorragende elektrische Leitfähigkeit aufweist, hergestellt sein. Durch Verwendung des Stromkollektors 141 können sich die an der Anodenelektrode erzeugten elektrischen Ladungen über den Schaltungsabschnitt zu der Kathodenelektrode 114 bewegen.
Ein klebender Leitungslayer (nicht gezeigt) kann zwischen der Anodenelektrode der Membranelektrodenanordnung 110 und dem Stromkollektor 141 eingefügt sein. Durch Anordnung dieses klebenden Leitungslayers (nicht gezeigt) zwischen die Anodenelektrode und den Stromkollektor 141 kann der Kontaktwiderstand zwischen den beiden reduziert werden.
Alternativ kann anstelle einer Verwendung des Stromkollektors 141 eines oben beschriebenen Aufbaus eine klebende leitende Metallfolie benutzt werden, welche einen klebenden Leitungslayer (nicht gezeigt) auf einer Seite und eine leitende Metallfolie auf der anderen Seite aufweist.
Eine Dichtung 151 kann zwischen der Anodenplatte 120 und der Membranelektrodenanordnung 110 zur Verhinderung von Leckage eingefügt sein. Dies liegt darin begründet, wie in 1 und 2 illustriert ist, dass, wenn die Elektrode als von der Oberfläche der Elektrolytmembran 112 hervorstehend ausgestaltet ist, es einen Höhenunterschied zwischen der Elektrode und der Elektrolytmembran gibt, was die Möglichkeit darstellt, dass die Membranelektrodenanordnung 110 und die Anodenplatte 120 nicht in dichtem Kontakt stehen. Somit kann es wünschenswert sein, dass die Dichtung 151 eine Vertiefung oder eine Öffnung aufweist, welche mit der Elektrodengestalt korrespondiert. In 1 und 2 ist eine Dichtung 151 illustriert, in welcher eine Öffnung eingebracht ist, die mit der Gestalt der Elektrode korrespondiert.
Die Kathodenplatte 130 kann ein Separationselement sein, welches die Seite der Kathodenelektrode 114 der Membranelektrodenanordnung 110 bedeckt und ähnlich zu der oben beschriebenen Anodenplatte 120 aus einem Kunststoffmaterial hergestellt sein kann. Luftkanäle 132 können in der Kathodenplatte 130 eingeformt sein, um der Kathodenelektrode 114 der Membranelektrodenanordnung 110 Luft zuzuführen.
Gerade was die oben beschriebene Anodenplatte 120 betrifft, kann, wenn die Kathodenplatte 130 aus einem Kunststoffmaterial geformt ist, ein separater Stromkollektor 142 bestückt sein. Der Stromkollektor 142 kann es den an der Anodenelektrode erzeugten elektrischen Ladungen gestatten, sich über den Schaltungsabschnitt zu der Kathodenelektrode 114 zu bewegen, er kann aus einem flexiblen Isolationslayer 142a und einem leitenden Überzugs- bzw. Metallisierungslayer 142b, welcher auf einer Oberfläche des flexiblen Isolationslayers 142a geformt ist, zusammengesetzt sein und kann darin eingeformte Löcher 142c aufweisen.
Da die Beschreibung dieses Stromkollektors 142 die gleiche ist wie die oben ausgeführte, werden in dieser Sache weitere Erörterungen nicht vorgesehen.
Zusätzlich kann auch ein klebender Leitungslayer (nicht gezeigt) zwischen der Kathodenelektrode 114 der Membranelektrodenanordnung 110 und dem Stromkollektor 142 eingefügt sein, um einen Reibungswiderstand zu verringern.
Auch eine Dichtung 152 kann zwischen die Kathodenplatte 130 und die Membranelektrodenanordnung 110 eingefügt sein, um den Brennstoff an einer Leckage zu hindern. Da die Beschreibung dieser Sache die gleiche ist wie diejenige für die Anodenelektroden und Anodenplatte 120, werden keine weiteren Ausführungen gemacht.
Die Kathodenplatte 130 und Anodenplatte 120 können miteinander unter Verwendung von Ultraschallschwingung verbunden sein. Für eine wirksame Anbringung unter Gebrauch von Ultraschallschwingung kann eine Schweißkante 136 auf der Kathodenplatte 130 oder Anodenplatte 120 geformt sein, welche eine scharfe Spitze und eine hervorstehende Form aufweist.
6 ist eine perspektivische Ansicht, welche einen Ultraschallverbindungsprozess zeigt und illustriert, wie eine Ultraschallschwingung auf zwei Platten 161, 162 unter Verwendung einer Ultraschallverbindungsvorrichtung 160a, 160b bereitgestellt wird.
Wie in 6 illustriert ist, werden, wenn die Kathodenplatte 130 und Anodenplatte 120 gegeneinander angeordnet sind und Druck aufgebracht wird, während Ultraschallschwingung unter Verwendung einer Ultraschallverbindungsvorrichtung 160a, 160b von der Oberseite und der Unterseite einer Position, wo die Schweißkante 136 geformt ist, aufgebracht, wird die Schweißkante 136 und eine Oberfläche, welche die Schweißkante 136 berührt, so zusammengeschmolzen, dass sie mit einander verbunden werden. Dieses Verbindungsverfahren kann Luftdichtigkeit liefern, wie auch eine ausreichende Verbindungsstärke zwischen der Kathodenplatte 130 und Anodenplatte 120.
7 sind Bilder, welche die Verbindungsgrenzfläche vor und nach einer Verbindung darstellen, und in 7 ist es ersichtlich, wie die Schweißkante und ein angrenzender Abschnitt so durch Ultraschallschwingung zusammengeschmolzen sind, dass das Plattenpaar miteinander verbunden ist.
Für eine dichtere Verbindung zwischen der Kathodenplatte 130 und Anodenplatte 120 kann die Schweißkante 136 längs des äußeren Umfangs der Kathodenplatte 130 oder der Anodenplatte 120 geformt sein. Wenn die Schweißkante längs des äußeren Umfangs einer Platte geformt ist und Ultraschallschwingung auf einen Abschnitt aufgebracht wird, in dem diese Schweißkante geformt ist, kann eine dichte Verbindung über der gesamten Kathodenplatte 130 und Anodenplatte 120 realisiert werden.
Ebenso können, wie in 4 und 5 illustriert ist, Absätze 124, 134 jeweils auf jedem der äußeren Umfänge der Kathodenplatte 130 und Anodenplatte 120 geformt sein, um einen ineinander greifenden Aufbau zu bilden. Indem die Kathodenplatte 130 und Anodenplatte 120 mittels dieser Absätze 124, 134 aneinander angebracht sind, können die Kathodenplatte 130 und Anodenplatte 120 mit größerer Leichtigkeit ausgerichtet werden, und die Zuverlässigkeit der Verbindung kann auch verbessert werden.
Die Absätze können einfach, wie in 4 illustriert ist, oder zweifach geformt sein, wie 5 illustriert. Natürlich kann der Aufbau gemäß Konstruktionsanforderungen variieren.
Der Aufbau einer Einheitszelle für eine Brennstoffzelle gemäß einem Aspekt der beanspruchten Erfindung ist oben beschrieben worden, und nun wird ein Verfahren zum Herstellen einer Einheitszelle für eine Brennstoffzelle gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung unten mit Bezugnahme auf 8 und 9, und auch mit Bezug auf 1 bis 7 für eine zweckdienliche Erläuterung beschrieben.
8 ist ein Flussdiagramm, welches ein Verfahren zum Herstellen einer Einheitszelle gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung darstellt, und 9 ist ein Ablaufdiagramm, welches ein Verfahren zum Herstellen einer Einheitszelle gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung zeigt. In 9 sind eine Membranelektrodenanordnung 110, einen Elektrolytmembran 112, eine Kathodenelektrode 114, eine Anodenplatte 120, Brennstoffkanäle 122, einen Kathodenplatte 130, Luftkanäle 132, Stromkollektoren 141, 142, Löcher 141c, 142c und Dichtungen 151, 152 illustriert.
Zuerst werden ein Plattenpaar und eine Membranelektrodenanordnung (MEA) so angeordnet, dass die Membranelektrodenanordnung zwischen dem Plattenpaar eingefügt wird (S10).
Die Membranelektrodenanordnung 110 kann eine Elektrolytmembran 112 und eine Kathodenelektrode 114 und eine Anodenelektrode (nicht gezeigt) aufweisen, welche jeweils auf jeder Seite der Elektrolytmembran geformt sind. Die Membranelektrodenanordnung 110 kann dazu dienen, im Wesentlichen elektrische Ströme zu erzeugen, indem sie es dem Brennstoff ermöglicht mit einem Katalysator zu reagieren.
Das Plattenpaar 120, 130 kann die Membranelektrodenanordnung 110 bedecken, und wie oben beschrieben wird das Separations- bzw. Trennelement, welches die Kathodenelektrode 114 bedeckt, als Kathodenplatte 130 bezeichnet, und das Separations- bzw. Trennelement, welches die Anodenelektrode (nicht dargestellt) bedeckt, als Anodenplatte 120 bezeichnet. Wie oben beschrieben können Brennstoffkanäle 122 und Luftkanäle 132 in diesen Platten für die Zufuhr von Brennstoff und Luft eingeformt sein. Diese ist in (a) von 9 illustriert.
Anschließend wird eine Ultraschallschwingung auf eine vorher festgelegte Position der Platten so aufgebracht, dass die Platten miteinander verbunden werden können (S20). Zur gleichen Zeit, zu der die Ultraschallschwingung zugeführt wird, kann eine vorher festgelegte Höhe an Druck ebenfalls aufgebracht werden, um die Anodenplatte 120 und Kathodenplatte 130 aneinander anzubringen. Die miteinander durch Ultraschallschwingung verbundenen Platten sind in (b) von 9 illustriert. Für eine wirksame Verbindung unter Verwendung von Ultraschallschwingung kann eine Schweißkante 136 an der Kathodenplatte 130 oder Anodenplatte 120 angeformt werden, welche eine scharfe Spitze und eine hervorspringende Form aufweist, wie in 2 illustriert ist. Für eine dichtere Verbindung zwischen der Kathodenplatte 130 und Anodenplatte 120 kann die Schweißkante 136 längs des äußeren Umfangs der Kathodenplatte 130 oder der Anodenplatte 120 geformt sein. Da die Beschreibung einer derartigen Schweißkante die gleiche ist wie diejenige, die oben beschrieben ist, werden in dieser Sache keine weiteren Erläuterungen gegeben.
Wie in 4 und 5 illustriert ist, können Absätze 124, 134 jeweils auf jedem der äußeren Umfänge der Kathodenplatte 130 und Anodenplatte 120 zur Bildung eines ineinander greifenden Aufbaus angeformt werden. Durch Verbinden der Kathodenplatte 130 und Anodenplatte 120 mittels dieser Absätze 124, 134 können die Kathodenplatte 130 und Anodenplatte 120 mit größerer Leichtigkeit ausgerichtet werden, und die Zuverlässigkeit der Verbindung kann ebenfalls verbessert werden.
Die Kathodenplatte 130 und Anodenplatte 120 können aus einem Kunststoff, wie zum Beispiel Polycarbonat, Acetal, Acryl oder Polyetheretherketonen (PEEK), hergestellt sein. Durch Formen der Platten aus Kunststoff können sie in geringen Größen und kleinem Gewicht ausgebildet werden, und auch die verbrauchte Energie kann bei der Verbindung unter Verwendung von Ultraschallschwingung minimiert werden.
Wenn die Platten so aus Kunststoffmaterialien hergestellt sind, können Stromkollektoren 141, 142 zwischen die Platten und die Membranelektrodenanordnung 110 so eingefügt werden, dass es Stromkollektoren 141, 142 bestückt sind, welche an den Elektroden erzeugte elektrische Ladungen sammeln. Die Stromkollektoren 141, 142 können es den an der Anodenelektrode (nicht gezeigt) erzeugten elektrischen Ladungen ermöglichen, sich über den Schaltungsabschnitt zu der Kathodenelektrode 114 bewegen. Da die Beschreibung dieser Stromkollektoren 141, 142 die gleiche ist wie diejenige, die oben angegeben ist, werden in dieser Sache keine weiteren Ausführungen gemacht.
Weiterhin können klebende Leitungslayer (nicht dargestellt) zwischen die Membranelektrodenanordnung 110 und die Stromkollektoren 141, 142 vor einer Verbindung der Platten eingefügt werden. Durch derartiges Einfügen von klebenden Leitungslagern (nicht gezeigt) zwischen die Anodenelektrode (nicht gezeigt) und die Stromkollektoren 141, 142 kann der Kontaktwiderstand reduziert werden.
Zusätzlich, um Brennstoffleckage zu verhindern, können Dichtungen 151, 152 zwischen die Platten und die Membranelektrodenanordnung 110 eingebracht werden. Der Grund hierfür besteht darin, dass, wenn wie in 1 und 2 illustriert die Elektroden von den Oberflächen der Elektrolytmembran 112 hervorstehend ausgestaltet sind, Höhenunterschiede zwischen den Elektroden und der Elektrolytmembran vorkommen können, was die Möglichkeit darstellen kann, dass die Membranelektrodenanordnung 110 und die Platten nicht in einem dichten Kontakt stehen können.
Unter Verwendung der Einheitszelle für eine oben beschriebene Brennstoffzelle kann ein Brennstoffzellensystem bereitgestellt werden, welches die Einheitszellen benutzt. 10 ist eine schematische Zeichnung, welche eine Brennstoffzelle gemäß eines noch weiteren Aspekts der vorliegenden Erfindung zeigt. In 10 sind eine Einheitszelle 210, ein Brennstoffzuführabschnitt 220, ein Luftzuführabschnitt 230 und ein Schaltungsabschnitt 240 dargestellt.
Während gerade eine Einheitszelle 210 benutzt werden kann, um elektrische Ströme zu erzeugen, kann ein Stapel (nicht dargestellt) für erhöhte Nutzleistung verwendet werden, in welchem die Einheitszellen 210 wiederholt gestapelt sind.
Der Brennstoffzuführabschnitt 220 kann dazu dienen, den Stapel, das heißt die Einheitszellen, mit Brennstoff zu versorgen, während der Luftzuführabschnitt 230 dazu dienen kann, dem Stapel Luft zuzuführen. Der Schaltungsabschnitt 240 kann mit den Stromkollektoren des Stapels verbunden sein, um eine Funktion als Kanal zu übernehmen, durch welchen sich die in dem Stapel erzeugten elektrischen Ladungen bewegen können.
Da der Aufbau der Einheitszellen und das Herstellverfahren davon, welche in einem Brennstoffzellensystem gemäß dieser Ausführung verwendet werden, die gleichen sind wie diejenigen, welche oben erläutert worden sind, werden in dieser Sache keine weiteren Erläuterungen angegeben.
Gemäß bestimmter Aspekte der Erfindung, wie oben dargelegt wurde, kann eine Ultraschallbefestigung benutzt werden, um eine gleichmäßige Druckverteilung zu schaffen und Luftdichtigkeit zu gewährleisten, wodurch eine Brennstoffleckage verhindert wird, wie auch kleinere und dünnere Brennstoffzellen ermöglicht werden.
Während der Sinn der Erfindung ausführlich mit Bezugnahme auf besondere Ausführungen beschrieben worden ist, sind die Ausführungen nur für illustrative Zwecke gedacht und schränken die Erfindung nicht ein. Es sollte klar sein, dass ein einschlägiger Fachmann die Ausführungen verändern oder modifizieren kann, ohne den Rahmen und Sinn der Erfindung zu verlassen.

Claims

Einheitszelle für eine Brennstoffzelle, wobei die Einheitszelle Folgendes aufweist: eine Membranelektrodenanordnung (MEA), welche eine Elektrolytmembran und ein Elektrodenpaar aufweist, die jeweils an beiden Seiten der Elektrolytmembran angeformt sind; ein Paar von Platten, welche aus Kunststoffhergestellt sind und aneinander mit der Membranelektrodenanordnung dazwischen eingefügt angebracht sind; einen Stromkollektor, welcher zwischen der Platte und der Membranelektrodenanordnung eingefügt angeordnet ist; und einen klebenden Leitungslayer, welcher zwischen der Membranelektrodenanordnung und dem Stromkollektor eingesetzt ist, wobei die Platten durch Ultraschallschwingung verbunden sind, wobei der Stromkollektor einen flexiblen Isolationslayer und einen leitenden Überzugslayer, der auf einer Oberfläche des flexiblen Isolationslayers aufgeformt ist, aufweist, wobei das Paar von Platten jeweils einen Absatz auf einem äußeren Umfang aufweist, wobei die Absätze für einen Eingriff miteinander ausgebildet sind.
Einheitszelle nach Anspruch 1, wobei die Platten aus zumindest einen Werkstoff aufweisen, welcher aus einer Gruppe ausgewählt ist, die aus Folgendem besteht: Polycarbonat, Acetal, Acryl und Polyetheretherketonen (PEEK).
Einheitszelle nach Anspruch 1, welche weiterhin eine zwischen der Platte und der Membranelektrodenanordnung eingebrachte Dichtung zur Verhinderung von Leckage aufweist.
Einheitszelle nach Anspruch 1, wobei der leitende Überzugslayer zumindest einen Werkstoff aufweist, welcher aus einer Gruppe ausgewählt ist, die aus Gold und Kupfer besteht.
Verfahren zum Herstellen einer Einheitszelle für eine Brennstoffzelle bereit, wobei das Verfahren folgende Verfahrensschritte aufweist: Anordnen eines Plattenpaares und einer Membranelektrodenanordnung dergestalt, dass die Membranelektrodenanordnung zwischen den Platten eingebracht wird; und Einfügen eines Stromkollektors zwischen die Platte und die Membranelektrodenanordnung vor einem Zuführen einer Ultraschallschwingung auf die Platte; Bilden eines klebenden Leitungslayers zwischen der Membranelektrodenanordnung und dem Stromkollektor, Zufrihren einer Ultraschallschwingung auf einen vorher festgelegten Punkt der Platten derart, dass die Platten miteinander verbunden werden, wobei der Stromkollektor einen flexiblen Isolationslayer und einen leitenden Überzugslayer, der auf einer Oberfläche des flexiblen Isolationslayers aufgeformt ist, aufweist wobei jede Platte des Plattenpaares einen Absatz auf einem äußeren Umfang aufweist, wobei die Absätze für einen Eingriff miteinander ausgebildet sind.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei die Platten aus Kunststoff hergestellt werden.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei die Platten zumindest einen Werkstoff aufweisen, welcher aus einer Gruppe ausgewählt ist, die aus Folgendem besteht: Polycarbonat, Acetal, Acryl und Polyetheretherketon (PEEK).
Verfahren nach Anspruch 5, weiterhin aufweisend: Einfügen einer Dichtung zwischen der Platte und der Membranelektrodenanordnung vor einem Zuführen einer Ultraschallschwingung auf die Platte.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei eine Schweißkante, welche von der Platte hervorsteht, an dem vorher festgelegten Punkt einer der Platten angeformt ist.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei die Schweißkante längs eines äußeren Umfangs der Platte angeformt ist.
Brennstoffzellensystem, welches Folgendes aufweist: mindestens eine Einheitszelle; einen Brennstoffzuführabschnitt, welcher für eine Zufuhr von Brennstoff zu der Einheitszelle ausgebildet ist, wobei der Brennstoff Wasserstoff aufweist; einen Luftzuführabschnitt, welcher für eine Zufuhr von Luft zu der Einheitszelle ausgebildet ist; und einen Schaltungsabschnitt, welcher mit der Einheitszelle elektrisch verbunden ist, wobei die Einheitszelle Folgendes aufweist: eine Membranelektrodenanordnung (MEA), welche eine Elektrolytmembran und ein Elektrodenpaar aufweist, die an beiden Seiten der Elektrolytmembran angeformt sind; ein Paar von Platten, die aus Kunststoffhergestellt sind und aneinander mit der Membranelektrodenanordnung dazwischen eingefügt angebracht sind; und einen Stromkollektor, welcher zwischen der Platte und der Membranelektrodenanordnung angeordnet ist; und einen klebenden Leitungslayer aufweisen, welcher zwischen der Membranelektrodenanordnung und dem Stromkollektor eingesetzt ist, wobei die Platten durch Ultraschallschwingung verbunden worden sind, wobei der Stromkollektor einen flexiblen Isolationslayer und einen leitenden Überzugslayer, der auf einer Oberfläche des flexiblen Isolationslayers aufgeformt ist, aufweist, wobei das Paar von Platten jeweils einen Absatz auf einem äußeren Umfang aufweist, wobei die Absätze für einen Eingriff miteinander ausgebildet sind.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 11, welches eine Vielzahl der Einheitszellen aufweist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 11, wobei die Platten zumindest einen Werkstoff aufweisen, welcher aus einer Gruppe ausgewählt ist, die aus Folgendem besteht: Polycarbonat, Acetal, Acryl und Polyetheretherketon (PEEK).
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 11, welches weiterhin eine zwischen der Platte und der Membranelektrodenanordnung eingebrachte Dichtung zur Verhinderung von Leckage aufweist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 11, wobei der leitende Überzugslayer zumindest einen Werkstoff aufweist, welcher aus einer Gruppe ausgewählt ist, die aus Gold und Kupfer besteht.